謝 杰，譚宏偉，郝曉峰，李賢軍，熊幸陽(yáng)，鄭 敏，全 鵬

（1.中南林業(yè)科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.大自然家居（中國(guó)）有限公司，廣東 佛山 528000）

白橡木作為世界上最主要的商品木之一，具有力學(xué)強(qiáng)度大、耐腐等級(jí)高和機(jī)加工性能好等優(yōu)點(diǎn)，是制造家具和實(shí)木地板的優(yōu)良原材料，但由于存在干縮濕脹、尺寸穩(wěn)定性欠佳的不良特性，難以滿足地?zé)岬匕宓闹圃煲?。?guó)內(nèi)外學(xué)者迄今為止探究了很多改善實(shí)木尺寸穩(wěn)定性的方法，如浸漬、乙?；吞炕幚淼?，這些方法通常會(huì)導(dǎo)致木材環(huán)保性或強(qiáng)度的降低，因此如何高效高質(zhì)地改良尺寸穩(wěn)定性是提高白橡木材附加值的關(guān)鍵[1]。

熱壓干燥是一種利用壓機(jī)熱壓板接觸木材進(jìn)行傳熱的干燥方式，最初用于薄板的干燥，20世紀(jì)50年代開始用于厚單板及鋸材的干燥[2]。熱壓干燥具有傳熱均勻、干燥速率高和翹曲缺陷少等優(yōu)點(diǎn)，由于壓力和溫度的作用，還能對(duì)木材產(chǎn)生壓密化和熱處理等改性效果，提高木材密度、強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性。我國(guó)對(duì)木材熱壓干燥的研究始于20世紀(jì)80年代，目前已有學(xué)者對(duì)鋸材熱壓干燥的工藝、特性及熱壓干燥材的性能展開了一系列研究[5-9]。鄔飛宇等人[10]的研究表明，通過(guò)熱壓干燥對(duì)木材進(jìn)行干燥、密實(shí)和炭化等一體化處理，能實(shí)現(xiàn)木材的高效干燥和尺寸穩(wěn)定性改良，但對(duì)含水率較高的難干闊葉材進(jìn)行熱壓干燥時(shí)，木材易出現(xiàn)嚴(yán)重的干燥缺陷，不能滿足后續(xù)處理和加工要求[11]。Simpson等國(guó)外學(xué)者較系統(tǒng)地研究了初含水率、板材下鋸方式等因素對(duì)木材熱壓干燥缺陷的影響，而國(guó)內(nèi)相關(guān)的研究還較欠缺[12-15]。本研究擬以國(guó)產(chǎn)白橡鋸材為研究對(duì)象，采用平板熱壓機(jī)對(duì)其進(jìn)行干燥處理，系統(tǒng)研究初含水率對(duì)木材溫變特性、干燥速率、干縮特性、干燥缺陷和微觀構(gòu)造的影響規(guī)律，探明白橡鋸材的熱壓干燥特性，以期為白橡木材的高效熱壓干燥與改性處理技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用及白橡木材的高附加值利用提供科學(xué)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究所用試材為初含水率60% ～100%的白橡Quercus mongolica濕材，規(guī)格為950 mm（長(zhǎng)）× 25 mm（厚）× 150 mm（寬）。試驗(yàn)前，選取無(wú)腐朽、無(wú)開裂和無(wú)變色等可見缺陷的弦切板，將其加工成規(guī)格為450 mm（長(zhǎng)）× 20 mm（厚）×60 mm（寬）的四面光試件，同時(shí)在每塊試件兩端鋸下對(duì)應(yīng)的含水率試片，用于推算各試件的含水率和絕干質(zhì)量。

1.2 儀器與設(shè)備

智能實(shí)驗(yàn)壓機(jī)：蘇州卓華機(jī)電公司，SYYJ-50×50。多通道溫度在線檢測(cè)儀：昌暉自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司，SWP-RLK。鎧裝熱電偶：顏歷自動(dòng)化儀表有限公司，WRNK-191。電熱鼓風(fēng)干燥箱：泰斯特儀器股份有限公司，101-3AB。掃描電子顯微鏡：日本電子株式會(huì)社，JSM-6380LV。體視顯微鏡：深圳安東星科技有限公司，503+。

1.3 方法與步驟

將試件分為4組，分別室干至設(shè)定的熱壓干燥初含水率水平（70%、50%、30%和室內(nèi)環(huán)境平衡含水率），然后用塑料薄膜包裹冷藏若干天，使木材內(nèi)部水分均勻。設(shè)定熱壓溫度為140 ℃，熱壓壓力為0.1 MPa，熱壓時(shí)間為4 h，每組熱壓4塊重復(fù)試件。熱壓前對(duì)各組試件編號(hào)、劃線，測(cè)量試件初始質(zhì)量、寬度和厚度。每組取2塊試件在其側(cè)面4個(gè)位置沿寬度方向鉆孔（如圖1所示），孔深30 mm，孔徑1.5 mm?？變?nèi)插入直徑為1 mm的熱電偶探針后用耐高溫環(huán)氧樹脂膠固定，探針末端與孔底部緊密接觸，熱電偶接線端與多通道溫度在線檢測(cè)儀相連。熱壓干燥過(guò)程中每5 min記錄木材內(nèi)部各位置的溫度，每30 min取出另外2塊未接熱電偶的試件稱質(zhì)量。熱壓完畢后檢查試件的開裂和皺縮等干燥缺陷，測(cè)量干燥后試件的寬度、厚度并計(jì)算干縮率和干縮系數(shù)，再?gòu)拿總€(gè)試件中部和兩端鋸切含水率試片，測(cè)量其終了含水率并反推干燥過(guò)程中試件的含水率變化，最后利用掃描電子顯微鏡和體視顯微鏡對(duì)熱壓干燥處理材和對(duì)照材試樣的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察分析。

圖 1 測(cè)溫鉆孔位置示意Fig.1 Schematic diagram of temperature measuring positions

2 結(jié)果與分析

2.1 初含水率對(duì)木材溫變特性和干燥速率的影響

圖2 試件內(nèi)部不同位置的升溫過(guò)程Fig.2 Temperature changes at different positions inside cuttings

不同初含水率（MCi）的白橡試件在熱壓過(guò)程中內(nèi)部各位置升溫過(guò)程曲線如圖2所示。由圖2可知，試件熱壓時(shí)1/4厚度層比1/2厚度層（中心層）升溫更快，但長(zhǎng)度方向上不同位置的升溫曲線基本重合。在本試驗(yàn)條件下，初含水率在纖維飽和點(diǎn)（FSP）以上的3組試件其升溫過(guò)程可分為4個(gè)階段：①快速升溫段。各處溫度在熱壓開始后10～15 min由室溫上升至100℃（常壓下水的沸點(diǎn)）。②沸點(diǎn)溫度保持段。試件內(nèi)部各處溫度上升至沸點(diǎn)后，中心層溫度保持在沸點(diǎn)，保持長(zhǎng)度與試件初含水率呈正相關(guān)，初含水率從31%增加到75%，保持時(shí)間從30 min增加到90 min；而1/4厚度層的溫度則越過(guò)沸點(diǎn)繼續(xù)緩慢上升。③慢速升溫段。試件內(nèi)部各處溫度逐漸上升至接近壓板溫度。④壓板溫度保持段。試件內(nèi)部各處溫度上升至與壓板溫度相差1～2℃后保持恒定[16]。對(duì)于初含水率低于FSP的一組試件，其升溫過(guò)程基本不含階段②，試件快速升溫至沸點(diǎn)后繼續(xù)緩慢升溫至壓板溫度。根據(jù)YF Tang建立的熱壓干燥數(shù)值模型[17-19]，濕材接觸壓板后，表面含水率迅速下降，表面溫度迅速上升至接近壓板溫度，木材內(nèi)部形成分隔干區(qū)和濕區(qū)的水分蒸發(fā)界面。隨著干燥的進(jìn)行，蒸發(fā)界面對(duì)稱向木材中心移動(dòng)，干區(qū)含水率低于FSP，溫度逐漸上升至熱壓板溫度；濕區(qū)含水率高于FSP，因自由水的沸騰而暫時(shí)保持在沸點(diǎn)溫度。所以對(duì)于初含水率高于FSP的試件，熱壓時(shí)因濕區(qū)自由水的沸騰，其中心層存在沸點(diǎn)溫度保持段，當(dāng)中心層溫度開始從沸點(diǎn)繼續(xù)上升，即意味著試件中全部自由水蒸發(fā)完畢；而初含水率在FSP以下、不含自由水的氣干試件，其中心層升溫過(guò)程中不含沸點(diǎn)保持階段。對(duì)于所有不同初含水率的試件，中心層溫度最后上升至接近壓板溫度，理論上此時(shí)含水率接近絕干。圖3描述了不同初含水率的白橡試件熱壓時(shí)的中心層升溫過(guò)程和含水率變化過(guò)程。從對(duì)升溫過(guò)程的分析可知這兩個(gè)過(guò)程都受到木材初含水率的影響，且相互聯(lián)系。初含水率高于FSP的試件其含水率變化過(guò)程可分為兩個(gè)階段：①恒速快速干燥段（對(duì)應(yīng)升溫階段①和②）。由于接觸式傳熱效率高，試件在接觸壓板10～15 min后，內(nèi)部自由水便受熱沸騰產(chǎn)生大量水蒸氣，在較大的壓力梯度下快速排出。整個(gè)沸點(diǎn)保持階段即是因自由水的沸騰形成的，在該階段中后期，雖然試件表層含水率下降至FSP以下，芯層存在的自由水仍能在沸騰后快速?gòu)脑嚰啥伺懦觯蚨傮w上保持較快的干燥速率，且干燥速率基本保持恒定；②減速干燥段（對(duì)應(yīng)升溫階段③和④）。此時(shí)試件內(nèi)部只剩自由水，水分的移動(dòng)主要是含水率梯度下的擴(kuò)散，干燥速率降低，而中心層溫度緩慢上升。初含水率低于FSP的試件內(nèi)部不含自由水，無(wú)干燥階段①。對(duì)于所有不同初含水率的試件，當(dāng)中心層溫度升至接近140 ℃的壓板溫度并保持穩(wěn)定時(shí)，含水率均下降至2%左右，干燥速率降至0.001%/min以下，由此可知通過(guò)試件的中心層溫度可以監(jiān)測(cè)木材熱壓干燥終點(diǎn)。整體上白橡的熱壓干燥速率非?？?，將初含水率為71%、51%、30%和14%的試件干燥到2%以下所需的平均干燥時(shí)間分別為210、180、150和120 min，平均干燥速率分別為0.33、0.27、0.19和0.10 %/min，在相同的熱壓條件下，初含水率越高的試件達(dá)到同樣終了含水率的時(shí)間更長(zhǎng)，但試件的平均干燥速率也更快，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果和Mataki的研究是一致的[20]。這主要是因?yàn)橐簯B(tài)水的熱傳導(dǎo)系數(shù)比木材更高，初含水率越高的試件在干燥前期能夠吸收更多的熱量使內(nèi)部水分更快排出。

2.2 初含水率對(duì)木材干燥缺陷的影響

圖3 不同初含水率試件的中心層升溫過(guò)程和含水率變化Fig.3 Temperature changes at the center layer and drying time curves of samples with different initial MCs

圖 4 初含水率與試件截面變形和內(nèi)裂數(shù)量的關(guān)系Fig.4 Dependence of collapse depth and number of heart checks on initial MC

熱壓干燥后的白橡試件表面平整，無(wú)表裂，僅有少量端裂，但會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的內(nèi)裂和皺縮缺陷。熱壓干燥后試件的截面變形和內(nèi)裂數(shù)量如圖4所示。由圖4可知，當(dāng)試件初含水率在28%～75%范圍內(nèi)時(shí)，熱壓后有較大的截面變形和大量?jī)?nèi)裂產(chǎn)生；而當(dāng)初含水率降至15%以下時(shí)，木材熱壓后的截面變形明顯減小，且不產(chǎn)生內(nèi)裂缺陷，與初含水率為73%的試件相比，初含水率為14%的試件其截面變形值可減少45.35%～96.6%。這是因?yàn)榘紫饘儆谫|(zhì)地密實(shí)的硬闊葉材，導(dǎo)管和紋孔中填充物含量高，水分滲透性差。熱壓干燥時(shí)濕材表層因水分快速沸騰流失而結(jié)殼固化，使木材芯層在干燥后期受到較大拉應(yīng)力，形成內(nèi)裂；干燥過(guò)程中，由于濕線的推進(jìn)十分迅速，干燥初期表層因干縮受到的單位面積拉應(yīng)力很小，因此熱壓干燥的表裂等初期開裂較少；而內(nèi)部大量自由水的快速流動(dòng)形成的毛細(xì)張力則引起細(xì)胞塌陷，產(chǎn)生皺縮。當(dāng)初含水率減少至FSP以下，木材熱壓干燥時(shí)的含水率梯度和內(nèi)應(yīng)力也會(huì)明顯減小，從而使內(nèi)裂減少；由于不含自由水，因液體表面張力引起的皺縮也減輕。除了初含水率以外，溫度也是可能影響木材熱壓干燥質(zhì)量的一個(gè)重要因素，但在前期實(shí)驗(yàn)中觀察到以110 ℃的較低熱壓溫度干燥初含水率在30%左右的白橡試件依舊會(huì)導(dǎo)致大量?jī)?nèi)裂和明顯的皺縮。因此在用熱壓法對(duì)白橡木材進(jìn)行快速干燥前，應(yīng)先通過(guò)氣干或窯干等方式將木材的初含水率控制在使熱壓干燥材的質(zhì)量能滿足后續(xù)加工制造要求的安全范圍內(nèi)，在本實(shí)驗(yàn)條件下得出的白橡熱壓干燥的最大安全初含水率為15%。

2.3 初含水率對(duì)木材干縮特性的影響

白橡試件熱壓干燥的寬度和厚度干縮系數(shù)如圖5所示。隨著初含水率的增加，木材厚度干縮系數(shù)呈增加趨勢(shì)，而寬度干縮系數(shù)則呈下降趨勢(shì)。當(dāng)試件的平均初含水率從14%增加到75%，試件的平均厚度干縮系數(shù)由0.168%增加到0.401%，增加了138.7%；試件的平均寬度干縮系數(shù)由0.232%減少到0.121%，減少了47.8%。數(shù)據(jù)表明，含水率較高的木材在進(jìn)行熱壓干燥后會(huì)產(chǎn)生較大的厚度壓縮，造成一定的材積損失。根據(jù)日本學(xué)者飯?zhí)锏挠^點(diǎn)，木材細(xì)胞壁中由半纖維素和木質(zhì)素組成的聚合物基體結(jié)構(gòu)具有非晶態(tài)聚合物的屬性，在高濕狀態(tài)下其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度會(huì)顯著降低，高溫下易轉(zhuǎn)化成高彈性的橡膠態(tài)。正是該機(jī)理導(dǎo)致初含水率高的木材在熱壓時(shí)受壓力作用發(fā)生較大變形，厚度方向產(chǎn)生遠(yuǎn)大于正常干縮的壓縮，木材初含水率越高，聚合物基體的橡膠態(tài)轉(zhuǎn)化程度越高，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，厚度上的壓縮越大[21-22]。而由于材料的泊松效應(yīng)，厚度上的收縮增大時(shí)，寬度上收縮受到的抑制也隨之增加，因此木材在寬度方向上的干縮隨初含水率增加而降低，這與孫照斌對(duì)竹材進(jìn)行熱壓干燥研究的結(jié)果是一致的[23]。

圖 5 初含水率與試件干縮系數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relationship between shrinkage coef ficient and initial MC

2.4 初含水率對(duì)木材微觀構(gòu)造的影響

利用掃描電鏡和體視顯微鏡對(duì)白橡素材和初含水率較高的熱壓干燥材橫切面進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖6和圖7所示。由圖6可知，熱壓干燥后木纖維細(xì)胞腔橫截面和晚材小管孔的變形不明顯，而早材大管孔有輕微的壓縮變形。從圖6-b還可以看出，初含水率較高的白橡試件在熱壓后出現(xiàn)的內(nèi)裂是沿木射線生成的，這是因?yàn)槟旧渚€作為橫向細(xì)胞，與木材其他縱向細(xì)胞呈交叉排列，其連接強(qiáng)度遠(yuǎn)比縱向細(xì)胞間的連接強(qiáng)度小。

3 結(jié) 論

圖 6 素材和熱壓干燥材體視顯微鏡照片F(xiàn)ig.6 SEM micrographs of press dried and untreated wood samples

圖 7 熱壓干燥材電鏡照片F(xiàn)ig.7 SEM micrographs of the press dried wood samples

本研究以國(guó)產(chǎn)白橡鋸材為研究對(duì)象，采用平板熱壓機(jī)對(duì)其進(jìn)行干燥處理，系統(tǒng)研究了初含水率對(duì)木材溫變特性、干燥速率、干縮特性、干燥缺陷和微觀構(gòu)造的影響規(guī)律，探明了白橡鋸材的熱壓干燥特性。研究結(jié)果表明：

（1）熱壓干燥是一種快速干燥方法，在溫度為140 ℃、壓力為0.1 MPa的熱壓條件下將初含水率為14%～75%的白橡木材干燥到2%以下終了含水率僅需120～210 min。初含水率越高的試件所需的干燥時(shí)間越長(zhǎng)，但試件的平均干燥速率也顯著加快。

（2）木材的熱壓干燥的升溫過(guò)程與含水率變化過(guò)程表明，當(dāng)木材終了含水率較低時(shí)，通過(guò)木材的中心層溫度可以監(jiān)測(cè)其干燥終點(diǎn)，該溫度檢測(cè)法比檢驗(yàn)板法更方便，比采用含水率探針更準(zhǔn)確。

（3）初含水率較高的木材在熱壓后會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重內(nèi)裂和皺縮缺陷，僅當(dāng)木材初含水率降至15%以下時(shí)不產(chǎn)生內(nèi)裂，另外厚度上的壓縮也隨初含水率增加而顯著增加。

（4）通過(guò)觀察橫切面微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)初含水率高的木材在熱壓干燥后的內(nèi)裂沿木射線生成，其早材部位的大管孔可觀察到明顯壓縮。

根據(jù)上述研究分析結(jié)果可知，為了保證白橡材的熱壓干燥質(zhì)量，需先探明其最大安全初含水率。進(jìn)行白橡鋸材的工業(yè)化干燥時(shí)，可采用氣干／窰干—壓干聯(lián)合干燥的方法，即先將木材預(yù)干至其安全初含水率范圍再進(jìn)行熱壓干燥，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)高效干燥。但由于本研究選取的白橡木材的初含水率水平較少，其更確切的最大安全初含水率還有待進(jìn)一步探究，以達(dá)到生產(chǎn)效益的最優(yōu)化。