周 凡，高 鑫，付宗營，高玉發(fā)，周永東

(中國林業(yè)科學(xué)研究院 木材工業(yè)研究所，北京 100091)

火力楠(Micheliamacclurei)又名醉香含笑，為木蘭科(Magnoliaceae)常綠喬木，是我國南方地區(qū)重要的優(yōu)良鄉(xiāng)土闊葉珍貴用材和多功能高效益樹種，具有生長迅速、適應(yīng)性較強(qiáng)、病蟲害較少、干形通直、出材率高和木材質(zhì)優(yōu)等優(yōu)良特性，被廣泛應(yīng)用于家具、工藝品、膠合板和建筑等行業(yè)[1-5]。

國內(nèi)對火力楠的研究始于20世紀(jì)80年代，主要集中在生長培育、生物學(xué)特性、施肥、繁育和混交造林等方面[2-8]。木材干燥是合理高效利用木材的重要前提，是木材加工行業(yè)生產(chǎn)過程不可缺少的重要工序[9]。對木材進(jìn)行科學(xué)合理的干燥有利于其增值利用。合理確定和選擇木材的干燥基準(zhǔn)是木材干燥生產(chǎn)中質(zhì)量和產(chǎn)量的保證[10]。百度試驗(yàn)法常用于不同類型材種干燥特性的研究以及新材種干燥基準(zhǔn)的快速制定[10-14]。目前國內(nèi)針對火力楠木材干燥方面的研究，符韻林等[15]采用百度試驗(yàn)法分析了火力楠木材的干燥特性，研究所用的木材徑級較小(胸徑14～24 cm)?；鹆﹂浅＿m宜培育大徑材，為高檔家具和建筑等用材[4,7]。因此，本研究針對我國種植的大徑級火力楠，首先利用百度試驗(yàn)法研究其木材基礎(chǔ)干燥特性，然后采用實(shí)驗(yàn)室木材干燥設(shè)備探索分別適合25 mm和40 mm厚火力楠鋸材的常規(guī)干燥工藝基準(zhǔn)，以期為火力楠木材的實(shí)際開發(fā)和利用提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

火力楠采自廣東省茂名市高州市石板鎮(zhèn)，平均胸徑35 cm。百度試驗(yàn)用試樣，選擇無缺陷的弦切板生材，取材于板材中間，兩端是新鋸開截面，四面刨光，尺寸為200 mm×100 mm×20 mm(L×T×R)，試件數(shù)量6塊，初含水率為95.7%±7.3%。干燥工藝試驗(yàn)用鋸材，采用生材直接加工成尺寸為900 mm×120 mm×25 mm(L×W×H)和900 mm×120 mm×40 mm(L×W×H)的板材，初含水率為78.4%±13.1%。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 百度試驗(yàn)法 百度試驗(yàn)參照文獻(xiàn)[16]進(jìn)行。試件加工后立即標(biāo)明測點(diǎn)位置，測量尺寸和質(zhì)量，分別精確至0.01 mm和0.01 g。將試件沿紋理方向水平豎立于鼓風(fēng)干燥箱中在100℃±2℃下干燥。干燥過程中，定時(shí)測量試件質(zhì)量并記錄其初期開裂(包括端裂、端表裂、表裂、貫通裂)情況。干燥初期每隔1～2 h觀測1次直到裂紋發(fā)展到最大；當(dāng)裂紋開始愈合時(shí)，觀測間隔延長至4～8 h或更長。待2次間隔測得試件質(zhì)量基本相同，認(rèn)為試件達(dá)到絕干，停止干燥。待試件冷卻后，將其平放在平板并使其三角著板，量其另一角偏離平板的高度作為扭曲變形值。根據(jù)試件各測點(diǎn)干燥前后的尺寸變化，計(jì)算干縮特性。將試樣在其中心位置沿長度方向截取15 mm試片，用烘干法測定試片含水率作為試件的最終含水率，結(jié)合試件終重計(jì)算其絕干重，從而推算干燥過程中試件的含水率變化。同時(shí)在新截?cái)嗝?，檢查試件的內(nèi)裂情況，并測量側(cè)邊厚度與鄰邊下凹處厚度差為截面變形值。

1.2.2 干燥工藝試驗(yàn) 干燥工藝試驗(yàn)采用HD 74/TA II型木材干燥試驗(yàn)機(jī)，由電熱鍋爐生產(chǎn)0.6 MPa蒸汽，通過翅片管式加熱器加熱，噴蒸管噴蒸加濕，通過變頻器調(diào)節(jié)控制材堆內(nèi)風(fēng)速。該加熱、加濕方式與企業(yè)生產(chǎn)常用的常規(guī)干燥設(shè)備一致；通風(fēng)方式與頂風(fēng)機(jī)型干燥設(shè)備一致。干燥試驗(yàn)每次裝材42塊，材堆尺寸900 mm×800 mm×800 mm(L×W×H)，材堆頂部放置不銹鋼壓重，試驗(yàn)風(fēng)速為1.5 m·s-1，與企業(yè)干燥生產(chǎn)用風(fēng)速接近。干燥過程，通過干燥機(jī)系統(tǒng)自動控制窯內(nèi)的干濕球溫度，當(dāng)木材含水率達(dá)到當(dāng)前干燥階段含水率終點(diǎn)時(shí)，控制進(jìn)入下一干燥階段。參照LY/T 1068-2012《鋸材窯干工藝規(guī)程》，選擇6塊檢驗(yàn)板，定時(shí)取出稱質(zhì)量，推算干燥過程中木材的含水率變化。干燥結(jié)束，依照GB/T 6491-2012《鋸材干燥質(zhì)量》檢測全部干燥鋸材的可見干燥缺陷，對6塊檢驗(yàn)板和從材堆中隨機(jī)抽取的6塊鋸材檢測最終含水率、分層含水率和干燥殘余應(yīng)力指標(biāo)。

2 結(jié)果與分析

2.1 木材干燥特性

對火力楠木材百度試驗(yàn)的干燥缺陷情況和干燥時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并依據(jù)百度試驗(yàn)法的分級標(biāo)準(zhǔn)[16]，評定試件的干燥特性等級(表1)。

表1 火力楠木材百度試驗(yàn)干燥特性及等級Table 1 Grades of drying defects and drying time in 100℃ test of M.macclurei wood

2.1.1 初期開裂 火力楠木材的初含水率較高，所有試件在干燥1 h左右出現(xiàn)細(xì)微端面裂紋，在2 h左右出現(xiàn)端表裂。隨著干燥繼續(xù)，裂紋的數(shù)量和尺寸發(fā)展，初期開裂在干燥4 h左右集中出現(xiàn)，此時(shí)試件的含水率53.1%；在干燥8～10 h達(dá)到最大，此時(shí)試件含水率為26.8%～33.1%。之后隨著含水率的繼續(xù)降低，木材內(nèi)部開始收縮，初期開裂逐漸閉合[17]，在干燥60 h左右，所有裂紋基本愈合。整個(gè)干燥過程，試件僅出現(xiàn)端裂和端表裂，且所有裂紋最大寬度<2 mm，最大長度<5 cm。按照百度試驗(yàn)的分級標(biāo)準(zhǔn)，火力楠木材初期開裂等級為2級。干燥過程可通過適當(dāng)減小干燥初期溫度及干濕球溫度差來控制木材開裂，保證干燥質(zhì)量。

2.1.2 內(nèi)部開裂 內(nèi)裂是一種較嚴(yán)重的干燥缺陷。可能是試件干燥過程木材內(nèi)水分排除均勻，木材內(nèi)部均勻收縮，因此所有試件均未出現(xiàn)內(nèi)部開裂情況，內(nèi)裂等級均為1級。

2.1.3 截面變形 試件截面變形值為0.23～0.38 mm，變形等級均為1級。截面變形主要是干燥過程中木材表層與內(nèi)層水分存在差異及表層硬化引起[18]?？赡苁腔鹆﹂馁|(zhì)細(xì)膩均勻[2]，木材表層及內(nèi)層收縮差異不大，因此截面變形程度較輕。

2.1.4 扭曲變形 火力楠試件的扭曲變形值為0.1～0.8 mm，變形等級為1～2級，其中1級占66.7%，2級占33.3%；綜合考慮為2級。干燥過程扭曲變形是板材紋理不通直等導(dǎo)致板材各部位的干縮差異引起[19]。干燥過程可通過終了處理或在材堆頂部進(jìn)行壓重物以機(jī)械抑制的方法來減小扭曲變形[20]。

2.1.5 干縮特性 百度試驗(yàn)法測定的木材干縮特性(以干縮時(shí)含水率30%計(jì)算)見表2。木材徑向、弦向和體積干縮率分別為3.62%、4.53%和8.50%，弦向和徑向差異干縮為1.25。木材徑向、弦向和體積干縮系數(shù)分別為0.121%、0.151%和0.283%。木材含水率15%時(shí)密度為0.679 g·cm-3。根據(jù)材性分級標(biāo)準(zhǔn)[21]，火力楠木材的差異干縮等級屬“很小”(<1.4)，體積干縮系數(shù)也屬“很小”(<0.35)，密度屬中等(0.551～0.750 g·cm-3)。干縮特性反映木材的開裂和變形情況，因此火力楠木材在干燥時(shí)產(chǎn)生翹曲和開裂的趨勢相對較小。

表2 百度試驗(yàn)測定火力楠木材干縮特性Table 2 The shrinkage characteristics of M.macclurei wood in 100℃ test

2.1.6 干燥速度 百度試驗(yàn)過程試件含水率變化見圖1。試件從平均初含水率95.7%干至30.0%，平均用時(shí)9.0 h，干燥速率7.3%·h-1；從30%干至5%用時(shí)16.3 h，干燥速率1.5%·h-1；從5%干至1%用時(shí)49.3 h，干燥速率0.1%·h-1。干燥前期主要是木材中的自由水在毛細(xì)管張力作用下，由內(nèi)部移動至表層蒸發(fā)；干燥中后期木材中吸著水蒸發(fā)，水蒸發(fā)阻力增大，導(dǎo)致干燥速率降低。試件干燥用時(shí)等級為2～3級，其中，3級占66.7%，2級占33.3%；綜合考慮為3級，速度中等。干燥速度表征木材干燥的難易程度，反映木材內(nèi)部水分向外流動的快慢，與木材的材質(zhì)與構(gòu)造有關(guān)[22]。

圖1 百度試驗(yàn)干燥過程火力楠木材含水率變化Fig.1 Drying curve of M.macclurei wood in 100℃ test process

2.2 擬定木材干燥基本條件

參照百度試驗(yàn)干燥缺陷等級對應(yīng)干燥條件[16,19]，獲得火力楠木材的干燥初終期溫度條件(表3)。從所列條件中選出最低值為干燥的基本條件，即初期溫度70℃，初期干濕球溫差4℃～6℃，末期溫度95℃。

表3 百度試驗(yàn)測定火力楠木材干燥條件Table 3 Drying conditions corresponding to defects grades of M.macclurei wood in 100℃ test

木材密度直接關(guān)系木材的力學(xué)強(qiáng)度、加工性能和產(chǎn)品質(zhì)量。因此參考闊葉材密度與干燥條件的對應(yīng)關(guān)系[23]，獲得火力楠適合的干燥基準(zhǔn)編號為6-4-3或T6-D3：(溫度編號=13.7-13.6×0.567=5.99≈6；含水率編號=4.51-1.56×0.567=3.63≈4；干濕球溫差編號=5.20-3.95×0.567=2.96≈3)。具體對應(yīng)干燥初期溫度49℃，初期干濕球溫差3℃，末期溫度71℃。

綜上，確定火力楠常規(guī)干燥基準(zhǔn)的基本條件為：初期溫度60℃，初期干濕球溫差4℃，末期溫度80℃。

2.3 鋸材干燥工藝試驗(yàn)

2.3.1 干燥基準(zhǔn)制定 根據(jù)火力楠木材干燥的基本條件，參照國家林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)LY/T 1068-2012《鋸材窯干工藝規(guī)程》中闊葉材干燥基準(zhǔn)的一般編制原則，制定25～30 mm厚火力楠鋸材干燥基準(zhǔn)(表4)。一般成材干燥多為家具用材[24]，故而制定25～30 mm厚木材干燥基準(zhǔn)。在含水率>50%時(shí)，干燥初期干濕球溫差4℃。提高溫度降低濕度才能有效蒸發(fā)結(jié)合水，提高干燥效率[25]。干燥后期各階段間緩慢升溫，升溫幅度適當(dāng)加大，以提高干燥效率。當(dāng)含水率降至30%后，含水率每降低5%，干球溫度升高5℃，干濕球溫差增加1.3～1.6倍，整個(gè)干燥過程干濕球溫差最大22℃。為了保證每次干燥鋸材最終含水率的均勻性，在干燥末期實(shí)施最終處理[26]。末期平衡處理以及終了處理溫度設(shè)為85℃，高溫有利于鋸材中水分的移動以及殘余應(yīng)力的釋放。

表4 25～30 mm厚火力楠鋸材干燥基準(zhǔn)Table 4 Drying schedule of 25-30 mm thick M.macclurei timber

依據(jù)25～30 mm厚鋸材干燥基準(zhǔn)，制定40 mm厚火力楠鋸材干燥基準(zhǔn)(表5)。降低初期干燥溫度為55℃，初期干濕球溫差為3℃，末期平衡處理以及終了處理的溫度為80℃。依照GB/T 6491-2012《鋸材干燥質(zhì)量》中2級干燥材的要求，25～30 mm和40 mm 2種厚度類型鋸材的平衡處理?xiàng)l件的設(shè)定一致，即在檢驗(yàn)板含水率最低值為8%時(shí)開始，至檢驗(yàn)板含水率最高值為12%時(shí)結(jié)束。

表5 40 mm厚火力楠鋸材干燥基準(zhǔn)Table 5 Drying schedule of 40 mm thick M.macclurei timber

2.3.2 鋸材干燥曲線 根據(jù)表4和表5干燥基準(zhǔn)在木材干燥試驗(yàn)機(jī)分別對25 mm和40 mm 2種厚度火力楠鋸材進(jìn)行干燥試驗(yàn)。2種厚度鋸材的干燥過程曲線見圖2、圖3。25 mm厚鋸材由平均初含水率87.9%干至終含水率9.1%，耗時(shí)169.0 h(7.0 d)，平均干燥速率0.47%·h-1。40 mm厚鋸材由含水率87.5%干至8.5%，共耗時(shí)341.0 h(14.2 d)，平均干燥速率0.23%·h-1。整個(gè)過程中各干燥階段木材含水率的變化速率穩(wěn)定，表明干燥過程中工藝基準(zhǔn)的溫度條件設(shè)定合理。

圖2 25 mm厚火力楠鋸材干燥過程曲線Fig.2 Drying curve of 25 mm thick M.macclurei timber

圖3 40 mm厚火力楠鋸材干燥過程曲線Fig.3 Drying curve of 40 mm thick M.macclurei timber

2.3.3 鋸材干燥質(zhì)量 由表6可以看出，采用制定的干燥基準(zhǔn)進(jìn)行25 mm和40 mm 2種厚度干燥鋸材的平均最終含水率分別為9.33%和8.04%，均滿足鋸材干燥質(zhì)量的2級要求(8.0%～12.0%)。2種厚度鋸材的干燥均勻度、厚度上含水率偏差、殘余應(yīng)力的指標(biāo)均可滿足1級指標(biāo)。2種厚度鋸材的順彎、橫彎、翹彎、扭曲可見干燥缺陷均滿足1級指標(biāo)。所有試件均未出現(xiàn)內(nèi)裂和皺縮情況。本研究制定的火力楠鋸材的干燥基準(zhǔn)合理，根據(jù)制定的干燥基準(zhǔn)對25 mm和40 mm 2種厚度火力楠鋸材進(jìn)行干燥，綜合可獲得滿足2級干燥質(zhì)量指標(biāo)的干燥鋸材。適用于家具、建筑門窗、實(shí)木地板、細(xì)工木板、室內(nèi)裝飾、文體用品等的生產(chǎn)。

表6 25 mm和40 mm厚火力楠鋸材干燥質(zhì)量Table 6 Drying qualities of 25 mm and 40 mm thick M.macclurei timber

3 結(jié)論與討論

百度試驗(yàn)結(jié)果表明，火力楠木材的干燥缺陷主要為初期開裂和扭曲變形，干燥特性等級均為2級；截面變形及內(nèi)裂程度較輕，特性等級均為1級；干燥速度中等，特性等級為3級?；鹆﹂静牡拿芏戎械?，差異干縮和體積干縮系數(shù)很小，在干燥過程產(chǎn)生翹曲和開裂的趨勢較小。

對25、40 mm 2種厚度火力楠鋸材進(jìn)行干燥工藝干燥。25 mm厚鋸材采用干燥初期溫度60℃、初期干濕球溫度差4℃和末期溫度80℃的條件進(jìn)行干燥，由初含水率87.9%干至終含水率9.1%共耗時(shí)169.0 h。40 mm厚鋸材采用干燥初期溫度55℃、初期干濕球溫度差3℃和末期溫度75℃的條件進(jìn)行干燥，由87.5%干至8.5%共耗時(shí)341.0 h。2種厚度干燥鋸材的平均最終含水率達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)中鋸材干燥質(zhì)量的二級指標(biāo)；干燥均勻度、厚度上含水率偏差、殘余應(yīng)力和可見干燥缺陷均達(dá)到一級指標(biāo)。

對火力楠木材的干燥特性和干燥工藝進(jìn)行的研究，符韻林等[15]與本研究內(nèi)容類似，和其百度試驗(yàn)結(jié)果相比，本研究火力楠木材的初期開裂和扭曲變形等級降低1級，但干燥速率等級增加1級。主要考慮木材材質(zhì)差異對干燥結(jié)果的影響。與成熟材相比，小徑材幼齡材比例大，材質(zhì)差，木材生長應(yīng)力大，干燥過程容易發(fā)生開裂和變形；但密度小，干縮率小，干燥過程中水分向外移動快，干燥速率大[27,28]?；鹆﹂浅＿m宜培育大徑材[4,7]，本研究所選試材徑級更大，因此木材的干燥缺陷減弱，但干燥速率變慢。

在人工干燥木材過程中，干燥介質(zhì)溫度和濕度的調(diào)節(jié)，對木材的干燥時(shí)間和干燥質(zhì)量有決定性意義[29]。因此，本研究通過干燥工藝試驗(yàn)制定的25 mm和40 mm 2種厚度火力楠鋸材的干燥工藝基準(zhǔn)可為實(shí)際企業(yè)進(jìn)行火力楠木材的窯干生產(chǎn)提供科學(xué)參考，但實(shí)際干燥生產(chǎn)過程中還需結(jié)合具體采用的干燥設(shè)備及裝材量大小等對干燥工藝進(jìn)行調(diào)整，以保證干燥質(zhì)量，提高干燥質(zhì)量及效率。