樹盤干燥研究綜述

趙景堯，蔡英春，付宗營

(東北林業大學材料科學與工程學院，哈爾濱 150040)

現階段我國木材需求量增大與木材資源嚴重匱乏間的矛盾尤其突出。緩解矛盾的有效措施之一是充分高效地利用木材資源，尤其是以人工速生林小徑材、采伐剩余物、間伐材、彎曲樹木等為原料的劣質木材資源。

近年來人們不斷探索上述資源高效利用的方法，其中將原木橫截成圓盤即樹盤，干燥后制成菜墩、精美工藝品、立木地板塊等，不僅利用率高，而且在其橫截面上呈現出優美花紋，表現出較高的藝術價值，因而越來越受到關注。但制約該種技術推廣的是樹盤的高品質干燥。

1 樹盤干燥研究歷史

1.1 國外研究歷史

自20世紀70年代起在國外就陸續出現了有關樹盤干燥實驗研究的報道。當時研究對象主要為大徑級成熟材，樹盤厚度較大即原木段。研究者們主要對原木段兩端頭的開裂情況進行研究。

Kubler H，Chen T H采用有限元分析方法分析了橫截樹盤生長應力對端裂的影響。結果表明:原木的橫截過程中釋放的軸向生長應力會轉化為端頭附近的弦向拉應力;髓心附近生長應力最大，因此開裂通常在此位置發生;生長應力隨樹盤厚度減小而下降，厚度小于1/4直徑時，生長應力近似為零［1］。Kubler H采用冷凍干燥法對原木段進行干燥研究。結果表明:雖然干燥質量較常規方法大幅提高，但由于生長應力及干縮過程中弦向拉應力的存在，開裂仍不可避免，受傷材開裂更為嚴重［2］。Wilhelmy V，Kubler H利用有限元分析方法研究了原木段端頭的應力分布［3］。Hsu N N，Tang R C等研究了原木生長應力和殘余應力，并對影響應力的相關材性因素進行了探討［4－7］。在此基礎上，Kubler H，Chen T H根據原木段端頭應力分布情況，分別采用沿髓心圓周環切 (kerfs)、沿樹皮圓周帶捆 (bands)，圓周環切凹槽 (grooves)等處理方法來抑制原木端頭開裂，抑制的效果取決于處理尺寸的大小、處理位置離端頭與軸向的距離［3，8 －9］。

隨著對樹盤應用的不斷推廣，研究者們又對厚度相對較小的樹盤進行研究。Kubler H對樹盤干燥過程進行簡單處理來抑制干燥開裂:如干燥前期，對心材進行封閉處理，只允許邊材干燥;干燥中期，移除封閉處理，心邊材同時干燥;干燥后期，樹盤放入帶孔隙的容器中進行緩慢干燥;同時認為引起干燥開裂的諸多因素中最主要的是非同步干縮所產生的應力［10］。之后，Kubler H又對未處理材與處理材 (NaCI/PEG)的干燥特性進行研究。結果表明:干燥開裂由生長應力、含水率不均導致的干縮差異應力、各向異性產生的差異干縮應力共同作用引起;隨著含水率的下降，干縮差異應力變得越來越重要，以至于較小的含水率不均導致的干縮差異應力都可以觸發開裂;緩慢干燥可以減小干燥開裂，但低溫高濕會引起邊材變色;樹盤厚度越小越易翹曲;經過處理的樹盤均對干燥開裂有一定的抑制作用，但效果不明顯且實際處理有難度［11］。Kato H等曾對常規干燥過程中樹盤切向應力行為進行過研究［12］。在此基礎上，Mataki Y、Kawabe J提出了樹盤某一圓周部位切向應變的計算公式［13］。

1.2 國內研究歷史

自古以來，中國民間就用鹽水浸泡、浸油或蒸煮等方法來改善木材吸濕解吸及尺寸穩定性，減小開裂。其方法沿用至今。但相關機理的研究未見報道。

2 樹盤干燥研究現狀

2.1 國外研究現狀

近年來，隨著木材干燥行業的快速發展，各種特殊干燥方法的研究越來越受到重視，對樹盤各種處理的研究越來越多，相關基礎理論研究也在不斷深入。

Kang W等采用圓環切片法對高頻真空干燥下樹盤徑向含水率分布與弦向應變進行過研究。結果表明:雖然心邊材初含水率不同，但在纖維飽和點以下，心邊材含水率達到一致;同時整個樹盤均呈現拉應力，且從髓心到外緣有增大趨勢，在心邊材交界處達到最大;高頻真空干燥下多數樹盤不會出現V－裂［14］。Lee N H等對高頻真空干燥下日本落葉松、洋槐心材與心邊材混合樹盤的徑向含水率分布進行研究，旨在探討心邊材差異對樹盤干燥開裂的影響。在上述研究基礎上，Lee N H等探討通過對樹盤進行一系列簡單處理來抑制干燥開裂［15］。Choi J H等對高頻真空干燥下邊材移除及邊材封閉處理過樹盤的徑向含水率分布與弦向應變進行研究，旨在通過減小心邊材含水率差異來減小干燥開裂［16］。Li C，Lee N H等研究了高頻真空干燥下日本落葉松樹盤橫截面承受壓載荷時受抑制收縮、體積變化、切向應變的分布和變化，探討了壓載荷對收縮及切向應變的影響。結果表明:外部載荷對開裂的形成有一定的抑制作用［17－19］。Kang W對高頻真空干燥下樹盤沿徑向干縮變化與干燥缺陷的關系進行了研究。結果表明:樹盤的實際徑向干縮大于自由徑向干縮，V－裂主要與實際干縮差異有關;生長偏心率和圓度與干燥開裂沒有關系［20］。Kang W、Lee N H運用數學模型建立樹盤干燥應力與開裂之間的關系。結果表明:由于機械吸附蠕變的存在，干燥應力與含水率的變化呈非線性關系，開裂的產生主要與含水率沿徑向的分布有關，控制樹盤干燥特性的主要因素是心邊材含水率差異［21］。Sreekanth M、Kolar A K根據樹盤的自身特點 (縱向尺寸較小、橫截面積較大)采用流化床干燥機對樹盤進行干燥，并分別建立了熱量傳遞與干燥應力數學模型，旨在探討樹盤瞬時熱量變化與應力發展規律［22］。Kang W 等分別運用有限元分析法(FEM)與里茲法 (RRZ)分析樹盤自然頻率對橫向生長應力與干燥應力的影響，該模型可以通過對自然頻率的測量間接預測生長應力;采用同樣的方法可以驗證粘彈性干燥應力模型［23］。

2.2 國內研究現狀

艾沐野、張曉峰等對常規干燥下小徑白樺的圓截片、斜截片的藥液處理與未處理材進行了干燥特性等分析。結果表明:對白樺小徑木截片的常規干燥是可行的，可采用溫度漸升、濕度漸降的普通干燥基準;處理材的尺寸穩定性提高，且不易開裂，但干燥速率慢;斜截片易翹曲變形［24］。王麗宇研究了碩樺小徑木圓截片試樣的干燥技術，制定了可行的常規干燥基準。結果表明:小徑木圓截片在干燥過程中易產生徑裂，其主要原因是弦徑向干縮不一致而引起;熱濕處理能提高干燥速度;樹皮的有無對開裂影響不大;初步提出了碩樺小徑木圓截片的部分干燥質量指標［25］。王喜明、高志悅等比較了白樺小徑木橫截片經尿素和脲醛樹脂改性后的干縮特性的差異，進而探討了橫截片的干燥特性、橫截片應力的測試方法和水分傳導基本規律［26］。王麗宇對刺槐小徑木圓截片、斜截片的微波干燥技術進行了初步研究，發現截片在微波干燥中易產生徑裂，斜截片較圓截片為甚;初步提出刺槐小徑木斜截片微波干燥基準可稍軟于其圓截片微波干燥基準［27］。金永明，劉志坤等對馬尾松小徑木橫截片進行過尿素和脲醛樹脂改性處理，探討了處理對干燥特性等的影響。結果表明:經尿素和脲醛樹脂改性后可減小其變形開裂［28］。Yang L Q等對經NaCI處理過的樹盤水分移動機理與干燥特性進行了研究。結果顯示:經NaCI處理過的樹盤，干燥開裂大幅減少，但干燥速率明顯低于未處理材，其主要原因是NaCI影響了木材微空隙結構變化與干燥能耗［29－30］。

生產實際中人們據上述研究結果，曾嘗試用天然干燥、常規干燥、常規－天然聯合干燥等方式干燥樹盤，如黑龍江虎林林業局東方紅眾孚牧業有限公司探討用軟基準的常規－天然聯合干燥法干燥俄羅斯白松樹盤，雖較常規干燥開裂有明顯減少，但干燥周期很長，且未從根本避免缺陷。韓國的Lee N H等學者指導企業采用高頻真空結合適當的外加載荷進行樹盤干燥，干燥過程中裂紋大大減少，但干燥后放置及使用過程中，由于粘彈性蠕變應變的恢復而產生殘余應力并導致開裂［15－19］。蔡英春與日本九州大學的藤本登留合作研究，采用高頻對流聯合干燥法干燥日本柳杉樹盤，雖然在相同的干燥周期下質量優于其它方法，但仍難避免微裂紋產生［31］。

3 小結

長期以來國內外研究人員一直研究樹盤開裂的原因及抑制方法，雖獲得了諸多研究成果，但未獲得完全抑制樹盤干燥及后續使用過程中開裂的有效方法。總結諸研究的主要成果有以下幾點:

(1)樹盤干燥開裂由生長應力，含水率不均導致的干縮差異應力與各向異性產生的差異干縮應力共同作用引起。其中，各向異性產生的差異干縮應力占主要地位;對于厚度較小的樹盤來說，生長應力可忽略。

(2)樹盤厚度與徑級是影響開裂的重要因素，厚度與徑級越大，干燥開裂越嚴重。

(3)經過物理或化學預處理的樹盤均對干燥開裂有一定的抑制作用，但效果不明顯且不實際;對于經過預處理的樹盤干燥開裂抑制機理，尚不明確。

(4)采用高頻真空干燥、高頻對流聯合加熱干燥技術結合物理處理能明顯減少干燥開裂，但有待進一步研究適宜的干燥及處理工藝。

(5)應力預測模型對樹盤干燥應力及開裂分析有參考作用，但由于模型只有在一定的假設條件下才能成立，因此缺乏普遍性，尚不能指導生產實際。

4 樹盤干燥發展趨勢

綜上所述，從國內外研究背景與現狀來看，無論采用天然干燥、常規干燥、常規－天然聯合干燥，還是高頻真空干燥、高頻對流干燥等方式，皆不能完全避免樹盤在干燥過程及干燥后使用過程的開裂。對樹盤進行物理化學預處理，雖對開裂的形成有一定的抑制作用，但效果不明顯且不實際。

因此，對樹盤干燥開裂的抑制有待進一步研究。在此基礎上，進行恰當的預處理與制定合適的干燥基準，最終減小樹盤干燥及使用過程中開裂。

今后對樹盤干燥的發展趨勢可以有以下幾個方面:

(1)近年來，隨著木材流變學的發展，國內外學者開始將流變學理論引入到木材干燥應力與應變的研究中。大多數學者基于木材流變學理論，把干燥應變分為自由干縮應變、彈性應變、粘彈性蠕變應變和機械吸附蠕變應變，取得了一定成果。因此須對樹盤干燥過程中的流變特性進行系統研究，揭示樹盤干燥過程中應變變化規律，從而為制定樹盤干燥工藝，優化干燥基準提供科學依據。

(2)需對引起樹盤干燥開裂的材性因素進行深入研究。樹盤與常規鋸材的干燥存在較大差異，其中以水分的移動路徑，樹盤橫截面材性的差異(髓心、幼齡材、心材和邊材)最為顯著。因此，把握這些材性因素對開裂的影響關系，可通過相應而又適宜的物理、化學處理以及改進的干燥基準減少開裂。

(3)深入研究樹盤的物理化學預處理機理，確立相應處理工藝。

(4)優化現有的樹盤干燥基準，在確保較高干燥質量的前提下，提高干燥效率，減少干燥時間，節約成本和能源。

(5)數學模型對于分析樹盤干燥過程中熱質傳遞規律與應力應變變化規律起著十分重要的作用。今后模型的發展不僅僅要側重于模型的建立，更要注重模型的驗證與實際應用。

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