柞木常規(guī)干燥過程中預(yù)熱處理?xiàng)l件及其效果初探

孫曉敏，蔡英春，任麗麗，柴豪杰，孔繁旭

(東北林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程，哈爾濱 150040)

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柞木常規(guī)干燥過程中預(yù)熱處理?xiàng)l件及其效果初探

孫曉敏，蔡英春*，任麗麗，柴豪杰，孔繁旭

(東北林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程，哈爾濱 150040)

摘要：以35 mm厚柞木板材為對象，在常規(guī)干燥過程中的預(yù)熱階段分別對其進(jìn)行不同條件(時(shí)間、溫度)的處理，之后以相同工藝基準(zhǔn)實(shí)施第一階段干燥，檢測試件干燥速度、含水率分布、殘余應(yīng)力指標(biāo)及表面缺陷，通過對上述參數(shù)的對比分析，確定適宜預(yù)熱處理?xiàng)l件，以及該條件對中間處理時(shí)機(jī)的影響。結(jié)果表明：預(yù)熱時(shí)間是決定預(yù)熱處理過程中含水率梯度的重要因素，預(yù)熱溫度對其沒有影響；增加預(yù)熱時(shí)間、提高預(yù)熱溫度，可以使干燥前期的干燥速度加快、含水率梯度和殘余應(yīng)力指標(biāo)減小、中間處理時(shí)機(jī)滯后；對于35 mm厚柞木板材，溫度70℃、濕度100%預(yù)熱處理8 h為最佳條件，可以得到較好的干燥效果。

關(guān)鍵詞：柞木；預(yù)熱處理；常規(guī)干燥；時(shí)間；溫度

0引言

木材干燥是保障和改善木材品質(zhì)、減少其降等損失、提高其利用率的重要環(huán)節(jié)[1-5]。同時(shí)，木材干燥也是木制品生產(chǎn)過程中能耗最大的工序，在我國約占木材加工企業(yè)總能耗的40%～70%[6]。目前最常用的干燥方法是常規(guī)干燥，包括預(yù)熱和干燥兩個(gè)階段，預(yù)熱對減少干燥缺陷、縮短干燥時(shí)間都具有非常重要的作用[7]。目前為止，干燥生產(chǎn)實(shí)際中，預(yù)熱處理的時(shí)機(jī)、時(shí)間、條件都根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，常常不合理，時(shí)間短、溫度低預(yù)熱效果不佳，時(shí)間過長、溫度過高，能源浪費(fèi)大。

柞木的密度大、紋理直、強(qiáng)度高、加工性能好，被廣泛地用于生產(chǎn)家具、木地板和裝飾材料等[8-11]。柞木屬難干材，加工制作過程中，干燥技術(shù)十分關(guān)鍵，直接影響產(chǎn)品質(zhì)量和加工能耗，所以提高干燥質(zhì)量，減少干燥降等備受矚目。

本研究以35 mm厚柞木板材為對象，探討預(yù)熱處理?xiàng)l件(時(shí)間、溫度)對其第一干燥階段的干燥速度、含水率分布、殘余應(yīng)力指標(biāo)、干燥質(zhì)量以及中間處理時(shí)機(jī)的影響，確定適宜的預(yù)熱處理?xiàng)l件，以期為提高柞木板材干燥質(zhì)量、降低能耗等提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

本研究所用柞木板材取自黑龍江省綏芬河市，放置于實(shí)驗(yàn)室的冷藏室一段時(shí)間后使用。選取無變色、節(jié)子、蟲眼和裂紋等明顯缺陷者加工成350 mm×120 mm×35 mm試件，每組6塊，平均初含水率約60%。

1.2實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備

采用DS-100型恒溫恒濕箱(溫度范圍-10～100℃，溫度波動度±0.5℃；濕度范圍35%～98%，濕度波動度±3%)對試件進(jìn)行預(yù)熱處理及干燥；采用 NEC Remote Scanner Jr.DC3100多點(diǎn)溫度巡檢測量儀、T型熱電偶在線監(jiān)測干燥過程中試件內(nèi)部的溫度。

1.3試驗(yàn)方法

1.3.1預(yù)熱處理?xiàng)l件及干燥基準(zhǔn)

(1)預(yù)熱時(shí)間。在預(yù)熱溫度(干球溫度68℃)和濕度(100%)均相同的情況下，進(jìn)行三組不同預(yù)熱時(shí)間的對比試驗(yàn)。τ1實(shí)驗(yàn)以材心溫度達(dá)到規(guī)定介質(zhì)溫度為準(zhǔn)，預(yù)熱3.5 h。τ2實(shí)驗(yàn)的預(yù)熱時(shí)間以經(jīng)驗(yàn)值(每厘米厚2～2.5 h)[11]為準(zhǔn)，預(yù)熱8 h。τ3實(shí)驗(yàn)的預(yù)熱時(shí)間選擇12 h(遠(yuǎn)大于經(jīng)驗(yàn)值)。

(2)預(yù)熱溫度。在預(yù)熱時(shí)間(8 h)和濕度(100%)均相同的情況下，進(jìn)行三組不同處理溫度的對比實(shí)驗(yàn)，預(yù)熱溫度參考《木材干燥實(shí)用技術(shù)》中，硬闊葉材可高于基準(zhǔn)開始階段溫度5℃[11]，又因?yàn)樽跄靖稍镱A(yù)熱介質(zhì)溫度≤70℃[10]，所以選擇t1實(shí)驗(yàn)65℃，t2實(shí)驗(yàn)68℃，t3實(shí)驗(yàn)70℃。

(3)由于預(yù)熱對干燥初期的影響很大，對干燥后期的影響很小[12]，本研究在預(yù)熱處理后，僅進(jìn)行第一干燥階段干燥，目標(biāo)含水率為40%。干燥基準(zhǔn)見表1。

表1　第一階段干燥基準(zhǔn)Tab.1 The schedule for the first drying stage

1.3.2實(shí)驗(yàn)參數(shù)檢測方法

(1)含水率檢測。實(shí)驗(yàn)過程中以稱重法[13]測量初含水率、即時(shí)含水率和分層含水率。初含水率在制作試件的同時(shí)截取多個(gè)含水率試驗(yàn)片進(jìn)行檢測，求取平均值。在干燥過程中每12 h稱量一次含水率試件，制作三個(gè)分層含水率試驗(yàn)片，分別求取平均值。

(2)殘余應(yīng)力指標(biāo)檢測。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《鋸材干燥質(zhì)量》(GB/T 6491-2012)，采用叉齒法，在干燥過程的不同階段截取、制作叉齒應(yīng)力檢驗(yàn)片測算殘余應(yīng)力指標(biāo)。

(3)溫度監(jiān)測。使用多點(diǎn)溫度巡檢測量儀對試件的心層溫度進(jìn)行監(jiān)測。在試件厚度向上，用直徑2 mm的鉆頭鉆孔，孔深為木材寬度的1/2，將T型熱電偶插入孔內(nèi)，用硅膠密封[14]，測溫點(diǎn)在試件的幾何中心。每組實(shí)驗(yàn)一塊檢測溫度的試件，一個(gè)測溫點(diǎn)。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1預(yù)熱時(shí)間對第一階段干燥的影響

2.1.1預(yù)熱時(shí)間對干燥速度、含水率分布及殘余應(yīng)力指標(biāo)的影響

試材在干球溫度為68℃、相對濕度100%條件下，分別預(yù)熱處理3.5、8、12 h(τ1、τ2、τ3實(shí)驗(yàn))后，按表1所示的干燥基準(zhǔn)進(jìn)行干燥。圖1～圖4示出了該干燥過程中試件含水率，厚度方向上的心表層含水率偏差及內(nèi)部含水率分布、殘余應(yīng)力指標(biāo)的變化曲線。

圖1　含水率變化曲線Fig.1 Diagram of moisture content versus drying time

圖1表明，①干燥階段的前12 h，干燥速度快，之后速度減緩。②隨預(yù)熱處理時(shí)間的延長，干燥速度加快(τ3-12 h﹥τ2-8 h﹥τ1-3.5 h)，但超過8 h后，干燥速度變化不明顯(經(jīng)計(jì)算τ2-8 h與τ3-12 h實(shí)驗(yàn)差0.007%/h)。常規(guī)干燥過程中試件含水率在纖維飽和點(diǎn)之上時(shí)，內(nèi)部水分在毛細(xì)管張力、升溫引起的水蒸汽壓力作用下沿大毛細(xì)管系統(tǒng)向移動蒸發(fā)界面滲流，在該處蒸發(fā)后沿大毛細(xì)管系統(tǒng)擴(kuò)散至干燥介質(zhì)[15]。干燥階段前12 h，木材具有內(nèi)高外低的正向溫度梯度(與水分遷出方向相同)，加大了滲流、蒸發(fā)、擴(kuò)散的驅(qū)動力，因而使該階段干燥速度加快明顯，之后溫度梯度轉(zhuǎn)為逆向，成為水分遷出的阻力，使干燥速度明顯降低；預(yù)熱處理使試件導(dǎo)管中的侵填體和揮發(fā)物減少或重新分布，疏通了水分滲流通道[10]，隨著處理時(shí)間的延長，前期干燥速度加快，推測導(dǎo)管中侵填體和揮發(fā)物的溶出隨著處理時(shí)間的延長由表層逐漸向材心推進(jìn)，但預(yù)熱超過8 h后，再延長處理時(shí)間將失去提高干燥速度的作用，說明預(yù)熱8 h已基本達(dá)到該處理溫度、濕度條件下的最大溶出能力。

(a)處理前后含水率分布

(b)干燥階段含水率偏差值變化曲線圖2　含水率偏差值變化及含水率分布Fig.2 Moisture content deviation and distribution of moisture content

圖2(a)表明，①處理前心表層含水率偏差值接近10%。是由板材在冷藏室內(nèi)存放過程中其表面水分遷出所致；②處理后試件含水率有所減小，且隨著處理時(shí)間的延長，各層含水率下降程度增加。在預(yù)熱處理過程中，試件表面的水分一般不蒸發(fā)，且允許有少量吸濕[15]，但實(shí)驗(yàn)試件的表層含水率接近55%，遠(yuǎn)大于預(yù)熱處理時(shí)的介質(zhì)平衡含水率(26%)，所以表層含水率在預(yù)熱處理后會下降，且處理時(shí)間越長，表層含水率越小。③圖2(b)表明隨著預(yù)熱處理時(shí)間的增加，使得以相同基準(zhǔn)進(jìn)行的后續(xù)干燥過程中試件的含水率偏差減小，結(jié)合圖1的結(jié)論，可以進(jìn)一步說明隨著預(yù)熱處理時(shí)間的增加，導(dǎo)管中侵填體和揮發(fā)物的溶出由表層逐漸向材心推進(jìn)，增加了試件的滲透性，從而促進(jìn)了試件內(nèi)部水分向外移動，減小了心表層含水率偏差值。

圖3　叉齒殘余應(yīng)力指標(biāo)變化曲線Fig.3 Curve of tines residual stress index

圖4　干燥24 h時(shí)含水率分布Fig.4 Distribution of moisture content at 24 h

圖3表明，①隨著預(yù)熱處理時(shí)間的增加，使得以相同基準(zhǔn)進(jìn)行的后續(xù)干燥過程中試材的殘余應(yīng)力指標(biāo)減小，其原因是由于預(yù)熱處理時(shí)間延長使得干燥過程中試材含水率梯度減小(見圖2(b)的結(jié)果分析)，因而是干縮差異性減小所致。②圖3表明干燥24 h試件產(chǎn)生殘余應(yīng)力，但圖4表明三組實(shí)驗(yàn)干燥至24 h時(shí)試件表層含水率都還未達(dá)到纖維飽和點(diǎn)以下。由于木材干燥過程中，任何一部分的含水率降到纖維飽和點(diǎn)以下，將會產(chǎn)生干縮[15]，本實(shí)驗(yàn)檢測表層含水率試件厚度為7 mm，所求含水率為此厚度的平均值，說明干燥24 h后在距表面不到7 mm厚度的試件含水率已經(jīng)達(dá)到纖維飽和點(diǎn)以下。相關(guān)木材干燥的書上對分層含水率試件的制作一般是三層，或者為五層，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是否合適，由本研究結(jié)果可知此標(biāo)準(zhǔn)可能無法確切的反映出試件內(nèi)部的含水率分布情況。

2.1.2預(yù)熱時(shí)間對干燥質(zhì)量的影響

第一階段干燥結(jié)束后出現(xiàn)的干燥缺陷統(tǒng)計(jì)見表2。

表2　干燥缺陷統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of drying defects

表2表明，在第一階段干燥(干燥前期)結(jié)束后，τ1-3.5 h實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)了某種程度干燥缺陷，而τ2-8 h、τ3-12 h實(shí)驗(yàn)則未見缺陷產(chǎn)生。盡管不同時(shí)間處理后的試材在該干燥階段都產(chǎn)生了如圖3所示殘余應(yīng)力，但預(yù)熱超過8 h后，不產(chǎn)生缺陷，說明預(yù)熱處理8 h后，在第一階段干燥過程中試件表層伸張應(yīng)力小于其抗拉強(qiáng)度。

2.1.3預(yù)熱處理時(shí)間對中間處理時(shí)機(jī)的影響

以叉齒殘余應(yīng)力指標(biāo)為依據(jù)，試件表層即將產(chǎn)生缺陷時(shí)所對應(yīng)的指標(biāo)(約10%)即為常規(guī)干燥過程中的適宜中間處理時(shí)機(jī)。為便于把握，該時(shí)機(jī)常用其所對應(yīng)的試件平均含水率來替代。預(yù)熱處理時(shí)間對中間處理時(shí)機(jī)的影響見表3。

表3　預(yù)熱處理時(shí)間對中間處理時(shí)機(jī)的影響Tab.3 Effect of preheating time on middle treatment timing

表3表明，預(yù)熱時(shí)間延長，中間處理時(shí)機(jī)有滯后的趨勢，但預(yù)熱超過8 h后，中間處理時(shí)機(jī)基本不變(約為36%)，原因與前述預(yù)熱時(shí)間對含水率分布和殘余應(yīng)力指標(biāo)的影響直接相關(guān)。處理時(shí)機(jī)早的很可能在后續(xù)干燥過程中會增加中間處理次數(shù)，干燥過程中，中間處理的次數(shù)越少越好，中間處理雖然能防止和控制干燥缺陷的發(fā)生和發(fā)展，但進(jìn)行的次數(shù)不能太多，因?yàn)橹虚g處理的次數(shù)過多，木材容易變色，干燥周期要延長，能源消耗大，干燥成本提高[11]，所以中間處理時(shí)機(jī)越晚對木材干燥越有利。

2.2預(yù)熱溫度對第一干燥階段的影響

2.2.1預(yù)熱溫度對干燥速度、含水率分布及殘余應(yīng)力指標(biāo)的影響

在試件處理時(shí)間為8 h、相對濕度100%條件下，預(yù)熱溫度分別為65、68、70℃(t1、t2、t3實(shí)驗(yàn))，圖5～圖8示出了該干燥過程中試件含水率，厚度方向上的心表層含水率偏差及內(nèi)部含水率分布、殘余應(yīng)用指標(biāo)的變化曲線。

圖5　含水率變化曲線Fig.5 Diagram of moisture content versus drying time

圖5表明，①干燥階段的前12 h，干燥速度快，之后速度減緩。②隨著預(yù)熱處理溫度的升高，干燥速度加快(t2-70℃﹥t3-68℃﹥t1-65℃)。這是由于剛進(jìn)入干燥階段形成內(nèi)高外低的溫度梯度，心層溫度越高，溫度梯度越大，越有利于內(nèi)部水分向外移動[16]；試件內(nèi)部水蒸氣分壓越大；表面張力增大[17]，接觸角θ(液體為水，θ小于90°[15])減小[18]，值增加，毛細(xì)管張力增大；進(jìn)一步降低水分粘度，提高試件內(nèi)部的滲透性，從而加快試件內(nèi)部水分的移動。

圖6　干燥階段含水率偏差值變化Fig.6 Moisture content deviation during drying

圖6表明，①處理前心表層含水率偏差值接近10%，是由板材在冷藏室內(nèi)放置過程中其表面水分遷出所致。處理后三組實(shí)驗(yàn)的含水率偏差值均有所增加，且相同。對比圖2(a)，隨著預(yù)熱時(shí)間的增加，含水率下降程度增加，可知處理時(shí)間是決定預(yù)熱處理后試件含水率梯度的重要因素，處理溫度對其沒有影響。②隨著預(yù)熱處理溫度的增加，使得以相同基準(zhǔn)進(jìn)行的后續(xù)干燥過程中試材的含水率偏差值減小。其原因是預(yù)熱處理改善了試材滲透性，加大了其內(nèi)部水分滲流和擴(kuò)散的驅(qū)動力，使得試材內(nèi)部水分向移動蒸發(fā)界面遷移的速度加快。③心表層含水率偏差值在第一干燥階段過程中持續(xù)增長，增長速度逐漸減慢。

圖7　應(yīng)力指標(biāo)變化曲線Fig.7 Curve of tines residual stress

圖8　干燥24 h時(shí)含水率分布Fig.8 Distribution of moisture content at 24 h

圖7表明，①隨著預(yù)熱處理溫度的增加，使得以相同基準(zhǔn)進(jìn)行的后續(xù)干燥過程中試件的殘余應(yīng)力指標(biāo)減小，其原因是由于預(yù)熱處理溫度升高使得干燥過程中試件含水率梯度減小(見圖6的結(jié)果分析)，因而干縮差異性減小所致。②干燥24 h試件產(chǎn)生殘余應(yīng)力。原因同圖3、圖4的結(jié)果分析一致。

2.2.2預(yù)熱溫度對干燥質(zhì)量的影響

在預(yù)熱時(shí)間(8 h)和濕度(100%)相同的條件下，t1-65℃、t2-68℃、t3-70℃三組實(shí)驗(yàn)在干燥前期均未出現(xiàn)干燥缺陷。柞木屬于難干燥的闊葉樹材，若預(yù)熱階段介質(zhì)溫濕度較高，容易引起鋸材表面顏色變深[12]，相關(guān)論文建議柞木干燥預(yù)熱介質(zhì)溫度≤70℃[10]。盡管本研究不同溫度處理后的試材在干燥前期都產(chǎn)生了殘余應(yīng)力，但均未產(chǎn)生缺陷，說明本研究的預(yù)熱溫度范圍內(nèi)，第一階段干燥過程中試件表層伸張應(yīng)力小于其抗拉強(qiáng)度。

2.2.3預(yù)熱溫度對中間處理時(shí)機(jī)的影響

以叉齒殘余應(yīng)力指標(biāo)為準(zhǔn)，當(dāng)其達(dá)到約10%時(shí)進(jìn)行中間處理，預(yù)熱處理溫度對中間處理時(shí)機(jī)的影響見表4。

表4　預(yù)熱處理溫度對中間處理時(shí)機(jī)的影響Tab.4 Effect of preheating temperature on middle treatment timing

表4表明，預(yù)熱溫度升高，中間處理時(shí)機(jī)有滯后的趨勢。原因與前述預(yù)熱時(shí)間對含水率分布和殘余應(yīng)力指標(biāo)的影響直接相關(guān)。

3結(jié)論

本研究以35 mm厚柞木板材為對象，分別對其進(jìn)行不同條件(時(shí)間、溫度、濕度)的預(yù)熱處理，之后以相同工藝基準(zhǔn)實(shí)施第一階段干燥，檢測試件干燥速度、含水率分布、殘余應(yīng)力指標(biāo)及表面缺陷。結(jié)果表明：①隨著預(yù)熱處理時(shí)間的延長，后續(xù)第一階段干燥過程中，干燥速度加快、含水率分布均勻、殘余應(yīng)力指標(biāo)減小、缺陷減少、中間處理時(shí)機(jī)滯后，處理超過8 h后速度增加不明顯(經(jīng)計(jì)算τ2-8 h與τ3-12 h實(shí)驗(yàn)差0.007%/h)、且均無干燥缺陷產(chǎn)生、對中間處理時(shí)機(jī)不再產(chǎn)生影響，再增加預(yù)熱時(shí)間將會造成能源浪費(fèi)、干燥周期延長。②隨著預(yù)熱處理溫度的升高，后續(xù)第一階段干燥過程中，干燥速度加快、含水率分布均勻、殘余應(yīng)力指標(biāo)減小、中間處理時(shí)機(jī)滯后，所以應(yīng)該選擇較高的預(yù)熱溫度。但柞木屬于難干燥的闊葉樹材，若預(yù)熱階段介質(zhì)溫濕度較高，容易引起鋸材表面顏色變深[12]，相關(guān)論文建議柞木干燥預(yù)熱介質(zhì)溫度≤70℃[10]。③對于35 mm厚柞木板材，溫度70℃、濕度100%預(yù)熱處理8 h為最佳條件，可以得到較好的干燥效果。

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收稿日期：2016-02-15

基金項(xiàng)目：國家林業(yè)公益項(xiàng)目(201304502)

第一作者簡介：孫曉敏，碩士研究生。研究方向：木材干燥。 E-mail：caiyingchunnefu@163.com

*通信作者：蔡英春，博士，教授。研究方向：木材干燥。

中圖分類號：TS 652

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-005X(2016)04-0031-06

Discussion on Preheating Condition and The Effectduring Conventional Drying Process in Oak Lumber

Sun Xiaomin，Cai Yingchun*，Ren Lili，Chai Haojie，Kong Fanxu

(College of Material Science and Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150400)

Abstract：The oak lumbers of 35mm in thickness were selected in this study，pretreated with different time and temperature，and then dried under the same conventional drying schedule.The drying rate，distribution of moisture content，residual drying stress and visible defects were investigated after the first drying stage.Based on the interaction among these parameters，the suitable preheating condition and its effect on the treatment timing were determined.The results showed that preheating time was one of the most important factors in moisture content gradient，but there was no relationship between preheating temperature and moisture content gradient when preheating treatment finished.With the increase of preheating time and preheating temperature，the drying rate in the first stage was increased，the moisture content gradient and residual drying stress decreased and the middle treatment timing delayed.For the oak lumbers of 35 mm in thickness，70℃ temperature and 100% relative humidity with 8 h of preheating time was the optimum preheating condition，and a better drying effect can be obtained.

Keywords：oak lumber；preheating treatment；conventional drying；preheating time；preheating temperature

引文格式：孫曉敏，蔡英春，任麗麗，等.柞木常規(guī)干燥過程中預(yù)熱處理?xiàng)l件及其效果初探[J].森林工程，2016，32(4)：31-36.