近年来, 国内外学者对木材皱缩缺陷开始关注, 澳大利亚学者T.C Innes(1995, 1996)、中国学者王喜明(1989)、刘元(1994)等分别研究了澳大利亚产桉木如多枝桉、细叶桉和赤杨、山杨等木材的干燥皱缩缺陷。他们从调湿处理对皱缩的作用; 皱缩材组织结构的变化; 皱缩机理; 皱缩极限温度; 预冻处理对皱缩的作用等方面做了大量深入而细致的工作。所取得的成果公开发表后得到同行学者的认可, 对进一步研究避免皱缩的干燥工艺打下了较好的基础。但在众多有关木材皱缩的研究报告中, 普遍遇到一个同样的问题就是如何定量地去评价和测量皱缩。

皱缩的产生不同于其他干燥缺陷, 它是由于木材细胞的溃陷而引起的过量或不正常收缩, 其宏观特征表现为木材板面凸凹不平, 多呈条形沟状, 或横断面呈不规则图形。且因树种不同, 部位不同, 干燥工艺条件不同, 皱缩的程度就不同, 那么这个程度如何用具体指标、具体数据去表示, 以及如何根据这些指标和数据去划定皱缩的种类, 皱缩的等级(程度), 这就是本文研究的主要内容。

澳大利亚学者J.llic(1985)用试样的体积收缩率去评价皱缩; 中国学者刘元(1994)用测量干缩的方法评价皱缩特性; 日本寺次真教授用截面变形量(A-B)去评价百度试验法中的板材截面变形等级(寺次真, 1976)。这些学者的评价指标和评价方法均从不同的侧面反映了皱缩的程度, 但是由于研究方法不同, 需要解决的问题不同, 若用某一项指标去评价板材的皱缩特性, 全面地反应皱缩的性质、大小, 皱缩对板材使用性能的影响则不够全面准确。因此, 应首先研究皱缩的评价指标, 测量方法, 然后用这些指标去评价皱缩, 再对皱缩进行分类分等才算合理。

1 评价指标的确定及其测量方法的研究

以内蒙古萨拉齐产大青杨为研究树种, 分别用硬基准, 软基准和110 ℃度试验法干燥50 mm厚的板材。试验结果表明, 110 ℃试验法干燥的板材其皱缩最为严重, 硬基准次之, 软基准最小。可见干燥温度对皱缩有很大影响。再以25 mm厚的板材进行对照试验, 发现50 mm厚板材的皱缩程度大于25 mm厚板材, 这其中的原因有细胞皱缩的叠加, 即板材越厚, 具备皱缩基本条件的细胞就多, 因此皱缩量大; 随着板材厚度增加, 水分移动的途径加长, 水分蒸发张力作用的时间加长, 因此皱缩加强。此次试验是对全株大青杨分不同横、纵向部位, 不同厚度进行干燥, 纵观所有发生皱缩的板材, 其皱缩特征如下:在同一干燥条件下, 不是所有的木材细胞都能发生皱缩, 而是具备了一定条件的细胞才能皱缩, 即皱缩具有选择性。就大青杨材而言, 在心边材交界材(移引材)处发生的皱缩最严重, 心材次之, 边材很少发生皱缩; 树干基部的木材比其它部位的木材容易发生皱缩; 早材比晚材容易发生。皱缩沿着纹理方向在心边材交界处呈沟状出现, 时伴有内裂, 或板材横截面呈不规则图形。笔者根据皱缩板材的断面结构将皱缩分为如下3类:一类为条沟型皱缩见图 1, 此类皱缩出现在心边材交界材上, 皱缩就发生在心边材交界处的移行材上, 即移行材细胞溃陷, 心材和边材细胞少溃陷; 二为内裂型皱缩, 此类皱缩除板材横截面不规则外, 还有内裂如图 2; 三为均匀型皱缩, 此类皱缩是由于板材中皱缩细胞分布不集中, 分散在木材当中见图 3。

根据上述3种皱缩类型, 结合前人研究结果, 为了定量地描述皱缩的程度, 选择下列3项指标去评价皱缩。

1.1 皱缩深度(H)

板材横断面最大厚度与最小厚度之差。如图 1 A₁-A₀=H, 此项指标可直接反应皱缩板材的利用率。即若板材不发生皱缩, 则板材的利用厚度为A₁, 若板材发生了皱缩, 则板材的利用厚度为A₀, A₁-A₀就是因皱缩而浪费的木材。研究结果表明, 对于没有产生内裂的皱缩板材, 其强度无显著性降低(王喜明, 1996), 因此板材刨光后可以使用, 但若皱缩板材内部发生了内裂, 则皱缩板材的强度将显著降低, 刨光后的板材是否可以使用, 要视其用途。因此, 皱缩深度可以表示未产生内裂的板材的利用率。其测量方法是:将皱缩板材的端头截去150~200 mm, 测量截断处横断面的最大厚度与最小厚度, 其差即为皱缩深度。用此法测量实验过程中所产生的各种皱缩板材的皱缩特性, 总体上是未皱缩板材的皱缩深度几乎为零; 50 mm厚大青杨板材的最大皱缩深度为7.9 mm, 再加上厚度方向上(径切板)的干缩8.7 %×50=4.35 mm, 那么此块板材在厚度方向上的最大收缩量为12.25 mm, 刨光后, 此块板材的利用率仅有72.3 %。而未皱缩板材的体积收缩率为13.5 %, 利用率为86.5 %。可见皱缩板材损失浪费严重。

1.2 皱缩因子(CF)

板材横断面周长与内裂周长和(L)的平方除以横断面减去内裂部分的面积(S)。

此项指标用于描述伴有内裂的板材的皱缩特性最为合理。其测量方法是将板材端头去掉150~200 mm长, 测量暴露断面的皱缩因子。在实际应用过程中, 由于要测量内裂的周长和面积, 一般的测量仪器很难准确测量。此次实验, 我们将板材的横断面投影到坐标纸上, 然后再在坐标纸上计算各项数据。测量结果表明。由于板材厚度和宽度不同, 皱缩因子不同, 本次实验用板材的宽度是100 mm, 厚度分别为25 mm和50 mm, 板材未干燥前的皱缩因子分别是25和18, 正常收缩后, 板材的皱缩因子为24.3和17.6(将此值作为基础皱缩因子)。因此我们在用皱缩因子评价板材的皱缩特性时, 具有同一规格的板材才可以比较。测量结果表明, 因皱缩材横断面积减小了, 周长增加了, 故皱缩因子增加了。如50 mm厚的一块板材皱缩深度为2.16 mm, 因产生了内裂, 其皱缩因子为47.76 %。可见对于皱缩了的板材, 在没有内裂的情况下, 皱缩深度越大, 皱缩因子越大。

1.3 体积收缩率(VS)

皱缩材的体积占原体积的百分率。

其中: S₁为皱缩材的体积, S₀为板材干燥前的体积。体积收缩率的测量同体积收缩系数。没有产生内裂的板材其意义与皱缩深度有相近之处, 反应木材干燥前后体积收缩的具体数据, 对未皱缩材和均匀皱缩材此项指标可以直接反应板材的利用率。但若皱缩材可测得皱缩深度, 此项指标便不能反应板材的实际利用率。可见此项指标对评价整个断面均匀皱缩的板材的皱缩特性很有意义。因为整个断面均匀皱缩的板材的皱缩深度是0, 皱缩因子小于基础皱缩因子。此时只能用体积收缩率去评价皱缩特性。若板材的体积收缩率大于标准体积收缩率(正常干缩), 那么此块板材肯定发生了皱缩。

上述3项指标可从不同角度去评价皱缩的特性, 由于3项指标的性质不同, 评价皱缩的侧重点不同, 因此在实际使用过程中应分别对待3项指数的轻重。对于不同皱缩类型可侧重使用某一项或某几项指标。如条沟型皱缩应着重使用皱缩深度去评价, 其他两项指标做为参考; 内裂型皱缩着重使用皱缩因子, 其他两项指数视情况, 如皱缩深度可能很突出, 皱缩面积也可能很大, 此时就用3项指标分别进行评价; 均匀型皱缩可着重使用体积收缩率, 此种类型的皱缩多有皱缩深度不大, 皱缩因子也不大的情况, 因此, 后两项指标只能做为参考, 不能作为主要评价指标。

2 大青杨材皱缩特性及其评价

为了合理准确地评价大青杨板材的皱缩特性, 我们选择相对较硬的干燥基准, 主观上让板材有一定程度的皱缩, 而且在试材选取时选择了心边混合材的弦切板和径切板, 使用相对较硬的室干燥基准和110 ℃恒温干燥基准。其中室干在自动温控干燥机中进行, 110 ℃干燥试验在恒温箱中进行, 室干干燥基准见表 1

室干过程中, 我们测量了大青杨板材心材、边材的弦、径向干缩率, 结果见表 2 :表中可见无论在干燥的那一个阶段, 心材弦向的干缩均大于边材, 这与其他木材略有不同。而且木材是在含水率大于60 %的阶段就开始产生相对较大的收缩, 这种收缩主要是由于细胞的溃陷而产生的。并不是由于细胞壁的干缩而形成的。皱缩因子和体积收缩率随着含水率的变化见表 3。

表中可见, 在干燥初期板材端裂十分严重, 皱缩因子高达47.76 %, 随着干燥过程的不断进行, 部分端裂开始缩合, 横断面的CF下降, 但随着含水率的降低, 皱缩因子又在继续上升, 直至达到最终含水率, CF达c最大值。平衡处理后, CF得以减少, 皱缩在一定程度上得以恢复; VS在整个干燥过程中一直处于上升趋势, 最大达16.5 %, 皱缩深度在含水率30 %左右得以减少, 可能与中间处理有关, 因为中间处理可以使部分皱缩细胞得以恢复, 但最终的皱缩深度为2.72 mm。

经过对多次试验的皱缩板材的皱缩特性的测量和分析, 对照国家标准GB6491-86《锯材干燥质量》, 结合实际生产需要, 我们将皱缩缺陷按照其评价指标进行了分等。其对照见表 4。

表中:皱缩因子差值为皱缩材的皱缩因子与基础皱缩因子的差; 体积收率差为皱缩材体积收缩率与正常干缩材的体积收缩率的差。根据以上分等表, 我们对室干大青杨材和在干燥温度为110 ℃, 相对湿度为50 %条件下干燥的大青杨材皱缩缺陷进行分级, 每次试验选取3块试验板, 结果见表 5和表 6。

表中可见, 50 mm厚板材的基础皱缩因子为17.6, 正常干缩材的体积收缩率为13.5 %。3块试材的皱缩深度和皱缩因子均达到了5级, 实际情况是板材均发生了严重的内裂, 且在心边材交界处有沟状皱缩。因此体积收缩率较小。3块板材皱缩较严重, 1、2都属均匀皱缩, 无内裂, 3为条沟状型皱缩。

表中:基本皱缩因子CF=24.3, 正常干缩材的体积收缩率为13.5 %。

3 结论

用皱缩深度、皱缩因子、体积收缩率3项指标评价皱缩板材的皱缩特性各有侧重, 且互相联系。其中皱缩深度主要反应板材的沟状皱缩特性; 皱缩因子反应板材的内裂; 体积收缩率则反应板材的均匀皱缩。在实际使用过程中, 我们应首先将皱缩板材进行分类, 条沟型皱缩木材可用皱缩深度去评价其皱缩等级; 内裂型皱缩则利用皱缩因子去评价其皱缩等级; 均匀型皱缩则用体积收缩率去评价其皱缩等级, 其他指标均做参考。