林业科学  2006, Vol. 42 Issue (3): 54-58   PDF    
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郭明辉, 赵西平.
Guo Minghui, Zhao Xiping.
小径木白桦锯材不同加热方式下含水率的变化
The Change of MC of Small-Diameter Birch Lumber with Different Heating Methods
林业科学, 2006, 42(3): 54-58.
Scientia Silvae Sinicae, 2006, 42(3): 54-58.

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收稿日期:2004-10-26

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郭明辉
赵西平

小径木白桦锯材不同加热方式下含水率的变化
郭明辉, 赵西平     
东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实验室 哈尔滨 150040
摘要: 讨论小径木白桦锯材在连续加热和间歇加热方式下含水率的变化规律。结果表明:小径木白桦锯材的干燥速率在含水率15%以后明显降低,前期干燥过程锯材的干燥速率比后期的高2~3倍;间歇加热方式有利于内部水分向外扩散,间歇时间对干燥速率的影响很小;干燥过程中锯材厚度方向上的含水率梯度呈不对称分布,这与小径木的心材占较大比例有一定关系;间歇加热减少了锯材内含水率梯度的变化值,同时减少了应力的产生,从而提高了干燥质量。
关键词: 小径木    白桦锯材    加热方式    含水率    
The Change of MC of Small-Diameter Birch Lumber with Different Heating Methods
Guo Minghui, Zhao Xiping     
Key Laboratory of Bio-Based Material Science and Technology of Ministry of Education, Northeast Forestry University Harbin 150040
Abstract: In this paper, the change of moisture content (MC) of small-diameter birch lumber with the intermittent-heating and consecution-heats tests had been discussed. The result of research showed that: the drying rate of small-diameter lumber had fallen obviously after the MC getting 15%, and the rate of anaphase drying times 2~3 was prophase drying. The intermittent-heating was propitious to diffuseness of within water, but the time of intermission didn't have much effect on the drying rate. During drying, the MC grad along thickness wasn't symmetrical, which was interrelated with the more proportional heartwood of small-diameter lumber. The intermittent-heating cut the MC grads down, reduced the stress, and then improved drying quality.
Key words: small-diameter lumber    birch lumber    heating methods    moisture content(MC)    

随着森林资源的逐渐减少,小径木的利用愈来愈受到人们的高度重视(Patteson,1998George,2001Serrano, et al., 2000Ron,2000陈绪和,1999)。近年来,利用小径木制造集成材加工技术逐渐形成与发展,为小径木森林资源的开发利用开辟了一条新的途径(Moyne et al., 1991娄四维,1994梅兴荣,1995李赐生,2001宋润惠等,19972003)。随着国内外对集成材的广泛应用,集成材的生产厂家对小径木锯材的需求量也急剧增加,干燥质量要求也更加苛刻。因此,如何根据小径木的特点在最短的时间内干燥出质量最好的产品,是一个技术关键。本文以东北林区资源较为丰富的白桦(Betula platyphylla)小径木锯材为研究对象,在不同加热方式下, 对干燥过程中小径木锯材内部水分的变化规律进行了研究,为完善小径木干燥工艺、提高小径木干燥质量提供理论依据和实践指导。

1 材料与方法 1.1 试验材料

小径木白桦取自东北林业大学帽儿山试验林场,直径140~160 mm。原木按木制品(胶合木、集成材)的半成品毛料锯割,长×宽×厚=1 000 mm×45 mm×30 mm,初含水率平均大于40%, 心材比例约占80%。

1.2 试验设备

采用小型全自动控制干燥室。干燥室属顶风机型,电加热,加热器和喷湿管各1组,均位于干燥室顶端。温度测定采用PT100电偶式温度计。木材含水率测定采用6组探针,其类型为电阻式。进排气孔各1个。

1.3 试验方法

采用连续加热和间歇加热方式,2种方式加热阶段的升温速度为4 ℃·h-1。间歇加热方式的间歇期间停止加热,风机停转。间歇加热干燥试验的加热时间都为9 h,间歇时间分别为2 h和6 h。故3种加热方式分别简称为连续加热,间歇2 h加热和间歇6 h加热(李安徽等,1997)。3种加热方式均采用同一常规低温加热干燥基准,干燥过程中只进行了1次中期处理(表 1)。锯材干燥过程及含水率检验板的选取、锯制和检测均按GB 64911999进行。

表 1 干燥基准 Tab.1 Drying schedules
2 结果与分析 2.1 小径木白桦锯材在连续加热方式下的含水率变化曲线

小径木白桦锯材连续加热方式下的干燥情况见图 1 a,锯材初含水率均值为37.6%。处理前干燥基准偏软,锯材含水率下降过慢,此时锯材含水率为32%,中期处理后升高了干燥介质的温度,锯材含水率迅速下降。当含水率为15%以下时尽管干燥介质的温度较高,平衡含水率较低,但锯材干燥速率明显降低,锯材最终含水率为10.5%,整个干燥过程耗时95 h。

图 1 小径木白桦锯材在连续加热(a)、间歇2 h(b)、间歇6 h(c)方式下的含水率变化曲线 Fig. 1 MC curve of small-diameter birch lumber with consecution-heats(a), intermittent 2 h heating(b) and intermittent 6 h heating(c)
2.2 小径木白桦锯材在间歇2 h加热方式下的含水率变化曲线

小径木白桦锯材间歇2 h加热干燥情况见图 1 b,锯材初含水率较高,均值为55.6%。进入干燥阶段后,温度逐渐升高,干燥介质平衡含水率逐渐降低,锯材主要蒸发自由水,含水率迅速下降(需要指出的是连续加热试验在进行到24 h后干燥室出现故障,电阻式含水率测定仪失真,被迫停止,2 h后重新启动,运行正常后不久即进行中期处理)。中期处理锯材的含水率为28.5%,处理后锯材含水率下降的速率变化较小,在含水率15%以下时,干燥速率明显降低。锯材最终含水率为7.2%,整个干燥过程耗时104 h。从整个干燥过程和最终干燥质量来看,间歇2 h对干燥速度和干燥质量的影响很小,锯材含水率变化曲线并没有因为干燥介质的较大变化而出现太明显的波动,干燥曲线比较平滑。

2.3 小径木白桦锯材在间歇6 h加热方式下的含水率变化曲线

间歇6 h加热干燥情况如图 1 c所示,锯材初含水率均值为50.8%。锯材含水率为35.9%时,进行中期处理,中期处理时机有些过早。锯材最终含水率为5.7%,整个干燥过程历时106 h。

从以上分析可知,不同加热方式下小径木白桦锯材含水率变化曲线随干燥时间变化的总趋势基本上是一致的,但是锯材的干燥速率在含水率15%以下是明显降低的,这与成熟材白桦含水率变化曲线转折点在30%~25%之间有所不同(王喜明,1987朱政贤等,1996艾沐野等,1996战剑锋,2002),这可能与小径木材质不同于大径级成熟材材质有关。小径木多幼龄材,木材的细胞腔大、细胞壁薄,易于水分扩散,锯材迅速形成较大的含水率梯度,表面含水率很低,而内部含水率仍在纤维饱和点以上,这也是小径木锯材容易发生变形、开裂的原因之一。由试验结果来看,为缓和由于较大含水率梯度引起的干燥应力,小径木锯材在干燥过程中最好在含水率30%左右及含水率20%~15%各进行一次处理,处理的准确时机和时间需要做进一步的研究。

对3种加热方式下干燥阶段锯材干燥速率的计算如表 2所示,锯材前期干燥的干燥速率比后期高2~3倍;间歇加热方式与连续加热方式相比较,干燥速率要高0.2 ℃·h-1左右,这可能与锯材在间歇期间,温度梯度与含水率梯度保持一致,有利于内部水分向外扩散有关;白桦属软阔叶材,干燥速率快,干燥周期短,干燥阶段间歇的次数不多,所以间歇6 h加热方式与间歇2 h加热方式的干燥速率差别很小。

表 2 小径木白桦锯材在不同加热方式下的干燥速率 Tab.2 Drying rate of small-diameter birch lumber at different heating methods
2.4 小径木白桦锯材干燥过程中分层含水率的变化规律

木材干燥总是表层先蒸发水分,然后内层的水分再移动到表层来蒸发。因此,木材干燥过程中,沿整个断面的含水率分布总是内高外低,即存在不同程度的含水率梯度。从某种意义上说,含水率梯度可以反映干燥速率和干燥质量之间的关系。人们常常通过分析不同干燥阶段的含水率梯度评价干燥基准的软硬程度,并了解干燥应力的发生、发展和变化过程,以及预报最大干燥应力的发生时间,为制订合理的干燥基准提供依据。另一方面,存在过大的含水率梯度,也是干燥过程未完成的反映,即木材尚未干透。因此,含水率梯度不仅是干燥工艺试验需要测定的重要参数,也是干燥质量检验的一项重要指标(杜国兴,1997)。小径木白桦锯材在不同加热方式下分层含水率的变化规律如图 2所示。

图 2 小径木白桦在不同加热方式下锯材厚度方向含水率的变化规律 Fig. 2 Change of MC of small-diameter birch lumber along thickness direction with different heating methods

小径木白桦锯材在进入干燥室前,芯、表层含水率已存在较大差异。这种含水率梯度呈不对称分布,锯材一面的含水率相对于另一面总是稍高,这种不对称在含水率降至20%以下才得到改善。有学者认为这与小径木木材构造上与天然林木材相比发生变异有关(滕通濂等,1998),笔者认为这与小径木心材所占比例大也有一定关系,心材细胞腔内有树胶、树脂等沉积物,同时材质变硬,容积重增大,渗透能力下降,同时心材中的纹孔多是闭塞的,因此使心材水分传导受阻。树木心、边材含水率的差异也是引起各种干燥缺陷的原因之一(李坚,1994)。整个干燥过程,间歇加热干燥试验锯材各层的干燥速度及芯、表层含水率差值较连续加热试验的小。以间歇6 h的干燥速度最小,芯、表层含水率差值也最小,但是差异不是很大。就径、弦切材来说,二者无太明显的差异。

间歇加热方式是指在一个时期内采取较高温度加热(加热阶段),另一时期内停止加热,降低其干燥介质的温度(间歇阶段),2个阶段交替进行。加热阶段木材内外出现含水率梯度,并逐渐增大,内部水分的压力差也逐渐增大,水分向外排出的速率也就越快。在间歇阶段,干燥介质温度下降,木材内外层出现温度梯度,温度高处的蒸汽压大于温度低处的蒸汽压,有利于木材内蒸汽状态的水分向外移动,另外高温会降低水的粘度,因此,木材内高温处水的粘度要低于低温处水的粘度,木材内液态的水分在微毛细管张力的作用下有利于向外移动,所以间歇加热方式的间歇阶段木材内部水分向外移动的动力,不仅有含水率梯度,还有温度梯度,这是间歇加热的理论依据。这种加热方式比加热阶段更有利于水分向外排出,同时也降低了木材内外的含水率梯度,进而减少了干燥应力的产生,并给已经产生的干燥应力提供一个缓和的时间。

从3种不同加热方式来看,间歇加热对减少锯材内的含水率梯度有一定的效果,间歇6 h稍好些, 在间歇阶段木材内部单位时间内排出的水分比加热阶段的要多一些,这就缩小了木材内外含水率梯度,减小了木材的内应力。与连续加热方式相比较,间歇加热方式的锯材内外收缩比较均匀,变形较小。另外间歇加热方式节省能源,由于在间歇阶段不用供热,故热能消耗少。

3 结论

不同加热方式下小径木白桦锯材干燥曲线随干燥时间变化的总趋势基本上是一致的,但是锯材含水率在15%以后其干燥速率明显降低,前期干燥锯材的干燥速率比后期高2~3倍,为缓和由于较大含水率梯度引起的干燥应力,在干燥过程中,小径木锯材含水率在30%左右及20% ~15%时最好各进行一次处理。

间歇加热方式与连续加热方式相比较,干燥速率高0.2 ℃·h-1左右,这说明锯材在间歇期间,温度梯度与含水率梯度保持一致,有利于木材内部水分向外扩散。由于连续加热方式所选含水率检验板的初含水率较低以及温度控制存在一定误差,也是导致干燥速率较低的原因之一。白桦属软阔叶材,干燥速率快,干燥周期短,干燥阶段间歇的次数不多,因此间歇6 h加热方式与间歇2 h加热方式的干燥速率差别较小。

小径木白桦锯材厚度方向上的含水率梯度近似于抛物线分布,而且整个干燥过程中这种含水率梯度一直存在,这种含水率梯度呈不对称分布,是受小径木心材所占比例大的影响。小径木白桦的径切材与弦切材比较,这种差异不明显。

从3种不同加热方式来看,间歇加热对减少锯材内的含水率梯度有一定的效果,间歇6 h稍好些,在间歇阶段缩小了锯材内外的含水率梯度,内外收缩比较均匀,减小了木材的内应力,锯材变形较小。另外间歇加热方式在间歇阶段不用供热,故热能消耗少。

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