人工林桉木干燥特性及干燥技術探討

　　摘要：速生桉木是最具實木高附加值開發利用的人工林材種,快速、高質量、低成本干燥是其高值化利用的關鍵技術。在分析人工林桉木材性的基礎上總結了其干燥特性及干燥技術,探討了真空干燥和冷凍干燥在人工林桉木干燥上的利用前景,并給出了相關建議。研究內容對提升桉木的干燥質量、優化干燥工藝具有指導意義,可為我國速生材桉木實木化利用提供理論依據和技術保障。

　　本文源自林業機械與木工設備,2020,48(08):51-54.《林業機械與木工設備》雜志是經國家科技部和國家新聞出版署審核批準，由國家林業局主管，哈爾濱林業機械研究所主辦，中國林業機械協會、中國林學會林業機械分會、國家木工機械質量監督檢測中心協辦的全國公開發行的國家級學術期刊。本刊熔學術、技術、知識、信息于一爐，主要報道國內外林業與木工機械、人造板設備諸方面的研究、設計、工藝、制造、試驗、使用維修和經營管理等方面的最新成果及先進經驗，介紹其發展動向，提供有關信息和資料。雜志內容豐富，印制精美，有較強的可讀性和實用性。

　　桉樹在我國是種植面積較大的人工林樹種,蓄積量大、材質較好,具有廣泛的應用前景。為了能夠使桉木應用在實木制品上,提高其產品附加值,本文針對桉木的特殊材性,開展了桉木干燥工藝和干燥特性的研究,探討不同干燥技術對桉木干燥質量及材性的影響,為桉木人工林干燥提供理論依據和技術保障,實現桉木的高質量木材干燥。

　　1、人工林桉木資源

　　桉樹資源的蓄積量在世界人工林資源中居于前列,在我國種植面積大,木材蓄積量大,具有巨大的開發潛力[1]1]。桉木是一種速生材,價格便宜,生長周期短,合理有效地利用桉木資源,有助于緩解當前我國木材供需緊張的矛盾。速生桉木一直以來大都作為紙漿、人造板生產的原材料,產品附加值低。

　　桉木作為實木材料用到高附加值產品上必須對其多方面指標進行深入研究,包括材料的綜合利用[2]2],同時設計上要考慮到文化多樣性、文化傳承及發展[3]3],注重生產及管理方式[4]4],最為重要的是保證材料的干燥質量和材性特征。木材常規干燥[5]5]在生產中占有很大比例,然而桉木是典型的難干材,其應力大,在常規干燥過程中極易出現皺縮或者較為嚴重的內裂缺陷,使得桉木強度變小。為了確保桉木的干燥質量,生產上必須考慮某些特種干燥方法[6,7]6-7],如利用冷凍干燥、超臨界CO2干燥等方法來提升桉木的干燥質量。

　　2、人工林桉木材性及干燥特性

　　2.1 人工林桉木材質特征

　　盡管桉木在我國種植面積較大,但生產企業和個人因資金回籠及生產效益等原因,目前我國桉木種植時間較短,在砍伐時徑級大都較小,生長應力較大,干燥時經常出現皺縮及開裂等問題。桉木木材普遍內含物及抽提物較多,導致其滲透性差,木材通常有節疤、脆心等缺陷。速生林桉木在加工利用上主要的材質問題如下:①原木容易開裂,含脆心,生長應力大;②桉木中幼齡材、小徑材比重較大,邊材較多、大部分不耐腐蝕;③木材尺寸穩定性差,容易出現變形;④干燥缺陷如內裂及皺縮等易發生在干燥過程中。這些性狀在木材的材質上限制了桉木的高附加值運用。在生產上應從木材材性著手,進行木材材性改良來消除應力,改善滲透性,或進行防腐處理提高其性能。此外,通過改性的方式處理人工林桉木,使桉木代替名貴硬木樹種使用,能夠緩解珍貴木材短缺問題。

　　2.2 人工林桉木干燥特性

　　張新宇等[8]研究了桉木單板的干燥特性,結果表明單板經干燥后能夠達到相對低的含水率,有利于控制膠合板的質量。干燥過程中溫度、壓力及水分的共同作用有利于桉木應力釋放,能夠減少單板的干縮和變形。韓宇豪[9]研究了小徑桉木的干燥缺陷及干燥時間等不同因素作用下的干燥質量,概括出木材的干燥特性,改善了干燥工藝。這些工藝有助于降低干燥缺陷,對木材利用率的提高有重要作用。Vermass[10]指出桉木的類別豐富,桉木材性和桉木顯微結構存在較大區別,應該分析并區分各種桉木的干燥特性,相同類別的桉木可在同樣的干燥基準下干燥。他還構建了模型對不同干燥階段的速度、應力、含水率、收縮及木材強度進行計算。

　　Kauman[11]開展了桉木干燥特性的研究,用后期調濕工藝和預處理工藝來改變干燥過程,這些措施能夠有效緩解皺縮問題。江澤慧等[12]研究表明:木材的各種材性特征是影響干燥特性的重要內部要素,比如干縮性、應力、樹種、含水率等。另外,干燥介質條件濕度、溫度及氣流循環速度是影響木材干燥質量的外部要素。陳松武等[13]的研究表明桉木的含水率差異大,干縮率較高,干縮率差異大且各向不相同,在干燥過程中的木材也會出現一些干燥缺陷如變形、皺縮等。Chafe[14]對干燥特性的研究指出影響桉木干燥特性的主要內因是桉木的材性特征,此外,小徑級別的桉木和成熟的桉木在密度、生長應力和心邊材比例等方面都有一定的區別,其干燥特性也不一樣。鋸材的規格尺寸也影響木材的變形和開裂,不同形狀的鋸材其干燥缺陷和干燥時間也不同。黃俊等[15]研究干燥特性時選擇的木材是較厚的尾赤桉,試驗結果表明尾赤桉厚度在60mm時的干燥周期長,但與薄板相比,大幅度減小了木材的變形、開裂及皺縮等問題,干燥質量和利用率都有明顯提高。

　　3、人工林桉木干燥技術探討

　　3.1 人工林桉木常規干燥技術

　　Choong等[16]通過常規干燥方法和冷凍干燥方法對松木和桉木進行比較,研究了木材常規干燥和冷凍干燥下的收縮特性。國內對桉樹木材干燥工藝的研討主要是通過百度試驗法。吳義強等[17,18]利用百度試驗,研究了7種桉木常規干燥技術,對比分析了木材干燥特性和皺縮情況,并制定了工藝基準。比較了不同干燥方法的干燥質量和速度,表明常規-真空聯合干燥方法具有一定優勢。甘雪菲[19]使用百度試驗法確定了小徑巨尾桉干燥基準,并研究鋸材形狀對干燥質量的影響,結果表明扇形木材的干燥周期和干燥缺陷比板材有優勢。劉媛通過百度實驗法制定了干燥基準,選材是25～30mm厚的尾巨桉幼齡材[20]和桉樹的無性系大徑材[21],實驗表明桉木的最主要干燥缺陷是其截面變形。

　　3.2 人工林桉木真空干燥技術

　　由于水的沸點在真空環境中會變低,木材干燥在溫度低時進行可以加快干燥速度、減小變形、開裂以及木材的變色,干燥質量好。在真空條件下對木材進行升溫,可以進行直接接觸加熱和輻射加熱,因此其干燥方法也較多,有高頻真空、熱板真空和紅外線真空加熱干燥等。苑青微[22]采取真空和常規干燥小徑原木的方式,對溫度及含水率的分布進行了對比研究,結果表明真空干燥質量更好。經真空干燥后的桉木應力較小,具有較好的尺寸穩定性,變形小,較好地保持了力學強度,可大范圍應用在木制品及家具行業。

　　3.3 人工林桉木冷凍干燥技術

　　桉木在常規干燥進程中出現的內裂及皺縮等是限制其作為實木產品應用的重要因素。雖然在常規干燥工藝中采取了各種方式的前期預處理,以及調整干燥工藝參數和步驟,但仍然無法完全解決皺縮問題。因此,研究人員開展了除常規干燥之外其它干燥方法的分析,木材冷凍干燥是其中的一種。干燥前首先將選用的桉木進行預凍,把木材中的水凍結成冰,然后在高真空環境下把木材中的冰升華,不需要通過液態,能夠有效減弱其表面張力,進而實現木材無皺縮出現的干燥。楊琳等[23]開展了一系列的桉木冷凍干燥試驗,研究了尾巨桉的冷凍干燥特性及干縮等問題,并與常規干燥進行對比。結果表明冷凍干燥桉木質量好,應力小,速度快,皺縮變形小,但會產生端裂。

　　此外,一些學者探討了預凍處理對桉木干燥的影響。LongChuanwen[24]研究了速凍及未處理藍桉的干燥特性及工藝,通過試驗得出木材開裂、內裂和部分變形經預凍處理后降低,木材冷凍后具有更好的干燥質量。張耀麗[25]研究了微波和預凍方式對尾巨桉干燥特性的影響,試驗結果表明通過這些方式可以對滲透性有一定改善,干燥速度有所提高,減小了桉木皺縮。楊琳[26]研究了壓縮和預凍處理對尾巨桉干燥特性的影響,利用掃描圖像法[27]研究了預凍處理對皺縮的影響,表明預凍處理有助于抑制干燥時產生皺縮。Ilic[28]發現桉木的皺縮主要是由于干燥前期溫度較高導致,可以通過對桉木進行預凍處理(-20℃)來適當減少木材的皺縮和開裂。

　　3.4 人工林桉木其它干燥技術

　　木材干燥中的太陽能、微波、除濕、熱壓以及大氣干燥等在人工林桉木的干燥中也有運用,或者將這些方法結合進行聯合干燥生產,如真空微波干燥、太陽能熱壓干燥、太陽能除濕干燥等。在桉木的實際干燥生產時,建議結合具體產品要求和企業自身情況選擇合適的干燥方法。

　　4、結論與展望

　　桉木人工林蓄積量大,生長速度快,木材材質好,具有進一步作為實木產品用材開發的巨大潛力。消除桉木皺縮,實現桉木高品質的干燥和實木充分利用,是附加值提高的關鍵。冷凍預處理及冷凍干燥能夠有效地緩解桉木變形及皺縮問題,是一項高質量的干燥技術,具有一定的推廣應用價值。企業生產中建議采用預凍—常規干燥、冷凍—常規干燥的聯合干燥處理方式,在保證干燥質量的同時可以降低干燥成本。

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