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人工林桉木的干燥特性和干燥技术研究
摘要：速生桉木是最具实木高附加值开发利用的人工林材种,快速、高质量、低成本干燥是其高值化利用的关键技术。在分析人工林桉木材性的基础上总结了其干燥特性及干燥技术,探讨了真空干燥和冷冻干燥在人工林桉木干燥上的利用前景,并给出了相关建议。研究内容对提升桉木的干燥质量、优化干燥工艺具有指导意义,可为我国速生材桉木实木化利用提供理论依据和技术保障。
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桉树在我国是种植面积较大的人工林树种,蓄积量大、材质较好,具有广泛的应用前景。为了能够使桉木应用在实木制品上,提高其产品附加值,本文针对桉木的特殊材性,开展了桉木干燥工艺和干燥特性的研究,探讨不同干燥技术对桉木干燥质量及材性的影响,为桉木人工林干燥提供理论依据和技术保障,实现桉木的高质量木材干燥。
1、人工林桉木资源
桉树资源的蓄积量在世界人工林资源中居于前列,在我国种植面积大,木材蓄积量大,具有巨大的开发潜力[1]1]。桉木是一种速生材,价格便宜,生长周期短,合理有效地利用桉木资源,有助于缓解当前我国木材供需紧张的矛盾。速生桉木一直以来大都作为纸浆、人造板生产的原材料,产品附加值低。
桉木作为实木材料用到高附加值产品上必须对其多方面指标进行深入研究,包括材料的综合利用[2]2],同时设计上要考虑到文化多样性、文化传承及发展[3]3],注重生产及管理方式[4]4],最为重要的是保证材料的干燥质量和材性特征。木材常规干燥[5]5]在生产中占有很大比例,然而桉木是典型的难干材,其应力大,在常规干燥过程中极易出现皱缩或者较为严重的内裂缺陷,使得桉木强度变小。为了确保桉木的干燥质量,生产上必须考虑某些特种干燥方法[6,7]6-7],如利用冷冻干燥、超临界CO2干燥等方法来提升桉木的干燥质量。
2、人工林桉木材性及干燥特性
2.1 人工林桉木材质特征
尽管桉木在我国种植面积较大,但生产企业和个人因资金回笼及生产效益等原因,目前我国桉木种植时间较短,在砍伐时径级大都较小,生长应力较大,干燥时经常出现皱缩及开裂等问题。桉木木材普遍内含物及抽提物较多,导致其渗透性差,木材通常有节疤、脆心等缺陷。速生林桉木在加工利用上主要的材质问题如下:①原木容易开裂,含脆心,生长应力大;②桉木中幼龄材、小径材比重较大,边材较多、大部分不耐腐蚀;③木材尺寸稳定性差,容易出现变形;④干燥缺陷如内裂及皱缩等易发生在干燥过程中。这些性状在木材的材质上限制了桉木的高附加值运用。在生产上应从木材材性着手,进行木材材性改良来消除应力,改善渗透性,或进行防腐处理提高其性能。此外,通过改性的方式处理人工林桉木,使桉木代替名贵硬木树种使用,能够缓解珍贵木材短缺问题。
2.2 人工林桉木干燥特性
张新宇等[8]研究了桉木单板的干燥特性,结果表明单板经干燥后能够达到相对低的含水率,有利于控制胶合板的质量。干燥过程中温度、压力及水分的共同作用有利于桉木应力释放,能够减少单板的干缩和变形。韩宇豪[9]研究了小径桉木的干燥缺陷及干燥时间等不同因素作用下的干燥质量,概括出木材的干燥特性,改善了干燥工艺。这些工艺有助于降低干燥缺陷,对木材利用率的提高有重要作用。Vermass[10]指出桉木的类别丰富,桉木材性和桉木显微结构存在较大区别,应该分析并区分各种桉木的干燥特性,相同类别的桉木可在同样的干燥基准下干燥。他还构建了模型对不同干燥阶段的速度、应力、含水率、收缩及木材强度进行计算。
Kauman[11]开展了桉木干燥特性的研究,用后期调湿工艺和预处理工艺来改变干燥过程,这些措施能够有效缓解皱缩问题。江泽慧等[12]研究表明:木材的各种材性特征是影响干燥特性的重要内部要素,比如干缩性、应力、树种、含水率等。另外,干燥介质条件湿度、温度及气流循环速度是影响木材干燥质量的外部要素。陈松武等[13]的研究表明桉木的含水率差异大,干缩率较高,干缩率差异大且各向不相同,在干燥过程中的木材也会出现一些干燥缺陷如变形、皱缩等。Chafe[14]对干燥特性的研究指出影响桉木干燥特性的主要内因是桉木的材性特征,此外,小径级别的桉木和成熟的桉木在密度、生长应力和心边材比例等方面都有一定的区别,其干燥特性也不一样。锯材的规格尺寸也影响木材的变形和开裂,不同形状的锯材其干燥缺陷和干燥时间也不同。黄俊等[15]研究干燥特性时选择的木材是较厚的尾赤桉,试验结果表明尾赤桉厚度在60mm时的干燥周期长,但与薄板相比,大幅度减小了木材的变形、开裂及皱缩等问题,干燥质量和利用率都有明显提高。
3、人工林桉木干燥技术探讨
3.1 人工林桉木常规干燥技术
Choong等[16]通过常规干燥方法和冷冻干燥方法对松木和桉木进行比较,研究了木材常规干燥和冷冻干燥下的收缩特性。国内对桉树木材干燥工艺的研讨主要是通过百度试验法。吴义强等[17,18]利用百度试验,研究了7种桉木常规干燥技术,对比分析了木材干燥特性和皱缩情况,并制定了工艺基准。比较了不同干燥方法的干燥质量和速度,表明常规-真空联合干燥方法具有一定优势。甘雪菲[19]使用百度试验法确定了小径巨尾桉干燥基准,并研究锯材形状对干燥质量的影响,结果表明扇形木材的干燥周期和干燥缺陷比板材有优势。刘媛通过百度实验法制定了干燥基准,选材是25～30mm厚的尾巨桉幼龄材[20]和桉树的无性系大径材[21],实验表明桉木的最主要干燥缺陷是其截面变形。
3.2 人工林桉木真空干燥技术
由于水的沸点在真空环境中会变低,木材干燥在温度低时进行可以加快干燥速度、减小变形、开裂以及木材的变色,干燥质量好。在真空条件下对木材进行升温,可以进行直接接触加热和辐射加热,因此其干燥方法也较多,有高频真空、热板真空和红外线真空加热干燥等。苑青微[22]采取真空和常规干燥小径原木的方式,对温度及含水率的分布进行了对比研究,结果表明真空干燥质量更好。经真空干燥后的桉木应力较小,具有较好的尺寸稳定性,变形小,较好地保持了力学强度,可大范围应用在木制品及家具行业。
3.3 人工林桉木冷冻干燥技术
桉木在常规干燥进程中出现的内裂及皱缩等是限制其作为实木产品应用的重要因素。虽然在常规干燥工艺中采取了各种方式的前期预处理,以及调整干燥工艺参数和步骤,但仍然无法完全解决皱缩问题。因此,研究人员开展了除常规干燥之外其它干燥方法的分析,木材冷冻干燥是其中的一种。干燥前首先将选用的桉木进行预冻,把木材中的水冻结成冰,然后在高真空环境下把木材中的冰升华,不需要通过液态,能够有效减弱其表面张力,进而实现木材无皱缩出现的干燥。杨琳等[23]开展了一系列的桉木冷冻干燥试验,研究了尾巨桉的冷冻干燥特性及干缩等问题,并与常规干燥进行对比。结果表明冷冻干燥桉木质量好,应力小,速度快,皱缩变形小,但会产生端裂。
此外,一些学者探讨了预冻处理对桉木干燥的影响。LongChuanwen[24]研究了速冻及未处理蓝桉的干燥特性及工艺,通过试验得出木材开裂、内裂和部分变形经预冻处理后降低,木材冷冻后具有更好的干燥质量。张耀丽[25]研究了微波和预冻方式对尾巨桉干燥特性的影响,试验结果表明通过这些方式可以对渗透性有一定改善,干燥速度有所提高,减小了桉木皱缩。杨琳[26]研究了压缩和预冻处理对尾巨桉干燥特性的影响,利用扫描图像法[27]研究了预冻处理对皱缩的影响,表明预冻处理有助于抑制干燥时产生皱缩。Ilic[28]发现桉木的皱缩主要是由于干燥前期温度较高导致,可以通过对桉木进行预冻处理(-20℃)来适当减少木材的皱缩和开裂。
3.4 人工林桉木其它干燥技术
木材干燥中的太阳能、微波、除湿、热压以及大气干燥等在人工林桉木的干燥中也有运用,或者将这些方法结合进行联合干燥生产,如真空微波干燥、太阳能热压干燥、太阳能除湿干燥等。在桉木的实际干燥生产时,建议结合具体产品要求和企业自身情况选择合适的干燥方法。
4、结论与展望
桉木人工林蓄积量大,生长速度快,木材材质好,具有进一步作为实木产品用材开发的巨大潜力。消除桉木皱缩,实现桉木高品质的干燥和实木充分利用,是附加值提高的关键。冷冻预处理及冷冻干燥能够有效地缓解桉木变形及皱缩问题,是一项高质量的干燥技术,具有一定的推广应用价值。企业生产中建议采用预冻—常规干燥、冷冻—常规干燥的联合干燥处理方式,在保证干燥质量的同时可以降低干燥成本。
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