楊勝麗 溫明宇 楊庚 孫耀星 趙雪

(北華大學(xué)，吉林，132013)

輥壓預(yù)處理對(duì)木材干燥速率和材性的影響1)

楊勝麗 溫明宇 楊庚 孫耀星 趙雪

(北華大學(xué)，吉林，132013)

對(duì)柞木試材進(jìn)行2種壓縮方向(徑向和弦向)、3種壓縮率(10%、20%和30%)和3種壓縮次數(shù)(1、4和9次)的輥壓預(yù)處理，測(cè)試和研究不同輥壓工藝處理材高頻真空干燥的干燥速率變異和主要物理力學(xué)性能變異。結(jié)果表明：隨著壓縮率和壓縮次數(shù)的增加，輥壓預(yù)處理試材的干燥速率增大，變化率為7.78%～29.88%，干燥時(shí)間可縮短7.22%～21.97%；輥壓預(yù)處理試材的密度和干縮率亦有增大的趨勢(shì)，變化率分別為0.88%～6.58%和1.04%～13.13%；5種力學(xué)強(qiáng)度值逐漸下降，變化率分別為：順紋抗壓強(qiáng)度-13.01%～6.56%、順紋抗剪強(qiáng)度-14.17%～4.67%、抗劈力-15.54%～4.11%、抗彎強(qiáng)度-12.29%～6.42%、抗彎彈性模量-20.17%～4.59%。

輥壓預(yù)處理；高頻真空干燥；干燥速率；木材性質(zhì)

實(shí)木板材干燥是木制品生產(chǎn)中運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)、消耗能源最多的加工環(huán)節(jié)。在科學(xué)研究中，通過(guò)改變木材的微觀構(gòu)造、破壞紋孔膜的結(jié)構(gòu)，來(lái)改善水分對(duì)木材的滲透性，強(qiáng)化木材內(nèi)水分的流動(dòng)性[1-3]，被認(rèn)為是縮短木材干燥時(shí)間、節(jié)約能源的有效方法。

Flynn等采用壓力往復(fù)變動(dòng)(震蕩)的方式，將變動(dòng)的壓力通過(guò)水和空氣傳遞到紋孔，沖擊紋孔膜使其破壞來(lái)改變孔徑的尺寸[4-5]。Vinden等采用2種功率的微波預(yù)處理硬闊葉樹(shù)木材，干燥時(shí)間縮短50%以上[6]；Compere認(rèn)為，經(jīng)微波處理的桉木，不再需要3～6個(gè)月的氣干，窯干時(shí)間可縮短2～3周[7]；周永東等認(rèn)為，微波預(yù)處理使高含水率木材的細(xì)胞內(nèi)集聚蒸汽壓力，紋孔膜被破壞，形成水分容易移動(dòng)的通道，干燥時(shí)間明顯縮短[8]。羅雯等以微爆破技術(shù)研究楊木，干燥速率提高了1.93～2.25倍[9]；肖雪芹等對(duì)赤桉(EucalyptuscamaldulensisDehnh.)板材進(jìn)行爆破預(yù)處理，滲透性和干燥速度均有明顯的提高，力學(xué)強(qiáng)度沒(méi)有降低[10]；苗平等對(duì)柞木(QuercusmongolicaFisch. et Turcz.)和紅櫟(QuercusalienaBl.)板材進(jìn)行了壓力為0.25、0.40和0.55 MPa的蒸汽爆破預(yù)處理，干燥速度分別提高了13.6%、27.3%和36.4%[11-13]。

有關(guān)輥壓法用于木材干燥預(yù)處理的研究未見(jiàn)報(bào)道。筆者以改善木材滲透性、促進(jìn)水分移動(dòng)為目的，研究輥壓預(yù)處理柞木試材在高頻真空干燥中干燥速率的變化規(guī)律，分析輥壓預(yù)處理對(duì)木材物理、力學(xué)性質(zhì)的影響，為探索木材干燥預(yù)處理方法、縮短干燥時(shí)間提供新的思想。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)試材：柞木(QuercusmongolicaFisch.)，長(zhǎng)6 000 mm、小頭直徑520 mm的特級(jí)優(yōu)等原木一根，采集于吉林省蛟河林業(yè)實(shí)驗(yàn)區(qū)管理局清茶館林場(chǎng)，鋸制成標(biāo)準(zhǔn)的徑切板和弦切板，各80塊，試材尺寸：500 mm(長(zhǎng))×100 mm(寬)×30 mm(厚)；試驗(yàn)板材紋理通直，無(wú)結(jié)疤、腐朽，各板材間材性相近。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

輥壓機(jī)，上下壓輥皆為主動(dòng)輥，輥長(zhǎng)350 mm，壓輥直徑500 mm，轉(zhuǎn)動(dòng)速度30 r/min。

高頻真空木材干燥機(jī)，石家莊燦高高頻機(jī)械有限公司，型號(hào)CGGZ-3F，箱內(nèi)尺寸150 cm×150 cm×360 cm，有效材堆尺寸100 cm×110 cm×300 cm。高頻機(jī)功率20 kW(五檔可調(diào))，高頻機(jī)頻率6.00～13.56 MHz，真空度-0.07～0.09 MPa。

恒溫恒濕箱，德國(guó)MMM公司，型號(hào)Climacell 404；電子式木材萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，濟(jì)南試金集團(tuán)有限公司，型號(hào)WDW-100E；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海一恒科技有限公司，型號(hào)DHG-9075A；電子秤，量程30 kg，精度50 g。

1.3 方法

1.3.1 輥壓預(yù)處理工藝及木材高頻真空干燥基準(zhǔn)

輥壓預(yù)處理工藝包括壓縮率、壓縮次數(shù)和壓縮方向3個(gè)參數(shù)。壓縮率設(shè)定為10%、20%和30%[14]；每一種壓縮率下的壓縮次數(shù)分別為1、4和9次，多于1次的壓縮，上一次輥壓完成后立即進(jìn)行下一次；壓縮方向依據(jù)木材生長(zhǎng)輪和施力方向的位置關(guān)系分為徑向和弦向，對(duì)徑切板施行弦向壓縮，對(duì)弦切板施行徑向壓縮。

本研究共采用18種輥壓預(yù)處理工藝，每一種工藝準(zhǔn)備8塊試材，將對(duì)照樣(未經(jīng)過(guò)輥壓預(yù)處理的試材)計(jì)算在內(nèi)，則需徑、弦切板試材各80塊；試驗(yàn)板材輥壓預(yù)處理后立即進(jìn)行高頻真空干燥和測(cè)試，試材的初含水率47%～55%。

堆垛方式：試材長(zhǎng)度方向與干燥機(jī)內(nèi)腔長(zhǎng)度方向平行；每一層20塊試材，其中長(zhǎng)度方向4塊試材，寬度方向5塊試材，共8層；正極板位于第4層和第5層之間，兩塊負(fù)極板分別置于材堆的頂部和底部。

本研究執(zhí)行的木材干燥基準(zhǔn)：真空度-0.05 MPa，高頻機(jī)頻率12 MHz。

將含水率測(cè)定及顯示裝置與對(duì)照樣試材相連，當(dāng)高頻真空干燥運(yùn)行120 h、對(duì)照樣含水率降至15%時(shí)，干燥結(jié)束。

1.3.2 干燥速率的計(jì)算方法

干燥速率表示木材干燥過(guò)程中單位時(shí)間內(nèi)降低的含水率值。分別測(cè)量每一塊試材干燥開(kāi)始、結(jié)束和全干時(shí)的質(zhì)量(常溫)，計(jì)算出試材的干燥初期含水率和終期含水率，二者的差值除以干燥時(shí)間，即是每一塊試材在高頻真空干燥過(guò)程的干燥速率。取相同輥壓預(yù)處理工藝所有試材干燥速率的平均值，作為每一種輥壓預(yù)處理工藝柞木試材的干燥速率。

1.3.3 輥壓預(yù)處理木材物理力學(xué)性質(zhì)的測(cè)試

將經(jīng)過(guò)高頻真空干燥后的輥壓預(yù)處理材和對(duì)照樣按照國(guó)家有關(guān)木材物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試要求制作試樣，經(jīng)過(guò)含水率平衡處理后，進(jìn)行測(cè)試和分析。對(duì)于抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量和抗劈力3個(gè)力學(xué)指標(biāo)，測(cè)試的是輥壓壓縮方向的強(qiáng)度，順紋抗剪強(qiáng)度試件的破壞面與壓縮方向垂直。

2 結(jié)果與分析

2.1 輥壓預(yù)處理對(duì)干燥速率的影響

將輥壓預(yù)處理試材和對(duì)照樣高頻真空干燥的干燥速率差值占對(duì)照樣的百分比定義為干燥速率的變化率，用以表征不同的輥壓預(yù)處理工藝干燥速率變化的程度。18種輥壓預(yù)處理試材和對(duì)照樣的干燥速率及干燥速率的變化率見(jiàn)表1。

表1 輥壓預(yù)處理試材高頻真空干燥的干燥速率和變化率

柞木徑切板和弦切板試材經(jīng)過(guò)輥壓預(yù)處理后，在高頻真空干燥時(shí)的干燥速率均大于未處理材(對(duì)照樣)。在相同壓縮方向和壓縮率下，干燥速率隨壓縮次數(shù)的增加而增大，在弦向壓縮和壓縮率20%條件下，壓縮1、4和9次的干燥速率分別為0.003 587、0.003 801、0.003 843 h-1，與對(duì)照樣相比，干燥速率分別提高了15.08%、21.94%和23.29%。同時(shí)，干燥速率的增大隨著壓縮次數(shù)的增加而逐漸收窄，在徑向壓縮和10%壓縮率時(shí)，壓縮4次的干燥速率與1次相比，提高了6.73%；而壓縮9次的干燥速率與4次相比，僅提高了3.67%。

當(dāng)壓縮方向和壓縮次數(shù)相同時(shí)，干燥速率隨壓縮率的增加而增大；在徑向壓縮和壓縮4次條件下，壓縮率10%、20%和30%對(duì)應(yīng)的干燥速率分別為0.003 369、0.003 509、0.003 798 h-1，與對(duì)照樣相比，干燥速率分別提高了14.51%、19.27%和29.10%。當(dāng)壓縮率和壓縮次數(shù)相同時(shí)，弦向壓縮(徑切板)試材的干燥速率大于徑向壓縮(弦切板)，如當(dāng)壓縮率30%和壓縮4次時(shí)，弦向壓縮的干燥速率為0.003 922 h-1，而徑向壓縮為0.003 798 h-1；對(duì)照樣也表現(xiàn)出相同的特征，弦切板對(duì)照樣的干燥速率為0.002 942 h-1，而徑切板為0.003 117 h-1。

柞木的木射線非常豐富發(fā)達(dá)，是導(dǎo)管分子以外，水分移動(dòng)的重要路徑；對(duì)于弦切板和徑切板，木射線分別垂直和平行于木板的寬面，水分由木板的中心位置沿著木射線到達(dá)板面，在徑切板內(nèi)要運(yùn)行更遠(yuǎn)的距離。所以，在常規(guī)蒸汽干燥中，弦切板的干燥速率大于徑切板[1]。在高頻干燥中，木板內(nèi)的水分在電場(chǎng)的作用下，都是向板材的寬面移動(dòng)，當(dāng)木板被加熱后，徑切板內(nèi)水分除了因高頻干燥效應(yīng)形成的向?qū)捗嬉苿?dòng)以外，還可以沿著木射線的方向向窄邊移動(dòng)，所以，高頻干燥中，柞木徑切板的干燥速率大于弦切板。

2.2 輥壓預(yù)處理對(duì)密度和干縮率的影響

對(duì)輥壓預(yù)處理的柞木試材和對(duì)照樣進(jìn)行了3種密度的測(cè)量、計(jì)算和分析，將處理試材的密度與對(duì)應(yīng)的對(duì)照樣密度的差值占對(duì)照樣密度的百分比，定義為密度的變化率，用于表征輥壓預(yù)處理對(duì)密度變化的影響。各種工藝輥壓預(yù)處理柞木試材的全干、氣干和基本密度值及變化率見(jiàn)表2?？梢?jiàn)，柞木試材經(jīng)過(guò)輥壓預(yù)處理后，全干、氣干和基本3種密度值均大于相應(yīng)對(duì)照樣密度；在壓縮方向和壓縮率相同時(shí)，密度的變化率隨壓縮次數(shù)的增加有增大的趨勢(shì)；在壓縮方向和壓縮次數(shù)相同時(shí)，密度的變化率隨壓縮率的增加有增大的趨勢(shì)；密度的變化率在0.88%～6.58%，變異量不大。

3種密度中，氣干密度的變化最大，而基本密度變化最小。同時(shí)，密度變異與壓縮方向相關(guān)，弦向壓縮(徑切板)的密度變化略大于徑向壓縮(弦切板)。

與對(duì)照樣相比，輥壓預(yù)處理試材弦向、徑向和體積干縮率的變化值占對(duì)照樣的百分比，定義為干縮率的變化率，用于表示干縮率發(fā)生變化的水平。各種工藝輥壓預(yù)處理柞木試材的弦向、徑向和體積的全干干縮率和氣干干縮率及干縮率的變化率見(jiàn)表3?？梢?jiàn)，柞木試材經(jīng)過(guò)輥壓預(yù)處理后，弦向、徑向和體積的全干干縮率和氣干干縮率均大于對(duì)照樣；全干干縮弦向、徑向和體積干縮率的變化率范圍分別為1.61%～9.63%、1.04%～10.42%和4.12%～13.13%，氣干干縮對(duì)應(yīng)的干縮率的變化率范圍分別是1.67%～11.17%、1.64%～9.15%和1.61%～10.71%。當(dāng)壓縮方向和壓縮率相同時(shí)，3種干縮率隨著壓縮次數(shù)的增加而有增大的趨勢(shì)；當(dāng)壓縮方向和壓縮次數(shù)相同時(shí)，干縮率隨著壓縮率的增加而有增大的趨勢(shì)。這一表現(xiàn)，與密度的變異規(guī)律是一致的。

表3 輥壓預(yù)處理柞木試材的干縮率及變化率

干縮率的變化率因壓縮方向而異，壓縮方向的干縮率變化大于非壓縮方向，如弦向壓縮(徑切板)試材弦向干縮率的變化率大于徑向，而徑向壓縮(弦切板)試材徑向干縮率的變化率大于弦向；同時(shí)，弦向壓縮的體積干縮率的變化率大于徑向壓縮。

2.3 輥壓預(yù)處理對(duì)力學(xué)性質(zhì)的影響

輥壓處理材力學(xué)強(qiáng)度與對(duì)照樣的差值占對(duì)照樣的百分率，定義為力學(xué)強(qiáng)度變化的變化率，用以分析輥壓預(yù)處理對(duì)柞木木材力學(xué)性質(zhì)的影響。表4中列出了木材5種主要力學(xué)性質(zhì)輥壓處理后的數(shù)值及變化率。

表4 輥壓預(yù)處理柞木試材的力學(xué)強(qiáng)度和變化率

柞木徑切板和弦切板試材經(jīng)過(guò)輥壓處理后，主要力學(xué)性能均發(fā)生了變化，低壓縮率和較少壓縮次數(shù)時(shí)，試材的力學(xué)強(qiáng)度略有增加；但隨著壓縮率和壓縮次數(shù)的增加，5種力學(xué)強(qiáng)度值均有所下降。壓縮方向和壓縮率相同時(shí)，力學(xué)強(qiáng)度隨著壓縮次數(shù)的增加而逐漸減小。如對(duì)于順紋抗壓強(qiáng)度，徑向壓縮和20%壓縮率時(shí)，壓縮1、4和9次對(duì)應(yīng)的變化率分別為-4.29%、-8.61和-10.59%；壓縮方向和壓縮次數(shù)相同時(shí)，力學(xué)強(qiáng)度值隨著壓縮率的增大而逐漸減少。如對(duì)于抗劈力，弦向壓縮和壓縮4次時(shí)，壓縮率10%、20%和30%對(duì)應(yīng)的變化率分別是4.11%、-7.08%和-9.92%。不考慮壓縮方向，順紋抗壓強(qiáng)度的變化率為-13.01%～6.56%，順紋抗剪強(qiáng)度的變化率為-14.17%～4.67%，抗劈力的變化率為-15.54%～4.11%，抗彎強(qiáng)度的變化率為-12.29%～6.42%，抗彎彈性模量的變化率為-20.17%～4.59%；相同輥壓預(yù)處理工藝條件下，抗彎彈性模量的力學(xué)損失最大。

另外，力學(xué)強(qiáng)度的變化因壓縮方向而異，徑向壓縮(弦切板)引起的力學(xué)損失大于弦向壓縮(徑切板)。柞木中的木射線豐富發(fā)達(dá)，是木材構(gòu)造中力學(xué)強(qiáng)度最薄弱的區(qū)域。在輥壓壓縮時(shí)，對(duì)于弦切板，外力方向平行于木射線細(xì)胞的縱向；而對(duì)于徑切板，外力方向垂直于木射線細(xì)胞的縱向。在本試驗(yàn)的含水率狀態(tài)下(47%～55%)，當(dāng)施力方向平行于木射線細(xì)胞的縱向時(shí)，可將細(xì)胞壓潰，而垂直于縱向時(shí)，僅能將細(xì)胞橫向壓扁，木材是黏彈性材料，橫向壓扁的細(xì)胞可部分或全部回復(fù)，而壓潰細(xì)胞的回復(fù)是困難的。研究中已觀察到這一現(xiàn)象，在壓縮率30%和9次壓縮的情況下，個(gè)別弦切板試材的端面出現(xiàn)細(xì)小的宏觀裂隙，而裂隙正是沿著木射線的走向發(fā)生的。

3 結(jié)論

柞木徑切板和弦切板試材經(jīng)過(guò)輥壓預(yù)處理后，高頻真空干燥時(shí)的干燥速率均大于未處理材；壓縮方向和壓縮率相同時(shí)，干燥速率隨壓縮次數(shù)的增加而增大，并逐漸收窄；壓縮方向和壓縮次數(shù)相同時(shí)，干燥速率隨壓縮率的增加而增大，干燥速率的變化率在7.78%～29.88%。柞木板材經(jīng)過(guò)輥壓預(yù)處理后，高頻真空干燥的干燥時(shí)間可縮短7.22%～21.97%。

輥壓預(yù)處理柞木試材的密度和干縮率均大于對(duì)照樣，密度和干縮率的變化率分別為0.88%～6.58%和1.04%～13.13%。在壓縮方向和壓縮率相同時(shí)，密度和干縮率的變化率隨壓縮次數(shù)的增加而有增大的趨勢(shì)；在壓縮方向和壓縮次數(shù)相同時(shí)，二者的變化率隨壓縮率的增加而有增大的趨勢(shì)。

隨著壓縮率和壓縮次數(shù)的增加，木材的力學(xué)強(qiáng)度下降；壓縮方向和壓縮率相同時(shí)，力學(xué)強(qiáng)度隨著壓縮次數(shù)的增加而逐漸減小；壓縮方向和壓縮次數(shù)相同時(shí)，力學(xué)強(qiáng)度隨著壓縮率的增大而逐漸減少。5種力學(xué)強(qiáng)度的變化率為：順紋抗壓強(qiáng)度-13.01%～6.56%，順紋抗剪強(qiáng)度-14.17%～4.67%，抗劈力-15.54%～4.11%，抗彎強(qiáng)度-12.29%～6.42%，抗彎彈性模量-20.17%～4.59%。

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Effect of Pretreatment Conditions on Drying Rate of Lumber Compressed by Rollers and Wood Properties//

Yang Shengli, Wen Mingyu, Yang Geng, Sun Yaoxing, Zhao Xue

(Beihua University, Jilin 132013, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University，2015,43(12)：69-73.

We compressed the lumber of oak (Quercusmongolica) by rollers in both radial and tangential directions under the compression rate of 10%, 20% and 30% and at compression times of 1, 4 and 9. We studied the variation characteristics of drying rate through high frequency-vacuum drying and the properties of the treated samples. The drying rate of treated ones increased with the rise of compression rate and its times, the variation coefficient of drying rate was in 7.78%-29.88%, and the rate of shortened drying hours was in 7.22%-21.97%. The density of treated samples and the shrinkage rate were increased gently with the rise of compression rate and its times, the variation coefficients were in 0.88%-6.58% and 1.04%-13.13%, respectively. The mechanical of wood decreased gently with the rise of compression rate and its times, the variation coefficient of shortened strength with the compressive strength parallel to the grain was in -13.01%-6.56%, with the shearing strength parallel to the grain was in -14.17%-4.67%, with the cleavage strength of wood was in -15.54%-4.11%, with the bending strength of wood was in -12.29%-6.42%, and with the modulus of elasticity in static bending of wood was in -20.17%-4.59%.

Pre-compressed by rollers; High frequency-vacuum drying; Drying rate; Physical and mechanical properties of wood

1)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31470022)，吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(20120260)，吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(2012-160)，吉林省省級(jí)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略調(diào)整引導(dǎo)資金專(zhuān)項(xiàng)(2015Y079)。

楊勝麗，女，1969年12月生，北華大學(xué)林學(xué)院，助理實(shí)驗(yàn)師。E-mail：1289710973@qq.com。

孫耀星，北華大學(xué)林學(xué)院，教授。E-mail：sunyaoxing@sina.com。

2015年5月13日。

S781.3

責(zé)任編輯：戴芳天。