桉樹(shù)木材干燥特性的回顧和分析

桉樹(shù)生長(zhǎng)迅速，適應(yīng)性強(qiáng)，木材產(chǎn)量高。在過(guò)去的幾十年里，許多國(guó)家都引進(jìn)了種植。目前，世界上種植的桉樹(shù)人工林面積為5000萬(wàn)hm。我國(guó)南方自建國(guó)以來(lái)引種桉樹(shù),目前人工林面積已達(dá)150萬(wàn)hm2,其木材主要用于紙漿生產(chǎn)。為了提高桉樹(shù)木材的附加值,獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益,國(guó)內(nèi)外許多木材加工生產(chǎn)和科研部門(mén)廣泛開(kāi)展了桉樹(shù)實(shí)體木材性質(zhì)和加工利用技術(shù)的研究,澳大利亞、南非和巴西等國(guó)率先取得了多項(xiàng)桉樹(shù)實(shí)木加工技術(shù)。桉樹(shù)木材干燥是桉樹(shù)實(shí)木加工利用的關(guān)鍵之一,是一項(xiàng)難度很大的攻關(guān)技術(shù)。有研究結(jié)果表明,桉樹(shù)木材在干燥過(guò)程中產(chǎn)生的皺縮和開(kāi)裂較為嚴(yán)重,特別是皺縮,使木材的強(qiáng)度大幅度下降,木材利用率降低。嚴(yán)重的皺縮還使木材產(chǎn)生內(nèi)裂(蜂窩裂),甚至因之報(bào)廢。澳大利亞對(duì)桉樹(shù)木材的干燥特性和皺縮機(jī)理方面的研究在國(guó)際上居領(lǐng)先地位,Tiemann早在1915年就觀察到并開(kāi)始認(rèn)識(shí)桉樹(shù)木材的皺縮現(xiàn)象,1917年發(fā)現(xiàn)調(diào)濕處理可以使桉樹(shù)木材的皺縮恢復(fù),1934年Tiemann在先前研究的基礎(chǔ)上首次提出皺縮機(jī)理;1941年用電鏡觀察了桉木皺縮材組織結(jié)構(gòu)的變化;1960~1964年Kamman相繼研究了桉樹(shù)木材干燥的預(yù)蒸處理和后期調(diào)濕處理技術(shù),在一定程度上減少了桉木在干燥過(guò)程中的皺縮;1985年以后,Chafe又對(duì)桉木的皺縮進(jìn)行了系統(tǒng)的研究和生產(chǎn)開(kāi)發(fā)。我國(guó)學(xué)者劉元對(duì)桉木的皺縮也進(jìn)行了理論性研究,提出了幾個(gè)可供借鑒的觀點(diǎn)。1桉樹(shù)人工林木材水分利用的穩(wěn)定性國(guó)內(nèi)外學(xué)者先后對(duì)桉樹(shù)木材的構(gòu)造、物理力學(xué)性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,發(fā)現(xiàn)桉樹(shù)人工林木材不同種間和種內(nèi)的變異性很大,其中木材的含水率、密度、滲透性、干縮性等與干燥有關(guān)。1.1木材密度與木材干縮的關(guān)系桉木的密度在種間、種內(nèi)和株內(nèi)的變異均很大,也沒(méi)有一致的規(guī)律。但較一致的觀點(diǎn)是,桉樹(shù)木材的密度變異主要是基于纖維細(xì)胞壁厚的變異,如11年生檸檬桉的導(dǎo)管和木纖維(心材)壁厚僅為26年生的1/3;在一定范圍內(nèi),木材密度隨形成層年齡增加而發(fā)生的變化要比其在高度上的變化大。有研究認(rèn)為,木材的密度與樹(shù)木的生長(zhǎng)速度沒(méi)有關(guān)系,但環(huán)境因子的綜合影響要比樹(shù)木徑向生長(zhǎng)速度的影響大,施肥處理對(duì)木材的密度無(wú)顯著影響等。對(duì)639株王桉木材密度的研究結(jié)果認(rèn)為,木材的密度與種源有密切的關(guān)系,木材密度有明顯遺傳性。因此,可以通過(guò)選種和育種來(lái)改善木材的質(zhì)量。木材的密度是決定木材干燥特性的主要物理性能指標(biāo),桉木密度分布不均勻,變異性大,可導(dǎo)致木材在干燥過(guò)程中產(chǎn)生較大的干燥應(yīng)力。木材的密度還直接影響木材中水分傳導(dǎo)速度,也影響木材干縮的均勻性。由于桉樹(shù)木材密度分布不均勻,在干燥過(guò)程中各部位收縮不均勻,形成很大的干燥應(yīng)力,從而使木材發(fā)生開(kāi)裂和變形。1.2相鄰樹(shù)間的生長(zhǎng)生長(zhǎng)應(yīng)力是在形成木材構(gòu)造分子的次生壁時(shí)產(chǎn)生的,硬闊葉樹(shù)材的生長(zhǎng)應(yīng)力比針葉樹(shù)材大,其大小隨樹(shù)種不同而異,似與樹(shù)齡、樹(shù)干直徑或生長(zhǎng)速度無(wú)關(guān),在相鄰樹(shù)間可能會(huì)有很大的變化。一棵31年生王桉的生長(zhǎng)應(yīng)力的變化范圍在3.9~5.5MPa,另一棵生長(zhǎng)通直的王桉的生長(zhǎng)應(yīng)力在1.9~44.7MPa,其值已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于木材的橫紋抗拉強(qiáng)度。高應(yīng)力的樹(shù)伐倒后,很容易產(chǎn)生端裂,特別是在受到外力沖擊的時(shí)候。高應(yīng)力的原木鋸解后,板材容易產(chǎn)生彎曲和開(kāi)裂。在干燥初期板材常產(chǎn)生表裂,同時(shí)會(huì)加劇板材皺縮的產(chǎn)生。1.3桉木干縮率的變異干縮率高是桉木的共同特征,多數(shù)桉木的干縮率不符合StammA.J.1935年提出的干縮率(S)=纖維飽和點(diǎn)(f)×密度(ρ)的關(guān)系式。對(duì)多數(shù)桉木來(lái)說(shuō),木材干縮率與密度之間呈負(fù)相關(guān),經(jīng)調(diào)濕處理,可使這種相關(guān)性變得不顯著。而其它木材的干縮率與木材的密度呈正相關(guān),但回歸線不通過(guò)原始點(diǎn),斜率也只有10%~14%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Stamm提出的28%(纖維飽和點(diǎn))。另外,桉木干縮率的變異也很大,在株內(nèi),從邊材到心材體積干縮率一直增加到半徑的45%處,然后迅速降低到半徑的85%~90%處后急劇下降。對(duì)桉木進(jìn)行蒸汽預(yù)處理后,其干縮特性發(fā)生了很大的變化,體積收縮率和可回復(fù)的皺縮增加;桉木的干縮還與抽出物有關(guān),當(dāng)抽出物被抽出后,木材的纖維飽和點(diǎn)提高。進(jìn)一步的研究表明,由于抽出物在細(xì)胞壁中具有膨脹效果,因此可以相對(duì)地減少細(xì)胞壁尺寸的變化范圍。在研究干縮的變異時(shí)發(fā)現(xiàn),桉木晚材弦向干縮率大于早材的弦向干縮率,晚材在低于皺縮臨界溫度的干燥條件下也會(huì)產(chǎn)生皺縮,而早材只有在高于皺縮臨界溫度的干燥條件下才會(huì)產(chǎn)生皺縮。1.4桉木的汽蒸處理滲透性差是桉木的又一顯著特征,這與桉木的構(gòu)造有關(guān)。對(duì)4種桉木構(gòu)造研究的結(jié)果表明,桉木的導(dǎo)管壁上,管間紋孔多為附物紋孔,導(dǎo)管和射線間亦有部分附物紋孔(環(huán)管管胞和纖維壁上的紋孔也均為附物紋孔),大量附物的存在影響了木材中水分的移動(dòng)及其他物質(zhì)向木材中滲透。電鏡觀察發(fā)現(xiàn),多枝桉和細(xì)葉桉的導(dǎo)管內(nèi)含有較多侵填體,造成木材內(nèi)橫向水分移動(dòng)困難。為了改善桉木的滲透性,可對(duì)桉木實(shí)施汽蒸處理,汽蒸處理后的桉樹(shù)木材,導(dǎo)管和射線間的紋孔膜部分破裂,有的甚至脫離成空洞,但管間紋孔膜基本不變,可見(jiàn)汽蒸處理可以改善其滲透性。含水率分布不均和心材含水率高也是桉木的一個(gè)特征,如王桉木材邊材的含水率為118%,心材的含水率為135%;多枝桉邊材的含水率為94%,心材的含水率為113%,外心材的含水率為103%;在徑向上,從邊材到心材含水率增加,到半徑的75%處后又迅速降低,到85%~90%處保持穩(wěn)定;木材的纖維飽和點(diǎn)基本保持不變。桉木纖維細(xì)胞的生長(zhǎng)排列不與樹(shù)軸平行而呈螺旋狀,樹(shù)干表面明顯可見(jiàn)螺旋狀紋理,鋸解后,材面上形成交錯(cuò)紋理。具有交錯(cuò)紋理的木材在加工時(shí),由于大量木纖維被切斷,木材的強(qiáng)度降低。斜紋理木材在干燥過(guò)程中常會(huì)產(chǎn)生彎曲和開(kāi)裂。2桉樹(shù)木材形態(tài)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)由于桉木的滲透性差,含水率不均勻且高,管間、導(dǎo)管和木纖維間的紋孔多具膜,生長(zhǎng)應(yīng)力大,干縮率大,在干燥過(guò)程中極易產(chǎn)生皺縮。皺縮亦稱潰陷,通常是在干燥初期木材含水率很高時(shí)由于干燥溫度高,自由水移動(dòng)速度快而產(chǎn)生的毛細(xì)管張力和干燥應(yīng)力使細(xì)胞潰陷而引起的不正常、不規(guī)則的收縮,隨著含水率的下降而加劇。木材皺縮的宏觀表現(xiàn)是板材表面呈不規(guī)則的局部向內(nèi)凹陷并使橫斷面呈不規(guī)則圖形;微觀表現(xiàn)通常是呈多邊形或圓形的細(xì)胞向內(nèi)潰陷,細(xì)胞變得扁平而窄小,皺縮嚴(yán)重時(shí)細(xì)胞壁上還會(huì)出現(xiàn)細(xì)微裂紋。皺縮不僅使木材的收縮率增大,有效材積損失增加5%~10%,而且因其并非發(fā)生在木材所有部位或某組織的全部細(xì)胞,因而導(dǎo)致木材干燥時(shí)產(chǎn)生變形。皺縮時(shí)還經(jīng)常伴隨內(nèi)裂和表面開(kāi)裂,開(kāi)裂使木材強(qiáng)度降低甚至報(bào)廢。桉樹(shù)木材皺縮具有如下性質(zhì):選擇性不是所有桉樹(shù)木材的所有細(xì)胞都能發(fā)生皺縮,而是決定于木材細(xì)胞的自身?xiàng)l件和干燥工藝的條件。即在干燥過(guò)程中,當(dāng)作用在木材細(xì)胞上的毛細(xì)管張力之和大于木材細(xì)胞的抗壓強(qiáng)度時(shí),木材細(xì)胞才發(fā)生皺縮現(xiàn)象?？善茐男阅静募?xì)胞皺縮的自身基本條件可以改變,可以通過(guò)干燥工藝產(chǎn)生的外界條件來(lái)實(shí)施調(diào)控。如通過(guò)預(yù)凍處理可使細(xì)胞腔內(nèi)產(chǎn)生氣泡,導(dǎo)致紋孔膜破裂,細(xì)胞的氣密性下降;汽蒸處理也可以破壞細(xì)胞的氣密性;對(duì)木材進(jìn)行壓縮處理可以使木材細(xì)胞發(fā)生變形,破壞細(xì)胞的氣密性;用有機(jī)液體置換木材中的水分等。上述處理均改變了細(xì)胞皺縮的基本條件,使本來(lái)能夠產(chǎn)生皺縮的細(xì)胞不發(fā)生皺縮。另外通過(guò)調(diào)控干燥工藝條件,如降低水分移動(dòng)的速度,或在受拉狀態(tài)下干燥木材,通過(guò)減小毛細(xì)管張力,從而減少皺縮?？苫謴?fù)性如果皺縮細(xì)胞的細(xì)胞壁沒(méi)有破壞,再進(jìn)行熱濕處理可以使皺縮細(xì)胞恢復(fù)。當(dāng)木材含水率為15%時(shí),利用溫度100℃的飽和蒸汽進(jìn)行處理,皺縮木材的大部分可以恢復(fù),因?yàn)樵诶w維飽和點(diǎn)以下,細(xì)胞腔內(nèi)無(wú)自由水存在,高溫不再會(huì)產(chǎn)生皺縮條件,而木材具有一定的塑性,使其能夠恢復(fù)或接近原來(lái)的形狀。皺縮細(xì)胞的恢復(fù)也具有選擇性。3主要技術(shù)措施是防止木材褶皺和收縮3.1凍藏過(guò)程對(duì)木材壁的張力和平均水分傳導(dǎo)途徑的影響根據(jù)木材的皺縮機(jī)理和皺縮特性,如果能使木材細(xì)胞壁上的紋孔膜破裂,或在細(xì)胞腔內(nèi)產(chǎn)生氣泡,就可以破壞木材細(xì)胞的皺縮條件。Choong的研究指出,冷凍處理對(duì)防止皺縮頗有成效,其原因是水結(jié)冰時(shí)可以形成氣泡。假設(shè)融冰時(shí)這些氣泡沒(méi)有完全消失,這種氣泡能使細(xì)胞避免由于水分通過(guò)紋孔時(shí)而產(chǎn)生張力效應(yīng)。現(xiàn)有的研究表明,由于飽水狀態(tài)下的木材內(nèi)部已幾乎沒(méi)有空隙,在此狀態(tài)下使木材中的水分受凍成冰而體積膨脹使細(xì)胞腔擴(kuò)大,可使具緣紋孔的紋孔膜破裂,水分傳導(dǎo)途徑暢通,使毛細(xì)管張力減小,從而改變了木材產(chǎn)生皺縮的必要條件。有的研究結(jié)果表明,在預(yù)凍過(guò)程中木材內(nèi)的抽出物會(huì)遷移到細(xì)胞壁,增加了細(xì)胞壁的彈性,從而減緩皺縮。王喜明分析了冰凍后細(xì)胞腔和細(xì)胞壁尺寸的變化。通過(guò)理論計(jì)算分析細(xì)胞壁強(qiáng)度的增加范圍,并通過(guò)電子顯微鏡觀察冰凍過(guò)程中細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的形態(tài)變化。研究結(jié)果表明,預(yù)凍處理使木材細(xì)胞中的自由水發(fā)生了相變,細(xì)胞壁和微毛細(xì)管中的吸著水和抽出物發(fā)生了遷移和重新分布。上述現(xiàn)象的發(fā)生使木材細(xì)胞壁發(fā)生了冷收縮,并使細(xì)胞變得更加堅(jiān)硬而不易變形;木材細(xì)胞腔內(nèi)水結(jié)成冰后體積增大,將細(xì)胞壁上的紋孔膜頂破,從而破壞了細(xì)胞的氣密性,擴(kuò)大了自由水移動(dòng)的途徑,使皺縮細(xì)胞的數(shù)量減少45.76%。3.2蒸汽干燥木材由于桉木的皺縮均產(chǎn)生在含水率很高的干燥初期,由于干燥溫度太高所致。Innes指出,在臨界溫度以下干燥木材可以完全避免產(chǎn)生皺縮,因此在干燥前期采用低溫高濕的干燥工藝可以減少皺縮。采用氣干和室干的聯(lián)合干燥可很好地解決桉木的皺縮。先在氣干狀態(tài)下將桉木干燥到含水率20%~25%,再在干燥室干燥到規(guī)定的含水率。在室干前先對(duì)氣干材進(jìn)行蒸汽處理,處理的時(shí)間與板材的厚度有關(guān),板材越厚處理的時(shí)間越長(zhǎng),一般在2~6h。干燥后期的溫度為60~80℃,干濕球溫度差為6~12℃。在含水率為15%左右再進(jìn)行一次蒸汽處理,可以使木材的皺縮部分恢復(fù)?；蛟谳^低的溫度(45℃)、較高的相對(duì)濕度的軟基準(zhǔn)下(干濕球溫度差為2~4℃),將木材干燥到含水率為25%左右,再轉(zhuǎn)為硬基準(zhǔn),直到含水率為18%左右,進(jìn)行調(diào)濕處理。有的干燥試驗(yàn)表明,干燥后期的干球溫度可達(dá)到130℃,較大的干濕球溫度差和較高的氣流速度可大大加快木材干燥速度。王喜明在研究山楊木材的干燥特性時(shí)發(fā)現(xiàn),干燥初期用干球溫度50℃,干濕球溫度差為3~6℃,后期的干球溫度為80℃,干濕球溫度差為8~20℃的兩段干燥工藝可有效地避免產(chǎn)生皺縮。3.3加壓處理是否可減少開(kāi)展木材耐縮力對(duì)木材沿縱向施加壓力,使木材細(xì)胞變形以破壞細(xì)胞的氣密性,變形細(xì)胞的數(shù)量與施加的壓力成正比。試驗(yàn)結(jié)果表明,加壓處理可以減少皺縮,但對(duì)皺縮的恢復(fù)無(wú)明顯效果,也不會(huì)明顯改善木材的干燥特性。在徑切面上施加0.01~0.10MPa的拉伸力,并在此條件下干燥木材,隨著外加拉力的增加,木材皺縮的強(qiáng)度減少,這種現(xiàn)象的發(fā)生主要是在外力的作用下木材細(xì)胞的收縮受阻,使木材的總皺縮減少。3.4調(diào)濕處理對(duì)建筑實(shí)物的保護(hù)作用對(duì)皺縮材實(shí)施調(diào)濕處理可以使部分皺縮恢復(fù),這主要是發(fā)生了皺縮的細(xì)胞還沒(méi)有真正破壞,木材細(xì)胞壁中微纖維絲的熵彈性使細(xì)胞在高溫高濕的條件下得以恢復(fù)到原來(lái)或接近原來(lái)的形狀。研究結(jié)果表明,當(dāng)含水率在15%~20%時(shí),在干球溫度為100℃,相對(duì)濕度為100%的條件下對(duì)木材進(jìn)行調(diào)濕處理,皺縮的恢復(fù)率最高。皺縮的恢復(fù)率與前一階段木材干燥的溫度有關(guān),隨溫度的增加,皺縮的恢復(fù)率降低。理論分析表明,在熱和濕的聯(lián)合作用下,木素和纖維素的彈性增加,木材內(nèi)部的干燥應(yīng)力得以釋放。根據(jù)皺縮的壓縮變定理論,在木材外部細(xì)胞膨脹時(shí),木材內(nèi)部的細(xì)胞受拉