树盘干燥研究综述

赵景尧，蔡英春，付宗营

(东北林业大学材料科学与工程学院，哈尔滨 150040)

现阶段我国木材需求量增大与木材资源严重匮乏间的矛盾尤其突出。缓解矛盾的有效措施之一是充分高效地利用木材资源，尤其是以人工速生林小径材、采伐剩余物、间伐材、弯曲树木等为原料的劣质木材资源。

近年来人们不断探索上述资源高效利用的方法，其中将原木橫截成圆盘即树盘，干燥后制成菜墩、精美工艺品、立木地板块等，不仅利用率高，而且在其横截面上呈现出优美花纹，表现出较高的艺术价值，因而越来越受到关注。但制约该种技术推广的是树盘的高品质干燥。

1 树盘干燥研究历史

1.1 国外研究历史

自20世纪70年代起在国外就陆续出现了有关树盘干燥实验研究的报道。当时研究对象主要为大径级成熟材，树盘厚度较大即原木段。研究者们主要对原木段两端头的开裂情况进行研究。

Kubler H，Chen T H采用有限元分析方法分析了橫截树盘生长应力对端裂的影响。结果表明:原木的橫截过程中释放的轴向生长应力会转化为端头附近的弦向拉应力;髓心附近生长应力最大，因此开裂通常在此位置发生;生长应力随树盘厚度减小而下降，厚度小于1/4直径时，生长应力近似为零［1］。Kubler H采用冷冻干燥法对原木段进行干燥研究。结果表明:虽然干燥质量较常规方法大幅提高，但由于生长应力及干缩过程中弦向拉应力的存在，开裂仍不可避免，受伤材开裂更为严重［2］。Wilhelmy V，Kubler H利用有限元分析方法研究了原木段端头的应力分布［3］。Hsu N N，Tang R C等研究了原木生长应力和残余应力，并对影响应力的相关材性因素进行了探讨［4－7］。在此基础上，Kubler H，Chen T H根据原木段端头应力分布情况，分别采用沿髓心圆周环切 (kerfs)、沿树皮圆周带捆 (bands)，圆周环切凹槽 (grooves)等处理方法来抑制原木端头开裂，抑制的效果取决于处理尺寸的大小、处理位置离端头与轴向的距离［3，8 －9］。

随着对树盘应用的不断推广，研究者们又对厚度相对较小的树盘进行研究。Kubler H对树盘干燥过程进行简单处理来抑制干燥开裂:如干燥前期，对心材进行封闭处理，只允许边材干燥;干燥中期，移除封闭处理，心边材同时干燥;干燥后期，树盘放入带孔隙的容器中进行缓慢干燥;同时认为引起干燥开裂的诸多因素中最主要的是非同步干缩所产生的应力［10］。之后，Kubler H又对未处理材与处理材 (NaCI/PEG)的干燥特性进行研究。结果表明:干燥开裂由生长应力、含水率不均导致的干缩差异应力、各向异性产生的差异干缩应力共同作用引起;随着含水率的下降，干缩差异应力变得越来越重要，以至于较小的含水率不均导致的干缩差异应力都可以触发开裂;缓慢干燥可以减小干燥开裂，但低温高湿会引起边材变色;树盘厚度越小越易翘曲;经过处理的树盘均对干燥开裂有一定的抑制作用，但效果不明显且实际处理有难度［11］。Kato H等曾对常规干燥过程中树盘切向应力行为进行过研究［12］。在此基础上，Mataki Y、Kawabe J提出了树盘某一圆周部位切向应变的计算公式［13］。

1.2 国内研究历史

自古以来，中国民间就用盐水浸泡、浸油或蒸煮等方法来改善木材吸湿解吸及尺寸稳定性，减小开裂。其方法沿用至今。但相关机理的研究未见报道。

2 树盘干燥研究现状

2.1 国外研究现状

近年来，随着木材干燥行业的快速发展，各种特殊干燥方法的研究越来越受到重视，对树盘各种处理的研究越来越多，相关基础理论研究也在不断深入。

Kang W等采用圆环切片法对高频真空干燥下树盘径向含水率分布与弦向应变进行过研究。结果表明:虽然心边材初含水率不同，但在纤维饱和点以下，心边材含水率达到一致;同时整个树盘均呈现拉应力，且从髓心到外缘有增大趋势，在心边材交界处达到最大;高频真空干燥下多数树盘不会出现V－裂［14］。Lee N H等对高频真空干燥下日本落叶松、洋槐心材与心边材混合树盘的径向含水率分布进行研究，旨在探讨心边材差异对树盘干燥开裂的影响。在上述研究基础上，Lee N H等探讨通过对树盘进行一系列简单处理来抑制干燥开裂［15］。Choi J H等对高频真空干燥下边材移除及边材封闭处理过树盘的径向含水率分布与弦向应变进行研究，旨在通过减小心边材含水率差异来减小干燥开裂［16］。Li C，Lee N H等研究了高频真空干燥下日本落叶松树盘横截面承受压载荷时受抑制收缩、体积变化、切向应变的分布和变化，探讨了压载荷对收缩及切向应变的影响。结果表明:外部载荷对开裂的形成有一定的抑制作用［17－19］。Kang W对高频真空干燥下树盘沿径向干缩变化与干燥缺陷的关系进行了研究。结果表明:树盘的实际径向干缩大于自由径向干缩，V－裂主要与实际干缩差异有关;生长偏心率和圆度与干燥开裂没有关系［20］。Kang W、Lee N H运用数学模型建立树盘干燥应力与开裂之间的关系。结果表明:由于机械吸附蠕变的存在，干燥应力与含水率的变化呈非线性关系，开裂的产生主要与含水率沿径向的分布有关，控制树盘干燥特性的主要因素是心边材含水率差异［21］。Sreekanth M、Kolar A K根据树盘的自身特点 (纵向尺寸较小、橫截面积较大)采用流化床干燥机对树盘进行干燥，并分别建立了热量传递与干燥应力数学模型，旨在探讨树盘瞬时热量变化与应力发展规律［22］。Kang W 等分别运用有限元分析法(FEM)与里兹法 (RRZ)分析树盘自然频率对横向生长应力与干燥应力的影响，该模型可以通过对自然频率的测量间接预测生长应力;采用同样的方法可以验证粘弹性干燥应力模型［23］。

2.2 国内研究现状

艾沐野、张晓峰等对常规干燥下小径白桦的圆截片、斜截片的药液处理与未处理材进行了干燥特性等分析。结果表明:对白桦小径木截片的常规干燥是可行的，可采用温度渐升、湿度渐降的普通干燥基准;处理材的尺寸稳定性提高，且不易开裂，但干燥速率慢;斜截片易翘曲变形［24］。王丽宇研究了硕桦小径木圆截片试样的干燥技术，制定了可行的常规干燥基准。结果表明:小径木圆截片在干燥过程中易产生径裂，其主要原因是弦径向干缩不一致而引起;热湿处理能提高干燥速度;树皮的有无对开裂影响不大;初步提出了硕桦小径木圆截片的部分干燥质量指标［25］。王喜明、高志悦等比较了白桦小径木横截片经尿素和脲醛树脂改性后的干缩特性的差异，进而探讨了横截片的干燥特性、横截片应力的测试方法和水分传导基本规律［26］。王丽宇对刺槐小径木圆截片、斜截片的微波干燥技术进行了初步研究，发现截片在微波干燥中易产生径裂，斜截片较圆截片为甚;初步提出刺槐小径木斜截片微波干燥基准可稍软于其圆截片微波干燥基准［27］。金永明，刘志坤等对马尾松小径木横截片进行过尿素和脲醛树脂改性处理，探讨了处理对干燥特性等的影响。结果表明:经尿素和脲醛树脂改性后可减小其变形开裂［28］。Yang L Q等对经NaCI处理过的树盘水分移动机理与干燥特性进行了研究。结果显示:经NaCI处理过的树盘，干燥开裂大幅减少，但干燥速率明显低于未处理材，其主要原因是NaCI影响了木材微空隙结构变化与干燥能耗［29－30］。

生产实际中人们据上述研究结果，曾尝试用天然干燥、常规干燥、常规－天然联合干燥等方式干燥树盘，如黑龙江虎林林业局东方红众孚牧业有限公司探讨用软基准的常规－天然联合干燥法干燥俄罗斯白松树盘，虽较常规干燥开裂有明显减少，但干燥周期很长，且未从根本避免缺陷。韩国的Lee N H等学者指导企业采用高频真空结合适当的外加载荷进行树盘干燥，干燥过程中裂纹大大减少，但干燥后放置及使用过程中，由于粘弹性蠕变应变的恢复而产生残余应力并导致开裂［15－19］。蔡英春与日本九州大学的藤本登留合作研究，采用高频对流联合干燥法干燥日本柳杉树盘，虽然在相同的干燥周期下质量优于其它方法，但仍难避免微裂纹产生［31］。

3 小结

长期以来国内外研究人员一直研究树盘开裂的原因及抑制方法，虽获得了诸多研究成果，但未获得完全抑制树盘干燥及后续使用过程中开裂的有效方法。总结诸研究的主要成果有以下几点:

(1)树盘干燥开裂由生长应力，含水率不均导致的干缩差异应力与各向异性产生的差异干缩应力共同作用引起。其中，各向异性产生的差异干缩应力占主要地位;对于厚度较小的树盘来说，生长应力可忽略。

(2)树盘厚度与径级是影响开裂的重要因素，厚度与径级越大，干燥开裂越严重。

(3)经过物理或化学预处理的树盘均对干燥开裂有一定的抑制作用，但效果不明显且不实际;对于经过预处理的树盘干燥开裂抑制机理，尚不明确。

(4)采用高频真空干燥、高频对流联合加热干燥技术结合物理处理能明显减少干燥开裂，但有待进一步研究适宜的干燥及处理工艺。

(5)应力预测模型对树盘干燥应力及开裂分析有参考作用，但由于模型只有在一定的假设条件下才能成立，因此缺乏普遍性，尚不能指导生产实际。

4 树盘干燥发展趋势

综上所述，从国内外研究背景与现状来看，无论采用天然干燥、常规干燥、常规－天然联合干燥，还是高频真空干燥、高频对流干燥等方式，皆不能完全避免树盘在干燥过程及干燥后使用过程的开裂。对树盘进行物理化学预处理，虽对开裂的形成有一定的抑制作用，但效果不明显且不实际。

因此，对树盘干燥开裂的抑制有待进一步研究。在此基础上，进行恰当的预处理与制定合适的干燥基准，最终减小树盘干燥及使用过程中开裂。

今后对树盘干燥的发展趋势可以有以下几个方面:

(1)近年来，随着木材流变学的发展，国内外学者开始将流变学理论引入到木材干燥应力与应变的研究中。大多数学者基于木材流变学理论，把干燥应变分为自由干缩应变、弹性应变、粘弹性蠕变应变和机械吸附蠕变应变，取得了一定成果。因此须对树盘干燥过程中的流变特性进行系统研究，揭示树盘干燥过程中应变变化规律，从而为制定树盘干燥工艺，优化干燥基准提供科学依据。

(2)需对引起树盘干燥开裂的材性因素进行深入研究。树盘与常规锯材的干燥存在较大差异，其中以水分的移动路径，树盘横截面材性的差异(髓心、幼龄材、心材和边材)最为显著。因此，把握这些材性因素对开裂的影响关系，可通过相应而又适宜的物理、化学处理以及改进的干燥基准减少开裂。

(3)深入研究树盘的物理化学预处理机理，确立相应处理工艺。

(4)优化现有的树盘干燥基准，在确保较高干燥质量的前提下，提高干燥效率，减少干燥时间，节约成本和能源。

(5)数学模型对于分析树盘干燥过程中热质传递规律与应力应变变化规律起着十分重要的作用。今后模型的发展不仅仅要侧重于模型的建立，更要注重模型的验证与实际应用。

【参 考 文 献】

［1］Kubler H，Chen T．How to cut tree disks without formation of checks［J］．Forest Products Journal，1974(24):57-59．

［2］Kubler H．Mechanism of frost crack formation in tree-A review and synthesis［J］．Forest science，1983(29):559-568．

［3］Wilhelmy V，Kubler H．Stresses and checks in log ends from relieved growth stresses［J］．Wood science，1973(6):136-142．

［4］Kubler H．Growth stresses in trees and related wood properties［J］．Forest Prod Abst．，1987(10):74-107．

［5］Hsu N N，Tang R C．Internal stresses in wood logs due to anisotropic shrinkage［J］．Wood Sci．，1974(7):48-49．

［6］Sasaki Y，Okuyama T，Kikata Y．Determination of the residual stress in a cylinder of inhomogeneous anisotropic material［J］．Wood Res．Soc．，1981(27):177-182．

［7］Tauchert T R，Hsu N N．Shrinkage stresses in wood logs considered as layered，cylindrically orthotropic materials［J］．Wood Sci．Technol．，1977(11):51-58．

［8］Kubler H，Chen T H．Prevention of crosscut and heating heart checks in log ends［J］．Wood Sci．and Technol．，1975(9):13-24．

［9］Kubler H．Formation of checks in tree stems during heating［J］．Forest Products Journal，1974(27):41-46．

［10］Kubler H．Drying tree disks simply and without defects［J］．Forest Products Journal，1974(24):33-35．

［11］Kubler H．Study on drying of tree cross sections［J］．Wood Sci．，1975(7):173-181．

［12］Kato H，Sadoh T，Matsui K，et al．Shrinkage and crack formation of cross-sectional tree-disks［J］．Bull Kyoto Univ For，1978(50):191-197．

［13］Mataki Y，Kawabe J．Vacuum drying of Japanese cedar with radio frequency heating-the effect of the changes of internal stress and the transpirational drying［R］．Research Report of Laboratory of Wood Technology，Department of Forest Products，Faculty of Agriculture，Kyushu University．1988，p 12．

［14］Kang W，Lee N H，Choi J H．A radial distribution of moistures and tangential strains within a larch log cross section during radio-frequency/vacuum drying［J］．Holz Roh Werkst，2004(62):59-63．

［15］Lee N H，Li C，Choi J H．Comparison of moisture distribution along radial direction in a log cross section of heartwood and mixed sapwood and heartwood during radio-frequency/vacuum drying［J］．J Wood Sci．，2004(50):484-489．

［16］Choi J H，Lee N H．Effect of end-taping and removal of sapwood on radial distribution of moisture content and tangential strains during radio-frequency/vacuum drying of Cedrela sinsensis log cross sections［J］．J Wood Sci．，2004(50):315-320．

［17］Lee N H，Hayashi K，Jung H S．Effect of radio-frequency/vacuum drying and mechanical press-drying on shrinkage and checking of walnut log cross sections［J］．Forest Prod J．，1998(48):73-79．

［18］Li C，Lee N H．Effect of external compressive load on tangential strain behavior in Japanese larch log cross sections during radiofrequency/vacuum drying［J］．J Wood Sci．，2007(53):291-295

［19］Li C，Lee N H．Effect of compressive load on shrinkage of larch blocks under radio-frequency/vacuum heating［J］．Wood Fiber Sci．，2004(36):9-16．

［20］Kang W，Lee N H．Relationship between radial variations in shrinkage and drying defects of tree disks［J］．J Wood Sci．，2004(50):209-216．

［21］Kang W，Lee N H．Mathematical models to predict drying deformation and stress due to the differential shrinkage within a tree disk with radial variations［J］．Wood Sci．Technol．，2002(36):463-476．

［22］Sreekanth M，Kolar A K．Transient Thermal Behavior and Stress Development within a Cylindrical Wooden Disk during Drying in a Fluidized Bed Dryer［J］．Drying Technology，2009(27):344-358．

［23］Kang W，Lee N H，Pang S，et al．Free vibration of polar orthotropic circular plates with elastic growth stresses and drying stresses［J］．Applied Acoustics，2008(69):985-993．

［24］艾沐野，张晓峰，朱政贤，等．白桦小径木截片干燥技术的研究［J］．木材工业，1996，10(3):11-13

［25］王丽宇．硕桦小径木圆截片常规干燥工艺初探［J］．北京林业大学学报，1998，20(3)

［26］王喜明，高志悦，安 珍，等．改性白桦小径木横截片干燥特性的研究［J］．木材工业．1998，12(1):14-18

［27］王丽宇．刺槐小径木圆、斜截片微波干燥技术［J］．北京林业大学学报，1998，20(5):103-107

［28］金永明，刘志坤，钱 俊．改性马尾松小径木横截片干燥特性的研究［J］．建筑人造板．1999(1):23-26

［29］Yang L，Liu Y，Cai Y，et al．Drying characteristics of birch tree disk impregnated with NaCI［J］．Advanced Material Research，2011，179-180:285-288．

［30］Yang L，Liu Y，Cai Y，et al．Study on the mechanism of the NaCI influenced on the movement of water molecular in the wood［J］．Advanced Material Research，2011，179-180:1292-1295．

［31］康利国，艾沐野，程历在，等．青冈锯材常规干燥工艺探讨［J］．森林工程，2001，27(3):31 －33．