银腺杨木材干燥特性初步研究

张新宇， 孙照斌， 李 星， 刘朝华， 武素然

(1.北京林业大学材料科学与技术学院，北京 100083；2.河北农业大学林学院，河北 保定 071000；3.南京林业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210037；4.河北省易县洪崖山国有林场管理局，河北 保定 074200)

研究与设计

银腺杨木材干燥特性初步研究

张新宇1， 孙照斌2， 李 星3， 刘朝华4， 武素然4

(1.北京林业大学材料科学与技术学院，北京 100083；2.河北农业大学林学院，河北 保定 071000；3.南京林业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210037；4.河北省易县洪崖山国有林场管理局，河北 保定 074200)

采用百度试验法对银腺杨进行了干燥特性实验。结果表明：银腺杨初期开裂为4级，内裂为1级，截面变形为2级；银腺杨的干燥速度等级为1级，属于易干木材。根据实验数据初步拟订了银腺杨的干燥基准。

百度实验法；银腺杨；干燥特性；干燥基准

银腺杨是腺杨和银白杨杂交培育品种，为白杨派的一种[1]，1984年我国成功将其引入，并由中国林业科学研究院在1987年将其引入陕西[2]，是迄今为止我国栽培数量最多的杨树品种之一。银腺杨抗逆性好，生长速度快，树皮光滑，树干通直，适应性强，对防风固沙有良好的作用，常用于丘陵造林[3]。

银腺杨为速生材的一种，材质较软，密度偏低，在干燥过程中容易产生皱缩、变形、开裂等缺陷，因此降低了木材的使用品质。为提高银腺杨的使用效率，拓宽其使用范围，本文以银腺杨为研究对象，利用百度试验法对其干燥特性进行研究，以获得最佳的干燥基准，为银腺杨生产及后期利用提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

(1)银腺杨：采集于河北省保定市易县洪崖山林场，胸径约45 cm，树高30 m，截取高度2.0 m树段用作试材。

(2)对照组毛白杨：采集于河北省保定市易县洪崖山林场，胸径约40 cm，树高25 m，截取高度2.0 m树段用作试材。

将树段锯解成板材，然后选取无外观缺陷、材质均匀的弦切板作为试件，试件尺寸为200 mm(L)×100 mm(T)×20 mm(R)，而且要求六面刨光。银腺杨初含水率均值为77.6%，毛白杨初含水率均值为56.7%。制取10 mm×10 mm×10 mm大小的试样进行显微构造观察。

1.2 试验设备

高精度圆锯机(德国FESTOOL)；鼓风干燥箱(上海精宏仪器有限公司生产)；电子天平(精度0.01 g)；数显游标卡尺(精度0.01 mm)；塞尺(精度0.01 mm)；直尺(精度0.5 mm)。

1.3 试验方法

银腺杨百度实验法参照相关文献进行[4]。首先对干燥完成后的试件进行称重和尺寸测量，同时进行扭曲值、截面变形和内裂的测量记录，并根据初期开裂、截面变形、内部开裂编定干燥基准[5]。

2 试验结果与分析

2.1 显微构造

银腺杨三切面微观构造如图1所示。银腺杨横切面管孔分布均匀，为散孔材，部分导管内具侵填体；单管孔及径列复管孔的管孔链极少，导管多为单穿孔，导管间纹孔呈卵圆形，管间纹孔多数互列，少数对列；轴向薄壁组织极少，呈稀星散状排列；木射线非叠生，射线组织同形单列，单列射线高4～24个细胞，多数射线高15～20个细胞。

图1 银腺杨三切面微观构造(10×)

2.2 木材干燥特性

银腺杨与毛白杨干燥缺陷及干燥速度见表1。由表1可知，银腺杨初期开裂为4级，截面变形为2级，内裂为1级，扭曲变形为4级，干燥速度为1级；毛白杨初期开裂为2级，截面变形为2级，内裂为1级，扭曲变形为3级，干燥速度为2级。

2.2.1 初期开裂

试件置于烘箱中1 h后取出，银腺杨出现端裂，并且随着时间的延长裂隙逐渐增大。当含水率降至30%左右时，表面裂纹的大小和数量不再发生变化，部分裂纹开始愈合。参照木材干燥缺陷及干燥速度分级标准对银腺杨初期开裂情况进行分级结论为：银腺杨初期开裂严重，开裂等级为4级。

银腺杨初含水率高，当试件置于高温低湿环境时自由水迅速蒸发。微观构造显示银腺杨纤维方向通直，端部表层水分的排出速度过快，导致木材表面与内部含水率梯度过大，当表层受到的拉应力超过木材的抗拉强度时便形成初期开裂；随着干燥过程的继续进行，自由水蒸发殆尽，吸着水开始蒸发，木材内部开始收缩，会出现内拉外压的应力分布，使裂纹逐渐愈合。

2.2.2 内部开裂

由表1所示的结果可以看出，银腺杨未出现内部开裂，等级为1级。

在干燥过程中，木材表面持续受到拉应力的作用而产生残余变形，造成表面硬化。随着干燥的继续进行，银腺杨内部含水率低于FSP，出现收缩；此时木材表面含水率偏低，收缩微小。收缩差异的存在使木材内部产生拉应力，当内部的拉应力大于细胞之间的结合力时木材就会出现内裂[6]，内裂主要发生在干燥后期[7]。为控制内裂的产生，应相应地调整干燥后期的温度。

2.2.3 截面变形

干燥完成后的试件沿轴向中心锯开，其截面厚度变化量的最大值即为截面变形量。由表1可知，银腺杨截面变形程度为2级，属于轻微变形。

在高温环境下，由于银腺杨含水率高，水分会迅速扩散，致使细胞腔内的压力小于外界的大气压，而且杨树木纤维壁薄[8-10]，细胞容易出现塌陷，造成板面厚度不均匀。产生截面变形的主要原因是干燥初期温度过高、湿度过低，所以在干燥过程中要对初期的干燥温度和湿度进行相应地调整。

表1 银腺杨与毛白杨干燥缺陷及干燥速度表

树种序号初期开裂等级内裂等级截面变形/mm等级干燥速度/h等级扭曲值/mm等级1无1无103619163642有4无10862815163银腺杨3有4无110229161244有3无1096210165645有4无114439134436有4无1101210173641有2无1076210157632有1无115821224583毛白杨3无1无1096210150634有1无1144311244435有2无111631225163

2.2.4 扭曲变形

干燥后银腺杨的弦切板会产生严重的扭曲变形，扭曲等级为4级。

木材属各向异性材料，在干燥过程中由于收缩不均匀使木材出现翘曲变形。木材试件是弦切板，在厚度方向上收缩率存在差异，而且木射线的抑制作用也会使径向收缩小，弦向收缩大，致使银腺杨的弦切板在干燥过程中会出现比较严重的扭曲变形。

2.3 干燥速度

银腺杨与毛白杨百度实验的干燥时间与干燥速度见表2。

表2 干燥时间与干燥速度

树种W初/%干燥时间/h30%～5%W全程干燥速度/%·h-130%～5%W全程干燥等级银腺杨7769320362431级毛白杨56711240442361级

干燥速度通常由含水率从30%降至5%所需的时间来评定，由表2可知，银腺杨的干缩速度比毛白杨快，其中银腺杨含水率从30%干缩到5%所用的平均时间是9 h，平均干燥速度为0.36 %/h，干燥速度等级是1级，属于易干木材。

干燥速度是木材干燥难易程度的表征之一，其反映了木材内部水分向外流动的快慢，与木材构造有关。由于银腺杨的横切面管孔分布均匀，导管内侵填体少，水分扩散通道畅通，因此有利于干燥。

银腺杨从初含水率77.6%降至1%需耗时32 h，初期干湿球温度差为3℃，最终得出厚度为25 mm的银腺杨在室干条件下，含水率干燥到10%所需的时间为10天。毛白杨从含水率56.7%降至1%需耗时24 h，初期干湿球温度差为4℃，最终得出厚度为25 mm的毛白杨在室干条件下，含水率干燥到10%所需的时间为7天。

2.4 干缩特性

木材的干缩特性是木材干缩湿胀的体现，是木材干燥及加工利用过程的重要特性，在一定程度上反映了木材的开裂和变形。

银腺杨与毛白杨干缩特性见表3。对干燥前后试件的径向、弦向、纵向尺寸进行测量，得出银腺杨的弦向全干干缩率为7.81%，径向全干干缩率为3.65%，弦向干缩是径向干缩的2.14倍，弦向干缩与径向干缩的差异使得银腺杨的扭曲变形严重。银腺杨的弦向干缩系数为0.26%，径向干缩系数为0.12%，弦向、径向差异干缩比值为2.14﹥1.5，差异干缩较大，这在一定程度上说明了银腺杨的开裂和扭曲变形较严重，尺寸稳定性较差。由表3可知，银腺杨与毛白杨径向干缩在0.05水平上存在差异，在弦向及体积干缩上无显著性差异(P﹥0.05)。

表3 银腺杨与毛白杨干缩特性

树种类别弦向干缩率/%径向干缩率/%体积干缩率/%银腺杨均值7813651111变异系数374575439毛白杨均值7403271011变异系数513629688差异性P0228NS0039∗0058NS

注：*表示在0.05水平上有显著性差异；NS表示差异不显著。

2.5 银腺杨的干燥基准

根据实验数据获得的银腺杨与毛白杨干燥缺陷及干燥速度等级，并结合与干燥缺陷等级相对应的干燥条件，绘制干燥条件表，见表4。

表4 与干燥缺陷等级相对应的干燥条件表

干燥缺陷干燥条件类别银腺杨毛白杨初期开裂级别初始温度/℃初期干湿球温差/℃末期最高温速/℃·h-14502～3802704～695截面变形级别初始温度/℃初期干湿球温差/℃末期最高温速/℃·h-12704～7902704～790内裂级别初始温度/℃初期干湿球温差/℃末期最高温速/℃·h-11805～7951805～795

从表4中选出最低条件作为银腺杨与毛白杨干燥的基本条件，银腺杨干燥初期温度为50 ℃，干湿球温度差为2 ℃，终期温度为80 ℃，初含水率为77.6%；毛白杨干燥初期温度为70 ℃，干湿球温度差为4 ℃，终期温度为90 ℃，初含水率为56.7%。根据含水率与干湿球温度差关系制定银腺杨与毛白杨的干燥基准，结果见表5和表6。

表5 25 mm厚银腺杨的初步干燥基准

MC/%干球温度/℃干湿球温度差/℃相对湿度/%干燥时间/d75以上5024875-505525350-406035740-35655601035-307086230-2575185325以下803050

表6 25 mm厚毛白杨的初步干燥基准

MC/%干球温度/℃干湿球温度差/℃相对湿度/%干燥时间/d50以上7046650～357146735～307366730～2575966725～2080156520～1585256015以下903060

3 结论

(1)显微构造方面，横切面上银腺杨管孔分布均匀，导管多为单穿孔，导管间纹孔圆形至卵圆形，轴向薄壁组织较少，木射线非叠生，单列射线高4～24个细胞。

(2)干燥特性方面，银腺杨初期开裂和扭曲变形比较严重，主要是银腺杨的初含水率高，开裂较大，且弦向干缩约为径向干缩的两倍，木射线抑制作用强致使扭曲变形严重，无内裂，截面变形轻微。

(3)干燥速度方面，银腺杨的横切面管孔分布均匀，导管内侵填体少，水分扩散通道畅通，属于易干木材。

(4)干燥基准方面，根据实验数据初步拟定了银腺杨的干燥基准。皱缩是银腺杨干燥过程中主要的缺陷，所以在实际生产中应根据具体情况对干燥基准进行相应地调整。

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(责任编辑 张雅芳)

Preliminarily Study on the Drying CharacteristicofPopulusalba×P.glandulosa

ZHANG Xin-yu1， SUN Zhao-bin2， LI Xing3， LIU Chao-hua4， WU Su-ran4

(1.College of Materials Science and Technology，Beijing Forestry University，Beijing 100083，China；2.College of Forestry，Agricultural University of Hebei，Baoding Hebei 071000，China；3.College of Materials Science and Technology，Nanjing Forestry University，Nanjing Jiangsu 210037，China；4.Yi County Hongyashan State-owned Forest Farm Administration，Baoding Hebei 074200，China)

The 100 ℃ test method is adopted to conduct experiments on drying characteristics ofPopulusalba×P.glandulosa，with the result showing that the initial cracking is Grade 4，and the internal checking is Grade 1.The cross-sectional deformation is Grade 2；the drying speed ofPopulusalba×P.glandulosais Grade 1，indicating it gets dry easily.Based on the experimental data，the drying schedule ofPopulusalba×P.glandulosais preliminarily determined.

100℃ test method；Populusalba×P.glandulosa；drying characteristics；drying schedule

2017-06-13

河北省科技支撑计划项目“硬阔叶材热泵节能干燥关键技术与装备研究”(14274001D)；河北农业大学“木材学”精品课程项目

张新宇(1993-)，女，北京林业大学硕士研究生，主要从事木质复合材料与胶黏剂的研究，E-mail：xinyu0508@bjfu.edu.cn。

TS612

A

2095-2953(2017)09-0031-04