马尾松锯材常压过热蒸汽干燥脱脂特性研究

程曦依，李 芸，全 鹏，韦妍蔷，李昀彦，熊幸阳，谢 杰，李贤军

（中南林业科技大学 材料学院，湖南 长沙 410004）

马尾松锯材常压过热蒸汽干燥脱脂特性研究

程曦依，李 芸，全 鹏，韦妍蔷，李昀彦，熊幸阳，谢 杰，李贤军

（中南林业科技大学 材料学院，湖南 长沙 410004）

以速生马尾松锯材为研究对象，采用常压过热蒸汽对其进行干燥脱脂一体化处理，系统研究了干燥脱脂过程中马尾松木材内部温度及含水率变化规律，讨论了过热蒸汽温度对锯材干燥速率、干燥质量、颜色、表面溢脂及微观构造的影响规律。结果表明：过热蒸汽干燥脱脂过程中，锯材内部温度及含水率变化可分为快速升温加速干燥段、恒温恒速干燥段和升温减速干燥段三个阶段，干燥速率介于0.14～0.26 %/min，过热蒸汽温度对干燥速率影响非常显著；过热蒸汽干燥脱脂材可达到锯材干燥质量指标二级以上标准，与常规干燥材相比，发生的表裂缺陷少，140℃时出现内裂缺陷；过热蒸汽干燥脱脂处理对木材颜色的影响不显著；过热蒸汽干燥材表面不发生溢脂，达到一级脱脂松木锯材标准；过热蒸汽干燥处理破坏了树脂道内的薄壁细胞，处理后的树脂道内残存有固态松香。

马尾松；锯材；过热蒸汽；干燥；脱脂

马尾松具有较强的生长适应性及环境耐受性，是我国分布范围最广、蓄积面积最多的松木针叶材树种之一[1]。马尾松锯材具有清晰美丽的花纹，天然独特的气味，较高的药用及观赏价值[2]。但与此同时，因树脂含量丰富，采用马尾松锯材加工而成的木制品在长期使用过程中容易发生溢脂现象，影响了涂饰质量和装饰效果[3]，从而严重制约了其产品附加值的提高。

长期以来，许多国内外学者致力于松木脱脂技术的研究，探制出了多种脱脂方法，其中最常用的有碱液皂化法[4]、溶剂萃取法[5]、催化聚合法[6]、高温干燥法[7]和真空干燥法[8]。这些脱脂方法或多或少的存在着缺陷，如碱液皂化法及溶剂萃取法可有效除去木材中的树脂，但脱脂过程中使用的化学药剂或有机溶剂大部分有毒或易燃易爆[9]；催化聚合法只能对木材表面进行处理，无法达到深度脱脂的目的[10]；高温干燥法只能有效脱除松节油，对松香的排除作用很小，而且在高温干燥过程中，木材表面容易变暗失去木材天然材色，影响装饰效果[11]；真空干燥脱脂法可以有效脱出松脂，并增加木材渗透性，缩短干燥时间，但因其设备复杂、容积小和处理费用高等问题，使得其应用和推广受到了限制[12]。

常压过热蒸汽干燥因具有传热效率高、隔氧保护、干燥能耗省等优点被誉为21世纪最具应用潜力的干燥方法和技术[13]，在食品、化工等领域得到了广泛应用，但其在松属木材的干燥和脱脂领域的研究和应用还不多见。本文以常压过热蒸汽为干燥和脱脂改性处理介质，系统研究了干燥脱脂过程中马尾松锯材内部温度及含水率的变化规律，讨论了过热蒸汽温度对锯材干燥速率、干燥质量、颜色、表面溢脂和微观构造的影响规律，以期为马尾松木材常压过热蒸汽快速干燥与高效脱脂处理技术的工业化应用提供参考和借鉴，并最终实现松属木材的高附加值利用。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验所用材料为新鲜马尾松锯材Pinus massoniana Lamb.，购自广西柳州，试材规格为1 500 mm（长）× 350 mm（宽）× 32 mm（厚），平均含水率为138～160%。试验前，将马尾松锯材加工成320 mm（长）×120 mm（宽）×25 mm（厚）的四面刨光规格试件，试件无节疤、裂纹、腐朽、虫眼等可见缺陷。

1.2 仪器与设备

试件的干燥与脱脂处理在实验室自制的木材常压过热蒸汽干燥系统中进行，该系统由蒸汽发生器、干燥箱体、质量在线显示、温度在线检测和微压控制系统等6个部分构成，该装置的结构简图如图1所示。色差仪（WCS-S型，上海精密科学仪器有限公司）；体视显微镜（H250745T-P，桂林市迈特光学仪器有限公司）；扫描电子显微镜（Quanta450型，美国FEI公司）。

图1 过热蒸汽干燥脱脂处理装置结构简图Fig. 1 Brief structure of superheated steam drying and degreasing treatment equipment

1.3 方法与步骤

常压过热蒸汽干燥脱脂处理过程中，温度为唯一控制因素，试验选用110℃，120℃，130℃，140℃，150℃和160℃6个温度水平对马尾松锯材进行干燥脱脂试验，具体步骤如下：1）试件处理与安置：在试件侧面距离端部50 mm的位置各钉入一个木螺钉（图1中1，2处），并将其用细铁丝相连；在试件端面中心处钻直径为1 mm的小孔（图1 中3处），作为木材内部的光导测温纤维预埋孔；将细铁丝（中间部位）挂在质量传感器的挂钩上，用于实时监测干燥脱脂过程中木材试件的质量，并将光导测温纤维插入端面中心处小孔中，用于实时监测干燥脱脂过程中木材试件的内部温度变化；2）试件预热：向蒸汽发生器注入1 L蒸馏水，启动箱体干燥程序进行加热，此过程中，程序温度以30℃/h的速率缓慢升温至100 ℃，并保持2 h，使木材表面温度和内部温度趋于一致；3）恒温干燥和脱脂：待木材试件热透后，将设备内介质温度调至设定温度值（110～160℃）进行恒温干燥和脱脂处理，记录试验过程中木材质量和内部温度的变化。当试件含水率降至10%以下时，结束恒温干燥和脱脂处理过程；4）降温干燥：过热蒸汽干燥和脱脂处理完成后，为减小木材因温度过高而产生的热损伤，以30 ℃/h的速率对设备进行缓慢降温，当装置温度低于80 ℃时，关闭热源，停止加热，冷却至出箱，完成整个干燥脱脂改性处理过程。

干燥脱脂处理结束后，依据GB/T 6491-2012《锯材干燥质量》[14-15]对不同温度处理后的木材试件及常规干燥试件进行干燥质量评价，其中常规干燥基准参照LYT1068—2012《锯材窑干工艺规程》[16]进行，详细参数见表1。将干燥脱脂改性处理后的马尾松锯材及常规干燥材置于室内（长沙：温度25℃，湿度65～70%）平衡一周时间后分析干燥脱脂处理温度对试件颜色的影响，使用WCS-S型色差仪测定其明度L*、红绿指数a*及黄蓝指数b*[17]。

表1 马尾松锯材常规干燥基准†Table 1 The conditional drying schedule for masson pine lumber

为检验过热蒸汽干燥处理对松木脱脂效果的影响，本研究将干燥后的锯材制成四面刨光试件后置入温度60±2℃的电热鼓风恒温干燥箱中，依据《脱脂松木锯材》（LY/T 2148—2013）标准[18]，采用体视显微镜测量试件表面树脂溢出面积百分比，并采用扫描电子显微镜观察树脂道构造及树脂的存在状态，在制作电镜试片的过程中，先用配比为1∶1的甘油乙醇混合溶液对试材进行充分软化，后制成20 μm厚的薄片用于电镜进行树脂道扫描。

2 结果与分析

过热蒸汽干燥脱脂过程中，马尾松锯材内部温度及含水率变化如图2和图3所示。从图中可以明显看出，随着干燥过程的进行，木材试件内部温度逐渐升高，含水率逐渐降低，木材的含水率和温度变化曲线可以大致分为三个阶段。第一阶段是前期快速升温加速干燥段：在此阶段，木材内部的温度快速上升，干燥速率逐渐增加，且木材温升曲线基本重合，木材从外界获得的热能大部分用于提高本身的温度，小部分用于蒸发水分，此阶段持续的时间约为2～4 h；第二阶段是中期恒温恒速干燥段：在此阶段，木材试件内部的温度基本维持在100℃附近，试件干燥速率维持在恒定值，且随着过热蒸汽温度设定值的升高，恒温恒速干燥段的持续时间有减小的趋势，该阶段中，木材试件从外界获得的能量几乎全部用于蒸发木材内的水分，与常规干燥相比，过热蒸汽干燥的恒速干燥段延续的时间较长，约为3 h（从干燥开始后的第4到第7 h）直至木材试件的平均含水率下降至30%左右；第三阶段为后期升温减速干燥段：木材内部温度由100℃快速上升至介质温度设定值，干燥速率呈现逐渐降低的趋势，此过程中，木材试件获得的热量大部分用于蒸发木材内残留的吸着水，少部分热量用于提高木材的温度。试验数据显示，过热蒸汽温度是影响干燥速率的重要因素，随着过热蒸汽温度的升高，木材内水分蒸发加快，干燥速率显著增加。当过热蒸汽温度为160℃、150℃、140℃、130℃、120℃和110℃时，马尾松锯材总的干燥用时分别为8.5 h、9 h、10.5 h、11.5 h、12.5 h和15.5 h，其对应的干燥速率分别为0.26 %/min、0.21 %/min、0.20%/min、0.19 %/min、0.18 %/min 和 0.14 %/min。99%置信水平的方差分析证实了过热蒸汽温度对干燥速率的影响非常显著。

图2 干燥过程中木内部温度变化曲线Fig. 2 The change curve of internal temperature within wood in drying process

图3 干燥过程中木材含水率变化曲线Fig. 3 The change curve of moisture content of wood in drying process

马尾松常规干燥材及过热蒸汽干燥脱脂处理材的干燥质量检测结果如表2所示。从表中可以看出，就平均终含水率、厚度上的含水率偏差和截面变形三项评价指标而言，几种过热蒸汽处理的马尾松板材均达到了锯材干燥质量指标二级以上标准。随着过热蒸汽处理温度的升高，干燥过程中马尾松锯材发生的干燥缺陷：包括端裂、表裂、內裂及截面变形等逐渐增多。其中端裂发生最多，內裂缺陷次之，內裂缺陷开始出现于140℃及以上温度。

表2 马尾松常规干燥材及过热蒸汽干燥脱脂处理材的干燥质量检测结果Table 2 Results of drying qualities of conditional dried and superheated steam treated masson pine wood

综合分析上表可知，常规干燥及过热蒸汽干燥脱脂处理后的马尾松板材最大干燥缺陷均是端裂，为减少端裂缺陷对木材干燥质量的影响，后续研究中采用双组份耐高温环氧树脂对木材端部进行封闭后，明显降低了端裂的发生几率。与常规干燥材相比，过热蒸汽干燥脱脂处理材表裂较少。当过热蒸汽温度达到140℃以上时，木材试件内部出现了内裂干燥缺陷，且随着过热蒸汽温度设定值的升高，木材发生内裂缺陷的程度增加。因此，在制定马尾松过热蒸汽干燥和脱脂处理的基准时，干燥脱脂处理过程中的介质温度最好控制在140℃以内，用以获得较高干燥速率，同时有效避免严重干燥缺陷的产生。

图4-6分别表示了过热蒸汽干燥脱脂处理对马尾松木材明度、红绿指数和黄蓝指数的影响规律。从图中可以很明显的看出，与常规干燥材相比，过热蒸汽干燥脱脂处理材的明度略呈降低趋势，红绿指数和黄蓝指数呈增加趋势，但其降低和增加幅度较小；过热蒸汽处理温度对木材明度、红绿指数和黄蓝指数的影响不显著。与常规干燥材相比，过热蒸汽干燥脱脂处理材的明度降低幅度不超过4.68%，红绿指数和黄蓝指数的增加幅度分别不超过3.08%和4.70%。当过热蒸汽温度从110增加到160℃时，过热蒸汽干燥脱脂处理材的明度从75.56降低到70.34，变化幅度6.91%；红绿指数于140℃取得最大值19.6，变化幅度为16.39%；黄蓝指数从35.82升高至39.92，增加幅度为11.45%。方差分析显示过热蒸温度对马尾松木材颜色无显著影响。

图4 不同温度处理材与对照材的明度指数Fig. 4 The lightness index L* of air-dried and different temperature treated wood

图5 不同温度处理材与对照材的红绿指数Fig. 5 The red-green index a* of air-dried and different temperature treated wood

图6 不同温度处理材与对照材的黄蓝指数Fig. 6 The yellow-blue index b* of air-dried and different temperature treated wood

马尾松常规干燥材及过热蒸汽干燥脱脂处理材的表面溢脂情况如图7所示。从图中可以看出，常规干燥马尾松刨光锯材经过4 h60℃的烘干处理后，其表面发生了明显的树脂溢出现象，树脂溢出部位主要分布在早晚材交界处（图a箭头1）和年轮的晚材部分（图b箭头2），采用类圆法累积求得的溢脂面积占试材表面积的14.73～18.25%。过热蒸汽干燥脱脂处理后，不同温度条件下的马尾松刨光锯材表面均未出现溢脂现象（图c）。这说明过热蒸汽干燥脱脂处理在实现马尾松锯材快速干燥的同时，可以高效脱除木材内部的树脂，达到了一级脱脂松木锯材标准，完全可以用于高档脱脂松木家具的制造。

图7 常规干燥材（a, b）及过热蒸汽干燥脱脂处理材 (c) 表面溢脂情况Fig. 7 The over fl ow of resin on surface of air-dried (a, b) and steam treated wood

为了进一步了解树脂道内树脂的存在状态，本研究采用扫描电镜对常规干燥材及过热蒸汽干燥脱脂处理材树脂道的微观构造进行了观察和分析，从图8中可以看出：过热蒸汽干燥处理可以改变树脂道的微观结构和树脂的存在状态，常规干燥材内的树脂道结构完整，内含有液态的松节油（左图箭头1）；过热蒸汽干燥脱脂处理材内的树脂道结构受到破坏，树脂道内残存有固态物质（右图箭头2）。过热蒸汽干燥脱脂处理后剩下的固体松香因缺少有效溶剂，在一般家具环境中使用时不会向外渗出，不影响家具脱脂材的正常使用。

图8 常规干燥材（左）与过热蒸汽干燥脱脂处理材 (右) 树脂道微观结构Fig. 8 The micro-structure of resin canals of air-dried (left) and steam treated (right) wood

3 结论与讨论

本文采用常压过热蒸汽对速生马尾松木材进行了干燥脱脂一体化处理，在110～160℃的过热蒸汽干燥脱脂过程中，马尾松内部温度和含水率变化分为前期快速升温加速干燥段、中期恒温恒速干燥段和后期升温减速干燥段三个阶段，干燥速率介于0.14～0.26 %/min，过热蒸汽温度对干燥速率影响非常显著，这与高温快速干燥大幅度缩短木材干燥周期的原理一致[19]。

过热蒸汽干燥脱脂处理材可达到锯材干燥质量指标二级以上标准，随着过热蒸汽温度的升高，锯材发生的干燥缺陷增多，其中端裂最多，这是由于木材顺纹方向的水分扩散远远大于横纹方向，使得干燥过程中水分从端面蒸发要比从侧面蒸发快得多，从而导致了端裂的发生；温度达到140℃时出现內裂缺陷，其原因在于过高的干燥处理温度，导致干燥后期木材内部产生了更高的拉伸残余应力；与常规干燥材相比，过热蒸汽干燥脱脂处理材发生的表裂缺陷少，其原因可能是，在过热蒸汽干燥脱脂进行的初期，高饱和度的过热蒸汽降低了木材试件表面水分的蒸发速率或强度，使得木材试件表层的干燥拉应力较小，从而降低了表裂发生的可能性。这与鲍咏泽等讨论过热蒸汽干燥使得木材表面湿润，干燥应力小，开裂变形少的结论一致[20]。

过热蒸汽干燥脱脂处理对木材颜色的影响不显著，这与孙会关于高温热处理使木材颜色加深的结论不同[21]，因为过热蒸汽干燥脱脂处理过程中，饱和过热蒸汽构成的零氧环境，阻止了木材发色基团和助色基团在高温环境下氧化导致的色变[22]，故在实际过热蒸汽干燥脱脂作业过程中，可以不考虑温度的变化对木材颜色和视觉效果的影响。

过热蒸汽干燥脱脂处理材达到一级脱脂松木锯材标准，松脂主要由固态的树脂酸（松香62～70%）和液态的萜烯（松节油16～22%）组成，存在于轴、径向树脂道网络内[23]。过热蒸汽干燥脱脂处理过程中，箱体内的气压值随着高饱和度的过热蒸汽温度升高而不断提高，树脂道内的薄壁细胞在高气压作用下易受到冲击，从而使得树脂道结构发生破坏，由此形成的新毛细管道间隙有利于水分及液态松节油的蒸发与挥发。松节油主要由易发生热解开环反应的四烷环蒎烯构成[23]，过热蒸汽干燥脱脂处理过程中，高温高湿的过热蒸汽有效促进了液态松节油的挥发，其中还包括部分溶解于松节油的固态松香，剩余未溶解的固态松香残留在结构已发生破坏的树脂道内。为对过热蒸汽干燥的脱脂效果进行量化，下一步将对各条件过热蒸汽干燥脱脂后的马尾松试材进行含脂率、脱脂率及固脂率的测定，以期优化马尾松木材过热蒸汽干燥脱脂一体化处理工艺。

[1]安 宁, 丁贵杰, 贾宏炎, 等. 马尾松不同径级产脂量及松脂成分差异研究[J]. 中南林业科技大学学报, 2015,35(8):43-45.

[2]洪 伟.马尾松人工林经营模式及其应用[M]. 北京:中国林业出版社,1999.

[3]胡淑宜. 马尾松含脂及改性研究[J]. 林业科学, 1999, 35(1):90-93.

[4]董会军, 杜国兴. 马尾松板材的脱脂处理[J]. 林业科技开发,2001, 15(6): 24-26.

[5]苗 平, 顾炼百. 松木脱脂技术研究进展[J]. 林业科技开发,1999(4): 7-9.

[6]张 美. 家具用材马尾松溶剂汽相法脱脂技术研究[D]. 长沙:中南林业科技大学, 2007.

[7]Cech, M. Y. Seasoning methods to eliminate resin exudation in red pine lumber [J]. Forest Product Journal, 1973,23(11): 42-46.

[8]王天龙. 兴安落叶松真空干燥过程中松节油迁移机理及特性的研究[D]. 北京: 北京林业大学, 2006.

[9]李年存,彭万喜. 马尾松板材的酸性脱脂技术[J]. 木材工业,2002,16 (6): 28-30.

[10]彭万喜. 人工速生工业林木材增值利用人工林松木脱脂新技术研究[D]. 株洲：中南林学院，2003. .

[11]杨 霞,刘 元. 松木脱脂技术研究现状及发展趋势[J]. 广西轻工业,2008,11: 18-21.

[12]王天龙,常建明. 兴安落叶松真空干燥过程中温度对松节油移动的影响[J]. 木材加工机械,2004,15(6): 20-22.

[13]王学成,张绪坤,马怡光, 等. 过热蒸汽干燥及应用研究进展[J]. 农机化研究,2014(9):220-225.

[14]中国国家技术监督局. GB/T 6491-2012锯材干燥质量[S]. 北京:中国标准出版社,2013.

[15]刘志军,张璧光. 百度试验法测杨木干燥基准的初步探究[J].干燥技术与设备，2006, 4(1): 32-35.

[16]国家林业局. LYT1068-2012锯材窑干工艺规程[S]. 北京:中国标准出版社，2012.

[17]吕建雄，黄荣凤，曹永建, 等. 蒸汽介质热处理对毛白杨木材颜色的影响[J]. 林业科学,2012,48(1):126-130.

[18]国家林业局. LY/T 2148-2013脱脂松木锯材[S]. 北京: 中国标准出版社, 2013.

[19]李 莉,董 放,叶 喜. 杉木木材的高温快速干燥工艺研究[J]. 西部林业科学,2005,34(1):54-56.

[20]鲍咏泽,周永东.木材过热蒸汽干燥的应用潜力及前景[J].北京林业大学学报,2015,37(12):128-133.

[21]孙 会. 马尾松木材高温常压热处理工艺研究[D]. 临安:浙江林学院，2009.

[22]李 涛,顾炼百,江 宁. 高温热处理对水曲柳材色的影响[J].林业科学,2009,45(12): 149-153.

[23]郑洪连. 马尾松板材脱脂干燥及其对材性的影响[D]. 南京:南京林业大学，2005.

Study on drying and degreasing characterisitics with atmospheric pressure steam for Masson pine wood

CHENG Xiyi, LIYun, QUAN Peng, WEI Yanqiang, LI Yunyan, XIONG Xingyang, XIE Jie, LI Xianjun
(College of Material Science and Engineering, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

In this study, superheated steam at atmospheric pressure was used for drying and degreasingmasson pine (Pinus massoniana Lamb.) lumber.The changes of wood internal temperature and moisture content was investigated in the drying process, and the effect of the superheated steam temperature on the drying rate, drying qualities, color, over fl ow of resin on the surface and micro-structure of the treated wood was discussed. The results showed that: the changes of internal temperature and moisture content of masson pine wood could be divided into three periods in the drying process which were fast heating phase, constant temperature and rate drying phase and slow heating phase,the treatment temperature affected the drying rate signi fi cantly, which ranged from 0.14 to 0.26 %/min; the superheated steam drying and degreasing treated lumber achieved the 2 class on standard of lumber drying qualities, compared with the air-dried wood, less surface cracks appeared in the steam treated samples and internal cracks happened when temperature rised to 140 oC; there was little signi fi cant effect of superheated steam temperature on wood color, the changes of total aberration △E* was about 0.87-6.85; there was none over fl ow resin appeared on the superheated steam treated lumber, which achieved the 1 class on standard of swan lumber deresination pine;lots of parenchyma cells in resin canals were damaged after superheated steam treatment, and reminded solid rosin in the resin canal.

Masson pine (Pinus massoniana Lamb.); swan lumber; superheated steam; drying; degreasing

S791.248

A

1673-923X(2017)06-0108-06

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.06.018

2016-08-23

国家林业局948项目（2014-4-50）；林业科学技术国家级推广项目（[2015]51号）

程曦依，硕士研究生

李贤军，教授；E-mail：lxjmu@163.com

程曦依，李 芸，全 鹏，等. 马尾松锯材常压过热蒸汽干燥脱脂特性研究[J].中南林业科技大学学报，2017, 37(6):108-113

[本文编校：吴 彬]