预处理对冀北黑桦木材干燥特性影响

杨 松，李 达，魏立婷，孙照斌

(河北农业大学林学院，河北 保定 071000)

木材干燥是木材加工过程中不可缺少的环节，经过干燥的木材可以保证木材制品的质量，改善木材的使用性能，延长使用年限。掌握基本的木材干燥特性是合理安排木材干燥的重要因素[1-3]。

黑桦(Betuladavurical)，别名臭桦、棘皮桦，为桦木科(Betulaceae)桦木属(BetulaLinn)植物，喜光、耐干旱瘠薄，多生于海拔1000～2500m土层较厚的低山向阳山坡、山簏较干燥处或杂木林内[4]，在我国主要分布于东北和华北地区，是北温带森林重要的组成树种。

前人的研究表明，预处理能改善木材干燥特性。木材经氯化钠浸渍处理后可以得到理想的干燥质量，但氯化钠在木材改性中的应用很少，与木材有关联的应用和研究主要在木材圆盘的处理方面，如氯化钠溶液预处理枫桦原木圆盘的干燥特性[5]。同时热水处理也是目前木材干燥生产中常采用的预处理方式，可以提高难干木材干燥速度和干燥质量[6]。而且木材经热水处理后，其纤维形态和表面结构发生了改变[7]。

关于黑桦木材干燥特性的研究未见报道，为提高黑桦木材的附加值，解决制约木材加工利用的瓶颈问题，本文采用百度干燥试验法，着重研究热水、氯化钠处理对黑桦木材干燥特性影响，并初步拟定干燥基准，旨在为黑桦木材加工利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

(1)黑桦木材

原木取自河北承德隆化县茅荆坝林场，用带锯机将原木锯解成120cm×18cm×25mm的板材，测得试件初含水率为60%左右，备用。

选取纹理通直，表面无缺陷的弦向材，试验前将试件四面刨光，加工成规格为200mm×100mm×20mm的弦切板。试件放入烘箱前需要测量其尺寸，精确到0.01mm，长度测量沿中心测，宽度在两端附近测量，厚度在四个直角附近测量。

(2) 氯化钠溶液

配制3 mol/L的溶液，搅拌至全部溶解，备用。

1.2 试验设备

电热恒温鼓风干燥箱(型号DHG-9240A)；电子天平(精度0.01g)；电子游标卡尺(精度0.01mm)；不锈钢钢尺(精度0.5mm)；锯机。

1.3 试验方案

将准备的18块试件分为三组，第一组试件作空白对照，第二组试件用100℃沸水热处理4h，第三组用3mol/L氯化钠浸泡处理24h。在相同的条件下进行热空气干燥，比较不同预处理对试件干燥质量和干燥速度的影响。试验采用100℃干燥试验法，详见文献“木材干燥基准简易确定法一百度试验法”[8]。

参照文献“百度干燥试验中干燥缺陷及干燥速度分级标准”[1,9]，对预处理与未处理的黑桦木材的缺陷分别定级。参照文献“与干燥缺陷等级相对应的干燥条件”[1,9]，根据缺陷等级确定黑桦木材干燥的初期温度、干湿球温度差及后期温度，综合选出最低条件作为黑桦木材干燥基准的基本条件，进而拟定初步干燥基准。

2 试验结果与分析

2.1 预处理对干燥缺陷的影响

黑桦木材干燥缺陷情况如表1。

表1 黑桦木材干燥缺陷情况

注：以上数值为均值，等级经综合考虑得出。

(1) 初期开裂

由表1可以看出，三组黑桦木材不同程度地发生了初期开裂，等级都为1级，未处理材出现的端裂和短端表裂的数量要多一些，热水处理材仅出现过少量端裂和短端表裂，氯化钠处理材端裂平均只有2条，无端表列。大体来说，氯化钠和热水处理的黑桦木材的初期开裂情况均低于空白对照组黑桦木材初期开裂情况。

(2) 内部开裂

由表1可以看出,三组黑桦木材均未出现内部开裂，等级全为1级。内部开裂一般发生在干燥后期，当内部所受拉应力超过木材横纹抗拉极限强度时会发生内部开裂。

(3) 截面变形

如表1所示，三组黑桦木材都发生了不同程度的截面变形。其中，未处理黑桦木材截面变形的均值为1.22mm；热水处理黑桦木材截面变形的均值为0.73mm；氯化钠处理黑桦木材截面变形的均值为0.31mm。从中可以明显看出氯化钠处理黑桦木材截面变形程度最小，热水处理黑桦木材截面变形程度次之，未处理黑桦木材的截面变形情况最为严重。

(4) 扭曲变形

试验表明未处理材扭曲变形均值为2.9mm；热水处理材扭曲变形均值为2.4mm；氯化钠处理材扭曲变形均值为1.8mm。总体上看，氯化钠处理材扭曲变形程度最小。三组黑桦木材均不同程度地发生了扭曲变形(见表1)。

(5) 瓦弯变形

三组试验结果看出黑桦木材都不同程度地发生了瓦弯变形，其中，未处理材瓦弯变形均值为1.6mm；热水处理材瓦弯变形均值为0.9mm；氯化钠处理黑桦木材瓦弯变形均值为0.4mm。总体上看，氯化钠处理黑桦木材瓦弯变形程度最小。如表1所示。

从以上分析可以看出热水处理黑桦木材，其中抽提物含量明显降低，使木材的各向异性变小，初期开裂情况有所改善。而且木材经过热水处理,塑性增强，内外干湿态一致，内部应力消除，木材干燥过程中不容易产生截面变形、扭曲变形和瓦弯变形，提高木材的干燥效果。

氯化钠处理黑桦木材，改变了木材的微观结构，使其微毛细管变小，甚至出现堵塞，从而阻碍了木材内水分子的流动，降低了黑桦木材水分的移动速度，不易造成开裂。同时经处理后也可能会使木材各部位的干缩趋于一致，整个截面上承受的干缩应力就越小，因此不易产生变形。

2.2 预处理对干缩特性的影响

了解木材的干缩性质和干缩规律，可以掌握其干燥特性的动态变化，提高其制定干燥基准的有效性，对制定木材干燥工艺以及合理加工利用有重要的意义。100℃干燥条件下黑桦木材的干缩情况见表2。

表2 100℃干燥条件下黑桦木材的干缩情况

由表2可知，预处理对黑桦木材干缩特性有影响。未处理材、热水处理材、氯化钠处理材的平均径向干缩率分别为为5.76%、5.51%、5.56%；平均弦向干缩率分别为9.05%、8.88%、6.42%；平均体积干缩率分别为14.79%、14.65%、12.24%，热水处理材和氯化钠处理材较未处理材的平均体积干缩率分别降低了0.95%、20.83%，氯化钠处理材较热水处理材的平均体积干缩率降低了19.69%；未处理材和热水处理材差异干缩分别为1.58和1.61，均大于1.5[11]，氯化钠处理材差异干缩为1.16，小于1.5，说明氯化钠处理材在干燥过程中产生翘曲和开裂的趋势相对较小。总体上，预处理可改善黑桦木材干缩特性。

热水处理的黑桦木材干缩程度降低，是因为黑桦木材被抽提出来的抽提物除含有纤维素、木素、生物碱、可溶性矿物成分及某些单糖成分外，还包含有淀粉和果胶质；抽提物含量增多，木材的渗透性就差，干缩现象明显[12]。氯化钠处理黑桦木材干缩程度最低，是因为氯离子和钠离子半径均小于水分子，且具有很强的亲水性，因此很容易进入到木材的微空隙内，干燥中随着水分的移出，氯离子和钠离子饱和、结晶并存留在木材微空隙内，抑制了纤丝因失水产生的相互靠拢，微空隙内氯化钠含量越多，对纤丝彼此靠拢的抑制程度越高，木材干缩率也就越小[13]。

2.3 预处理对干燥速度的影响

干燥速度是反映材内水分向外移动快慢的重要指标，也是反映木材干燥难易程度的一个重要指标，它与木材的构造及预处理方式密切相关。

黑桦木材干燥速度见表3。干燥过程水分变化曲线见图1。

表3 黑桦木材干燥速度

图1 干燥过程水分变化曲线注：H、RH、LH分别为未处理、热水处理、氯化钠处理黑桦木材试件组平均含水率变化。

由表3可知，预处理对三组黑桦木材干燥速度基本无影响。未处理、热水处理、氯化钠处理的黑桦木材含水率从30%到5%平均时间分别为12.90h、12.80h、12.28h；全程平均干燥速度分别为2.25%/h、2.35%/h、2.32%/h；干燥速度等级均为2级。从图1可见，氯化钠处理的黑桦木材初始干燥速率略高于其他两组，但随着干燥的进行，含水率降到30%后，含水率下降速度开始变慢，三者趋于一致。

热水处理的黑桦木材，在水煮过程中将木材内部的纤维素、生物碱等成分煮出，使木材内部缝隙变大，减小木材内部水分向外移动的阻力，水分移动通道顺畅，但影响不大。氯化钠处理的黑桦木材，最大干燥速率出现在干燥初始阶段，这与该阶段黑桦木材表面自由水含量高、水分移出容易密切相关，之后随着自由水的减少，压力差产生的驱动力在干燥的最后阶段使其干燥速率降低，并因吸着水的开始排出需要更多的能量，使其干燥速率有所降低。

2.4 干燥基准的初步拟定

参照干燥缺陷等级相对应的干燥条件[8]，可确定未处理、热水处理、氯化钠处理的黑桦木材干燥时干、湿球温度差的最低条件，黑桦木材干燥缺陷等级相对应的干燥条件见表4。

表4 黑桦木材干燥缺陷等级相对应的干燥条件

由表4可知，未处理黑桦木材初期最低温度为50℃，干燥初期干湿球温度差为2-4℃，后期最高温度为75℃；热水处理黑桦木材初期最低温度为70℃，干燥初期干湿球温度差为4-7℃，后期最高温度为90℃；氯化钠处理黑桦木材初期最低温度为70℃，干燥初期干湿球温度差为4-7℃，后期最高温度为90℃。即未处理材干湿球温度差比预处理的最低条件要低，热水处理材与氯化钠处理材干湿球温度差的最低条件基本相同。

参照国家林业局颁发的LY/T 1068-2012锯材窑干工艺规程[10]，初步拟定黑桦木材(25～30 mm)干燥基准，见表5。

表5 百度试验法确定黑桦木材(25～30 mm)干燥基准

3 结论

(1)预处理对黑桦木材干燥缺陷的产生有影响。未处理、热水处理、氯化钠处理的黑桦木材的初期开裂等级均为1级；均未发生内部开裂，等级为1级；截面变形等级分别为3级、1级、1级；扭曲变形等级均为2级；瓦弯变形值分别为1.62mm、0.87mm、0.43mm。即预处理可减少木材干燥缺陷。

(2) 预处理对黑桦木材干缩特性有影响。未处理、热水处理、氯化钠处理的黑桦木材的平均径向干缩率分别为为5.76%、5.51%、5.56%；平均弦向干缩率分别为9.05%、8.88%、6.42%；平均体积干缩率分别为14.79%、14.65%、12.24%，氯化钠处理材的平均体积干缩率较未处理材降低了20.8%，氯化钠处理材差异干缩为1.16<1.5，干燥过程中产生翘曲和开裂的趋势相对较小，即预处理可改善黑桦木材干缩特性。

(3)预处理对黑桦木材干燥速度基本无影响，干燥速度等级均2级。

(4)在预处理黑桦木材干燥特性测定基础上，确定了黑桦木材干燥基准的基本条件，初步拟定了25-30mm厚黑桦木材干燥基准，若用于工厂生产尚需进一步试验。

综上，热水处理和氯化钠处理的黑桦木材干燥特性较未处理的黑桦木材干燥特性均有所改善，且氯化钠处理的黑桦木材对各项性能改善效果更好。

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