刺猬紫檀材热泵干燥特性及工艺研究

刘 杰，张桂兰*，张振涛，山其米克

(1.中国科学院 理化技术研究所，北京 100019； 2.新疆农业科学研究院 生物质能源所，新疆 乌鲁木齐 830091)

刺猬紫檀(Pterocarpuserinaceus)材是密度较大、材质较硬的珍贵木材之一，细胞内含有大量的侵填体，容易使木材内部水分通道阻塞，因此木材干燥时，厚度上容易出现含水率梯度，从而影响木材的干燥质量。在木材烘干时，热泵干燥技术比常规气流干燥技术耗时多，但显著的节能效果和较高的木材利用率使热泵干燥技术成为木材干燥的主要手段之一，特别适用于商业价值高、干燥难度大的“难干木材”。本研究采用热泵干燥系统对刺猬紫檀材进行干燥，干燥过程中温升缓慢、供热均匀，木材表面水分蒸发速度与内部水分传递速度基本平衡。因此，采用热泵干燥的刺猬紫檀材不仅干燥质量好，而且节能。

1 材料与方法

1.1 材料

刺猬紫檀材，广东省中山市中山鸿发木材家具公司提供的非洲进口材，平均初含水率为42.2%。

1.2 设备

热泵干燥系统：压缩机为740 W；热泵蒸发器为6.8 m2；除湿蒸发器为5.3 m2；冷凝器为8.3 m2。

电热鼓风干燥箱：上海一恒科学有限公司，温度范围：0～300℃。

小型带锯机：Ts245型。

CT扫描仪：美国通用电器(general electric,GE)Bright speed Excel的 4层螺旋CT；参数为120 kV、160 mAs、层厚为0.625 mm、层间距为1.25 mm。

1.3 方法

1.3.1 试件锯解 试件规格：刺猬紫檀材锯解为600 mm×100 mm×20 mm的规格，密封备用。

1.3.2 干燥过程特性分析 干燥基准采用百度试验法分析；干燥应力曲线和含水率曲线采用检验板和试验板的方法分析；采用X射线扫描法测得不同含水率下木材的CT值,并建立分层含水率与CT值的数学模型。

2 结果与分析

2.1 物理特性

表1为刺猬紫檀材的各项物理性能测试结果，刺猬紫檀材基本密度0.84 g·cm-3，气干密度为0.96 g·cm-3；弦向干缩系数为0.42%，径向干缩系数为0.32%，体积干缩系数为0.58%，由于刺猬紫檀材密度和干缩率较大，所以干燥过程中容易出现干燥缺陷。

2.2 热泵干燥基准

根据刺猬紫檀材干燥的基本条件(表2)，可以初步拟定板厚20 mm的刺猬紫檀材的干燥基准(表3)。

表1 各项物理性质测试结果Table 1 Statistical results of various physical properties

注:n一试样数，x一平均值，S一标准差，Y一变异系数(%)。

2.3 刺猬紫檀锯材干燥过程特性分析

2.3.1 热泵干燥曲线 图1为初含水率42.2%的刺猬紫檀材的干燥曲线，在干燥初期，随着温度的升高含水率迅速下降，含水率达30%左右时，连续12 h进行中期处理，期间其含水率有回升的迹象，后期随着干燥温度的上升，锯材含水率缓慢降低，最终趋于平衡，且平均含水率达到10.24%，整个干燥过程耗时528 h。

2.3.2CT值与含水率的线性拟合关系 表4是刺猬紫檀材干燥过程中不同含水率对应的CT值，将其做线性回归，得到回归方程为：y=0.149 8x+18.907,R2=0.990 3。从回归方程可以看出，CT值与木材的含水率之间存在很高的线性相关性。

表2 干燥初始条件Table 2 Initial conditions of drying ℃

表3 20 mm厚刺猬紫檀锯材初始干燥基准Table 3 Initial drying schedule of 20 mm thick lumber

注：MC为锯材含水率。

图1 干燥曲线Fig.1 Drying curve of the wood

表4 含水率与CT值Table 4 Moisture content and CT value of the wood

2.3.3 应力变化 图2为刺猬紫檀材干燥过程应力变化曲线，表明干燥前期存在内应力。当含水率达到30%左右时，表层应力逐渐降低并趋于0，原因是干燥过程中对锯材进行中期处理的结果。干燥后期，随着锯材含水率下降到纤维饱和点以下，锯材表面所受的应力逐渐表现为压应力，原因是锯材内部水分逐渐向外扩张，并且有逐渐增大的趋势。

图2 插齿法应力变化规律Fig.2 Prong stress change rule

2.3.4 干缩率变化 图3表明了干燥过程中的弦向和径向干缩率变化，含水率达到30%左右时，在锯材厚度方向上开始出现干缩变形，当锯材含水率降到30%以下时，宽度方向上才开始出现干缩，此时锯材的干燥应力达到最大，经过中期保温保湿处理后，锯材干缩率出现减小的趋势，这是因为降低了锯材内部水分的蒸发速度，从而减缓了锯材的干缩。刺猬紫檀材在厚度上的干缩>宽度，所以，锯材在弦向和径向的干缩率相差较大。

图3 干燥试验中刺猬紫檀试材干缩率变化Fig.3 Drying shrinkage rate change in drying test

2.4 干燥质量评定及干燥基准确定

2.4.1 干燥质量的评定 由表5、表6可见，刺猬紫檀材的残余应力、厚度上含水率偏差和可见干燥缺陷均达到国家一等材标准。而终含水率根据北京当地平衡含水率及锯材用途，没有达到国家一等材含水率标准的要求。

表5 含水率及应力指标评定等级Table 5 Moisture content and stress index rating table

表6 可见缺陷指标评定等级Table 6 Visible defects index rating table

2.4.2 适宜干燥基准的确定 表7是20 mm厚的刺猬紫檀材的适宜干燥基准，执行该干燥基准时，需对木材进行预热，中间处理及后期处理。首先以50℃的温度对锯材进行3 h预热，由于干燥初期已存在一定的含水率偏差和应力，所以干燥初期温度可以调整到48℃，略低于干燥基准所确定的初始干燥温度。当含水率达到30%左右时，进行12 h连续保温处理，整个干燥过程中，锯材的含水率偏差及应力的变化都呈缓慢变化趋势，中期的干燥温度和湿度略作调整。干燥后期，个别锯材会出现少许的纵裂，所以后期干燥温度调整到略微高于中期温度，保持在62℃，并且将相对湿度调整到36%，比初始干燥基准的相对湿度高16%。

表7 20 mm厚刺猬紫檀锯材干燥基准Table 7 Drying schedule of 20 mm thick wood

3 结论与讨论

刺猬紫檀材热泵干燥过程特性：基本密度为0.84 g·cm-3，弦向干缩系数为0.42%，径向干缩系数0.32%，体积干缩系数0.58%。刺猬紫檀材初含水率为42.2%，终含水率为10.24%，整个干燥过程为528 h。其中，干燥过程中含水率分布采用X射线无损扫描法测量，测得的CT值与其对应的含水率关系呈线性回归，回归方程为：y=0.149 8x+18.907,R2=0.990 3。

刺猬紫檀材含水率及应力指标评定达到国家二等材标准，可见缺陷指标达到国家一等材标准。20 mm厚的含水率干燥基准为：初含水率42.22%，其初始干燥温度确定为48℃，相对湿度为85%，干燥后期含水率降到10%以下时，温度最高升至62℃。

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