大径级火力楠木材干燥特性和干燥工艺研究

周 凡，高 鑫，付宗营，高玉发，周永东

(中国林业科学研究院 木材工业研究所，北京 100091)

火力楠(Micheliamacclurei)又名醉香含笑，为木兰科(Magnoliaceae)常绿乔木，是我国南方地区重要的优良乡土阔叶珍贵用材和多功能高效益树种，具有生长迅速、适应性较强、病虫害较少、干形通直、出材率高和木材质优等优良特性，被广泛应用于家具、工艺品、胶合板和建筑等行业[1-5]。

国内对火力楠的研究始于20世纪80年代，主要集中在生长培育、生物学特性、施肥、繁育和混交造林等方面[2-8]。木材干燥是合理高效利用木材的重要前提，是木材加工行业生产过程不可缺少的重要工序[9]。对木材进行科学合理的干燥有利于其增值利用。合理确定和选择木材的干燥基准是木材干燥生产中质量和产量的保证[10]。百度试验法常用于不同类型材种干燥特性的研究以及新材种干燥基准的快速制定[10-14]。目前国内针对火力楠木材干燥方面的研究，符韵林等[15]采用百度试验法分析了火力楠木材的干燥特性，研究所用的木材径级较小(胸径14～24 cm)。火力楠非常适宜培育大径材，为高档家具和建筑等用材[4,7]。因此，本研究针对我国种植的大径级火力楠，首先利用百度试验法研究其木材基础干燥特性，然后采用实验室木材干燥设备探索分别适合25 mm和40 mm厚火力楠锯材的常规干燥工艺基准，以期为火力楠木材的实际开发和利用提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

火力楠采自广东省茂名市高州市石板镇，平均胸径35 cm。百度试验用试样，选择无缺陷的弦切板生材，取材于板材中间，两端是新锯开截面，四面刨光，尺寸为200 mm×100 mm×20 mm(L×T×R)，试件数量6块，初含水率为95.7%±7.3%。干燥工艺试验用锯材，采用生材直接加工成尺寸为900 mm×120 mm×25 mm(L×W×H)和900 mm×120 mm×40 mm(L×W×H)的板材，初含水率为78.4%±13.1%。

1.2 试验方法

1.2.1 百度试验法 百度试验参照文献[16]进行。试件加工后立即标明测点位置，测量尺寸和质量，分别精确至0.01 mm和0.01 g。将试件沿纹理方向水平竖立于鼓风干燥箱中在100℃±2℃下干燥。干燥过程中，定时测量试件质量并记录其初期开裂(包括端裂、端表裂、表裂、贯通裂)情况。干燥初期每隔1～2 h观测1次直到裂纹发展到最大；当裂纹开始愈合时，观测间隔延长至4～8 h或更长。待2次间隔测得试件质量基本相同，认为试件达到绝干，停止干燥。待试件冷却后，将其平放在平板并使其三角着板，量其另一角偏离平板的高度作为扭曲变形值。根据试件各测点干燥前后的尺寸变化，计算干缩特性。将试样在其中心位置沿长度方向截取15 mm试片，用烘干法测定试片含水率作为试件的最终含水率，结合试件终重计算其绝干重，从而推算干燥过程中试件的含水率变化。同时在新截断面，检查试件的内裂情况，并测量侧边厚度与邻边下凹处厚度差为截面变形值。

1.2.2 干燥工艺试验 干燥工艺试验采用HD 74/TA II型木材干燥试验机，由电热锅炉生产0.6 MPa蒸汽，通过翅片管式加热器加热，喷蒸管喷蒸加湿，通过变频器调节控制材堆内风速。该加热、加湿方式与企业生产常用的常规干燥设备一致；通风方式与顶风机型干燥设备一致。干燥试验每次装材42块，材堆尺寸900 mm×800 mm×800 mm(L×W×H)，材堆顶部放置不锈钢压重，试验风速为1.5 m·s-1，与企业干燥生产用风速接近。干燥过程，通过干燥机系统自动控制窑内的干湿球温度，当木材含水率达到当前干燥阶段含水率终点时，控制进入下一干燥阶段。参照LY/T 1068-2012《锯材窑干工艺规程》，选择6块检验板，定时取出称质量，推算干燥过程中木材的含水率变化。干燥结束，依照GB/T 6491-2012《锯材干燥质量》检测全部干燥锯材的可见干燥缺陷，对6块检验板和从材堆中随机抽取的6块锯材检测最终含水率、分层含水率和干燥残余应力指标。

2 结果与分析

2.1 木材干燥特性

对火力楠木材百度试验的干燥缺陷情况和干燥时间进行统计，并依据百度试验法的分级标准[16]，评定试件的干燥特性等级(表1)。

表1 火力楠木材百度试验干燥特性及等级Table 1 Grades of drying defects and drying time in 100℃ test of M.macclurei wood

2.1.1 初期开裂 火力楠木材的初含水率较高，所有试件在干燥1 h左右出现细微端面裂纹，在2 h左右出现端表裂。随着干燥继续，裂纹的数量和尺寸发展，初期开裂在干燥4 h左右集中出现，此时试件的含水率53.1%；在干燥8～10 h达到最大，此时试件含水率为26.8%～33.1%。之后随着含水率的继续降低，木材内部开始收缩，初期开裂逐渐闭合[17]，在干燥60 h左右，所有裂纹基本愈合。整个干燥过程，试件仅出现端裂和端表裂，且所有裂纹最大宽度<2 mm，最大长度<5 cm。按照百度试验的分级标准，火力楠木材初期开裂等级为2级。干燥过程可通过适当减小干燥初期温度及干湿球温度差来控制木材开裂，保证干燥质量。

2.1.2 内部开裂 内裂是一种较严重的干燥缺陷。可能是试件干燥过程木材内水分排除均匀，木材内部均匀收缩，因此所有试件均未出现内部开裂情况，内裂等级均为1级。

2.1.3 截面变形 试件截面变形值为0.23～0.38 mm，变形等级均为1级。截面变形主要是干燥过程中木材表层与内层水分存在差异及表层硬化引起[18]。可能是火力楠材质细腻均匀[2]，木材表层及内层收缩差异不大，因此截面变形程度较轻。

2.1.4 扭曲变形 火力楠试件的扭曲变形值为0.1～0.8 mm，变形等级为1～2级，其中1级占66.7%，2级占33.3%；综合考虑为2级。干燥过程扭曲变形是板材纹理不通直等导致板材各部位的干缩差异引起[19]。干燥过程可通过终了处理或在材堆顶部进行压重物以机械抑制的方法来减小扭曲变形[20]。

2.1.5 干缩特性 百度试验法测定的木材干缩特性(以干缩时含水率30%计算)见表2。木材径向、弦向和体积干缩率分别为3.62%、4.53%和8.50%，弦向和径向差异干缩为1.25。木材径向、弦向和体积干缩系数分别为0.121%、0.151%和0.283%。木材含水率15%时密度为0.679 g·cm-3。根据材性分级标准[21]，火力楠木材的差异干缩等级属“很小”(<1.4)，体积干缩系数也属“很小”(<0.35)，密度属中等(0.551～0.750 g·cm-3)。干缩特性反映木材的开裂和变形情况，因此火力楠木材在干燥时产生翘曲和开裂的趋势相对较小。

表2 百度试验测定火力楠木材干缩特性Table 2 The shrinkage characteristics of M.macclurei wood in 100℃ test

2.1.6 干燥速度 百度试验过程试件含水率变化见图1。试件从平均初含水率95.7%干至30.0%，平均用时9.0 h，干燥速率7.3%·h-1；从30%干至5%用时16.3 h，干燥速率1.5%·h-1；从5%干至1%用时49.3 h，干燥速率0.1%·h-1。干燥前期主要是木材中的自由水在毛细管张力作用下，由内部移动至表层蒸发；干燥中后期木材中吸着水蒸发，水蒸发阻力增大，导致干燥速率降低。试件干燥用时等级为2～3级，其中，3级占66.7%，2级占33.3%；综合考虑为3级，速度中等。干燥速度表征木材干燥的难易程度，反映木材内部水分向外流动的快慢，与木材的材质与构造有关[22]。

图1 百度试验干燥过程火力楠木材含水率变化Fig.1 Drying curve of M.macclurei wood in 100℃ test process

2.2 拟定木材干燥基本条件

参照百度试验干燥缺陷等级对应干燥条件[16,19]，获得火力楠木材的干燥初终期温度条件(表3)。从所列条件中选出最低值为干燥的基本条件，即初期温度70℃，初期干湿球温差4℃～6℃，末期温度95℃。

表3 百度试验测定火力楠木材干燥条件Table 3 Drying conditions corresponding to defects grades of M.macclurei wood in 100℃ test

木材密度直接关系木材的力学强度、加工性能和产品质量。因此参考阔叶材密度与干燥条件的对应关系[23]，获得火力楠适合的干燥基准编号为6-4-3或T6-D3：(温度编号=13.7-13.6×0.567=5.99≈6；含水率编号=4.51-1.56×0.567=3.63≈4；干湿球温差编号=5.20-3.95×0.567=2.96≈3)。具体对应干燥初期温度49℃，初期干湿球温差3℃，末期温度71℃。

综上，确定火力楠常规干燥基准的基本条件为：初期温度60℃，初期干湿球温差4℃，末期温度80℃。

2.3 锯材干燥工艺试验

2.3.1 干燥基准制定 根据火力楠木材干燥的基本条件，参照国家林业行业标准LY/T 1068-2012《锯材窑干工艺规程》中阔叶材干燥基准的一般编制原则，制定25～30 mm厚火力楠锯材干燥基准(表4)。一般成材干燥多为家具用材[24]，故而制定25～30 mm厚木材干燥基准。在含水率>50%时，干燥初期干湿球温差4℃。提高温度降低湿度才能有效蒸发结合水，提高干燥效率[25]。干燥后期各阶段间缓慢升温，升温幅度适当加大，以提高干燥效率。当含水率降至30%后，含水率每降低5%，干球温度升高5℃，干湿球温差增加1.3～1.6倍，整个干燥过程干湿球温差最大22℃。为了保证每次干燥锯材最终含水率的均匀性，在干燥末期实施最终处理[26]。末期平衡处理以及终了处理温度设为85℃，高温有利于锯材中水分的移动以及残余应力的释放。

表4 25～30 mm厚火力楠锯材干燥基准Table 4 Drying schedule of 25-30 mm thick M.macclurei timber

依据25～30 mm厚锯材干燥基准，制定40 mm厚火力楠锯材干燥基准(表5)。降低初期干燥温度为55℃，初期干湿球温差为3℃，末期平衡处理以及终了处理的温度为80℃。依照GB/T 6491-2012《锯材干燥质量》中2级干燥材的要求，25～30 mm和40 mm 2种厚度类型锯材的平衡处理条件的设定一致，即在检验板含水率最低值为8%时开始，至检验板含水率最高值为12%时结束。

表5 40 mm厚火力楠锯材干燥基准Table 5 Drying schedule of 40 mm thick M.macclurei timber

2.3.2 锯材干燥曲线 根据表4和表5干燥基准在木材干燥试验机分别对25 mm和40 mm 2种厚度火力楠锯材进行干燥试验。2种厚度锯材的干燥过程曲线见图2、图3。25 mm厚锯材由平均初含水率87.9%干至终含水率9.1%，耗时169.0 h(7.0 d)，平均干燥速率0.47%·h-1。40 mm厚锯材由含水率87.5%干至8.5%，共耗时341.0 h(14.2 d)，平均干燥速率0.23%·h-1。整个过程中各干燥阶段木材含水率的变化速率稳定，表明干燥过程中工艺基准的温度条件设定合理。

图2 25 mm厚火力楠锯材干燥过程曲线Fig.2 Drying curve of 25 mm thick M.macclurei timber

图3 40 mm厚火力楠锯材干燥过程曲线Fig.3 Drying curve of 40 mm thick M.macclurei timber

2.3.3 锯材干燥质量 由表6可以看出，采用制定的干燥基准进行25 mm和40 mm 2种厚度干燥锯材的平均最终含水率分别为9.33%和8.04%，均满足锯材干燥质量的2级要求(8.0%～12.0%)。2种厚度锯材的干燥均匀度、厚度上含水率偏差、残余应力的指标均可满足1级指标。2种厚度锯材的顺弯、横弯、翘弯、扭曲可见干燥缺陷均满足1级指标。所有试件均未出现内裂和皱缩情况。本研究制定的火力楠锯材的干燥基准合理，根据制定的干燥基准对25 mm和40 mm 2种厚度火力楠锯材进行干燥，综合可获得满足2级干燥质量指标的干燥锯材。适用于家具、建筑门窗、实木地板、细工木板、室内装饰、文体用品等的生产。

表6 25 mm和40 mm厚火力楠锯材干燥质量Table 6 Drying qualities of 25 mm and 40 mm thick M.macclurei timber

3 结论与讨论

百度试验结果表明，火力楠木材的干燥缺陷主要为初期开裂和扭曲变形，干燥特性等级均为2级；截面变形及内裂程度较轻，特性等级均为1级；干燥速度中等，特性等级为3级。火力楠木材的密度中等，差异干缩和体积干缩系数很小，在干燥过程产生翘曲和开裂的趋势较小。

对25、40 mm 2种厚度火力楠锯材进行干燥工艺干燥。25 mm厚锯材采用干燥初期温度60℃、初期干湿球温度差4℃和末期温度80℃的条件进行干燥，由初含水率87.9%干至终含水率9.1%共耗时169.0 h。40 mm厚锯材采用干燥初期温度55℃、初期干湿球温度差3℃和末期温度75℃的条件进行干燥，由87.5%干至8.5%共耗时341.0 h。2种厚度干燥锯材的平均最终含水率达到国家标准中锯材干燥质量的二级指标；干燥均匀度、厚度上含水率偏差、残余应力和可见干燥缺陷均达到一级指标。

对火力楠木材的干燥特性和干燥工艺进行的研究，符韵林等[15]与本研究内容类似，和其百度试验结果相比，本研究火力楠木材的初期开裂和扭曲变形等级降低1级，但干燥速率等级增加1级。主要考虑木材材质差异对干燥结果的影响。与成熟材相比，小径材幼龄材比例大，材质差，木材生长应力大，干燥过程容易发生开裂和变形；但密度小，干缩率小，干燥过程中水分向外移动快，干燥速率大[27,28]。火力楠非常适宜培育大径材[4,7]，本研究所选试材径级更大，因此木材的干燥缺陷减弱，但干燥速率变慢。

在人工干燥木材过程中，干燥介质温度和湿度的调节，对木材的干燥时间和干燥质量有决定性意义[29]。因此，本研究通过干燥工艺试验制定的25 mm和40 mm 2种厚度火力楠锯材的干燥工艺基准可为实际企业进行火力楠木材的窑干生产提供科学参考，但实际干燥生产过程中还需结合具体采用的干燥设备及装材量大小等对干燥工艺进行调整，以保证干燥质量，提高干燥质量及效率。