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法研究
Image Posted by -- on 12/03/07 10:48 AM, updated on 01/07/08 11:31 AM
郭继光庄寿增
摘要：本文根据木材真空干燥的特点和工艺原理，选择当前国内地板市场上常见的20种实木地板坯料进行间歇真空干燥基准快速编制方法的研究。试验结果表明，在相同的加热和真空条件下，不同树种试材的芯表层温度变化具有明显的规律性，试材芯层温度下降幅度和芯表层温度变化差值大小基本上能反映其干燥的难易程度。对真空过程中木材芯表层温度变化差值、木材含水率变化量、木材表面开裂情况进行量化和分级处理，经综合分析评定，可快速拟定该树种木材所对应的间歇真空干燥基准。
关键词：木材真空干燥基准快速编制方法
近几年来，随着人民生活水平的提高，我国木地板工业发展迅猛，2001Sign Up | Log In
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年全国木地板产量约1.5亿㎡／a，2002年约达2.2亿㎡／a左右，其中实木地板约占其中的35%～40%。目前，在地板企业中采用较多的还是传统的窑干方法。长期以来，技术人员应用这种方法在干燥地板材时形成了一套自己的经验，但同时也存在一些不足之处。由于受企业的干燥设备条件和操作水平等影响，干燥过程中木地板坯料会出现不同程度的开裂、翘曲、变形和干燥不均匀等干燥缺陷，甚至有较大的降等和报废，给加工企业带来较大的损失；干燥周期长，影响了企业的资金流动。而木材真空干燥作为传统窑干方法重要的辅助手段，在这方面的优势就较为明显，真空干燥的速度通常是常规干燥的5～10倍，干燥质量也较好，不仅可以减少企业的资金积压，增加企业的抗风险能力，还能保证木地板的质量，减少变形和开裂，提高企业在市场中的竞争能力。
当前地板生产中，采用真空干燥技术干燥地板坯料的企业还很少。调查中发现，随着实木地板市场竞争的加剧，一些企业很想采用一些新的木材干燥技术，缩短干燥周期，提升产品质量，增加企业竞争力。但由于不清楚真空干燥技术对大多数进口地板材的实际干燥效果，加上现在生产上也缺乏较成熟的、可供生产单位选用的木材真空干燥工艺基准，在一定程度上影响该技术的推广应用。
本项目在前人研究的基础上，选用进口实木地板坯料作为研究对象，试图根据1-2个加热/真空循环中不同树种木材芯、表层温度变化和含水率变化差异，制定一种快速编制木材间歇真空干燥工艺基准的方法，使企业能够在最短的时间内，用很简便的方法就可以知道需了解的新树种木材真空干燥效果，并能快速确定其真空干燥工艺基准。这将大大提高地板和家具企业对市场的快速反应能力，加大新产品的开发力度，增强企业的市场竞争力。对推动木材真空干燥技术在我国地板、家具等行业的发展也将起到积极的作用。
1 木材间歇真空干燥工艺基准快速编制方法
通过对现有的间歇真空干燥基准进行分析整理，以陈日新1992年编制的间歇真空干燥基准作为基础，初步制定了一组适用于实木地板坯料的真空干燥基准。见表1-1，表1-2，表1-3，表1-4。
这组基准主要在以下几个方面作了改进，首先，由于材料大部分为进口实木地板坯料，结构均较重、硬，因此适当降低了加热温度，以防止木材的开裂。另外，根据木材真空干燥速度与真空度的关系，将真空度由0.08MPa 提高到0.09MPa。考虑到目前实木地板坯料的产地各异，树种多，材性差异大，本基准库中初步拟定了四个不同的基准供选用，首先拟定出基准二与基准三两个差别较大的基准，在此基础上，再拟定出基准一与基准四，其中基准一比基准二稍硬，基准四比基准三稍软。此外，基准中的抽真空速度和喷蒸速度亦作相应控制，基准一与基准二适用于易干材，可在1h内达到最大真空度，在加热阶段每1h喷蒸5min；基准三与基准四适用于难干材，拟减缓抽真空速度，在1.5h内达到最大真空度，在加热阶段每0.5h喷蒸
5min。
木材间歇真空干燥试验时发现，在同样的真空脱水过程中，试材芯表层温度的下降差值与脱水量，即干燥难易程度有关。比如，在同样的抽真空速度下，木荷和青冈栎两种试材的芯表层温度下降差值不同，木荷透气性好，干燥速度快，其芯表层温度下降差值较小，同时也不容易产生开裂；而青冈
栎透气性差，干燥速度慢，其芯表层温度下降的差值较大，容易产生开裂。当减慢抽真空速度，延长抽真空时间以后，青冈栎的芯表层温度差值变小，未出现开裂。
由于在真空减压过程中，窑内介质温度始终高于木材的温度，木材不可能以纯传热的方法将热量传出。因此可以认为木材失去的热量全部用于木材中水分的汽化，试材内部温度变化主要与水分传递有关，其芯表层温度变化基本上反映出含水率的变化和木材干燥的难易程度。在同样的真空条件下，如果木材表层温度的下降速率远远大于木材芯层，则木材属于难干材，反之如木材表层温度下降速率与木材芯层温度下降速率相接近，则属于易干材。因此可根据间歇真空过程1～2个加热真空循环中的试材温度变化、含水率变化以及开裂情况，判别木材间歇真空干燥的难易程度，并据此来设定其所适用的木材间歇真空干燥工艺基准。
参照常规干燥中百度试验法的试材规格，选取密度差异较大，长度分别为300mm和900mm的两种木材非洲紫檀和冰片香进行预备试验。发现纵向渗透性好的冰片香，试材长度差异对于干燥过程的影响很小；而纵向渗透性较差的非洲紫檀，试材的长度差异对干燥过程的影响比较明显。采用硅橡胶将长度为300mm木材的两个端头端封后，可较好的模拟长度为
900mm的木材芯表层温度的变化。
2 试验与结果
2.1 试验材料
本试验采用的材料取自常州及湖州的地板企业，主要为近期市场上较为常见的实木地板毛坯板，板坯尺寸为900×90×20（mm），无腐朽、霉变现象，板面质量较好，初含水率在20％～30％之间。将其制备成尺寸为300×90×20（mm）的标准试样,见表2-1。
2.2 试验设备
试验采用的木材间歇真空干燥机是由南京林业大学木材干燥实验室自行设计加工的，设备主要由干燥筒、真空泵、蒸汽发生器、加热系统及控制系统组成。见图2-1。
2.3 试材准备及试验方法
将端封后长度为300mm的试材放置于真空干燥窑中进行试验。每次试验，同一树种试材选4块样板，其中一块做温度测量，配对的一块做含水率测量，其余两块样板备校核用。首先对试材进行预热，当试材中心温度达到90℃时，停止预热，并保持30min。在此过程中，当环境温度升至90℃时，对木材进行喷蒸处理，以防止水分提前蒸发，喷蒸蒸汽的压力为0.2MPa，喷蒸时间为5min。然后对木材抽真空20 min，抽真空的速度约为0.01～0.013MPa/min。记录真空过程中木材芯表层温度的变化。比
较木材芯表层温度变化的速率。
温度测量干燥过程中木材温度的测量通过热电偶完成。
木材含水率测量采用称重法反推出木材的含水率
表面开裂情况检查在试验中，试材主要干燥缺陷为表裂。根据其开裂程度分为四级，见表2-2。其中2级与3级差别较大，而1级与2级，4级与3级相近。
在试验中选择4块检验板，首先确定出每块检验板的开裂等级，然后综合评定，取其平均值作为该材种的表面开裂等级。
2.4 试验结果
表2-3为真空过程中试材芯表层温度变化情况。
表2-4为真空过程中含水率变化及开裂情况。
3 分析与讨论
3.1 试材芯表层温度变化与含水率变化
在木材间歇真空干燥过程中，木材芯表层温度的变化与真空干燥的难易程度密切相关，表3-1列出了20种试材抽真空前后芯层温度的下降幅度、真空阶段结束后芯层温度与表层温度的差值情况及含水率的变化量。
从表中可以看出，20种试材芯层温度降幅在9.3℃～22.3℃之间，在很短的抽真空时间内，芯层温度的下降幅度大，说明试材内部水分移动速度快，在真空条件下易干燥，反之，如果试材的芯层温度降幅小，说明该试材内部水分不易向外移动，在真空条件下干燥难度较大。试材芯层温度降幅大小与试材含水率下降幅度基本上是一致的。
试验中仅采用两个加热真空干燥循环，试材含水率降幅小，试材在端部封闭的情况下，一般不会出现端裂和内裂。因此，仅检测试材的表面开裂情况。
在两个加热真空干燥循环中，试材含水率变化量的范围为3.2%～9.3%，芯层温度降幅大于17℃的试材，含水率均下降了6%以上，芯层温度降幅小于13℃的试材，含水率降幅在4%以下。在快速减压过程中，试材芯表层温差变化值也与试材芯层温度降幅有关，试材芯层温度降幅大的通常芯表层温差也大些，但规律性不够明显，相关性不如试材含水率变化那么紧密。由于试材含水率变化量测量是同一树种木材4块样板的平均值，该参数更能较客观地反映试材在真空条件下干燥的难易程度，而试材芯表层温差值不仅能反映芯层温度降幅（芯表层温差大的，芯层温度降幅小），也能反映出试材水分移动的差异，所以根据20种试材的测试情况看，可将试材含水率变化量和试材芯表层温差作为选择真空干燥基准的主要指标。
3.2 试材芯表层温度变化与表面开裂情况
根据表2-2所示的试材表面开裂程度分类标准，将树种分为四个等级，见表3-2
根据表3-2可以看出，大部分木材都没有发生表裂，只有少数树种由于较重、硬或是木射线较粗而发生了表裂。将表3-2与表3-1对比可以发现，对于一些芯表层温度下降差值较大的木材，一般其开裂的程度比较大，例如银叶树与风车子，主要是由于这些树种的密度较大，纹理交错所造成。因此，对于难干材，为了防止其发生开裂，应该采用相对较低的温度进行加热，以保证其干燥质量。另外，对于一些结构比较均匀的材种，例如印加木，尽管其芯表层温度差值较大，但是没有发生开裂现象，因此在干燥过程中可以提高加热温度，以此来加快干燥速度。
3.3 木地板坯料间歇真空干燥基准的选用
根据前面的分析讨论，试验过程中检测的4项指标中，选取试材芯表层温度差，含水率变化量及表面开裂情况这3个参数作为检测指标。在快速减压的过程中，芯表层温差大的树种，干燥速度慢，芯表层温差小的树种，干燥速度快。在同样条件下木材的开裂情况也与芯表层温度差值的大小有一定的关系，芯表层温差大，容易产生表裂，芯表层温差小，不易产生表裂。将芯表层温差值大致分为4个等级，按照从小到大的顺序排列为1-4级（见表3-3），含水率变化量按照从大到小的顺序排列为1-4级（见表3-4），表面开裂情况则按由轻到重的顺序排列为1-4级（见表3-2）。
由于这三项指标在干燥基准制定中的权重不同，表面开裂情况相对重要，因此取各树种中每项指标所处的级数，按照下面的公式来确定木地板坯料的间歇真空干燥基准。
基准号=1/2[1/2（芯表层温差等级+含水率变化量等级）+开裂等级]
以坤甸铁樟为例，1/2（芯表层温差等级+含水率变化量等级）＝3.5，取值为4，基准号=1/2（4+开裂等级）=3.5，则坤甸铁樟的适用基准号为四号。
表3-5列出了20种木地板坯料的间歇真空干燥基准确定情况。表3-6列出了其所对应的树种。
4 木地板坯料间歇真空干燥拟定基准的验证性试验
为了对木材间歇真空干燥工艺基准快速编制方法的合理性进行验证，选取少数几种有代表性的材料进行了完整的间歇真空干燥
4.1 试验准备
选取红柳桉、巴新埃梅木与印加木作为试验材料。
红柳桉的尺寸规格为1000×90×20(mm)，选用二号基准。巴新埃梅木的尺寸规格为1000×90×20(mm)，选用二号基准。印加木的尺寸规格为800×75×35(mm)，选用三号基准。
4.2 试验结果
验证试验的结果见表4-1。
从试验结果看，真空干燥的效果比较明显，无论是对于难干材还是易干材，都能在短时间内快速进行干燥，而且干燥质量较好，没有干燥缺陷产生。因此可以认为，木材真空干燥基准的制定还是比较合理的。
4.3 结论与下一步研究建议
本文根据木材真空干燥的特点和工艺原理，选择当前国内地板市场上20种实木地板坯料进行间歇真空干燥基准快捷编制方法的研究。在综合分析已收集到的国内外木材间歇真空干燥工艺基准基础上，初步拟定了一组4个木地板坯料间歇真空干燥基准，根据20种试材在两个加热真空循环中芯表层温差变化值，含水率降幅和试材表面开裂情况，分别划定了4个等级，并依此来作为各树种木材确定所选基准号的标准。
试验结果表明：在真空条件下，随着真空干燥机内压力的降低，试材芯表层温度同时下降，呈现一定规律性，芯层温度降幅大的树种芯表层温度差值较小，含水率则同步下降幅度较大。可以根据试材在1~2个加热真空干燥循环中，芯表层温度变化的差异，含水率变化差异和表面开裂情况，判别
不同树种木材真空干燥的难易程度，以此来制定木材间歇真空干燥的工艺基
准。
进一步验证试验结果表明，所拟定的基准和选用基准的方法是科学可行的，为木材真空干燥工艺基准的快速编制提供了一种较科学、合理的新方法，
对木材真空干燥技术的推广应用将起到积极作用。
由于木材真空干燥的工艺相对来说还不够成熟和完善，受试验条件和时间限制，本文所做的试验中也还存在诸多不足之处。比如，试验材料数量偏
少，尚不能完全代表市场上的实木地板类型；试材的厚度规格也较单一，缺
少厚板材；由于试验材料是从企业随机调取的，试材的径级大小，所取部位
均无法准确获知，如采用原木制取试样，试验数据将更为可靠合理，试验也
更有说服力。今后需作进一步深入研究和生产性验证。
转载自《第十一次全国木材干燥学术研讨会论文集》op
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