楊木干燥皺縮控制技術
1 木材皺縮機理皺縮
亦稱塌陷 ,是指木材在干燥過程中由于水分移動過快 ,所產生的水分蒸發(fā)張力使細胞潰陷而引起的不規(guī)則收縮。皺縮不同于木材干縮。干縮發(fā)生在木材干燥過程中的吸著水蒸發(fā)階段 ,是 因為細胞壁非結晶區(qū)域吸著水減少時 ,細胞壁 內微纖絲 和微纖絲 或者微膠粒與微膠粒 之間相互靠攏 ,造成細胞壁變薄 ,導致整個細胞體積收縮 而皺縮是木材細胞壁不規(guī)則的局部向細胞腔 內凹陷 ,整個細胞變得窄小 ,呈扁平狀 、不規(guī)則狀態(tài)。嚴重皺縮時 ,細胞壁上會出現(xiàn)開裂。
關于木材皺縮的機理 ,不同學者提出了不同的點。但絕大部分學者認為 ,木材在干燥過程中 ,細胞腔內自由水蒸發(fā)后在細胞腔 內形成真空 負壓 ,使得木材細胞內外存在一定程度壓 力差 ,當該壓力差所產生的細胞壁壓力大于木材細胞壁 的橫紋抗壓強度時 ,致使木材細胞潰陷 ,從而產生皺縮
因此木材細胞發(fā)生皺縮需要具備兩個條件 ,即自身條件和外部條件。自身條件表現(xiàn)在木材的滲透性較差 ,干燥過程中能產生較大的毛細張力 ,且該張力完全作用于木材細胞壁。外部條件體現(xiàn)在木材蒸發(fā)細胞腔內自由水時 ,水分子有足夠大的內能 ,產生足夠大的水分蒸發(fā)張力。而決定水分子內能的最根本性因素是溫度。因此 ,從外部條件來看 ,干燥介質溫度越高 ,發(fā)生皺縮的機遇就越大。
當具有皺縮 自身條件的木材 ,遇 到外部條件的干燥環(huán)境 ,皺縮就產生了。也就是說 ,含水率較高的易皺縮木材 ,在較高的干燥溫度條件下 ,便會發(fā)生皺縮。
2 楊木干燥皺縮控制技術
2.1 楊木皺縮規(guī)律及其控制措施
楊木皺縮規(guī)律實際生產中發(fā)現(xiàn) ,楊木皺縮的宏觀表現(xiàn)是板材表面呈現(xiàn)不規(guī)則的局部凹陷 ,并使橫斷面成不規(guī)則形狀。在寬度方向上 ,已皺縮區(qū)域和相鄰的無皺縮 區(qū)域有明顯的高低不平的臺階 ,而不是緩慢的過渡 。有時 ,在皺縮區(qū)域和無皺縮區(qū)域的交界處還會出現(xiàn)明顯的裂紋在長度方向上 ,皺縮往往會沿著木材的紋理方向在縱向上延伸,形成一條凹陷的長溝 其長度甚至可達幾十厘米 在厚度方向上 ,當將已皺縮楊木板材鋸開時 ,發(fā)現(xiàn)其皺縮及臨近區(qū)域經常存在較嚴重 的內部開裂 從皺縮區(qū)域來看 ,皺縮不會發(fā)生在板材的邊緣部位 ,而是發(fā)生在板材的中間區(qū)域。
整體來看，相對于正常樹干材而言 ,楊木邊材和樹梢材更容易發(fā)生皺縮 。同時 ,已經皺縮的板材往往會伴有明顯的翹曲 、變形缺陷。
2.2 楊木皺縮的控制措施通過 述理論分析可知 ,在楊木干燥過程中 ,只要合理控制好導致皺縮 發(fā)生 的兩 個條件中的一個 ,就能有效避免皺縮的發(fā)生 筆者通過 多年的生產實踐研究發(fā)現(xiàn) ,只要采用以下技術措施對楊木的干燥過程進行嚴格的控制和管理 ,完全 可以在滿足企業(yè)對干燥速率要求的前提下，,防止皺縮缺陷的發(fā)生 ,獲得很高的干燥質址 ,取得顯著的經濟效益。
2.2.1 干燥預處理 已有的研究表明 ,對易皺縮木材進行蒸汽處理 、熱水浸泡 、預凍處理 ,能在一定程度上破環(huán)木材的紋孔結構 ,改變木材微觀構造 ,提高其流體滲透性 ,避免 干燥初期因自由水遷移造成的較大毛細張力 ,從而緩解甚至防止皺縮缺陷的發(fā)生 。筆者曾對楊木濕材在干燥前進行過浸泡處理。發(fā)現(xiàn)在相同干燥工藝條件下,浸泡過的楊木發(fā)生皺縮的程度相對較輕。
2.2.2 預干處理 從皺縮發(fā)生的外部條件來看 ,要避免皺縮缺陷的出現(xiàn) ,就必須降低楊木干燥初期的溫度 ,從而降低因 自由水遷移所導致的毛細張力 。在實際生產過程中 ,可以從兩方面加以解決 一是對初含水率很高的楊木 ,進行充分地 自然 干燥 ,降低入窯時木材初含水率 二是在窯于初期,選用較低溫度的干燥基準。在板材裝入干燥窯之前 ,對楊木濕材進行充分的自然干燥是一種比較經濟、有效的辦法 。楊木家具廠家可以根據當地的氣候特點 ,通過合理的安排生產和儲備原材料 ,來實現(xiàn)板材的自然干燥 ,使楊木入窯初含水率控制在25%以 下,從而大幅減少干燥過程中皺縮缺陷的發(fā)生。
2.2.3 采用合適的干燥基準合適的干燥基準是確保于燥質址。提高干燥效率 、降低干燥成本的重要技術保障 一針對楊木易皺縮的特點 ,
在制訂干燥基準時 ,需要考慮在 于燥初期 ,當木材含水率較高時 ,采用較低的干燥溫度和適 當的濕度 ,降低水分子蒸發(fā)時產生 的作用于細胞壁上的毛細張力。而在干燥后期 ,
即在木材吸著水蒸發(fā)階段 ,為確保干燥效率 ,可適當提高干燥介質溫度 ,從而加快楊木干燥速率。經過 多年的實驗 及生產實踐 ,筆者總結出了楊木 的優(yōu)化干燥基準 (見表1)
表1 46mm 厚楊木的干燥基準
含水率 （%） 干球溫度（ ℃ ） 濕球溫度 （℃ ） 干濕球溫度差 （℃）
60 43 38 5
60 43 37 6
50 43 35 8
40 43 29 14
35 43 25 18
30 45 25 20
25 52 27 25
20 58 33 25
15 68 42 26
10 78 52 26
對于以上干燥基準 ,有幾點需要說明:
1）該基準的特點是楊木板材含水率在纖維飽和點 以上時干燥溫度一直較低 。這就有效地避免了引發(fā)皺縮的外部條件 后期干燥溫度較高 ,是為了提高干燥度。
2）雖然該基準干燥初期溫度較低 ,但干濕球溫度差較大 ,濕度較小 ,這就有效地避免了楊木發(fā)生霉變的可能。正因為這樣 ,該基準需要有較大的排濕窗口 。生產實踐表明 ,該基準要求干燥窯的容量每 100m3楊木濕板 ,所配備的排濕窗口不應少于4m2 。
3)該基準后期的溫度升高很快 ,這對整個干燥窯內的楊木含水率的均勻性要求較高。
2.2.4 規(guī)范干燥過程的控制在干燥過程中 ,為避免楊木皺縮缺陷的發(fā)生 ,很重要的一點 ,就是要保證干燥溫度和楊木含水率相適應 。因此 ,在整個干燥過程中,加強對干燥窯內板材含水率的均勻性及干燥速率的控制就顯得尤為重要 在楊木的實際干燥過程中 ,特別需要注意以下幾點：
1）干燥設備的檢查
為使干燥時干燥窯內不同部位的板材具有基本相同的干燥速率 ,在裝窯前 ,要仔細檢查干燥窯的加熱系統(tǒng)和空氣循環(huán)系統(tǒng) ,確保它們處于良好運行狀態(tài)。以保證干燥過程中,介質溫度、循環(huán)風速分布均勻。
2）板材初含水率基本一致
為保證干燥質量和干燥速率,同一干燥窯內的板材初含水率差別不宜太大 ,一般不應超過15%。否則 ,如果板材入窯初含水率差別過大 ,干燥后期 ,干燥溫度升高,個別初含水率較高的板材含水率還依然很高。這樣便會因為濕板楊木遇到干燥高溫 ,而發(fā)生皺縮缺陷。
3)合理堆垛
工廠應合理地組織安排好干燥車間的生產任務 ,使裝入到同一干燥窯內楊木板材的厚度是相同的 同時為了保證氣流順暢 ,所使用的墊條的厚度也應該相同 前后材堆之間應保持一定的距離 ,以防止把空氣通道堵死 ,該距離一般不少于10cm 。
4)充分的預熱處理過程 。
在干燥開始時 ,一定要有很好的預熱處理過程 ,使干燥窯內各個部位的楊木濕板材都能充分均勻地熱透 。特別是板材中心的溫度不應低于基準的設定值。盡量減小在干燥過程 ,溫度梯度和含水率梯度相矛盾的問題。從干燥勢的角度來保證含水率均勻地下降。
5)加強干燥初期介質濕度的控制
如前文論述 ,在干燥過程中為避免楊木發(fā)生皺縮缺陷,在含水率較高的干燥初期階段 ,采用較低的干燥溫度。但這樣的條件 ,非常適合霉菌在楊木上生長 ,所以此時應加強對干燥窯內濕度的控制。在保證楊木不發(fā)生表裂的情況下 ,可以適當降低干燥窯內的空氣濕度。通過控制濕度來控制霉菌的生長。如若不然 ,濕度過大 ,而溫度又不高,楊木必然會發(fā)生霉變。
目前,國內有些干燥窯廠家提供的干燥設備 ,在設計時是為了使用高溫干燥基準 ,因而排濕窗口較小。這樣在使用初期溫度較低的基準時 ,就有一定的局限性。眾所周知 ,同樣體積的濕空氣 ,溫度越高，其濕容量越大 ,即容納水分的能力越強 。所以 ,小排濕窗口的干燥窯對于高溫干燥基準來說影響并不大。但對于初期溫度較低的干燥基準來說 ,會因為濕汽不能及時排出,溫度又較低 ,適合霉菌的生長 ,會造成楊木的霉變。
6)強化干燥過程中楊木含水率的監(jiān)測
在干燥過程中,應保證含水率監(jiān)測系統(tǒng)的準確性 ,注意對窯內楊木板材含水率的跟蹤檢測 。在確保干燥板材的含水率全面下降后方可按干燥基準升高相應的干燥溫度。如檢測不全面 ,干燥窯內仍然有含水率較高的板材而沒有被檢測到 。那么干燥后期溫度升高 ,干燥緩慢 、含水率偏高的那部分板材 ,就會因為 自身含水率較高 ,外界干燥溫度也較高 ,而發(fā)生皺縮缺陷。
3 皺縮楊木的恢復
為使皺縮的楊木恢復外形尺寸，減少因皺縮缺陷造成的木材損失 ,筆者曾對已經皺縮的楊木在干燥過程結束前進行過24h的蒸汽處理。觀察發(fā)現(xiàn) ,經過處理之后 ,皺縮區(qū)域的長度沒有明顯的變化；皺縮區(qū)域的寬度和深度有一定程度的減輕；皺縮造成表裂和內裂的縫隙變化較為明顯 ,有些裂隙甚至肉眼難以發(fā)現(xiàn)。但是 ,經驗表明這種經過處理過的楊木不適合用來制作家具 ,會造成成品家具的開裂。
4 結束語
1）在常規(guī)干燥過程中為避免楊木皺縮 ,比較經濟而又有效的辦法就是合理地安排好原材料儲備和干燥車間的生產任務 ,在楊木裝入干燥窯之前 ,能充分地進行自然干燥 ,使裝入干燥窯初含水率在25%以下；
2）對濕楊木進行干燥時 ,在含水率較高的干燥初期階段要采用低溫干燥 。同時控制好干燥窯內的相對濕度不要過高 ,以免楊木發(fā)生霉變；
3）在干燥后期可以適當地提高干燥溫度 ,以提高干燥速度 ,楊木不會因此而發(fā)生皺縮；
4）整個干燥過程中應規(guī)范控制操作過程 ,保證整個干燥窯內的含水率均勻地下降皺縮楊木的恢復。