doi：10.13360/j.issn.1000-8101.2015.04.024中图分类号：S781.3
陈凤义1，孙照斌2，申立乾2，马淑玲1，魏路2
（1.廊坊华日家具股份有限公司，河北 廊坊 065001；2.河北农业大学林学院）
摘要：利用百度试验法对热水处理和未处理美国进口黑胡桃木板材的干燥性质进行分析，拟定了初步的干燥基准并进行了相关的工艺试验及干燥质量检验。结果表明：热水处理试件与未处理试件的干燥性质差异较大，热水处理试件初期开裂、内裂、截面变形和扭曲变形对应的缺陷等级分别为2级、2级、3级和2级；而未处理试件对应的缺陷等级分别为4级、2级、4级和2级，热水预处理可以降低干燥缺陷等级。未处理黑胡桃木采用拟定基准干燥后的质量可达到国家2级锯材干燥标准，未处理黑胡桃木从71%含水率干燥到8%含水率约需26 d。
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关键词 ：黑胡桃木；百度试验法；干燥性质；干燥基准
Study on drying characteristics and drying schedule of black walnut wood
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CHEN Fengyi， SUN Zhaobin， SHEN Liqian， MA Shulin， WEI Lu
Abstract：Drying characteristics of hot water?treated and untreated American black walnut wood were investigated using the 100 ℃ test method. A preliminary drying schedule was developed and the drying quality was tested. The results showed that there were obvious differences between the drying characteristics of hot water?treated and untreated specimens. For hot water?treated specimens， the early stage check， internal check， cross?section deformation and twist were grade 2， grade 2， grade 3 and grade 2， respectively. For the untreated specimens， the corresponding grades were 4， 2， 4 and 2， respectively， indicating that hot water pretreatment could reduce drying defects. By using the preliminary drying schedule， the drying quality of the untreated wood reached the grade 2 of Chinese national standard， and 26 d were needed to dry the wood from a moisture content of 70% to 8%.
Key words：black walnut； 100 ℃ test method； drying characteristics； drying schedule
First author’s address： Langfang Huari Furniture Co.， Ltd.， Langfang 065001， Hebei， China
收稿日期：2015-01-12
修回日期：2015-04-21
基金项目：河北省科技支撑计划项目（14274001D）。
作者简介：陈凤义（1982-），男，工程师，主要从事家具材料与家具工艺方面的工作。E?mail： chenfengyi423@163.com
木材干燥是木材加工生产中的关键工序，提高木材干燥质量、缩短干燥时间、节约能耗、防止木制品在使用中开裂和变形是木制品加工行业的重要研究领域［1-2］。美国黑胡桃木（black walnut）的材色和材性较好，其木材和制品深受国人喜爱，但有关胡桃木的干燥技术仍然存在一些问题待解决。在对一种未知材种进行干燥时，通常采用以低温高湿为起点的干燥条件对其进行试探性试验，并以性质相近树种的干燥基准作为参考，再进行小批量重复试验，经多次调整后最终确定该材种干燥基准。该方法操作过程复杂，时间过长，耗用试材较多，且该方法主要依赖于人们在生产中所积累的经验，变化较大［3］。
百度干燥试验法是一种简单便捷的实用方法，它是将标准尺寸的试件放在100 ℃的干燥箱中进行干燥，并根据试材的初期开裂、内部开裂与表面皱缩三项干燥缺陷的程度来确定被试树种木材干燥基准的初期温度、后期温度和干湿球温度差，还可估计被测树种木材窑干所需时间［4-8］。与其他探索木材干燥性质的普通试验相比，百度干燥试验法使用材料少，操作简便，可快速拟定未知材种的干燥基准。
笔者对百度试验条件下的美国黑胡桃木进行了干燥性质与干燥工艺中试试验，旨在确定其干燥基准，为美国黑胡桃木的工业化干燥生产提供参考。
1材料与方法
1.1试验材料
黑胡桃木，气干密度为0.69 g/cm3。取无可见缺陷的弦切板刨光未处理湿材3块，初含水率为30%~40%，将试材去边去端后加工成若干规格为200 mm×100 mm×20 mm的弦切板试件。
1.2试验设备
高精度木工圆锯机，德国FESTOOL；电热鼓风式干燥箱，天津泰斯特仪器有限公司；电子天平，精度0.01 g；电子游标卡尺，精度0.01 mm；不锈钢钢尺，精度0.5 mm；塞尺，精度0.01 mm。
1.3试验方法
将无可见缺陷的16块弦切板均分为两组。百度试验对于密度较大的硬阔叶材，要求初含水率>45%，因此，对试材进行冷水和热水处理，使其含水率满足试验要求。一组试件用100 ℃水煮处理4 h，取出后擦干表面水分备用；另外一组试件在冷水中浸泡至少24 h，取出后擦干表面水分备用（由于冷水浸泡24 h左右对木材性质基本没有影响，因此，下文将冷水处理木材试件仍称做未处理材）。测得两组试件初含水率均>45%，之后对两组试件进行百度试验。
百度试验过程中主要对初期开裂、内裂、截面变形、扭曲变形、干缩特性和干燥速度等干燥性质进行观察和测试分析。根据百度试验结果，参照文献［4-8］中“百度干燥试验中干燥缺陷及干燥速度分级标准”和“与干燥缺陷等级相对应的干燥条件”，确定试件缺陷等级，同时确定黑胡桃木干燥的初期温度、干湿球温度差及后期温度，选出最低条件作为黑胡桃木干燥基准的基本条件，进而拟定初步干燥基准，然后通过工艺试验对干燥基准进行验证并修订。
2结果与分析
2.1干燥性质分析
热水处理材与未处理材相比，干燥性质存在明显差异。根据百度干燥试验数据并参照文献［4-8］，热水处理材所对应初期开裂、内裂、截面变形和扭曲变形的缺陷等级分别为2级、 2级、3级和2级；未处理材所对应初期开裂、内裂、截面变形和扭曲变形的缺陷等级分别为4级、2级、4级和2级。
1）初期开裂。热水处理过的黑胡桃木试件在试验过程中仅出现端裂和端表裂（包括长端表裂），而未处理的黑胡桃木试件除出现端裂和端表裂外，还出现长细表裂，其初期开裂等级总体上均高于热水处理的黑胡桃木。根据试验观察，试件初期开裂是主要干燥缺陷，特别是未处理材的大部分初期开裂达4级，因此，干燥初期应尽量采用软基准，一般用高湿低温进行干燥，可避免初期开裂的产生。
2）内裂。未处理和热水处理黑胡桃木试件均发生了内裂，其等级均为2级。内裂一般发生在干燥后期，在木材表面严重硬化，内部所受拉应力超过木材横纹抗拉极限强度时产生。为防止木材发生内裂，在干燥过程中要多进行中期调湿处理，降低后期干燥温度，避免表裂向内部延伸而引起内裂。
3）截面变形。热水处理的黑胡桃木试件截面变形最大为2.46 mm，平均为1.55 mm，而未处理的黑胡桃木最大截面变形为2.70 mm，平均为2.05 mm，这是由于表层与内层存在较大的干缩差异，在100 ℃高温下剧烈干燥所导致的。经热水处理的试件截面变形等级总体上低于未处理试件，截面变形程度受干燥初期的温湿度影响较大，受末期湿度影响较小，可通过调整干燥初期的温湿度，避免或减少截面变形。
4）扭曲变形。热水处理的黑胡桃木最大扭曲值为2.46 mm，平均为0.76 mm，等级为4级，而未处理的黑胡桃木最大扭曲值为2.70 mm，平均为0.98 mm，等级为4级，未处理黑胡桃木扭曲程度比热水处理的稍严重。扭曲变形的产生主要是因为板材纵向纹理不直，可在干燥开始时进行高温高湿处理，或在材堆顶部压重物以减少扭曲变形。
5）横弯。热水处理的黑胡桃木最大横弯值为1.30 mm，平均为0.75 mm，而未处理的黑胡桃木最大横弯值为1.60 mm，平均为1.50 mm。横弯是由于板材上下表面的弦径向干缩差异太大引起的，可以通过调整干燥工艺参数减少或消除横弯。
6）干缩特性。木材的干缩特性对制定木材的干燥工艺有重要意义。百度试验下黑胡桃木试件的干缩特性见表1。
百度试验下，热水处理黑胡桃木的线性和体积干缩率在总体上均小于未处理材。根据试件干燥前后的尺寸变化，热水处理黑胡桃木试件的弦、径向干缩率平均分别为4.95%和3.18%，对应的干缩系数分别为0.165%和0.106%，差异干缩比值为1.56>1.50，差异干缩为中级［9］，说明热水处理黑胡桃木在干燥过程中产生翘曲和开裂的趋势相对较大。未处理黑胡桃木弦、径向干缩率平均分别为5.78%和3.54%，对应的干缩系数分别为0.192%和0.118%，差异干缩比值为1.63>1.50，差异干缩也为中级［9］，说明未处理黑胡桃木在干燥过程中产生翘曲和开裂的趋势相对热水处理材更大。
热水处理黑胡桃木的绝干体积干缩率为8.55%，干缩系数为0.171%，未处理黑胡桃木的绝干体积干缩率为9.92%，干缩系数为0.331%，根据材性分级标准，均属较小等级［10］。
7）干燥速度。试验结果显示，百度干燥试验过程中，热水处理黑胡桃木试件的含水率从30%降低到5%所用时间平均为23.43 h，含水率从30%降低到1%的平均干燥速度为1.43%/h，干燥速度等级平均为4级；而未处理黑胡桃木试件含水率从30%降低到5%所用时间平均为28.57 h，含水率从30%降低到1%的平均干燥速度为1.16%/h，干燥速度等级平均为4级，热水处理材的干燥速度明显高于未处理材。这可能是因为热水处理可以抽提溶解更多的内含物，木材中水分移动通道更顺畅所致。
2.2拟定干燥基准
参照干燥缺陷等级相对应的干燥条件［4］，确定未处理和热水处理黑胡桃木干燥的初期温度、干湿球温度差及后期温度（表2），综合选出最低条件作为黑胡桃木干燥基准的基本条件［4］。
由表2可知，未处理和热水处理材干湿球温度差的最低条件基本相同，即初期最高温度为50 ℃，后期最高温度为75 ℃。热水处理黑胡桃木初期最低温度为50 ℃，干燥初期干湿球温差为2~4 ℃，后期最高温度为75 ℃；由表1可知，未处理黑胡桃木差异干缩比值大于热水处理材，即未处理材在干燥过程中产生翘曲和开裂的趋势相对热水处理材更大，因而未处理材宜采用较热水处理材偏软的干燥工艺基准。参照LY/T 1068—2012《锯材窑干工艺规程》，拟定黑胡桃木20~25 mm厚板材的干燥基准（表3）。
2.3干燥基准工艺试验与修订
1）干燥过程。鉴于工厂试验条件所限，仅对未处理黑胡桃木进行了干燥工艺试验，并且采用比拟定干燥基准偏温和偏软的基准进行。干燥窑为金属壳体，容积为100 m3，板材尺寸为4 m×150 mm×25 mm。在含水率达到30%和20%的干燥阶段，分别进行了24和48 h的2次中间处理，增加木材表层湿度，从而减弱内应力，使已经塑化固定的外层木材重新可塑而得到补充收缩。干燥结束后，进行36 h调湿处理和24 h平衡处理。其中，调湿处理时的介质温度为80 ℃，相对湿度为90%；平衡处理时的介质温度为50 ℃，相对湿度为65%。干燥温度和含水率变化如图1所示。图中216，456和480 h处的含水率略有回升，这是因为经过中间处理及后期调湿处理后，木材周围环境的含水率高于其表层的平衡含水率，木材吸收水分，从而使含水率有所回升。
2）干燥结果。木材干燥后的平均终含水率（8.5%）、终含水率标准差（0.85%）、锯材厚度方向上的含水率偏差（0.8%）和应力偏差（0.64%）均较小，对照GB/T 6491—2012《锯材干燥质量》，干燥质量指标为2级。由干燥时间和速度统计（表4）可知：干燥周期为624 h（26 d）；当含水率>30%时，干燥速度为0.156%/h；当含水率<30%时，干燥速度仅为0.075%/h。这是因为干燥前期主要是排除木材中的自由水，当后期含水率降至纤维饱和点以下时，木材中吸着水移动阻力较大，导致干燥速度变小。
3）干燥基准修订。经试验验证并测定分析锯材干燥质量后，对拟定的干燥基准进行调整和修订，修订后的基准比百度试验法所确定的基准偏软，修订后未处理黑胡桃木干燥基准见表5。与拟订的热水处理黑胡桃木干燥基准比较可知，热水处理基准相对较硬，其初期和后期干燥时的干球温度分别为51和75 ℃，均高于修订后未处理黑胡桃木干燥基准的相应温度。原因可能是热水处理会部分改变木材的内部构造和抽提物含量，从而加快了干燥速度。
3结论
1）百度试验表明，热水处理试件与未处理试件干燥性质存在明显差异。热水处理试件初期开裂、内裂、截面变形和扭曲变形对应的缺陷等级分别为2级、2级、3级和2级；而未处理试件对应的缺陷等级分别为4级、2级、4级和2级。热水预处理可以降低干燥缺陷等级。
2）百度试验中热水处理黑胡桃木试件的差异干缩比值为1.56，小于未处理黑胡桃木试件的差异干缩比值1.63，但均大于1.50，表明未处理和热水处理黑胡桃木在干燥过程中产生翘曲和开裂的趋势均相对较大，而未处理材相对更大。热水处理黑胡桃木试件的线性和体积干缩率在总体上均小于未处理材。
3）按百度试验法确定的基准进行未处理黑胡桃木干燥工艺试验，并参照国家标准进行干燥质量检验，结果表明，所干燥木材的平均终含水率、终含水率标准差、锯材厚度方向上的含水率偏差和应力偏差均较小，干燥质量指标达到2级。
4）本试验所得结果仅供参考，若用于大规模生产，尚需根据企业干燥窑情况做进一步试验和调整。
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（责任编辑 莫弦丰）