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The Preliminary Study on Drying Process Traverse Strains of Asian White Birch

白桦木材干燥过程横纹流变特性的初步研究


采用白桦锯材在实验室条件下进行常规干燥,把时间因子引入到木材干燥变形中,运用聚合物粘弹性变形与流变学理论分析木材干燥过程蠕变变形的发展,采用切片法测定了沿木材厚度方向的瞬时弹性应变εe、粘弹性应变εc、机械吸附应变εm的分布与变化趋势,定性分析了在一个干燥周期内木材横纹方向变形特性。理论研究与试验分析结果表明:干燥过程中木材表层与芯层的弹性应变始终是方向相反的,木材表层的弹性应变在干燥中期与后期达到极值的时刻可以作为进行热湿处理的参考点;粘弹性应变是与时间相关的、可恢复的变形,在木材干燥过程中较难与机械吸附应变严格区分开,机械吸附应变(前期)包括粘弹性应变,因而它在一定程度上反映了机械吸附应变发展变化规律;在干燥中期与后期对白桦进行热湿处理时,木材各层的机械吸附应变均呈现增大趋势,木材沿厚度方向的不均匀干缩减小,木材表、芯层的弹性应变有所减小,机械吸附应变是导致干燥过程木材干燥应力释放的一个主要原因。

Basing on lab condition, Asian White Birch ( Betula platyphylla )lumbers were dried by conventional methods. The time factor was considered in the drying strains of wood, the polymer′s visco elastic theory and rheology theory were used to analyze the strains of lumber in drying process,slicing method was used to explore development and changing trend for the instant elastic strain、visco elastic strain、mechano sorptive strain which were on the cross section of lumber, the wood traverse strain characters were qualitatively analyzed in one drying cycle.Through research and experiment analysis, the following conclusions can be given:the elastic strains of the surface and center layers are always reverse, simultaneous the maximum elastic strain of surface layer at the drying process could be taken for the reference of steaming disposal. The visco-elastic strain cannot be distinguished from mechano-sorptive strain easily, mechano-sorptive strains of the prophase contain visco-elastic strains, so it can reflect the mechano-sorptive strains approximatively. With the steaming disposal of wood going on at middle stage and final stage of drying process, the mechano-sorptive strains of different layers increase gradually, the wood uneven shrinkage along thickness direction decrease gradually, the elastic strains of surface and center layers decrease, the machano-sorptive strain is one of the main reason of drying stress release.


全 文 :第 ws卷 第 x期
u s s w年 | 月
林 业 科 学
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∂²¯1ws o‘²1x
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白桦木材干燥过程横纹流变特性的初步研究
战剑锋 顾继友 艾沐野
k东北林业大学材料科学与工程学院 哈尔滨 txsswsl
摘 要 } 采用白桦锯材在实验室条件下进行常规干燥 o把时间因子引入到木材干燥变形中 o运用聚合物粘弹性变
形与流变学理论分析木材干燥过程蠕变变形的发展 o采用切片法测定了沿木材厚度方向的瞬时弹性应变 Ε¨ !粘弹
性应变 Ε¦ !机械吸附应变 Ε° 的分布与变化趋势 o定性分析了在一个干燥周期内木材横纹方向变形特性 ∀理论研究
与试验分析结果表明 }干燥过程中木材表层与芯层的弹性应变始终是方向相反的 o木材表层的弹性应变在干燥中
期与后期达到极值的时刻可以作为进行热湿处理的参考点 ~粘弹性应变是与时间相关的 !可恢复的变形 o在木材干
燥过程中较难与机械吸附应变严格区分开 o机械吸附应变k前期l包括粘弹性应变 o因而它在一定程度上反映了机
械吸附应变发展变化规律 ~在干燥中期与后期对白桦进行热湿处理时 o木材各层的机械吸附应变均呈现增大趋势 o
木材沿厚度方向的不均匀干缩减小 o木材表 !芯层的弹性应变有所减小 o机械吸附应变是导致干燥过程木材干燥应
力释放的一个主要原因 ∀
关键词 } 白桦 o木材干燥 o弹性应变 o粘弹性应变 o机械吸附应变
中图分类号 }≥z{t1zt 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kusswlsx p stzw p sy
收稿日期 }ussu p s| p uv ∀
Τηε Πρελιµιναρψ Στυδψ ον ∆ρψινγ Προχεσσ Τραϖερσε Στραινσ οφ Ασιαν Ωηιτε Βιρχη
«¤±¬¤±©¨ ±ª Š∏¬¼²∏ „¬∏¼¨
k ΜατεριαλΣχιενχε ανδ Ενγινεερινγ Χολλεγε o Νορτηεαστ Φορεστρψ Υνιϖερσιτψ Ηαρβινtxsswsl
Αβστραχτ } …¤¶¬±ª²± ¤¯¥2¦²±§¬·¬²±o„¶¬¤± • «¬·¨ …¬µ¦«k Βετυλα πλατψπηψλλαl¯ ∏°¥¨µ¶º¨ µ¨ §µ¬¨§¥¼¦²±√¨ ±·¬²±¤¯ °¨ ·«²§¶q׫¨
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在干燥过程中木材内部的干燥应力是造成各种干燥缺陷k如开裂 !翘曲等l及干燥锯材加工中产生变形
的主要原因 ∀对木材干燥过程干燥应力及变形的发展变化趋势的研究有助于深入理解各种干燥缺陷及加工
变形的产生机理 o从而为制定干燥工艺 !优化干燥基准提供科学的依据 ∀
近 ws多年来国内外学者对木材干燥应力与应变做了许多研究k¦°¬¯¯ ±¨ ot|xx¤~t|xx¥~周宝华 ot|{u ~李
维桔 ot|{v¤~t|{v¥~˜ª²¯ √¨ ot||u ~郭焰明 ot||xl o研究范围主要限于木材弹性与塑性应变 o通过测定的弹性应
变间接地确定木材干燥应力的发展变化规律及应力极值 ∀木材干燥过程是一个非稳态的热湿传递过程 o实
体木材在干燥应力的持续作用下沿厚度方向发生复杂的不均匀收缩现象 o对其进行深入探讨涉及到高分子
材料的粘弹性理论与流变学特性 o这样近 ts多年来国内外学者开始将流变学理论引入到木材干燥应力及变
形的研究中 ∀ ≤«¨ ±kt||z¤~t||z¥l建立了辐射松k Πινυσ ραδιαταl高温干燥条件下的一维水分移动与应变发展
的干燥数学模型 o在模型中主要考虑了自由收缩应变 !温度变化造成的应变 !瞬时弹性应变 !机械吸附应变 !
蠕变应变 o该模型可用于描述实际干燥中发现的重要现象 o如表面硬化 !应力转换 o研究高温干燥条件下干燥
应力与开裂发展 ∀¬等kt|||l采用切片法测定了 vs °°厚杨木表层的收缩应变 !弹性应变 !粘弹性应变 !机
械吸附应变在干燥过程的变化情况 o探讨了温度因子对变形的影响 o指出机械吸附应变是造成干燥表面硬化
的主要原因 ∀°¤±ªkusssl建立了辐射松干燥的一维应力数学模型 o该模型包括木材收缩应变 !与应力相关的
应变 !机械吸附应变 !蠕变应变 !与温度相关的应变 x个变形成分 o可预测辐射松边材高温干燥过程应力发展
和热湿处理过程应力释放 o预测结果与试验测定值吻合较好 o指出干燥应力数学模型的建立和干燥过程应力
分析中需要相关木材性质的试验数据 ∀ ‹¤±«¬­¡µ√¬kt||{ ~t||| ~usss¤~usss¥l在实验室内模拟实际干燥条件 o
采用小试件定量测定了与高温干燥相关的欧洲云杉k Πιχεα αβιεσl !欧洲赤松k Πινυσ σψλϖεστρισl的变形特性k干
缩 !湿热变形 !弹性模量 !粘弹性应变 !机械吸附应变l o基于试验获得的最新知识建立了包括湿变形 !湿热变
形 !弹性应变 !粘弹性应变及机械吸附应变的干燥数学模型 o可通过计算机模拟技术用于干燥应力计算 o这些
知识是理解木材高温干燥过程变形现象与应力发展的基础 ∀
目前国内外对木材干燥过程流变特性的研究仍处于初步阶段 o主要采用小型试件通过较硬的干燥基准
来研究 !测定流变学特性 ∀在本研究中 o使用与实际干燥生产较接近的试验用干燥机 o采用研制的自动控制
仪专用干燥基准 o定性测定干燥过程及各个热湿处理阶段的木材流变特性参数 o力求使本研究能与生产实践
相联系 o为今后的木材干燥生产提供理论依据 ∀
t 基本理论
可以认为 o在木材干燥过程中全部应变由 w部分组成k¬ετ αλqot|||l o即弹性应变 Ε¨ !收缩应变 Ε¶ !粘弹
性应变 Ε¦ !机械吸附应变 Ε° ∀
111 弹性应变 Ε¨
实体木材各层间存在相互牵制 o材料的连续性使层之间不能自由收缩k否则发生开裂l o于是在各层间产
生内应力 o若将木材横纹静曲弹性模量 Ε看作木材含水率 Ξ与温度 Τ的单值函数 o则在弹性范围内木材干
燥应力 ∆与弹性应变 Ε¨ 间存在如下关系 }
Ε¨ € ∆ΠΕk Ξ oΤl ktl
112 收缩应变 Ε¶
收缩应变是不同干燥介质条件下木材内水分减少所引起的收缩变形 o是木材的固有属性 o在纤维饱和点
kƒ≥°l以下 o随含水率的减少木材发生收缩变形 o在正常条件下木材弦向变形最大 o纤维方向最小 ∀
图 t 六组件流变
模型的示意图
ƒ¬ªqt • «¨ ²¯²ª¬¦¤¯ °²§¨¯
º¬·«y ¦²°³²±¨ ±·¶
113 粘弹性应变 Ε¦
粘弹性应变是在一定含水率下由应力导致的随时间发展的变形 o在消除应力或反向应力作用下 o通过延
时可逆恢复 ∀
114 机械吸附应变 Ε°
机械吸附应变是木材干燥过程中变形的重要组成部分 o它是木材在内应力作用下
由于水分迁移与温度变化而明显增加的蠕变变形 ∀在木材干燥过程中 o机械吸附应变
可释放木材内部由于干缩不均而造成的层间牵制 o是制定热湿处理工艺的重要依据 ∀
115 总应变 Ε
以上变形的总和即为总应变 ∀木材是一种生物性天然高分子材料 o主要由纤维
素 !半纤维素 !木质素构成 o在干燥过程测试的 v种变形可由图 t所示的 y组件流变模
型近似描述 o其中瞬时弹性变形主要是由于木材内部纤维素结晶区的微纤丝构架引起
的 o可用 Εt 模拟 ~粘弹性应变 Ε¦可用 Εu 和 Γu 并联起来的部分来模拟 o这部分变形是
木材细胞壁纤维素与半纤维素链伸展引起的 ~机械吸附应变 Ε° 可由 Εv 和 Γv 并联后
再与 Γw 串联所组成的部分来模拟 o这部分变形的成分较复杂 o它包含了木材生物高分
子滑移与键位重组所引起的粘性变形的一部分 ∀
xzt 第 x期 战剑锋等 }白桦木材干燥过程横纹流变特性的初步研究
流变模型的本构方程为 }
Εk Τl € Ε¨ n Ε¦ n Ε° € k∆ΠΕtl n k∆ΠΕulkt p εp Εu#τΠΓu l n k∆ΠΕvlkt p εp Εv#τΠΓv l n k∆# τΠΓwl kul
经整理与简化后得以下方程 }
Εkτl € α n βkt p εp χ#τl n δkt p εp φ#τl n γ # τ kvl
式中 τ为干燥延续时间 oα ∗ γ 为待定系数 ∀
u 材料与方法
使用白桦k Βετυλα πλατψπηψλλαl锯材作干燥试材 o产地为小兴安岭 o湿材 o水池浸泡 o初含水率 ys h ∗ zs h o
规格为 t {ss °° ≅ tss °° ≅ xs °°k长 ≅宽 ≅厚l o弦切板 o四面刨光 o端部密封处理 ∀
在干燥过程中 o木材的各种蠕变变形与应力发展变化间存在密切关系 o目前粘弹性变形与机械吸附变形
的测试方法还较少 o从定性分析角度讲 o运用聚合物弹性变形与粘弹性变形理论可较容易理解干燥过程木材
蠕变的发展过程k王逢瑚 ot||zl o同时影响木材干燥质量的干燥应力主要为横向应力 o这样本试验将主要研
究木材横纹一维弦向干燥变形特性k弹性应变 !粘弹性应变 !机械吸附应变l ∀研究中采用切片法 o通过 x °°
厚白桦切片k图 ul的变形特性来分析这些变形在一个干燥周期内的发展变化 ∀
考虑到试验条件与测试手段的限制 o测定了弹性应变 !粘弹性应变 !机械吸附应变 o并把机械吸附应变分
为机械吸附应变k前期 o包含粘弹性应变成分lΕ¦ !机械吸附应变k中后期lΕ° ∀各变形成分在木材切片的分布
见图 v ∀
图 u 分层变形试片的切割方法
ƒ¬ªqu ≥¯¬¦¬±ª °¨ ·«²§²©¶·µ¤¬±¶º¤©¨µ
图 v 各变形成分在切片的分布
ƒ¬ªqv ≥·µ¤¬± ¦²°³²±¨ ±·¶²± x °°·«¬¦®¶¯¬¦¨
Ε¨ € kΛt p ΛulΠΛs kwl
Ε¦ € kΛu p ΛvlΠΛs kxl
Ε° € kΛv p ΛwlΠΛs kyl
图 v中 oΛs 为初始长度k湿材的宽度l ~Λt为劈开前长度k在含水率为 ≤时试材宽度l ~Λu 为劈开后长度
k切片实时长度l ~Λv 为延时长度k切片放置 uw «的长度l ~Λw 为平衡长度k切片放置 ts §后的长度 o环境温度
ux ε o相对湿度 xx h ∗ yx h l ∀
在试验中定期取出试材 o制作含水率试片 !分层含水率试片及分层变形试片 o厚度均为 tx °° o试材端部
密封处理后立即放回干燥机内 o干燥机内循环风速为 t ∗ t1x °#¶pt o考虑到实际应用 o采用的干燥基准为自
动控制仪专用基准 o见表 t ∀
v 结果与讨论
311 干燥速度
由图 w知 o在一个干燥周期内木材经历了前期近似线性等速干燥 !中后期非线性减速干燥 o两个干燥阶
段间的过渡区比较平稳 o说明干燥自动控制仪能够较好地执行设定的干燥基准 o达到了干燥工艺规程的要
求 ∀干燥介质平衡含水率k∞≤l变化曲线与干燥梯度kŠl曲线的变化趋势相反 o由 ∞≤ 变化曲线可清楚地
观察到各个热湿处理阶段 ∀对干燥后的试材进行检测 o综合各项质量评定指标 o干燥质量达到国家标准 u级
干燥锯材以上 ∀
yzt 林 业 科 学 ws卷
表 1 试验用干燥基准
Ταβ . 1 ∆ρψινγ σχηεδυλειν εξπεριµεντ
含水率阶段
²¬¶·∏µ¨ ¦²±·¨±·¶·¤ª¨Πh
干球温度
⁄µ¼ ¥¤¯¯·¨°³¨µ¤·∏µ¨Πε
湿球温度
• ·¨¥¤¯¯·¨°³¨µ¤·∏µ¨Πε
相对湿度
• ¨¯¤·¬√¨ «∏°¬§¬·¼Πh
平衡含水率
∞´ ∏¬¯¬¥µ¬∏° °²¬¶·∏µ¨ ¦²±·¨±·Πh
初期处理 °µ¬°¬·¬√¨ ·µ¨¤·°¨ ±· xx xv {| tz1|
 ws ys xy {t tv1{
ws ∗ vs ys xu yx |1{
热湿处理 t ‹²·2º ·¨·µ¨¤·°¨ ±·t yx yv |s tz1s
vs ∗ ux zs ys yt {1x
热湿处理 u ‹²·2º ·¨·µ¨¤·°¨ ±·u zs y{ |t tz1s
ux ∗ us zs ys yt {1x
热湿处理 v ‹²·2º ·¨·µ¨¤·°¨ ±·v zx zv |t tz1s
us ∗ tx zx yw x| z1{
 tx zx x|1x w{ y1s
热湿处理 ‹²·2º ·¨·µ¨¤·°¨ ±· {s zy {w tv1s
表面干燥 ≥∏µ©¤¦¨ §µ¼¬±ª zx x|1x w{ y1s
图 w 木材含水率及干燥介质平衡含水率变化曲线
ƒ¬ªqw ²¬¶·∏µ¨ ¦²±·¨±·k≤l ¤±§¨´ ∏¬¯¬¥µ¬∏°
°²¬¶·∏µ¨ ¦²±·¨±·k∞≤l ¦∏µ√¨
312 弹性应变 Ε¨
国内外学者对干燥过程木材表 !芯层干燥应力与应
变的发展趋势已达成共识 o即干燥初期的表层受拉内层
受压 !中期应力方向转换 !后期的表层受压内层受拉 o研
究重点主要集中在应力方向转变过程与应力极值问题 ∀
在本研究中也发现类似的变化规律 o如图 x ∀
弹性应变 Ε¨ 是在内应力作用下瞬时产生的 o由此可
推测干燥应力的发展与变化 o它是木材干燥过程中唯一
可较准确测定的变形 ∀由图 x知 o表层弹性应变在干燥
前期即达到峰值 o随着芯层压缩弹性应变增加 o表层拉伸
弹性应变不断减小 o在芯层压缩弹性应变达到峰值后 o两
者都开始减小并逐步向相反方向发展 o并在中后期完成
应力方向转化 o随着后期热湿处理的进行从反向峰值逐步减小 ∀
图 x 试材厚度方向弹性应变 Ε¨ 随时间的变化曲线
ƒ¬ªqx ∞¯¤¶·¬¦¶·µ¤¬± Ε¨ ¤¶©∏±¦·¬²± ²©·¬°¨
313 机械吸附应变(前期) Ε¦
本部分应变主要由部分机械吸附应变和粘弹性应变组成 o粘弹性应变是一种与时间相关且可以恢复的
zzt 第 x期 战剑锋等 }白桦木材干燥过程横纹流变特性的初步研究
变形 o随时间呈非线性发展 o因而在木材干燥过程中测定粘弹性应变存在许多困难 ~同时考虑到木材在干燥
过程中热湿传递机理及其耦合作用的复杂性 o如何将粘弹性应变与机械吸附应变细致区分也有必要进行深
入的探讨研究 ∀图 y给出了在试验中测得的该部分变形的发展变化情况 ∀
图 y 试材厚度方向机械吸附应变k前期lΕ¦随时间的变化曲线
ƒ¬ªqy ׫¨ °¨ ¦«¤±²2¶²µ³·¬√¨¶·µ¤¬±k³µ²³«¤¶¨l Ε¦¤¶©∏±¦·¬²± ²©§µ¼¬±ª·¬°¨
由图 y知 o木材表 !芯层应变均在 zx ∗ {x «间达到峰值 o且均为拉应变 o这与在干燥前期木材芯层受压缩
应力的事实不符 ∀笔者认为出现这种现象的原因在于 o在干燥过程前期与中期 o采用切片法测得的木材各层
机械吸附应变 Ε¦中存在一部分粘弹性应变成分 o正是由于表层机械吸附应变导致了表面硬化现象及在干燥
后期木材芯层拉伸应力增大 ∀随着干燥过程的进行 o木材表 !芯层应变逐步减小 o并先后在干燥后期改变方
向k中心层除外l ∀
314 机械吸附应变(中后期) Ε°
由于试验手段的限制 o同时考虑到在实际干燥过程中粘弹性应变与机械吸附应变不易区分测定 o因而在
本试验中将机械吸附应变分两部分测定 o此处给出的应变为机械吸附应变k中后期lΕ° o它主要是由于干燥
过程木材内部温度场变化与水分传导而导致的机械吸附效应而造成的 o测试条件为木材切片在室温条件k温
度 ux ε o相对湿度 xx h ∗ yx h l下放置 ts §后检测试片尺寸变化 ∀
图 z 试材厚度方向机械吸附应变 Ε° 随时间的变化曲线
ƒ¬ªqz ׫¨ °¨ ¦«¤±²2¶²µ³·¬√¨¶·µ¤¬± Ε° ¤¶©∏±¦·¬²± ²©§µ¼¬±ª·¬°¨
由图 z知 o木材表 !芯层机械吸附应变在干燥过程中基本呈现相同的变化趋势 o随干燥的进行拉伸应变
逐步减小 o其中表层在干燥前期达到的峰值是造成表层表面硬化并进而导致干燥后期芯层拉应力增加的主
要原因 ∀由图 y !z知 o由于在干燥中期与后期进行了热湿处理 o导致木材机械吸附应变沿厚度方向随着热湿
{zt 林 业 科 学 ws卷
处理过程的延续有所增长 o验证了机械吸附效应是木材干燥内应力释放的主要因子 ∀
w 结论与展望
使用切片法定性地测试 !分析了白桦木材在常规干燥过程中的弹性应变 !粘弹性应变 !机械吸附应变 ∀
与木材的粘弹性应变相比 o弹性应变 Ε¨ 的数值较小 o表层弹性应变在干燥中期与后期达到的极值区可认为
是应进行热湿处理的参考点 o在干燥过程中木材表 !芯层的弹性应变始终是反向的 o而且是瞬时的 o与力的作
用时间无关 ~粘弹性应变与机械吸附应变不易区分 o测试的机械吸附应变 Ε¦中包含了粘弹性应变 o因而它在
一定程度上反映了机械吸附应变发展变化规律 ~在干燥中期与后期对白桦进行热湿处理时 o木材各层的机械
吸附应变均呈现增大趋势 o机械吸附应变是导致干燥过程木材干燥应力释放的一个主要原因 ∀
实体木材干燥过程中厚度方向存在较大含水率梯度 o故木材表 !芯层的粘弹性应变测试条件不同 o如何
准确界定粘弹性应变与机械吸附应变将是今后的研究目标之一 ∀
参 考 文 献
郭焰明 q南方阔叶树材干燥初期应变特点的研究 q木材工业 ot||x o|kwl }y p tt
李维桔 q木材弹性及木材干燥应力 ´ }木材弹性参数的理论和测试 q南京林产工业学院学报 ot|{v¤oktl }ttx p tuu
李维桔 q木材弹性及木材干燥应力 µ }木材干燥应力 q南京林产工业学院学报 ot|{v¥okul }tsz p tut
李大纲 o顾炼百 q杨木高温干燥过程中表层流变特性的研究 q林业科学 ot||| ovxktl }{v p {|
王逢瑚编著 q木质材料流变学 q哈尔滨 }东北林业大学出版社 ot||z }txu p tyv
周宝华 q木材干燥过程内应力的初步研究 q南京林产工业学院学报 ot|{u okul }zy p |s
≤«¨ ± Š q׫¨ §µ¼¬±ª¶·µ¨¶¶¤±§¦«¨¦® §¨ √¨ ²¯³° ±¨·²± «¬ª«·¨°³¨µ¤·∏µ¨ ®¬¯± ¶¨¤¶²±¬±ª²©¶¤³º²²§µ¤§¬¤·¤¥²¤µ§¶ ´ }²¬¶·∏µ¨ °²√¨ ° ±¨·¤±§¶·µ¤¬± °²§¨¯o ‹²¯½
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