全 文 ：第 wu卷 第 v期
u s s y年 v 月
林 业 科 学
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小径木白桦锯材不同加热方式下含水率的变化
郭明辉 赵西平
k东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实验室 哈尔滨 txsswsl
摘 要 } 讨论小径木白桦锯材在连续加热和间歇加热方式下含水率的变化规律 ∀结果表明 }小径木白桦锯材的
干燥速率在含水率 tx h以后明显降低 o前期干燥过程锯材的干燥速率比后期的高 u ∗ v倍 ~间歇加热方式有利于内
部水分向外扩散 o间歇时间对干燥速率的影响很小 ~干燥过程中锯材厚度方向上的含水率梯度呈不对称分布 o这与
小径木的心材占较大比例有一定关系 ~间歇加热减少了锯材内含水率梯度的变化值 o同时减少了应力的产生 o从而
提高了干燥质量 ∀
关键词 } 小径木 ~白桦锯材 ~加热方式 ~含水率
中图分类号 }≥z{t1zt 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kussylsv p ssxw p sx
收稿日期 }ussw p ts p uy ∀
基金项目 }霍英东基金k{tsuul和黑龙江省攻关kŠ…su…ysvl课题资助 ∀
Τηε Χηανγε οφ ΜΧ οφ Σµαλλ2∆ιαµετερ Βιρχη Λυµ βερ ωιτη ∆ιφφερεντ Ηεατινγ Μετηοδσ
Š∏² ¬±ª«∏¬ «¤² ÷¬³¬±ª
k ΚεψΛαβορατορψοφ Βιο2Βασεδ ΜατεριαλΣχιενχε ανδ Τεχηνολογψοφ Μινιστρψοφ Εδυχατιον oΝορτηεαστ Φορεστρψ Υνιϖερσιτψ Ηαρβιν txsswsl
Αβστραχτ } Œ±·«¬¶³¤³¨µo·«¨ ¦«¤±ª¨ ²©°²¬¶·∏µ¨ ¦²±·¨±·k≤l ²©¶°¤¯ 2¯§¬¤°¨ ·¨µ¥¬µ¦« ∏¯°¥¨µº¬·«·«¨ ¬±·¨µ°¬·¨±·2«¨¤·¬±ª¤±§
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Κεψ ωορδσ} ¶°¤¯ 2¯§¬¤°¨ ·¨µ¯ ∏°¥¨µ~¥¬µ¦« ∏¯°¥¨µ~«¨¤·¬±ª °¨ ·«²§¶~°²¬¶·∏µ¨ ¦²±·¨±·k≤l
随着森林资源的逐渐减少 o小径木的利用愈来愈受到人们的高度重视k°¤·¨¶²±ot||{ ~Š¨ ²µª¨ ousst ~
≥¨ µµ¤±²oετ αλqousss ~•²±ousss ~陈绪和 ot|||l ∀近年来 o利用小径木制造集成材加工技术逐渐形成与发展 o为
小径木森林资源的开发利用开辟了一条新的途径k²¼±¨ ετ αλqot||t ~娄四维 ot||w ~梅兴荣 ot||x ~李赐生 o
usst ~宋润惠等 ot||z ~ussvl ∀随着国内外对集成材的广泛应用 o集成材的生产厂家对小径木锯材的需求量
也急剧增加 o干燥质量要求也更加苛刻 ∀因此 o如何根据小径木的特点在最短的时间内干燥出质量最好的产
品 o是一个技术关键 ∀本文以东北林区资源较为丰富的白桦k Βετυλα πλατψπηψλλαl小径木锯材为研究对象 o在不
同加热方式下 o对干燥过程中小径木锯材内部水分的变化规律进行了研究 o为完善小径木干燥工艺 !提高小
径木干燥质量提供理论依据和实践指导 ∀
t 材料与方法
111 试验材料
小径木白桦取自东北林业大学帽儿山试验林场 o直径 tws ∗ tys °°∀原木按木制品k胶合木 !集成材l的
半成品毛料锯割 o长 ≅宽 ≅厚 € t sss °° ≅ wx °° ≅ vs °° o初含水率平均大于 ws h o心材比例约占 {s h ∀
112 试验设备
采用小型全自动控制干燥室 ∀干燥室属顶风机型 o电加热 o加热器和喷湿管各 t组 o均位于干燥室顶端 ∀
温度测定采用 °×tss电偶式温度计 ∀木材含水率测定采用 y组探针 o其类型为电阻式 ∀进排气孔各 t个 ∀
113 试验方法
采用连续加热和间歇加热方式 ou种方式加热阶段的升温速度为 w ε #«pt ∀间歇加热方式的间歇期间
停止加热 o风机停转 ∀间歇加热干燥试验的加热时间都为 | «o间歇时间分别为 u «和 y «∀故 v种加热方式
表 1 干燥基准
Ταβ .1 ∆ρψινγ σχηεδυλεσ
含水率 ≤Πh
干球温度
⁄µ¼ ¥¤¯¯
·¨°³¨µ¤·∏µ¨Πε
平衡含水率
∞≤Πh
处理时间
×µ¨¤·°¨ ±··¬° Π¨«
低温预热
²º ·¨°³¨µ¤·∏µ¨ º¤µ°2∏³ wz ty y
预处理 °µ¨·µ¨¤·°¨ ±· ys ty y
 ws xx tw
ws ∗ vs x{ tt1x
中间处理
Œ±·¨µ° §¨¬¤·¨·µ¨¤·°¨ ±· yx ty y
vs ∗ ux ys |1x
ux ∗ us yx {1u
us ∗ tx zs y1x
tx ∗ ts zx x
 ts {s w1x
平衡处理 ∞´ ∏¬¯¬¥µ¬∏°·µ¨¤·° ±¨· {v { tx
最终处理 ƒ¬±¤¯ ·µ¨¤·° ±¨· {v tv z
表面干燥 ≥∏µ©¤¦¨ §µ¼¬±ª {s x
分别简称为连续加热 o间歇 u «加热
和间歇 y «加热k李安徽等 ot||zl ∀v
种加热方式均采用同一常规低温加热
干燥基准 o干燥过程中只进行了 t次
中期处理k表 tl ∀锯材干燥过程及含
水率检验板的选取 !锯制和检测均按
Š… yw|tt|||进行 ∀
u 结果与分析
211 小径木白桦锯材在连续加热方
式下的含水率变化曲线
小径木白桦锯材连续加热方式下
的干燥情况见图 t ¤o锯材初含水率均
值为 vz1y h ∀处理前干燥基准偏软 o
锯材含水率下降过慢 o此时锯材含水
率为 vu h o中期处理后升高了干燥介
质的温度 o锯材含水率迅速下降 ∀当
含水率为 tx h以下时尽管干燥介质的温度较高 o平衡含水率较低 o但锯材干燥速率明显降低 o锯材最终含水
率为 ts1x h o整个干燥过程耗时 |x «∀
212 小径木白桦锯材在间歇 2 η加热方式下的含水率变化曲线
小径木白桦锯材间歇 u «加热干燥情况见图 t ¥o锯材初含水率较高 o均值为 xx1y h ∀进入干燥阶段后 o
温度逐渐升高 o干燥介质平衡含水率逐渐降低 o锯材主要蒸发自由水 o含水率迅速下降k需要指出的是连续加
热试验在进行到 uw «后干燥室出现故障 o电阻式含水率测定仪失真 o被迫停止 ou «后重新启动 o运行正常后
不久即进行中期处理l ∀中期处理锯材的含水率为 u{1x h o处理后锯材含水率下降的速率变化较小 o在含水
率 tx h以下时 o干燥速率明显降低 ∀锯材最终含水率为 z1u h o整个干燥过程耗时 tsw «∀从整个干燥过程
和最终干燥质量来看 o间歇 u «对干燥速度和干燥质量的影响很小 o锯材含水率变化曲线并没有因为干燥介
质的较大变化而出现太明显的波动 o干燥曲线比较平滑 ∀
表 2 小径木白桦锯材在不同加热方式下的干燥速率
Ταβ .2 ∆ρψινγ ρατε οφ σµαλλ2διαµετερ βιρχη λυµ βερ ατ διφφερεντ ηεατινγ µετηοδσ
加热方式
‹ ¤¨·¬±ª ° ·¨«²§¶
前期干燥 °µ²³«¤¶¨ §µ¼¬±ª 后期干燥 „±¤³«¤¶¨ §µ¼¬±ª
含水率
≤Πh
所用时间
׬° Π¨«
干燥速率
⁄µ¼¬±ªµ¤·¨Π
k h #«ptl
含水率
≤Πh
所用时间
׬° Π¨«
干燥速率
⁄µ¼¬±ªµ¤·¨Π
k h #«ptl
连续加热
≤²±¶¨¦∏·¬²±2«¨ ¤·¶ vz qy ∗ tx ww s qxt tx ∗ ts qx uw s qt|
间歇 u «
Œ±·¨µ°¬·¨±·u « xx qy ∗ tx xv s qzy tx ∗ z qu us s qv|
间歇 y «
Œ±·¨µ°¬·¨±·y « xs q{ ∗ tx wz s qzx tx ∗ x qz vu s qvs
213 小径木白桦锯材在间歇 6 η加热方式下的含水率变化曲线
间歇 y «加热干燥情况如图 t ¦所示 o锯材初含水率均值为 xs1{ h ∀锯材含水率为 vx1| h时 o进行中期
处理 o中期处理时机有些过早 ∀锯材最终含水率为 x1z h o整个干燥过程历时 tsy «∀
从以上分析可知 o不同加热方式下小径木白桦锯材含水率变化曲线随干燥时间变化的总趋势基本上是
一致的 o但是锯材的干燥速率在含水率 tx h以下是明显降低的 o这与成熟材白桦含水率变化曲线转折点在
vs h ∗ ux h之间有所不同k王喜明 ot|{z ~朱政贤等 ot||y ~艾沐野等 ot||y ~战剑锋 oussul o这可能与小径木材
质不同于大径级成熟材材质有关 ∀小径木多幼龄材 o木材的细胞腔大 !细胞壁薄 o易于水分扩散 o锯材迅速形
xx 第 v期 郭明辉等 }小径木白桦锯材不同加热方式下含水率的变化
图 t 小径木白桦锯材在连续加热k¤l !间歇 u «k¥l !
间歇 y «k¦l方式下的含水率变化曲线
ƒ¬ªqt ≤ ¦∏µ√¨ ²©¶°¤¯ 2¯§¬¤°¨ ·¨µ¥¬µ¦« ∏¯°¥¨µ
º¬·«¦²±¶¨¦∏·¬²±2«¨ ¤·¶k¤l o¬±·¨µ°¬·¨±·u ««¨¤·¬±ªk¥l
¤±§¬±·¨µ°¬·¨±·y ««¨¤·¬±ªk¦l
成较大的含水率梯度 o表面含水率很低 o而内部含水率
仍在纤维饱和点以上 o这也是小径木锯材容易发生变
形 !开裂的原因之一 ∀由试验结果来看 o为缓和由于较
大含水率梯度引起的干燥应力 o小径木锯材在干燥过
程中最好在含水率 vs h左右及含水率 us h ∗ tx h各进
行一次处理 o处理的准确时机和时间需要做进一步的
研究 ∀
对 v种加热方式下干燥阶段锯材干燥速率的计算
如表 u所示 o锯材前期干燥的干燥速率比后期高 u ∗ v
倍 ~间歇加热方式与连续加热方式相比较 o干燥速率要
高 s1u ε #«pt左右 o这可能与锯材在间歇期间 o温度梯
度与含水率梯度保持一致 o有利于内部水分向外扩散
有关 ~白桦属软阔叶材 o干燥速率快 o干燥周期短 o干燥
阶段间歇的次数不多 o所以间歇 y «加热方式与间歇 u
«加热方式的干燥速率差别很小 ∀
214 小径木白桦锯材干燥过程中分层含水率的变化
规律
木材干燥总是表层先蒸发水分 o然后内层的水分
再移动到表层来蒸发 ∀因此 o木材干燥过程中 o沿整个
断面的含水率分布总是内高外低 o即存在不同程度的
含水率梯度 ∀从某种意义上说 o含水率梯度可以反映
干燥速率和干燥质量之间的关系 ∀人们常常通过分析
不同干燥阶段的含水率梯度评价干燥基准的软硬程
度 o并了解干燥应力的发生 !发展和变化过程 o以及预
报最大干燥应力的发生时间 o为制订合理的干燥基准
提供依据 ∀另一方面 o存在过大的含水率梯度 o也是干
燥过程未完成的反映 o即木材尚未干透 ∀因此 o含水率
梯度不仅是干燥工艺试验需要测定的重要参数 o也是
干燥质量检验的一项重要指标k杜国兴 ot||zl ∀小径
木白桦锯材在不同加热方式下分层含水率的变化规律
如图 u所示 ∀
小径木白桦锯材在进入干燥室前 o芯 !表层含水率已存在较大差异 ∀这种含水率梯度呈不对称分布 o锯
材一面的含水率相对于另一面总是稍高 o这种不对称在含水率降至 us h以下才得到改善 ∀有学者认为这与
小径木木材构造上与天然林木材相比发生变异有关k滕通濂等 ot||{l o笔者认为这与小径木心材所占比例大
也有一定关系 o心材细胞腔内有树胶 !树脂等沉积物 o同时材质变硬 o容积重增大 o渗透能力下降 o同时心材中
的纹孔多是闭塞的 o因此使心材水分传导受阻 ∀树木心 !边材含水率的差异也是引起各种干燥缺陷的原因之
一k李坚 ot||wl ∀整个干燥过程 o间歇加热干燥试验锯材各层的干燥速度及芯 !表层含水率差值较连续加热
试验的小 ∀以间歇 y «的干燥速度最小 o芯 !表层含水率差值也最小 o但是差异不是很大 ∀就径 !弦切材来
说 o二者无太明显的差异 ∀
间歇加热方式是指在一个时期内采取较高温度加热k加热阶段l o另一时期内停止加热 o降低其干燥介质
的温度k间歇阶段l ou个阶段交替进行 ∀加热阶段木材内外出现含水率梯度 o并逐渐增大 o内部水分的压力
差也逐渐增大 o水分向外排出的速率也就越快 ∀在间歇阶段 o干燥介质温度下降 o木材内外层出现温度梯度 o
温度高处的蒸汽压大于温度低处的蒸汽压 o有利于木材内蒸汽状态的水分向外移动 o另外高温会降低水的粘
度 o因此 o木材内高温处水的粘度要低于低温处水的粘度 o木材内液态的水分在微毛细管张力的作用下有利
于向外移动 o所以间歇加热方式的间歇阶段木材内部水分向外移动的动力 o不仅有含水率梯度 o还有温度梯
yx 林 业 科 学 wu卷
度 o这是间歇加热的理论依据 ∀这种加热方式比加热阶段更有利于水分向外排出 o同时也降低了木材内外的
含水率梯度 o进而减少了干燥应力的产生 o并给已经产生的干燥应力提供一个缓和的时间 ∀
图 u 小径木白桦在不同加热方式下锯材厚度方向含水率的变化规律
ƒ¬ªqu ≤«¤±ª¨ ²© ≤ ²©¶°¤¯ 2¯§¬¤° ·¨¨µ¥¬µ¦« ∏¯°¥¨µ¤¯²±ª·«¬¦®±¨ ¶¶
§¬µ¨¦·¬²± º¬·«§¬©©¨µ¨±·«¨¤·¬±ª ° ·¨«²§¶
从 v种不同加热方式来看 o间歇加热对减少锯材内的含水率梯度有一定的效果 o间歇 y «稍好些 o在间
歇阶段木材内部单位时间内排出的水分比加热阶段的要多一些 o这就缩小了木材内外含水率梯度 o减小了木
材的内应力 ∀与连续加热方式相比较 o间歇加热方式的锯材内外收缩比较均匀 o变形较小 ∀另外间歇加热方
式节省能源 o由于在间歇阶段不用供热 o故热能消耗少 ∀
v 结论
不同加热方式下小径木白桦锯材干燥曲线随干燥时间变化的总趋势基本上是一致的 o但是锯材含水率
在 tx h以后其干燥速率明显降低 o前期干燥锯材的干燥速率比后期高 u ∗ v倍 o为缓和由于较大含水率梯度
引起的干燥应力 o在干燥过程中 o小径木锯材含水率在 vs h左右及 us h ∗ tx h时最好各进行一次处理 ∀
间歇加热方式与连续加热方式相比较 o干燥速率高 s1u ε #«pt左右 o这说明锯材在间歇期间 o温度梯度
zx 第 v期 郭明辉等 }小径木白桦锯材不同加热方式下含水率的变化
与含水率梯度保持一致 o有利于木材内部水分向外扩散 ∀由于连续加热方式所选含水率检验板的初含水率
较低以及温度控制存在一定误差 o也是导致干燥速率较低的原因之一 ∀白桦属软阔叶材 o干燥速率快 o干燥
周期短 o干燥阶段间歇的次数不多 o因此间歇 y «加热方式与间歇 u «加热方式的干燥速率差别较小 ∀
小径木白桦锯材厚度方向上的含水率梯度近似于抛物线分布 o而且整个干燥过程中这种含水率梯度一
直存在 o这种含水率梯度呈不对称分布 o是受小径木心材所占比例大的影响 ∀小径木白桦的径切材与弦切材
比较 o这种差异不明显 ∀
从 v种不同加热方式来看 o间歇加热对减少锯材内的含水率梯度有一定的效果 o间歇 y «稍好些 o在间
歇阶段缩小了锯材内外的含水率梯度 o内外收缩比较均匀 o减小了木材的内应力 o锯材变形较小 ∀另外间歇
加热方式在间歇阶段不用供热 o故热能消耗少 ∀
参 考 文 献
艾沐野 o陈广元 o于 晶 o等 qt||y qus °°厚白桦 !落叶松冻材的干燥工艺 q林业机械与木工设备 oktl }vz p v{
陈绪和 qt||| q木材工业和可持续发展 q林产工业 ouyktl }y p |
杜国兴 qt||z q木材干燥质量控制 q北京 }中国林业出版社
李安徽 o潘福荣 qt||t q木材间歇加热窑干工艺 q木材干燥学术论文集 okyl }ts| p tts
李赐生 qusst q速生小径材在家具上的开发应用 q木材工业 otxkwl }vx p vy
李 坚 qt||w q木材科学 q哈尔滨 }东北林业大学出版社
娄四维 qt||w q论小径材资源的开发利用 q中国木材 okyl }ut p uv
梅兴荣k译l qt||x q提高小径木的利用率 q国外林业 okwl }tw p tx
宋润惠 o郝金城 o张善和 qt||z q集成材的技术要求和试验方法 q林产工业 ouwkwl }vs p vw
宋润惠 o龚仁梅 o郝金诚 qussv q提高集成材出材率的措施 q林业科技 ou{ktl }ws p wt
滕通濂 o周永东 o孟京明 o等 qt||{ q短周期工业材干燥过程中木材内部水分迁移特点的研究 q木材工业 otukwl }v p z
王喜明 qt|{z q东北阔叶小径材干燥工艺的研究 q东北林业大学硕士学位论文
战剑锋 qussu qxx °°厚白桦干燥特性与干燥技术的研究 q东北林业大学硕士学位论文
朱政贤 o艾沐野 o庄茂成 o等 qt||y q白桦小径原木干燥技术的研究 q林产工业 ouvkul }tv p tx
Š¨ ²µª¨ ≥ qusst q≤²±¶·µ∏¦·¬²± º¬·«¶°¤¯ 2¯§¬¤°¨ ·¨µµ²∏±§º²²§qƒ²µ¨¶·°µ²§∏¦·¶²∏µ±¤¯ okwl }tuz p tvw
²¼±¨ ≤ o°¨ µµ¨ ° qt||t q°µ²¦¨¶¶¨¶µ¨ ¤¯·¨§·²§µ¼¬±ªq³¤µ·´ }·«¨²µ¨·¬¦¤¯ °²§¨¯q⁄µ¼¬±ª× ¦¨«±²¯²ª¼ o|kxl }wx{ p wzs
°¤·¨¶²± ⁄o ÷¬¨ ÷ qt||{ qŒ±¶¬§¨2²∏·¥¨¤°¶©µ²° ¶°¤¯ 2¯§¬¤°¨ ·¨µ¤³³¤¯¤¦«¬¤± «¤µ§º²²§ ²¯ª¶qƒ²µ¨¶·°µ²§∏¦·¶²∏µ±¤¯ oktl }yvu p yv|
•²± • qusss q • ¶¨¨¤µ¦«¦«¤¯¯¨ ±ª¨¶©²µ¶·µ∏¦·∏µ¤¯ ∏¶¨ ²©¶°¤¯ 2¯§¬¤°¨ ·¨µµ²∏±§·¬°¥¨µ¶qƒ²µ¨¶·°µ²§∏¦·¶²∏µ±¤¯ okul }vzu p v{t
≥ µ¨µ¤±² • o⁄¤±¬¨¯ ≤ qusss q°¤¯¯¨·¤±§¦²°³²±¨ ±·³¤µ·¶©µ²° ¶°¤¯ p¯§¬¤° ·¨¨µ• §¨ ’¤®¥²¯·¶qƒ²µ¨¶·°µ²§∏¦·¶²∏µ±¤¯ okvl }usu p uts
k责任编辑 石红青l
{x 林 业 科 学 wu卷