全 文 ：收稿时间 }t||{2sy2s{ ∀
3 作者博士论文中的一部分 ∀
杨木高温干燥过程中表层流变特性的研究 3
李大纲 顾炼百
k南京林业大学 南京 utssvzl
摘 要 } 本文讨论了干燥温度分别为 {x ε !tsx ε !ttx ε 和 tux ε 时板材表层厚度为 v °°处的木材横纹
流变特性 ∀结果表明 }干燥过程中的总应变为干缩应变 !弹性应变 !粘弹性蠕变应变和机械吸附蠕变应变的
代数和 ∀木材在长时间 !高温高湿的联合作用下 o不仅表现出弹性 !塑性 o而且还表现出粘弹性 ∀作者根据
木材干燥应力模型理论 o提出了在同一块板方材上能同时测定所建模型各应变参数的试验方法 ∀
关键词 } 弹性应变 o机械吸附蠕变应变 o干缩应变 o粘弹性蠕变应变
ΣΤΥ∆Ψ ΟΝ Ρ ΗΕΟΛΟΓΙΧΑΛ ΒΕΗΑςΙΟΡ ΟΦΣΥΡΦΑΧΕ ΛΑΨΕΡ
ΟΦ ΠΟΠΛΑΡ ∆ΥΡΙΝΓ ΗΙΓΗ p ΤΕ ΜΠΕΡ ΑΤΥΡΕ ∆ΡΨΙΝΓ
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( Νανϕινγ Φορεστρψ Υνιϖερσιτψ Νανϕινγ utssvz)
Αβστραχτ } Œ±·«¬¶³¤³¨µo·«¨ µ«¨ ²¯²ª¬¦¤¯ ¥¨ «¤√¬²µ²©³¨µ³¨ ±§¬¦∏¯¤µ·²·«¨ ªµ¤¬± ²©v°°2·«¬¦®¶∏µ©¤¦¨ ¤¯¼¨ µ
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第 vx卷 第 t期t | | |年 t 月
林 业 科 学
≥≤Œ∞‘׌„ ≥Œ∂ „∞ ≥Œ‘Œ≤ „∞
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¤± qot | | |
§µ¼¬±ª¬¶¤± ¤¯ª¨ ¥µ¤¬¦¶∏° ²©¤¯¯¶·µ¤¬±¶ ¬¨¦¯∏§¬±ª·«¨ ¶¨ ©¯2¶«µ¬±®¬±ª¶·µ¤¬± ²©·«¨ ∏¯°¥¨µq
Κεψ ωορδσ: ∞¯ ¤¶·¬¦¶·µ¤¬±o  ¦¨«¤±²2¶²µ³·¬√¨¦µ¨ ³¨¶·µ¤¬±o≥«µ¬±®¤ª¨ ¶·µ¤¬±o ∂¬¶¦²2¨¯¤¶·¬¦¦µ¨ ³¨¶·µ¤¬±
意杨已被广泛种植 o由于该树种生长迅速 o材质好 o已成为木材加工利用的主要原料 ∀尽管国家
/八五0科技攻关对毛白杨等速生树种的木材进行了较为深入的干燥研究 o但对意杨木材的高温干燥研
究尚不深入 o为此作者将通过一系列的高温干燥研究为今后合理利用这一树种提供理论依据 ∀
木材干燥应力是产生木材干燥缺陷的主要原因 o它的发生发展和变化与木材中含水率的变化密切
相关 o由此也成为研究和制定木材干燥工艺基准的主要参数和依据 ∀
早在 xs年代 ¦¬¯¯ ±¨kt|xxl≈t 就提出了测定木材干燥应力的分层切片法 o由于该方法操作简便
易行 o对测定仪器设备的要求不高 o故被沿用至今 ∀以后 ¦¬¯¯ ±¨kt|yvl≈u 又发表了关于木材干燥应
力的专题论述 o讨论了木材干燥中所表现出的表面硬化和塑化变定的形成机理 ∀ ˜ª¨ ²¯ √¨在 t|x|年提
出用相对变形测定木材干燥应力的方法 o之后又发表了一系列关于木材干燥应力应变模型理论和测定
方法的研究论文≈v  ∀ ¦¬¯¯ ±¨和 ˜ª¨ ²¯ √¨的工作为木材干燥应力研究奠定了理论基础和试验方法 ∀
• qפ±kt|zul≈w 根据木材径弦向收缩各向异性的原理提出了用弦高法分析木材干燥应力 ∀近 ts年来 o
随着木材科学和木材干燥技术的发展以及现代高新测试仪器和技术引入木材干燥的研究领域 o出现了
声发射法 !应变片法和非接触法等诸多方法用于测定木材干燥应力 ∀木材干燥的过程就是木材在高温
高湿和长时间作用下由于木材内部水分变化而引起木材内应力发生发展和变化的过程 o在这过程中当
木材的内应力超过木材的横纹抗拉强度木材就会发生开裂 ∀随着研究的深入 o流变力学和断裂力学理
论被用于分析干燥中的应力应变 ∀ ∞µ¬¦®¶²±kt|{| ot||wl≈x oy 采用切片法分析了红栎干燥中干燥温度对
机械吸附蠕变的影响 ∀ ²µ¬«¬®²kt|{xl≈z 进行了干燥速率对木材蠕变特性影响的研究 ∀ ‘²¥∏²
kt|{|l≈{ 用小样拉伸断裂试验方法研究了干燥中木材的断裂特性 ∀ •¬¦¨kt||sl≈| 分析了红栎干燥中
蠕变变化的数学模型 ∀ ≥¤¯¬±kt||ul≈ts 用数值分析方法提出了机械吸附蠕变的力学模型 ∀ ± q• ∏
kt||w ot||xl≈tt otu 发表了一系列文章讨论木材干燥中的流变行为并用小样试验方法进行验证 ∀我国
学者 o周宝华等≈tv ∗ uw 均对木材干燥应力进行了研究 ∀
从检索的文献资料来看 o国外对干燥中木材粘弹性研究尚处于起步阶段 o大都采用小样试验的方
法或小试样与大试样结合的方法测定流变参数 k≥«∏¬¦«¬ Ž¤º¤¬ot|z| ~ײ®∏°²·² ²µ¬«¬®²o
t|{|l≈ux ∗ u|  o国内用流变力学理论分析干燥应力尚属空白 o为此作者采用在同一块标准试验板中测定
各流变参数的方法分析干燥应力 o使研究不仅有一定的创新性 o而且还具有一定的实用性 o为今后将该
方法推广到生产实践中进行理论准备 ∀
图 t 从板材上锯解的厚度为 v °°的表层试样
ƒ¬ªqt ≥¯¬¦¨ º¬·«¤v °° ·«¬¦®¶∏µ©¤¦¨ º¤©¨µ¦∏·©µ²° ¤§µ¼¬±ª¥²¤µ§
t 试验材料及试验方法
1 q1 试验材料
试材取自南京林业大学杨树组杨树试验基地的美洲黑杨k Ποπυλυσ δελτοιδεσ …¤µ·µql o树龄 {年生 o
平均胸径 uy¦° o树干圆满通直 o无偏心 ∀试材经四面刨光后的规格为 usss °° ≅ tus °° ≅ vs °° ∀存
入干燥实验室的水池中备用 ∀
1 q2 试验方法
试验在试验室的小型金属壳体电加热干燥机内进行 o为了比较高温干燥与常规干燥的差异性 o选
择了四种干球温度即 {x ε !tsx ε !ttx ε 和 tux ε o在整个干燥过程中干湿球温度保持恒定 o保持恒定
w{ 林 业 科 学 vx卷
的风速为 t qs °r¶∀
为了尽可能减少端部的水分蒸发 o试样每次锯切后均在两端用 ≥ŒŒ≤ ’‘∞ vv{ 耐高温胶封涂 ∀试
验从湿材一直干燥到平均含水率低于 ty h o以便分析整个干燥过程中的水分变化规律 ∀其中 {x ε 用
于模拟常规干燥 o其它各温度用于分析高温干燥 ∀在进行预备试验时 o曾设定 Τ§€ tvx ε 的高温干燥
试验 o但因温度太高 o木材在干燥 z«后表面开裂 o在 tx«后产生皱缩和内裂 o故取消该温度水平试验 ∀
表 1 试验条件
Ταβ .1 ∆ρψινγ σχηεδυλεσ
Τ§k ε l Τºk ε l ∞ ≤k h l
„ {x yx x
… tsx zs w
≤ ttx {s v
⁄ tux {z v
u 木材干燥应变的流变模型
2 q1 流变模型理论的提出
xs年代国外学者为了简单起见 o一般把木材干燥中的应力看成是线弹性应力 o并建立了一套应力
模型 oys年代以后我国学者参照国外的经验在线弹性模型的基础上分析了木材的干燥应力 ∀随着现代
科学技术的不断发展 o木材干燥应力分析也得到相应提高 o{s年代以来 o流变力学理论引入木材科学界
并用于分析木材干燥过程中的流变特性 o该理论将木材干燥中的弹性 !弹塑性和塑性细分为木材固有
的干缩应变 ~满足虎克定律的瞬间弹性应变 ~与温度关系密切的粘弹性蠕变应变和与含水率关系密切
的机械吸附蠕变应变 ∀
针对建立干燥应力模型理论 o既要简便可行 o又能用于生产实际 o并且还有一定测定精度的原则 o
作者采用改进的切片法来测定木材干燥中的应变变化 ∀即为了能在同一块板方材上同时测定所建模
型的各流变参数 o对前人提出的试验方法进行了适当改进和补充 o这样有利于实现试验数据的完整性
和统一性 o不仅数据之间有可比性 o而且可以用来分析实际干燥过程中应变发展的实际情况 ∀
2 q2 模型的建立与求解
图 u 测定各应变分量的示意图
ƒ¬ªqu ׫¨ ¦²°³²±¨ ±·¶²©¶·µ¤¬± ¬¯¯∏¶·µ¤·¨§¥¼ ¤v °° ·«¬¦®¶∏µ©¤¦¨ º¤©¨µ
ΕΤ = Εσ + ΕΕ + ΕΧ + ΕΜ (t)
ΕΣ = ( Λs − Λt)/ Λs (u)
ΕΕ = ( Λt − Λu)/ Λs (v)
ΕΧ = ( Λu − Λv)/ Λs (w)
ΕΜ = ( Λv − Λw)/ Λs (x)
式中 }Ε× 为总应变 oΕ≥为干缩应变 oΕ∞为弹性应变 oΕ≤ 为粘弹性蠕变应变 oŐ 为机械吸附蠕变应变 ∀
干燥中变形的测定方法 }先测定湿材表层的板宽即初始长度 Λs ~干燥过程中定时将样板取出并锯
下小试样 o测量表层劈开前的长度 Λt ~将表层劈下 o测定其劈开后的长度 Λu ~再将该试样放在室内气
干 o至含水率稳定后测定长度 Λv ~基本收缩试样长度 Λw是干燥前 o在同一块样板上制取表层试片经缓
x{ t期 李大纲等 }杨木高温干燥过程中表层流变特性的研究
慢气干最后缓慢烘至全干时测得 ∀所测应变中负值为拉伸应变 ~正值为压缩应变 ∀
图 v中 Λt p Λu部分是试样在时刻 Τt应力释放后产生的瞬间弹性变形 ,用(∆Ε 表示 ; Λu p Λv 部
分是试样切开后至充分回恢到 Τu时刻的变形 ,反映木材粘弹性的延迟弹性变形 ,用 ∆Χ表示粘弹性蠕
变变形 ; Λv p Λw是恢复变形与基本收缩变形的差值 ,是木材经干燥后不可恢复的永久变形 ,用 ∆Μ表示
机械吸附蠕变变形 ∀因此若不考虑各树种干缩产生的变形 ,仅分析干燥过程中产生的纯变形 ,有下式
∆Τ = ∆Σ + ∆Ε + ∆Χ + ∆Μ (y)
式中 : ∆Τ为总变形 , ∆Σ为干缩变形 ∀将kyl转换为应变 o则可变为 }
ΕΝΕΤ = ΕΤ − ΕΣ = ΕΕ + ΕΧ + ΕΜ (z)
式中 }ΕΝΕΤ为纯应变 ∀由此可见 o本文中提到的弹性应变相当于木材干燥教材≈uw 中的含水率应变 o粘弹
性应变与机械吸附蠕变应变之和相当于残余应变 ∀
图 v 蠕变曲线
ƒ¬ªqv ≤µ¨ ³¨¦∏µ√¨
v 结果与分析
3 q1 木材含水率的变化
表 2 不同温度下的干燥速度
Ταβ .2 ∆ρψινγ ρατε ατ διφφερεντ τεµ περατυρεσ k h r«l
tux ε ttx ε tsx ε {x ε
全程 | q{w { q{| { qs{ y q|v
ƒ≥°以上 uv qss u| qws t| qyy ts qss
ƒ≥°以下 u qtu t qxz t qxy t q|t
从表 u和图 wk¤l中可见 o随着干燥速度的提高 o水分的动能增加 o木材表面的水分迁移速率增加 ∀
在 ƒ≥°以上干燥速度较高 o而 ƒ≥°以下干燥速度较低的现象表明 o在含水率较高的干燥初期 o水分迁
移的阻力在木材表面 o水分迁移主要靠毛细管张力作用 o传热对水分排除起主导作用 ~在含水率较低的
干燥后期 o水分迁移的阻力主要在木材内部 o水分迁移主要以扩散方式进行 o传热对水分排除降为次要
地位 ∀
3 q2 干缩应变的变化特点
从图 wk¥l中的曲线可见 o高温干燥作用使木材中水分受热产生热膨胀 o从而导致木材横纹线膨胀
系数增大 o木材不仅没有收缩反而产生热膨胀 ∀干燥温度为 {x ε 的常规干燥因木材内温度相对较低 o
没有出现膨胀 o而是干燥一开始就出现收缩 ∀随着干燥继续进行 o尽管平均含水率仍较高 o但表层含水
率已降至 ƒ≥°以下 o木材由膨胀转为收缩 o并且干缩应变值随干燥时间的增加而增加 ∀
在 ƒ≥°以上时 o表层含水率降低速度很快 o干缩应变变化不大 o在 ttx ε 和 tux ε 的情况下 o木材
不仅没有收缩反而膨胀 o到 ƒ≥°以后木材急剧收缩 o直到干燥结束 ∀{x ε 和 tsx ε 因干燥温度相对较
低 o含水率高于 ƒ≥°以前 o随着木材含水率的减少木材缓慢干缩 o到 ƒ≥°以后木材急剧收缩 ∀
3 q3 弹性应变的变化特点
图 wk¦l的弹性变化过程遵循弹性应变的一般规律 o即干燥开始 o木材表层处于拉伸应变状态 o在干
y{ 林 业 科 学 vx卷
图 w 四种干燥条件下含水率 !干缩应变 !弹性应变 !粘弹性蠕变应变 !
机械吸附应蠕变应变和纯应变随干燥时间的变化
ƒ¬ªqw ≥«²º¶·«¨ °²¬¶·∏µ¨ ¦²±·¨±·o¶«µ¬±®¤ª¨ o¨ ¤¯¶·¬¦o√¬¶¦²p ¨¯¤¶·¬¦¦µ¨ ³¨o° ¦¨«¤±²p ¶²µ³·¬√¨¦µ¨ ³¨
¤±§±¨ ·¶·µ¤¬±¶¤¶·«¨ ©∏±¦·¬²± ²©§µ¼¬±ª·¬°¨©²µ©²∏µ§µ¼¬±ª¶¦«¨ §∏¯ ¶¨
燥前期 o随着干燥的进行表层拉伸应变数值逐渐增加 o一直达到最大后逐渐减少 ~进入干燥后期 o表层
拉伸弹性应变值继续减少至 s后转向 o由拉伸弹性应变向压缩弹性应变发展 o随着干燥的继续进行 o压
缩弹性应变值逐渐增加至干燥结束 ∀
干燥初期尽管木材平均含水率高于 ƒ≥° o但由于不均匀干缩的原因 o表层要收缩而受到内部各层
的拉伸使表层处于拉伸应变状态 o随着干燥的进行当含水率在 ƒ≥°左右 o出现最大拉伸应变 o以后应变
转向由拉伸向压缩转变 o并在干燥结束时出现最大压缩弹性应变 ∀从图中数据可见 o杨木的表层拉伸
应变不大 o而压缩应变远大于拉伸应变 o这就是杨木干燥初期没有表裂 o而干燥后期出现内裂和皱缩的
原因 o尤其是高温干燥在后期会出现内裂和皱缩 ∀
3 q4 粘弹性蠕变应变的变化特点
在干燥初期的 t qx ∗ z«o粘弹性蠕变应变很快由 s上升到拉伸应变的最大值 o以后随干燥的进行 o
拉伸应变逐渐减少 o并向压缩应变状态转变 o如图 wk§l所示 ∀
比较各应变分量在整个干燥过程中所起作用来看 o粘弹性蠕变应变大于弹性应变 o小于机械吸附
蠕变应变对干燥应力的影响 o²µ¨±kt||vl≈vs 和 ≥¤¯¬±kt||ul≈ts 也有相类似的结论 ∀表层粘弹性分量
z{ t期 李大纲等 }杨木高温干燥过程中表层流变特性的研究
的减少 o主要是由于表层水分减少而产生表面硬化所引起 ∀但对于难干硬杂木 o粘弹性蠕变应变对干
燥应力的影响是否也这样 o有待进一步分析研究 ∀
表 3 各层粘弹性应变的最大值
Ταβ .3 Μαξιµ υµ ϖαλυεσ οφ ϖισχο2ελαστιχ χρεεπ στραιν οφ συρφαχε ωαφερ
干燥条件 ⁄µ¼¬±ª¦²±§¬·¬²±k ε l 最大值 ¤¬¬°∏°k h l 达到时间 ׬° k¨«l 转向时间 ׬° k¨«l
{x u qzt x t|
tsx u quy v uz
ttx s q{x x tt
tux s qz| x |
3 q5 机械吸附蠕变应变的变化特点
表 w和图 wk l¨是机械吸附蠕变应变的变化特点 o其基本规律是 }
在干燥初期木材处于最大拉伸应变状态 o随着干燥的进行各层应变逐渐变小 o直至干燥结束 o始终
保持拉伸应变状态 ∀
高温干燥使得木材表层产生较大的塑化变定 o并形成表面硬化 ∀木材干燥中以及干燥结束后机械
吸附蠕变应变的数值最大 o是影响木材干燥应力的主要因素 ∀机械吸附蠕变应变属于永久应变 o在干
燥试验过程中和干燥结束后均存在于木材中 ∀
从表层机械吸附蠕变应变的变化特点可以认为 o尽管干燥初期没有发现木材表裂 o但由于它达最
大值后趋于稳定 o产生的塑化变定会对干燥后期木材内层的正常收缩造成阻碍而有可能产生内裂 o机
械吸附蠕变应变的数值越大 o内裂的危险也越大 o因此机械吸附蠕变应变的最大值可以作为工艺上进
行高温高湿中间处理的依据 ∀
表 4 表层机械吸附蠕变应变的最大值
Ταβ .4 Μαξιµ υµ ϖαλυεσ οφ µεχηανο2σορπτιϖε χρεεπ στραιν οφ συρφαχε ωαφερ
干燥条件 ⁄µ¼¬±ª¦²±§¬·¬²±k ε l 最大值 ¤¬¬°∏°k h l 达到时间 „µµ¬√¨·¬° k¨«l
{x v qyx x
tsx w q|y x
ttx v qtw v
tux w quv t qx
3 q6 纯应变的变化特点
从图 wk©l可知 o由干燥而引起的纯应变是除去木材自身干缩而产生的全部应变的代数和 o前面的
分析结果表明 o对于杨木来说 o干燥过程中以及干燥结束后存在于木材中的主要应变是机械吸附蠕变
应变 o纯应变的大小主要取决于机械吸附蠕变应变的大小 ∀因此我们也可以用纯应变判断木材干燥应
力的大小 o并根据纯应变来决定何时需进行何种干燥工艺处理 ∀
w 结论
干燥开始阶段 o高温干燥使木材横纹线膨胀系数增大 o木材不仅没有收缩反而产生热膨胀 ∀常规
干燥因木材内温度相对较低 o没有出现膨胀 o而是干燥一开始就出现收缩 ∀
杨木的表层拉伸应变不大 o而压缩应变远大于拉伸应变 o这就是为什么杨木干燥初期没有表裂 o而
干燥后期出现内裂和皱缩的原因 o尤其是高温干燥在后期会出现内裂和皱缩 ∀作者在进行干燥温度为
tvx ε 的高温试验时 o就出现了由于应力转向产生的内裂和皱缩 o因此在用高温干燥工艺快速干燥杨木
这一类软阔叶树材时 o在干燥后期应注意由于干燥应力转向而引起的干燥缺陷 ∀
粘弹性蠕变应变随干燥温度的增加而减少 o比较各应变分量在整个干燥过程中所起作用来看 o粘
弹性蠕变应变大于弹性应变 o小于机械吸附蠕变应变对干燥应力的影响 ∀
高温干燥使得木材表层产生较大的塑化变定 o并形成表面硬化 ∀尽管干燥初期没有发现木材表
裂 o但产生的塑化变定会对干燥后期木材内层的正常收缩造成阻碍而有可能产生内裂 o机械吸附蠕变
应变的数值越大 o内裂的危险也越大 o因此机械吸附蠕变应变的最大值可以作为工艺上进行高温高湿
中间处理的依据 ∀
{{ 林 业 科 学 vx卷
参 考 文 献
t ¦¬¯¯ ±¨   q⁄µ¼¬±ª¶·µ¨¶¶¨¶¬± • §¨ ’¤®qƒ²µ¨¶·°µ²§qq ot|xx
u ¦¬¯¯ ±¨ q≥·µ¨¶¶¨¶¬± º²²§§∏µ¬±ª§µ¼¬±ªqƒ²µ¨¶·°µ²§∏¦·¶¤¥²µ¤·²µ¼ ot|yv
v ˜ª¨ ²¯ √¨ … ‘q≥·µ¨¶¶2¶·µ¤¬± ¶·¤·¨ ²© º²²§¤·®¬¯± §µ¼¬±ªq • ²²§≥¦¬q i × ¦¨«±²¯ ot||u ouy }us| ∗ utz
w פ±ª • ≤ q ⁄¬¶·²µ·¬²± ¤±§¬±·¨µ±¤¯ ¶·µ¨¶¶¨¶¬± ∏¯°¥¨µ§∏¨ ·²¤±¬¶²·µ²³¬¦¶«µ¬±®¤ª¨ q • ²²§≥¦¬¨±¦¨ ot|zx ozkwl }u|{ ∗ vsz
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|{ t期 李大纲等 }杨木高温干燥过程中表层流变特性的研究