全 文 ： 第 vy卷 第 v期u s s s年 x 月
林 业 科 学
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木材皱缩评价指标的研究 3
王喜明 王 军 刘晓丽
k内蒙古农业大学 呼和浩特 stsst|l
关键词 } 皱缩 o指标 o评价
收稿日期 }t|||2sy2tx ∀
基金项目 }国家自然科学基金资助项目 o项目编号 }v|zyssyv ∀
3本文经北京林业大学教授赵广杰博士指导 o并与罗文圣 !王洁瑛 !王丽宇等博士研究生研讨 o一并致谢 ∀
ΣΤΥ∆Ψ ΟΝ ΤΗΕ Ες ΑΛΥΑΤΙΝΓ ΤΑΡ ΓΕΤΣ ΟΦ ΩΟΟ∆ ΧΟΛΛΑΠΣΕ
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(Ιννερ Μονγολια Αγριχυλτυρε Υνιϖερσιτψ Ηυηηοτ stsst|)
Αβστραχτ : Œ±·«¬¶³¤³¨µo·«¨ ·¤µª¨·¶ √¨¤¯∏¤·¬±ª º²²§¦²¯ ¤¯³¶¨ §¨©¨¦·º¤¶¶·∏§¬¨§ º«¬¦«¬±¦¯∏§¨§o·«µ¨¨·¤µª¨·¶²©
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Κεψ ωορδσ: ≤²¯ ¤¯³¶¨ o פµª¨·o∞√¤¯∏¤·¨
近年来 o国内外学者对木材皱缩缺陷开始关注 o澳大利亚学者 × q≤ Œ±±¨ ¶kt||x ot||yl !中国学者王
喜明kt|{|l !刘 元kt||wl等分别研究了澳大利亚产桉木如多枝桉 !细叶桉和赤杨 !山杨等木材的干燥
皱缩缺陷 ∀他们从调湿处理对皱缩的作用 ~皱缩材组织结构的变化 ~皱缩机理 ~皱缩极限温度 ~预冻处
理对皱缩的作用等方面做了大量深入而细致的工作 ∀所取得的成果公开发表后得到同行学者的认可 o
对进一步研究避免皱缩的干燥工艺打下了较好的基础 ∀但在众多有关木材皱缩的研究报告中 o普遍遇
到一个同样的问题就是如何定量地去评价和测量皱缩 ∀
皱缩的产生不同于其他干燥缺陷 o它是由于木材细胞的溃陷而引起的过量或不正常收缩 o其宏观
特征表现为木材板面凸凹不平 o多呈条形沟状 o或横断面呈不规则图形 ∀且因树种不同 o部位不同 o干
燥工艺条件不同 o皱缩的程度就不同 o那么这个程度如何用具体指标 !具体数据去表示 o以及如何根据
这些指标和数据去划定皱缩的种类 o皱缩的等级k程度l o这就是本文研究的主要内容 ∀
澳大利亚学者q¯¯¬¦kt|{xl用试样的体积收缩率去评价皱缩 ~中国学者刘 元kt||wl用测量干缩的
方法评价皱缩特性 ~日本寺次真教授用截面变形量k„2…l去评价百度试验法中的板材截面变形等级k寺
次真 ot|zyl ∀这些学者的评价指标和评价方法均从不同的侧面反映了皱缩的程度 o但是由于研究方法
不同 o需要解决的问题不同 o若用某一项指标去评价板材的皱缩特性 o全面地反应皱缩的性质 !大小 o皱
缩对板材使用性能的影响则不够全面准确 ∀因此 o应首先研究皱缩的评价指标 o测量方法 o然后用这些
指标去评价皱缩 o再对皱缩进行分类分等才算合理 ∀
1 评价指标的确定及其测量方法的研究
以内蒙古萨拉齐产大青杨为研究树种 o分别用硬基准 o软基准和 tts ε 度试验法干燥 xs °°厚的
板材 ∀试验结果表明 otts ε 试验法干燥的板材其皱缩最为严重 o硬基准次之 o软基准最小 ∀可见干燥
温度对皱缩有很大影响 ∀再以 ux °°厚的板材进行对照试验 o发现 xs °°厚板材的皱缩程度大于 ux
°°厚板材 o这其中的原因有细胞皱缩的叠加 o即板材越厚 o具备皱缩基本条件的细胞就多 o因此皱缩量
大 ~随着板材厚度增加 o水分移动的途径加长 o水分蒸发张力作用的时间加长 o因此皱缩加强 ∀此次试
验是对全株大青杨分不同横 !纵向部位 o不同厚度进行干燥 o纵观所有发生皱缩的板材 o其皱缩特征如
下 }在同一干燥条件下 o不是所有的木材细胞都能发生皱缩 o而是具备了一定条件的细胞才能皱缩 o即
皱缩具有选择性 ∀就大青杨材而言 o在心边材交界材k移引材l处发生的皱缩最严重 o心材次之 o边材很
少发生皱缩 ~树干基部的木材比其它部位的木材容易发生皱缩 ~早材比晚材容易发生 ∀皱缩沿着纹理
方向在心边材交界处呈沟状出现 o时伴有内裂 o或板材横截面呈不规则图形 ∀笔者根据皱缩板材的断
面结构将皱缩分为如下 v类 }一类为条沟型皱缩见图 t o此类皱缩出现在心边材交界材上 o皱缩就发生
在心边材交界处的移行材上 o即移行材细胞溃陷 o心材和边材细胞少溃陷 ~二为内裂型皱缩 o此类皱缩
除板材横截面不规则外 o还有内裂如图 u ~三为均匀型皱缩 o此类皱缩是由于板材中皱缩细胞分布不集
中 o分散在木材当中见图 v ∀
图 t 条沟型皱缩
ƒ¬ªqt ≥·µ¬³¬±ª¦²¯ ¤¯³¶¨
图 u 内裂型皱缩
ƒ¬ªqu Œ±±¨ µ¦«¨¦®¬±ª¦²¯ ¤¯³¶¨
图 v 均匀型皱缩
ƒ¬ªqv • «²¯¨¦²¯ ¤¯³¶¨
根据上述 v种皱缩类型 o结合前人研究结果 o为了定量地描述皱缩的程度 o选择下列 v项指标去评
价皱缩 ∀
t qt 皱缩深度k Η) :板材横断面最大厚度与最小厚度之差 ∀如图 t Αt p Αs € Η ,此项指标可直接反
应皱缩板材的利用率 ∀即若板材不发生皱缩 ,则板材的利用厚度为 Αt ,若板材发生了皱缩 ,则板材的
利用厚度为 Αs , Αt p Αs就是因皱缩而浪费的木材 ∀研究结果表明 o对于没有产生内裂的皱缩板材 o其
强度无显著性降低k王喜明 ot||yl o因此板材刨光后可以使用 o但若皱缩板材内部发生了内裂 o则皱缩
板材的强度将显著降低 o刨光后的板材是否可以使用 o要视其用途 ∀因此 o皱缩深度可以表示未产生内
裂的板材的利用率 ∀其测量方法是 }将皱缩板材的端头截去 txs ∗ uss °° o测量截断处横断面的最大
厚度与最小厚度 o其差即为皱缩深度 ∀用此法测量实验过程中所产生的各种皱缩板材的皱缩特性 o总
体上是未皱缩板材的皱缩深度几乎为零 ~xs °°厚大青杨板材的最大皱缩深度为 z1| °° o再加上厚度
方向上k径切板l的干缩 {1z h ≅ xs € w1vx °° o那么此块板材在厚度方向上的最大收缩量为 tu1ux
°° o刨光后 o此块板材的利用率仅有 zu1v h ∀而未皱缩板材的体积收缩率为 tv1x h o利用率为
{y1x h ∀可见皱缩板材损失浪费严重 ∀
t qu 皱缩因子k ΧΦ) :板材横断面周长与内裂周长和( Λ)的平方除以横断面减去内裂部分的面积( Σ) ∀
ΧΦ = Λu/ Σ
此项指标用于描述伴有内裂的板材的皱缩特性最为合理 ∀其测量方法是将板材端头去掉 txs ∗
uss °°长 o测量暴露断面的皱缩因子 ∀在实际应用过程中 o由于要测量内裂的周长和面积 o一般的测
量仪器很难准确测量 ∀此次实验 o我们将板材的横断面投影到坐标纸上 o然后再在坐标纸上计算各项
数据 ∀测量结果表明 ∀由于板材厚度和宽度不同 o皱缩因子不同 o本次实验用板材的宽度是 tss °° o
厚度分别为 ux °°和 xs °° o板材未干燥前的皱缩因子分别是 ux和 t{ o正常收缩后 o板材的皱缩因子
为 uw1v和 tz1yk将此值作为基础皱缩因子l ∀因此我们在用皱缩因子评价板材的皱缩特性时 o具有同
一规格的板材才可以比较 ∀测量结果表明 o因皱缩材横断面积减小了 o周长增加了 o故皱缩因子增加
了 ∀如 xs °°厚的一块板材皱缩深度为 u1ty °° o因产生了内裂 o其皱缩因子为 wz1zy h ∀可见对于
皱缩了的板材 o在没有内裂的情况下 o皱缩深度越大 o皱缩因子越大 ∀
svt 林 业 科 学 vy卷
t qv 体积收缩率k ςΣl }皱缩材的体积占原体积的百分率 ∀
ςΣ = t − ΣtΣs ≅ tss%
其中 }Σt为皱缩材的体积 , Σs为板材干燥前的体积 ∀体积收缩率的测量同体积收缩系数 ∀没有产
生内裂的板材其意义与皱缩深度有相近之处 o反应木材干燥前后体积收缩的具体数据 o对未皱缩材和
均匀皱缩材此项指标可以直接反应板材的利用率 ∀但若皱缩材可测得皱缩深度 o此项指标便不能反应
板材的实际利用率 ∀可见此项指标对评价整个断面均匀皱缩的板材的皱缩特性很有意义 ∀因为整个
断面均匀皱缩的板材的皱缩深度是 s o皱缩因子小于基础皱缩因子 ∀此时只能用体积收缩率去评价皱
缩特性 ∀若板材的体积收缩率大于标准体积收缩率k正常干缩l o那么此块板材肯定发生了皱缩 ∀
上述 v项指标可从不同角度去评价皱缩的特性 o由于 v项指标的性质不同 o评价皱缩的侧重点不
同 o因此在实际使用过程中应分别对待 v项指数的轻重 ∀对于不同皱缩类型可侧重使用某一项或某几
项指标 ∀如条沟型皱缩应着重使用皱缩深度去评价 o其他两项指标做为参考 ~内裂型皱缩着重使用皱
缩因子 o其他两项指数视情况 o如皱缩深度可能很突出 o皱缩面积也可能很大 o此时就用 v项指标分别
进行评价 ~均匀型皱缩可着重使用体积收缩率 o此种类型的皱缩多有皱缩深度不大 o皱缩因子也不大的
情况 o因此 o后两项指标只能做为参考 o不能作为主要评价指标 ∀
2 大青杨材皱缩特性及其评价
为了合理准确地评价大青杨板材的皱缩特性 o我们选择相对较硬的干燥基准 o主观上让板材有一
定程度的皱缩 o而且在试材选取时选择了心边混合材的弦切板和径切板 o使用相对较硬的室干燥基准
和 tts ε 恒温干燥基准 ∀其中室干在自动温控干燥机中进行 otts ε 干燥试验在恒温箱中进行 o室干干
燥基准见表 t
室干过程中 o我们测量了大青杨板材心材 !边材的弦 !径向干缩率 o结果见表 u }
表 1 室干干燥基准
Ταβ .1 Κιλν δρψινγ σχηεδυλε
含水率阶段
 ²¬¶·∏µ¨ ¦²±·¨±·
¶·¤ª¨¶k h l
τχ
k ε l
τµ
k ε l
备注
Œ¯ ∏¯¶·µ¤·¨
∴ys ys x{ 预热 x «
ys ∗ xs yx ys °µ¨2«¨ ¤·¬±ªx «²∏µ¶
xs ∗ ws zs ys 中间处理 v次
ws ∗ vs zs ys ¬§2·µ¨¤·¬±ªv ·¬° ¶¨
vs ∗ us {s yu
us以下 {s yu
平衡处理 {x {w { «²∏µ¶
∞ ∏´¬¯¬¥µ¬° ·µ¨¤·¬±ª
表 2 大青杨不同部位的室干干缩率
Ταβ .2 Σηρινκαγερατιο οφ Ασπεν ιν διφφερεντ παρτσ
ys ys ∗ xs xs ∗ ws ws ∗ vs vs ∗ us us kε l
心材径向 s1yw t1ut u1u{ u1xz v1ss u1{w
‹ ¤¨µ·º²²§µ¤§¬¤¯ §¬µ¨¦·¬²±
心材弦向 x1u{ z1wv tt1t| tt1vx tu1ws tu1vx
‹ ¤¨µ·º²²§·¤±ª¨±·¬¤¯ §¬µ¨¦·¬²±
边材径向 s1xu t1s{ u1vu u1w{ u1zs u1zx
≥¤³ º²²§µ¤§¬¤¯ §¬µ¨¦·¬²±
边材弦向 t1xt v1t{ y1wu y1|{ z1wu z1wy
≥¤³ º²²§·¤±ª¨ ±·¬¤¯ §¬µ¨¦·¬²±
表中可见无论在干燥的那一个阶段 o心材弦向的干缩均大于边材 o这与其他木材略有不同 ∀而且
木材是在含水率大于 ys h的阶段就开始产生相对较大的收缩 o这种收缩主要是由于细胞的溃陷而产生
的 ∀并不是由于细胞壁的干缩而形成的 ∀皱缩因子和体积收缩率随着含水率的变化见表 v ∀
表中可见 o在干燥初期板材端裂十分严重 o皱缩因子高达 wz1zy h o随着干燥过程的不断进行 o部分
端裂开始缩合 o横断面的 ΧΦ下降 ,但随着含水率的降低 ,皱缩因子又在继续上升 ,直至达到最终含水
率 , ΧΦ达 χ最大值 ∀平衡处理后 , ΧΦ得以减少 ,皱缩在一定程度上得以恢复 ; ςΣ在整个干燥过程中
一直处于上升趋势 o最大达 ty1x h o皱缩深度在含水率 vs h左右得以减少 o可能与中间处理有关 o因为
中间处理可以使部分皱缩细胞得以恢复 o但最终的皱缩深度为 u1zu °° ∀
经过对多次试验的皱缩板材的皱缩特性的测量和分析 o对照国家标准 Š…yw|t p {y5锯材干燥质
量6 o结合实际生产需要 o我们将皱缩缺陷按照其评价指标进行了分等 ∀其对照见表 w ∀
表中 }皱缩因子差值为皱缩材的皱缩因子与基础皱缩因子的差 ~体积收率差为皱缩材体积收缩率
与正常干缩材的体积收缩率的差 ∀根据以上分等表 o我们对室干大青杨材和在干燥温度为 tts ε o相对
tvt v期 王喜明等 }木材皱缩评价指标的研究
湿度为 xs h条件下干燥的大青杨材皱缩缺陷进行分级 o每次试验选取 v块试验板 o结果见表 x和表 y ∀
表中可见 oxs °°厚板材的基础皱缩因子为 tz1y o正常干缩材的体积收缩率为 tv1x h ∀v块试材
的皱缩深度和皱缩因子均达到了 x级 o实际情况是板材均发生了严重的内裂 o且在心边材交界处有沟
状皱缩 ∀因此体积收缩率较小 ∀v块板材皱缩较严重 ot !u都属均匀皱缩 o无内裂 ov为条沟状型皱缩 ∀
表中 }基本皱缩因子 ΧΦ€ uw1v o正常干缩材的体积收缩率为 tv1x h ∀
表 3 干燥过程中皱缩的变化规律
Ταβ .3 Χηανγινγ λαω οφ χολλαπσειν δρψινγ προχεσσ
含水率
 ²¬¶·∏µ¨
皱缩深度
≤²¯ ¤¯³¶¨ §¨ ³·«
k°°l
皱缩因子
≤²¯ ¤¯³¶¨ ©¤¦·²µ
k h l
体积收缩率
∂ ²¯∏°¨¶«µ¬±®¤ª¨ µ¤·¨
k h l
zs ∗ ys u1ty wz1zy u1wt
ys ∗ xs u1us uw1y| tv1wt
xs ∗ vs t1{s ux1yy tw1ww
vs ∗ us t1|y u|1tv tx1t{
 us u1zu u{1{{ ty1xt
表 4 皱缩分等明细
Ταβ .4 Χολλαπσε γραδε
分级 Šµ¤§¨
指标 פµª¨·¶
t u v w x
皱缩深度 s ∗ s1{ s1x ∗ t1s t1s ∗ u1t u1s ∗ v1x  v1x
≤²¯ ¤¯³¶¨ §¨³·«k°°l
皱缩因子差值 t ∗ u u ∗ v v ∗ w w ∗ x  x
⁄¬©©¨µ¨±¦¨ ²© ΧΦ
体积收缩率差 t ∗ u u ∗ v v ∗ w w ∗ x  x
⁄¬©©¨µ¨±¦¨ ²© ςΣ
表 5 大青杨室干板材皱缩等级评定表(50 µ µ 厚)
Ταβ .5 Εϖαλυατινγ ταβλεοφ χολλαπσεοφλυµβεριν κιλν(Τηιχκνεσσ:50 µ µ)
序号
皱缩深度
≤²¯ ¤¯³¶¨ §¨³·«
k°°l
皱缩因子
≤²¯ ¤¯³¶¨ ©¤¦·²µ
k h l
体积收缩率
∂²¯∏°¨¶«µ¬±®¤ª¨ µ¤·¨
k h l
‘’ q 数值 等级 数值 等级 数值 等级
∂¤¯∏¨ Šµ¤§¨ ∂¤¯∏¨ Šµ¤§¨ ∂¤¯∏¨ Šµ¤§¨
t x1u x uz1t x tw1s{ u
u z1t x u{1s x ty1ut v
v z1y x u{1| x ty1xt v
表 6 大青杨 110 ε 干燥板材皱缩等级评定表(25 µ µ 厚)
Ταβ .6 Εϖαλυατινγ ταβλεοφ χολλαπσεοφλυµβεριν 110 ε (Τηιχκνεσσ:25 µ µ)
序号
皱缩深度
≤²¯ ¤¯³¶¨ §¨³·«
k°°l
皱缩因子
≤²¯ ¤¯³¶¨ ©¤¦·²µ
k h l
体积收缩率
∂²¯∏°¨ ¶«µ¬±®¤ª¨ µ¤·¨
k h l
‘’ q 数值 等级 数值 等级 数值 等级
∂¤¯∏¨ Šµ¤§¨ ∂¤¯∏¨ Šµ¤§¨ ∂¤¯∏¨ Šµ¤§¨
t v1v{ w u|1y v tx1st t
u v1vu w u{1s v ty1tu u
v w1sw x uz1| v t|1vx x
3 结论
用皱缩深度 !皱缩因子 !体积收缩率 v项指标评价皱缩板材的皱缩特性各有侧重 o且互相联系 ∀其
中皱缩深度主要反应板材的沟状皱缩特性 ~皱缩因子反应板材的内裂 ~体积收缩率则反应板材的均匀
皱缩 ∀在实际使用过程中 o我们应首先将皱缩板材进行分类 o条沟型皱缩木材可用皱缩深度去评价其
皱缩等级 ~内裂型皱缩则利用皱缩因子去评价其皱缩等级 ~均匀型皱缩则用体积收缩率去评价其皱缩
等级 o其他指标均做参考 ∀
参 考 文 献
王喜明 q山杨小径材干燥皱缩的初步研究 q林产工业 ot|{| ow
王喜明等 q山杨小径材干燥特性的研究 q内蒙古林学院学报 ot||y ot
刘 元 q木材干燥皱缩机理及其特性研究 q中南林学院学报 ot||w ox
寺尺真等 q木材的人工干燥 q新日本印刷株式会社 ot|zy
¯ ¬¯¦¤±§ ‹¬¯¯¬¶q°µ¨§¬¦¤·¬²± ²©¦²¯ ¤¯³¶¨ ¬± §µ¬¨§∞∏¦¤¯¼³·º²²§ ‹²¯½ ©²µ¶¦«∏±ªqt|{x ows
Œ±±¨ ¶× ≤ q ≤²¯ ¤¯³¶¨ ©µ¨¨³µ¨2§µ¼¬±ª²© Ευχαλψπτυσ ρεγναυσoƒ q °∏¨¯¯ ‹²¯½ • ²«∏±§ º µ¨®¶·²©©qt||x oxv
Œ±±¨ ¶× ≤ q°µ¨2§µ¼¬±ª²©¦²¯ ¤¯³¶¨ ³µ²±¨ º²²§©µ¨¨²©¶∏µ©¤¦¨ ¤±§¬±·¨µ±¤¯ ¦«¨ ¦®¬±ª ‹²¯½ • ²«∏±§ º µ¨®¶·²©©qt||y ov
uvt 林 业 科 学 vy卷