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1 木材皱缩机理皱缩
亦称塌陷 ,是指木材在干燥过程中由于水分移动过快 ,所产生的水分蒸发张力使细胞溃陷而引起的不规则收缩。皱缩不同于木材干缩。干缩发生在木材干燥过程中的吸着水蒸发阶段 ,是 因为细胞壁非结晶区域吸着水减少时 ,细胞壁 内微纤丝 和微纤丝 或者微胶粒与微胶粒 之间相互靠拢 ,造成细胞壁变薄 ,导致整个细胞体积收缩 而皱缩是木材细胞壁不规则的局部向细胞腔 内凹陷 ,整个细胞变得窄小 ,呈扁平状 、不规则状态。严重皱缩时 ,细胞壁上会出现开裂。
关于木材皱缩的机理 ,不同学者提出了不同的点。但绝大部分学者认为 ,木材在干燥过程中 ,细胞腔内自由水蒸发后在细胞腔 内形成真空 负压 ,使得木材细胞内外存在一定程度压 力差 ,当该压力差所产生的细胞壁压力大于木材细胞壁 的横纹抗压强度时 ,致使木材细胞溃陷 ,从而产生皱缩
因此木材细胞发生皱缩需要具备两个条件 ,即自身条件和外部条件。自身条件表现在木材的渗透性较差 ,干燥过程中能产生较大的毛细张力 ,且该张力完全作用于木材细胞壁。外部条件体现在木材蒸发细胞腔内自由水时 ,水分子有足够大的内能 ,产生足够大的水分蒸发张力。而决定水分子内能的最根本性因素是温度。因此 ,从外部条件来看 ,干燥介质温度越高 ,发生皱缩的机遇就越大。
当具有皱缩 自身条件的木材 ,遇 到外部条件的干燥环境 ,皱缩就产生了。也就是说 ,含水率较高的易皱缩木材 ,在较高的干燥温度条件下 ,便会发生皱缩。
2 杨木干燥皱缩控制技术
2.1 杨木皱缩规律及其控制措施
杨木皱缩规律实际生产中发现 ,杨木皱缩的宏观表现是板材表面呈现不规则的局部凹陷 ,并使横断面成不规则形状。在宽度方向上 ,已皱缩区域和相邻的无皱缩 区域有明显的高低不平的台阶 ,而不是缓慢的过渡 。有时 ,在皱缩区域和无皱缩区域的交界处还会出现明显的裂纹在长度方向上 ,皱缩往往会沿着木材的纹理方向在纵向上延伸,形成一条凹陷的长沟 其长度甚至可达几十厘米 在厚度方向上 ,当将已皱缩杨木板材锯开时 ,发现其皱缩及临近区域经常存在较严重 的内部开裂 从皱缩区域来看 ,皱缩不会发生在板材的边缘部位 ,而是发生在板材的中间区域。
整体来看，相对于正常树干材而言 ,杨木边材和树梢材更容易发生皱缩 。同时 ,已经皱缩的板材往往会伴有明显的翘曲 、变形缺陷。
2.2 杨木皱缩的控制措施通过 述理论分析可知 ,在杨木干燥过程中 ,只要合理控制好导致皱缩 发生 的两 个条件中的一个 ,就能有效避免皱缩的发生 笔者通过 多年的生产实践研究发现 ,只要采用以下技术措施对杨木的干燥过程进行严格的控制和管理 ,完全 可以在满足企业对干燥速率要求的前提下，,防止皱缩缺陷的发生 ,获得很高的干燥质址 ,取得显著的经济效益。
2.2.1 干燥预处理 已有的研究表明 ,对易皱缩木材进行蒸汽处理 、热水浸泡 、预冻处理 ,能在一定程度上破环木材的纹孔结构 ,改变木材微观构造 ,提高其流体渗透性 ,避免 干燥初期因自由水迁移造成的较大毛细张力 ,从而缓解甚至防止皱缩缺陷的发生 。笔者曾对杨木湿材在干燥前进行过浸泡处理。发现在相同干燥工艺条件下,浸泡过的杨木发生皱缩的程度相对较轻。
2.2.2 预干处理 从皱缩发生的外部条件来看 ,要避免皱缩缺陷的出现 ,就必须降低杨木干燥初期的温度 ,从而降低因 自由水迁移所导致的毛细张力 。在实际生产过程中 ,可以从两方面加以解决 一是对初含水率很高的杨木 ,进行充分地 自然 干燥 ,降低入窑时木材初含水率 二是在窑于初期,选用较低温度的干燥基准。在板材装入干燥窑之前 ,对杨木湿材进行充分的自然干燥是一种比较经济、有效的办法 。杨木家具厂家可以根据当地的气候特点 ,通过合理的安排生产和储备原材料 ,来实现板材的自然干燥 ,使杨木入窑初含水率控制在25%以 下,从而大幅减少干燥过程中皱缩缺陷的发生。
2.2.3 采用合适的干燥基准合适的干燥基准是确保于燥质址。提高干燥效率 、降低干燥成本的重要技术保障 一针对杨木易皱缩的特点 ,
在制订干燥基准时 ,需要考虑在 于燥初期 ,当木材含水率较高时 ,采用较低的干燥温度和适 当的湿度 ,降低水分子蒸发时产生 的作用于细胞壁上的毛细张力。而在干燥后期 ,
即在木材吸着水蒸发阶段 ,为确保干燥效率 ,可适当提高干燥介质温度 ,从而加快杨木干燥速率。经过 多年的实验 及生产实践 ,笔者总结出了杨木 的优化干燥基准 (见表1)
表1 46mm 厚杨木的干燥基准
含水率 （%） 干球温度（ ℃ ） 湿球温度 （℃ ） 干湿球温度差 （℃）
60 43 38 5
60 43 37 6
50 43 35 8
40 43 29 14
35 43 25 18
30 45 25 20
25 52 27 25
20 58 33 25
15 68 42 26
10 78 52 26
对于以上干燥基准 ,有几点需要说明:
1）该基准的特点是杨木板材含水率在纤维饱和点 以上时干燥温度一直较低 。这就有效地避免了引发皱缩的外部条件 后期干燥温度较高 ,是为了提高干燥度。
2）虽然该基准干燥初期温度较低 ,但干湿球温度差较大 ,湿度较小 ,这就有效地避免了杨木发生霉变的可能。正因为这样 ,该基准需要有较大的排湿窗口 。生产实践表明 ,该基准要求干燥窑的容量每 100m3杨木湿板 ,所配备的排湿窗口不应少于4m2 。
3)该基准后期的温度升高很快 ,这对整个干燥窑内的杨木含水率的均匀性要求较高。
2.2.4 规范干燥过程的控制在干燥过程中 ,为避免杨木皱缩缺陷的发生 ,很重要的一点 ,就是要保证干燥温度和杨木含水率相适应 。因此 ,在整个干燥过程中,加强对干燥窑内板材含水率的均匀性及干燥速率的控制就显得尤为重要 在杨木的实际干燥过程中 ,特别需要注意以下几点：
1）干燥设备的检查
为使干燥时干燥窑内不同部位的板材具有基本相同的干燥速率 ,在装窑前 ,要仔细检查干燥窑的加热系统和空气循环系统 ,确保它们处于良好运行状态。以保证干燥过程中,介质温度、循环风速分布均匀。
2）板材初含水率基本一致
为保证干燥质量和干燥速率,同一干燥窑内的板材初含水率差别不宜太大 ,一般不应超过15%。否则 ,如果板材入窑初含水率差别过大 ,干燥后期 ,干燥温度升高,个别初含水率较高的板材含水率还依然很高。这样便会因为湿板杨木遇到干燥高温 ,而发生皱缩缺陷。
3)合理堆垛
工厂应合理地组织安排好干燥车间的生产任务 ,使装入到同一干燥窑内杨木板材的厚度是相同的 同时为了保证气流顺畅 ,所使用的垫条的厚度也应该相同 前后材堆之间应保持一定的距离 ,以防止把空气通道堵死 ,该距离一般不少于10cm 。
4)充分的预热处理过程 。
在干燥开始时 ,一定要有很好的预热处理过程 ,使干燥窑内各个部位的杨木湿板材都能充分均匀地热透 。特别是板材中心的温度不应低于基准的设定值。尽量减小在干燥过程 ,温度梯度和含水率梯度相矛盾的问题。从干燥势的角度来保证含水率均匀地下降。
5)加强干燥初期介质湿度的控制
如前文论述 ,在干燥过程中为避免杨木发生皱缩缺陷,在含水率较高的干燥初期阶段 ,采用较低的干燥温度。但这样的条件 ,非常适合霉菌在杨木上生长 ,所以此时应加强对干燥窑内湿度的控制。在保证杨木不发生表裂的情况下 ,可以适当降低干燥窑内的空气湿度。通过控制湿度来控制霉菌的生长。如若不然 ,湿度过大 ,而温度又不高,杨木必然会发生霉变。
目前,国内有些干燥窑厂家提供的干燥设备 ,在设计时是为了使用高温干燥基准 ,因而排湿窗口较小。这样在使用初期温度较低的基准时 ,就有一定的局限性。众所周知 ,同样体积的湿空气 ,温度越高，其湿容量越大 ,即容纳水分的能力越强 。所以 ,小排湿窗口的干燥窑对于高温干燥基准来说影响并不大。但对于初期温度较低的干燥基准来说 ,会因为湿汽不能及时排出,温度又较低 ,适合霉菌的生长 ,会造成杨木的霉变。
6)强化干燥过程中杨木含水率的监测
在干燥过程中,应保证含水率监测系统的准确性 ,注意对窑内杨木板材含水率的跟踪检测 。在确保干燥板材的含水率全面下降后方可按干燥基准升高相应的干燥温度。如检测不全面 ,干燥窑内仍然有含水率较高的板材而没有被检测到 。那么干燥后期温度升高 ,干燥缓慢 、含水率偏高的那部分板材 ,就会因为 自身含水率较高 ,外界干燥温度也较高 ,而发生皱缩缺陷。
3 皱缩杨木的恢复
为使皱缩的杨木恢复外形尺寸，减少因皱缩缺陷造成的木材损失 ,笔者曾对已经皱缩的杨木在干燥过程结束前进行过24h的蒸汽处理。观察发现 ,经过处理之后 ,皱缩区域的长度没有明显的变化；皱缩区域的宽度和深度有一定程度的减轻；皱缩造成表裂和内裂的缝隙变化较为明显 ,有些裂隙甚至肉眼难以发现。但是 ,经验表明这种经过处理过的杨木不适合用来制作家具 ,会造成成品家具的开裂。
4 结束语
1）在常规干燥过程中为避免杨木皱缩 ,比较经济而又有效的办法就是合理地安排好原材料储备和干燥车间的生产任务 ,在杨木装入干燥窑之前 ,能充分地进行自然干燥 ,使装入干燥窑初含水率在25%以下；
2）对湿杨木进行干燥时 ,在含水率较高的干燥初期阶段要采用低温干燥 。同时控制好干燥窑内的相对湿度不要过高 ,以免杨木发生霉变；
3）在干燥后期可以适当地提高干燥温度 ,以提高干燥速度 ,杨木不会因此而发生皱缩；
4）整个干燥过程中应规范控制操作过程 ,保证整个干燥窑内的含水率均匀地下降皱缩杨木的恢复。
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