博白大果油茶木材干燥特性及干燥基準(zhǔn)研究

黃騰華，王軍鋒，陳國臣，馬錦林

（廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院廣西木材資源培育質(zhì)量控制工程技術(shù)研究中心，廣西南寧 530002）

博白大果油茶（Camellia gigantocarpa）又稱赤柏子，為山茶科（Theaceae）山茶屬常綠喬木，其天然林主要分布于廣西博白、玉林和陸川一帶[1-2]。博白大果油茶樹形優(yōu)美，花和果較大，種子含油量高，是非常有價值的油料和觀賞植物[3-5]。其木材堅(jiān)硬且韌性大，不易腐朽，適合用作刀柄、鋤頭柄、搟面杖和工藝品等，有較高的經(jīng)濟(jì)價值[2，6]。野生的博白大果油茶資源極少，被列為國家二級保護(hù)植物[2]。目前，對博白大果油茶的研究主要集中在遺傳多樣性ISSR、基因組DNA提取、茶籽油成分和光合特性等方面[7-9]，在木材的干燥、加工及利用等方面未見報道。干燥是木材加工利用過程中最重要的前期工序之一，為更好地利用博白大果油茶木材，提高木材的綜合利用率及附加值，本研究采用百度試驗(yàn)法對博白大果油茶人工林木材的干燥特性進(jìn)行研究，并初步制定出合理的干燥基準(zhǔn)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試材采自廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院油茶種質(zhì)資源收集圃油桐山基地（108°21′E，22°55′N），海拔95 m，土壤類型為黃壤，造林時間為2004年[8]。試材采集參照GB/T 1927-2009[10]，采伐生長良好且徑級較大的油茶樹3株，選取胸徑分別為13.5、14.6和15.2 cm的主干木材作為試材。將試材鋸解并刨切為20 mm厚的光面板材，并在無變色、開裂、節(jié)子和蟲眼等缺陷的部位截取規(guī)格為200 mm×100 mm×20 mm的試件，選取6塊弦切板用于測定和分析干燥特性，試件的初含水率為115%～121%。

1.2 試驗(yàn)方法

采用百度試驗(yàn)法[11]，將電熱鼓風(fēng)干燥箱預(yù)先調(diào)至（103±2）℃，試件制取后快速測定其初重并測量長、寬、厚尺寸，之后將其豎立間隔放置于干燥箱內(nèi)干燥。干燥初期，每0.5 h觀測1次，兩次后每1 h觀測1次；當(dāng)試件的開裂達(dá)到最大且裂縫開始愈合時，每2 h觀測1次；裂縫停止愈合后，每4 h觀測1次；試件前后兩次重量差不超過0.5%時，試驗(yàn)結(jié)束。每次觀測時，記錄試件的重量、端裂、端表裂、表裂和貫通裂；干燥結(jié)束后，進(jìn)行試件稱重，測量扭曲度、順彎度、橫彎度、瓦彎、截面變形和內(nèi)裂長寬度尺寸等，并記錄數(shù)量；從試件中間截取寬度約為15 mm的含水率試片并立即稱重，測定其含水率，作為試樣最終含水率。

2 結(jié)果與分析

2.1 博白大果油茶木材干燥缺陷等級及其標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)木材干燥缺陷等級標(biāo)準(zhǔn)（表1）和百度試驗(yàn)法干燥試驗(yàn)測試中得到的數(shù)據(jù)，對博白大果油茶木材試件各指標(biāo)進(jìn)行干燥缺陷等級評定。參照表1的標(biāo)準(zhǔn)，確定博白大果油茶木材的綜合干燥缺陷等級為4級（表2）。

表1 干燥缺陷等級及干燥速度分級標(biāo)準(zhǔn)[11]Tab.1 Grading criteria of drying defects and drying speed

表2 博白大果油茶木材缺陷等級Tab.2 Defect grades of C.gigantocarpa wood

2.2 博白大果油茶木材干燥特性

2.2.1 初期開裂

由于試件初含水率高，將試件放置于100℃且相對濕度低的條件下進(jìn)行干燥試驗(yàn)。木材在干燥初期的主要缺陷為端裂。干燥至3 h、含水率降至61%左右時，初期開裂的裂紋長度、寬度和數(shù)量達(dá)到最大；干燥至5 h、含水率降至44%左右時，初期開裂的裂紋長度、寬度和數(shù)量不再繼續(xù)增加，并隨著時間的增加，快速減少；干燥至8～14 h時，所有開裂幾乎全部愈合；端表裂比端裂出現(xiàn)晚，結(jié)束早。主要原因?yàn)楦稍锍跗冢嚰蕿?15%～121%，隨干燥進(jìn)行，試件表面的水分蒸發(fā)速度快，試件內(nèi)部的含水率高于表面，內(nèi)外含水率梯度逐漸增大，表面干燥應(yīng)力增大[12]；含水率下降至61%時，試件的內(nèi)外含水率梯度和干燥應(yīng)力均達(dá)到最大值，試件的開裂程度達(dá)到最大，初期開裂不再發(fā)展，其中1條端裂延伸至木材表面，形成端表裂；隨著干燥進(jìn)行，試件的含水率逐漸降低，裂紋的長度、寬度和數(shù)量也逐漸減少；試件含水率下降至30%左右時，吸著水開始蒸發(fā)，木材內(nèi)部開始收縮，此時試件的干燥應(yīng)力分布表現(xiàn)為內(nèi)部受拉、外部受壓，裂紋開始愈合。博白大果油茶木材的初期開裂主要為端裂，裂紋愈合速度較快，初期開裂等級為1級（表2）。

2.2.2 內(nèi)裂

木材內(nèi)裂產(chǎn)生于木材內(nèi)部，主要沿木射線裂開，常出現(xiàn)于干燥后期，原因是干燥后期木材表面含水率接近絕干狀態(tài)，表面發(fā)生較嚴(yán)重的硬化，試件內(nèi)部產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，當(dāng)心層的拉伸應(yīng)力比橫紋拉伸極限強(qiáng)度大時，內(nèi)裂產(chǎn)生[13]。內(nèi)裂是嚴(yán)重的干燥缺陷之一，對木材的加工利用有較大影響。博白大果油茶木材內(nèi)裂情況較輕，綜合評定為2級（表2）。

2.2.3 截面變形

截面變形是由于木材細(xì)胞潰陷，導(dǎo)致試件表面凹凸不平，在厚度方向上收縮不均勻；滲透性差的木材在含水率分布不均時，其內(nèi)部的水分不易轉(zhuǎn)移至表面，干燥中易產(chǎn)生截面變形[14]。干燥試驗(yàn)結(jié)束后，將試件從長度方向的中間鋸開，測量截面最大厚度與最小厚度的差異變形值。博白大果油茶木材的截面變形值為2.11～3.48 mm，均值為2.81 mm，綜合評定為4級（表2）。

2.2.4 扭曲變形

由于木材是各向異性材料，干燥過程中各方向和各部位的干縮不均勻，易發(fā)生扭曲變形。在百度試驗(yàn)中，試件為弦切板，靠近髓心的板面收縮率小于靠近樹皮的板面，易形成與年輪方向相反的彎曲，即瓦彎；木材本身的紋理不垂直或加工的試件長度方向與樹木長度方向不一致，干縮不均，易產(chǎn)生翹曲變形[15]。博白大果油茶木材的扭曲變形值為5.0～8.0 mm，均值為6.0 mm，綜合評定為3級（表2）。

2.2.5 干燥速度

干燥速度是反映木材干燥難易程度的一個重要指標(biāo)[15]。實(shí)際生產(chǎn)中，在確保干燥質(zhì)量的前提下，提高干燥速度能節(jié)約干燥時間和降低干燥成本。博白大果油茶木材弦切板含水率從117.8%干燥至30%需7.9 h；從30%干燥至5%需12.7 h，平均干燥速度為1.97%/h；干燥速度綜合評定為2級（圖1、表3）。

圖1 含水率變化曲線Fig.1 Change curve of moisture content

表3 百度試驗(yàn)法干燥速度Tab.3 Drying speed in 100℃test method

2.2.6 干縮特性分析

當(dāng)細(xì)胞壁的吸著水從木材中排出，會引起木材的干縮。干縮試件（20 mm×20 mm×20 mm）的含水率快速變化主要發(fā)生在干燥初期，干燥至3 h時，試件的含水率從118.8%下降至6.5%，后期含水率變化緩慢（圖2）；干縮主要發(fā)生在干燥初期，干燥至3 h時，弦向、徑向和體積干縮率均快速增大，后期逐漸平緩，順紋方向的干縮率變化較?。▓D3）。弦向、徑向、順紋和體積干縮率分別從0增至10.60%、3.70%、0.39%和14.30%。試件的干縮率變化與含水率變化呈負(fù)相關(guān)，干縮率隨含水率的下降而增大。

圖2 干縮試件含水率變化曲線Fig.2 Moisture content change curve of drying shrinkage specimen

圖3 干縮率變化曲線Fig.3 Change curves of drying shrinkage

2.3 博白大果油茶木材干燥基準(zhǔn)

根據(jù)百度試驗(yàn)法測定的干燥缺陷等級和干燥缺陷等級對應(yīng)的干燥條件（表4），擬定博白大果油茶木材干燥的初期溫度、初期干濕球溫度差及干燥末期溫度（表5）。木材初期的開裂程度一般與干燥初期干濕球溫度差關(guān)系最大，與初期溫度關(guān)系次之，與末期溫度和末期干濕球溫度差關(guān)系最小[15]。截面變形程度與干燥初期溫度和干濕球溫度差關(guān)系較大，與末期干濕球溫度差關(guān)系較小[15]。內(nèi)裂程度與干燥初期溫濕度和末期溫度關(guān)系較大，與末期濕度關(guān)系較小[16]。在制定干燥基準(zhǔn)時，需充分考慮各階段溫濕度的變化，減少或避免干燥缺陷的產(chǎn)生，保證木材干燥的質(zhì)量，縮短干燥時間，防止木制品在后期的使用中出現(xiàn)開裂和變形[17]。

表4 干燥缺陷等級對應(yīng)的干燥條件Tab.4 Drying conditions corresponding to levels of drying defect

根據(jù)表5擬定，初始溫度50℃，前期干濕球溫差2～4℃，后期最高溫度75℃。試件的初含水率平均值為117.8%，通過含水率與干濕球溫度差關(guān)系表，可制定出干燥基準(zhǔn)；本試驗(yàn)用時48 h，前期干濕球溫差為2～4℃，結(jié)合干燥時間估算圖，確定25 mm厚鋸材的實(shí)際干燥時間為10天（表6）。

表5 試件干燥初步條件Tab.5 Preliminary drying conditions of specimens (℃)

表6 博白大果油茶木材（25 mm）軟（硬）干燥基準(zhǔn)Tab.6 Soft(hard)drying schedule for 25 mm C.gigantocarpa wood

續(xù)表6 Continued

3 結(jié)論

16年生博白大果油茶人工林木材屬較易干木材，綜合干燥缺陷等級為4級。初期開裂為1級；內(nèi)裂為2級；截面變形為4級；扭曲為3級；干燥速度為2級。

博白大果油茶木材的干燥缺陷主要為截面變形和扭曲。進(jìn)行窯干時，前期宜采用低溫干燥，干濕球溫差較小，降低干燥初期的干燥應(yīng)力水平，減小截面變形和扭曲程度；干燥后期，進(jìn)行噴蒸汽終了處理，釋放干燥過程中的應(yīng)力，減少內(nèi)裂等缺陷的產(chǎn)生。

通過百度試驗(yàn)法制定了博白大果油茶木材的干燥基準(zhǔn)，在實(shí)際窯干生產(chǎn)時需根據(jù)干燥窯類型和風(fēng)速等適當(dāng)調(diào)整，進(jìn)行中試工藝優(yōu)化后再用于干燥生產(chǎn)。