萬 怡, 賀福強(qiáng)*, 黃易周, 陳發(fā)江

(1.貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,貴州 貴陽 550025;2.貴州晶木建材有限公司,貴州 貴陽 550025)

隨著人造板工業(yè)的快速發(fā)展,我國已成為令人矚目的人造板生產(chǎn)大國[1,2]。人造板被廣泛應(yīng)用于建筑、裝修、家具等各個(gè)領(lǐng)域。不同于其他建筑材料,木質(zhì)板材具有以下優(yōu)勢:①生產(chǎn)成本低,生產(chǎn)加工能耗較少;②清潔環(huán)保,滿足國家可持續(xù)性發(fā)展的要求;③結(jié)構(gòu)性好,便于施工。但板材存在燃點(diǎn)低、抗彎性弱等顯著問題,導(dǎo)致在使用過程中存在安全隱患。所以改善提高人造板的力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性非常重要[3]。干燥一般作為人造板生產(chǎn)的最后一道工序,是保證板材質(zhì)量,改善和提升其物理性能的必要環(huán)節(jié)[4]。

國內(nèi)外不少學(xué)者對(duì)板材干燥展開研究。Bekhta[5]等研究樺木單板分別以180°C、240°C和280°C干燥后的粘接質(zhì)量、彎曲強(qiáng)度、彎曲彈性模量、吸水率和厚度膨脹率。結(jié)果表明,膠合板干燥溫度對(duì)膠合板的粘結(jié)強(qiáng)度和物理力學(xué)性能有顯著影響。貼面干燥溫度為185℃/SD、180℃/GD和240℃/GD對(duì)UF和PF膠合板樣品的彎曲強(qiáng)度和彈性模量均有負(fù)面影響。

Sekone[6]等對(duì)多孔薄板干燥過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,以確定干燥過程中隨板含水量變化的水分傳遞系數(shù)。結(jié)果表明,提供給系統(tǒng)能量的大部分損失,可通過調(diào)整進(jìn)風(fēng)口和流量的配置,顯著提高干燥機(jī)的熱力效率(從0.5%提高到10%)?？蔀槎嗫妆“甯稍镞^程的熱物理和高效干燥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了全面而重要的見解。

René[7]等研究干燥和熱改性對(duì)拉迪塔松的物理和機(jī)械性能的影響規(guī)律,結(jié)果表明木材或熱處理后密度值高度分散且與其他參數(shù)不相關(guān);失重(WL)和含水率(MC)隨處理強(qiáng)度的增加而成比例下降;干燥處理后尺寸穩(wěn)定性提高,但各向異性順序不變。

曹永建[8]等通過不同溫度、不同時(shí)間的高溫干燥處理對(duì)尾葉桉、尾距桉和巨桉木材的抗全干體積干縮率和氣干體積干縮率的影響,研究桉樹木材的抗干縮特性。結(jié)果表明在220℃、5 h的處理?xiàng)l件下,尾葉桉、尾巨桉和巨桉木材的抗干縮性能分別提高了68.24%、70.43%和76.37%。

周凡[9]等采用百度試驗(yàn)法研究木材干燥特性,利用小型木材干燥試驗(yàn)機(jī)分別對(duì)25 mm和40 mm厚鋸材進(jìn)行常規(guī)干燥試驗(yàn),研究鋸材干燥工藝基準(zhǔn),得到了適合2種厚度火力楠鋸材的干燥基準(zhǔn)。

李榮榮[10]等采用5種不同干燥工藝處理?xiàng)飨隳静?分析對(duì)比不同干燥工藝處理材與未處理材的微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律,結(jié)果表明:經(jīng)常規(guī)、降溫干燥處理后,楓香木材紋孔膜發(fā)生破裂,多發(fā)生在閉塞紋孔,且破裂程度較低;經(jīng)水熱預(yù)處理常規(guī)和降溫干燥后,被沉積物全部覆蓋的紋孔膜發(fā)生較大程度破裂;微波干燥處理后,木材紋孔膜、部分細(xì)胞壁以及導(dǎo)管間胞間層均出現(xiàn)一定程度的破裂,提高了木材內(nèi)部水分遷移效率。

本文研究對(duì)象為貴州某建材公司生產(chǎn)的多功能木質(zhì)板材,具有A級(jí)防火、零甲醛、耐水防霉防蟲等優(yōu)點(diǎn),通過分析存在的干燥缺陷問題,進(jìn)行多次干燥試驗(yàn),根據(jù)含水率變化規(guī)律制定合理的干燥工藝參數(shù),并通過了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本研究為制定人造板材干燥工藝提供了基礎(chǔ)理論和指導(dǎo)思想。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

選取壓制成形、砂光后的木質(zhì)板材,長寬高為2 380 mm×1 580 mm×10 mm。根據(jù)GB/T 17657-2013,測得初始含水率為45%,研究中所用設(shè)備儀器如表1所示。

表1 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

1.2 試驗(yàn)流程與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)流程如圖1所示:分析現(xiàn)有木質(zhì)板材干燥工藝是否存在干燥缺陷;進(jìn)行多次干燥試驗(yàn),制定板材新型干燥工藝參數(shù),滿足技術(shù)要求;分析干燥過程中含水率的變化規(guī)律,探究其干燥特性;總結(jié)較優(yōu)工藝參數(shù),并通過試驗(yàn)對(duì)比改進(jìn)前后板材干燥缺陷和次品率,驗(yàn)證其可行性。

圖1 干燥工藝制定試驗(yàn)流程

1.3 數(shù)據(jù)采集與處理

1.3.1 含水率測定

選取南門、西門位置處板材作為試驗(yàn)板,如圖2所示。測量試驗(yàn)板表面及中心含水率,如圖3所示,并隨時(shí)觀察是否出現(xiàn)干燥缺陷;為了避免其他因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響,試驗(yàn)過程中選擇前期制備工藝相同的板材。

圖2 選取試驗(yàn)板

圖3 含水率測定

首先用含水率檢測儀測試驗(yàn)板含水率;再根據(jù)GB/T 17657-2013測定含水率,實(shí)際過程中存在測量偏差,試驗(yàn)數(shù)據(jù)選擇五次試驗(yàn)的平均值,計(jì)算公式為:

(1)

其中,Hs1為測定儀測量的5次表面含水率平均值,%;Hc1為測定儀測量的5次中心含水率平均值,%;Hs2為試件測量的5次表面含水率平均值,%;Hc2為試件測量的5次中心含水率平均值,%;Hs1n為第n次測定儀測量的表面含水率,%;n=1,2,...,5。以此類推。

含水率精確到0.1%,計(jì)算公式為:

(2)

其中,Hs為表面含水率,%;Hc為中心含水率,%。

1.3.2 干基含水率測量

將試驗(yàn)板放入干燥窯中烘到絕干,含水率計(jì)算公式為:

(3)

其中,H為整體含水率,%;m為干燥前質(zhì)量,kg;me為干燥后質(zhì)量,kg。干基含水率是指板材整體含水率與差值之比,計(jì)算公式為:

(4)

其中,M為板材整體含水率,%。

1.3.3 干燥速率計(jì)算

干燥速率是表示在一定時(shí)間內(nèi)干基含水率降低的速度,計(jì)算公式為:

(5)

其中,DR為干燥速率,kg·(kg·h)-1。

2 工藝分析及技術(shù)要求

2.1 工藝分析

當(dāng)前板材干燥工藝屬于連續(xù)干燥,工藝參數(shù)為:干燥溫度65℃,干燥時(shí)間72 h,干燥濕度無控制。恒定溫度干燥后的板材質(zhì)量差,有開裂斷裂、翹曲變形等缺陷,如圖4所示,次品率較高為21.5 %,干燥時(shí)間長,設(shè)備能耗高。

圖4 板材干燥缺陷

板材干燥的速度在很大程度上取決于內(nèi)部水分遷移到表面的速率,可以通過改變干燥工藝參數(shù),促進(jìn)內(nèi)部水分的遷移速度[11]。調(diào)節(jié)干燥濕度可以人為降低環(huán)境和板材含水率梯度,增加板材導(dǎo)濕性,降低板材中心、表面含水率梯度,抑制板材表面水分蒸發(fā)速率,減少板材開裂可能性[12]。因此,在保證干燥質(zhì)量和縮短干燥時(shí)間的情況下,探究木質(zhì)板材合理的干燥工藝,可以考慮變化干燥溫度和增加干燥濕度控制。

2.2 技術(shù)要求

木質(zhì)板材含水率低于11%時(shí),力學(xué)性能較好,平整度較高。調(diào)整干燥方式參數(shù)為:控制干燥溫度、干燥濕度、干燥時(shí)間?？紤]到干燥工藝、生產(chǎn)成本、設(shè)備能耗等問題,多功能木質(zhì)板材的技術(shù)要求如表2所示。

表2 板材干燥技術(shù)要求

3 干燥工藝參數(shù)制定

板材干燥過程分為三個(gè)階段:Ⅰ預(yù)熱階段(整體含水率快速下降階段)、Ⅱ干燥階段(整體含水率平穩(wěn)降低階段)、Ⅲ調(diào)整階段(局部含水率精確調(diào)整階段)。

3.1 干燥第一階段

板材干燥前10 h處于整體含水率快速降低階段,此時(shí)的濕度范圍為35%～50%,溫度為55℃。熱風(fēng)在進(jìn)入干燥窯前,窯內(nèi)和板材溫度均為常溫狀態(tài),而板材內(nèi)部含水率遠(yuǎn)高于窯內(nèi)環(huán)境的含水率,此時(shí)水蒸氣分壓較大,板材內(nèi)部水份遷移以水蒸氣的波動(dòng)為主。

圖5是干燥第一階段各處板材含水率變化圖?？芍?當(dāng)熱風(fēng)進(jìn)入干燥窯,板材含水率隨干燥時(shí)間延長而降低。在同一板材上,熱風(fēng)進(jìn)入窯內(nèi)的一段時(shí)間內(nèi),表面含水率降低速率較慢,中心含水率降低速率快。這是因?yàn)樵诟稍锴捌?熱空氣的吹入提升了窯內(nèi)整體溫度,表面水分向環(huán)境蒸發(fā),板材形成一定的溫度、含水率梯度,中心內(nèi)部水分快速向邊緣和表面擴(kuò)散排除。而隨著時(shí)間的推移,這兩個(gè)梯度逐漸變小,即干燥強(qiáng)度逐漸變小,中心水?dāng)U散速率降低,造成中心含水率出現(xiàn)先快速下降,再緩慢降低,甚至出現(xiàn)上升波動(dòng)現(xiàn)象。而表面含水率基本先快后慢地下降,特別是在第10 h,窯內(nèi)環(huán)境濕度降低了5%,表面含水率快速向干燥介質(zhì)傳遞而降低,說明環(huán)境含水率降低在一定程度上加快了板材表面含水率的蒸發(fā)。

圖5 第一階段干燥曲線

經(jīng)過第一階段后,板材含水率在16%～25%之間不等,主要是由于窯內(nèi)風(fēng)速、溫度的不均引起不同位置的板材在表面、中心含水率不一致?？偟膩碚f,除了南門一處板材含水率無明顯變化規(guī)律外,其余板材表面、斷面含水率相差不大,觀察到板材干燥質(zhì)量良好,無明顯變形。此時(shí)板材表面和環(huán)境內(nèi)含水率達(dá)到平衡狀態(tài),熱風(fēng)也很難帶走板材內(nèi)部水份,所以可以考慮下一階段降低窯內(nèi)濕度、提高熱風(fēng)溫度,人為創(chuàng)造環(huán)境與板材的含水率梯度,促使板材水分流出。

3.2 干燥第二階段

10～38 h為整體含水率平穩(wěn)降低階段,濕度范圍25%～35%,溫度60～65℃。干燥第二階段可分為三個(gè)小階段:

(1)濕度范圍25%～30%,溫度60℃,約6 h。本階段板材含水率變化如圖6所示,南門一含水率仍舊先快速降低再基本不變,和第一階段類似,這是由于南門一位置靠近出風(fēng)口,熱風(fēng)聚集在此處導(dǎo)致的,可能存在渦流現(xiàn)象。其余含水率緩慢下降,對(duì)板材進(jìn)行檢測,發(fā)現(xiàn)第14 h后出現(xiàn)輕微變形。此時(shí)板材含水率基本在15%～20%之間。

圖6 第二階段前期干燥曲線

(2)濕度范圍30%～35%,溫度65℃,約6 h。圖7是16～22 h板材含水率變化圖,可知含水率再一次下降到14%～18%左右,未出現(xiàn)新的變形。此時(shí)提高濕度增加了板材表面含水率,使內(nèi)外水分梯度降低從而減少遷移,減小變形量。升高溫度有助于加快中心含水率的下降?？梢?溫度的升高能夠降低中心含水率,濕度的升高能夠提高板材質(zhì)量。

圖7 第二階段中期干燥曲線

(3)保持濕度范圍不變,溫度升高到70～75℃,約15 h。圖8是本階段干燥曲線。當(dāng)溫度在干燥23.5 h時(shí)提高到70℃,由圖可知內(nèi)外含水率都呈下降趨勢,表面、中心含水率的變化趨勢類似,說明此時(shí)的工藝參數(shù)可以在避免變形的情況下減少水分。經(jīng)過檢測,發(fā)現(xiàn)板材沒有增加新的變形量,再次說明在13%～18%含水率的板材用此工藝參數(shù)烘干,干燥效果較好。經(jīng)過第二階段烘干處理,板材含水率從16%～25%下降到10%～13%。

圖8 第二階段后期干燥曲線

3.3 干燥第三階段

第三階段濕度范圍20%～25%,溫度75～78℃,16 h。本階段板材含水率變化見圖9,可知含水率隨著溫度進(jìn)一步升高再次降低,各處板材的表面水分加劇向空氣蒸發(fā),含水率下降到10%以下,但中心含水率仍然在10%～11%。各處板材含水率變化復(fù)雜沒有規(guī)律,這也是木質(zhì)板材干燥的難點(diǎn)。第三階段處理后的板材含水率為10.2%。

3.4 板材干燥特性

木質(zhì)板材的干燥速率如圖10所示,曲線變化較復(fù)雜,在各階段中主要為減速干燥,但在溫度、濕度調(diào)整時(shí)存在明顯的升速干燥期;各階段的干燥速率分別在2.7 h、11.2 h、38.7 h達(dá)到最大值9.18 kg/kg·h、7.85 kg/kg·h、0.23 kg/kg·h,分別在各階段結(jié)束時(shí)為1.52 kg/kg·h/、0.19 kg/kg·h、0.23 kg/kg·h。在第一階段中,干燥速率快速上升到最大值后開始降速干燥,這是因?yàn)榍捌谀举|(zhì)板材自由水含量高,水分梯度大,加快了水分遷移速率;在第二階段干燥速率存在三個(gè)峰值,對(duì)應(yīng)著三次溫濕度的調(diào)整使干燥速率再次升高,而后降低;在第三階段中,干燥速率先升高再降低再升高,這是由于增加干燥溫度、降低干燥濕度,從而使速率先升再降,隨著水分的遷移含水率變少,在高溫下速率再次加快。

圖10 板材干燥速率

3.5 工藝總結(jié)及驗(yàn)證

制定木質(zhì)板材新型干燥工藝參數(shù)為:

1.預(yù)熱階段:干燥時(shí)間10 h,濕度范圍35%～50%,溫度55℃。2.干燥階段:干燥時(shí)間28 h,濕度范圍25%～35%,溫度60～75℃:(1)干燥時(shí)間6 h,濕度范圍25%～30%,溫度60℃;(2)干燥時(shí)間7 h,濕度范圍30%～35%,溫度65℃;(3)干燥時(shí)間15 h,濕度范圍30%～35%,溫度70～75℃。3.調(diào)整階段:干燥時(shí)間16 h,濕度范圍20%～25%,溫度75～78℃。

經(jīng)過干燥處理,板材含水率從45%降至10.2%,含水率分布較均勻。運(yùn)用此工藝參數(shù)進(jìn)行生產(chǎn),統(tǒng)計(jì)九個(gè)批次板材干燥質(zhì)量,平均次品率為9.4%。干燥時(shí)間縮短25%,次品率降低56.3%,干燥質(zhì)量較好,達(dá)到國家干燥質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ級(jí),說明此參數(shù)滿足技術(shù)要求,科學(xué)可靠,減少能耗。

4 小結(jié)

本文對(duì)現(xiàn)有木質(zhì)板材干燥工藝進(jìn)行分析,進(jìn)行多次干燥試驗(yàn),制定了適用于本木制板材的新型干燥工藝參數(shù),研究干燥過程中含水率的變化規(guī)律和干燥特性,并通過對(duì)比改進(jìn)前后的干燥質(zhì)量和次品率,驗(yàn)證干燥工藝可行性。結(jié)果表明:新型干燥工藝能夠有效提高板材干燥質(zhì)量,縮短25%干燥時(shí)間,降低57.4%次品率;根據(jù)含水率變化情況,可將干燥工藝分為三個(gè)階段,即預(yù)熱階段、干燥階段、調(diào)整階段;板材干燥速率為先升速干燥再減速干燥;多階段干燥溫度、增加干燥濕度控制有利于提高干燥質(zhì)量。