（木材科学与技术专业论文）加拿大杨木单板的挤压脱水干燥.pdf

摘要 在术材加工的实际生产过程中，压缩方法已经得到了很多的应用来生产各种木制品。 对单板干燥来说，它是一个能量消耗很大的工序。本文的目的就是要用挤压脱水的方法来 降低加拿大杨木( p 。p u u sc r e 矾u j 。j d e s ) 单板干燥过程中的能量消耗，同时提高其胶合 板以及单板层积材的物理力学性能。 在压缩过程中，首先用理论的方法分析了水分下降和相关变量之间的关系，如初含水率、 木材的初重，和压缩率等。通过分析，得出近似的数学表达式 气上 j r m = 羔；j 二等一k ( 1 一c r ) 。然后用实验的方法测得水分下降量，并比较实际测 l u u t o 。 量值和理论计算值之间的差异。再通过分析，找出影响上述差异的原因和相关的变量。 压缩木材所消耗的机械能是通过力一位移关系曲线计算得到的，同时也计算出蒸发相 同重量水分所需要的热量。比较上述机械能和热能的数值大小，可以得出的结论是，用挤 压的方法可以很大程度上降低单板干燥过程的热量消耗。 本文也比较了两种单板( 挤压过的和未挤压过的) 的干燥性能。造成干燥性能差异的 原因是木材本身的结构所决定的，结构的不同影响了单板自身的渗透性。气体渗透性的测 定也很好的证明了挤压方法可以提高单板的渗透性。同时，经挤压作用后，心材单板渗透 性增加了两倍，边材的渗透性增加4 d 可见挤压作用对心材的渗透性影响最大。 通过对最终产品5 层胶合板的力学性能( m o r 和m o e ) 测定表明，压缩的方法并不降 低5 层胶合板的机械力学性能。剪切实验表明，胶合板的胶合强度和木破率都由于单板的 压缩均提高了5 左右。 关键字：单板于燥渗透性胶合强度m o rm o e 木破率 a b s t r a c t p r e s s i n gm e t h o di sc o m m o n l yu s e dt op r o d u c ea l l k i n d so fw o o d - b a s ep r o d u c t 、，e n e e rd r v i n gi sa ne n e r g yd e m a n d i n gp r o c e s s t h i sr e s e a r c hi sa i m e dt oi n c r e a s e d r y m gp r o d u c t l v l t ya n d r e d u c ee n e r g yc o n s u m p t l o n - w a t e rl o s sd u r i n 2c o m p r e s s i n gw a sa n a l v z e da j l dc a l c u l a t e dm e o r e t i c a l l y s e v e r a l f a c t o r si n f l u e n c e dm em cr e i n o v a lw e r ea l s oa n a l v z e d s u c ha sv e n e e rs u 砬e r o u g h n e s s ， l a t e r a l e x p a i l s i o n e t c m e c h a n i c a i e n e r 2 y w a sc a l c u l a t e d e x p e r i r n e n t a l l ya n dc o m p a r e dw i m 出em e r m a le n e r g va s s u l l l i n g t o e v a p o r a t e s a m ea m o u n to fw a t e lw 色c o u l df i n dm a ts q u e e z i n gi n e m o dr e d u c e dm e m l a l e n e r g yg r e a t ly t h ed r y i n gb e h a v i o ro fc o m p r e s s e da n dc o n t r o lv e n e e rw a sc o m p a r e d t h e d i 骶r e n c ew a sa n a l y z e da n dc o n f i m e d b yp e m l e a b i l i t yt e s t c o m p r e s s i o nm e t h o d c a u s e dm a n yr n j n i c r a c k so fc e l lw a l la n dc r a s h e dm e p i ts t m c t u r eo fw o o dc e l l t h e r e f o r e ， j ti n c r e a s e dm ev e n e e r p e 咖e a b i l i t y f o rh e a r t w o o dv e n e e r i t s p e 册e a b i l i t y i n c r e a s e d2t i n l e s f o rs a p w o o d v e n e e r ，山a ti n c r e a s e d4 0 t h em o ea n dm o rw e r et e s t e da n dt h er e s u l t ss h o wc o m p r e s s i n gm e m o d d i d n o td e c r e a s ev e n e e rn l e c h a l l i c a lp r o p e r t y s od i dt h e5 一p l yp a n e l s b o n d m gt e s t s s h o w e dt h a tc o i i l p r e s s i i l gr n e t l l o dc o u l d i n l p r o v e5 o fp a n e l s b o n d i n gs t r e n g t h a n d p e r c e n t a g e o fw o o df a i l u r e k - e y w o r d s ：v e n e e rd 叫i n g ，p e m l e a b i l i t y b o n ds t r e n g m ，m o r m o e ，p e r c e n t a g e o fw o o df a i l u r e 致谢 本研究的经费主要是由加拿大林产品研究所f o r i n t e k 提供的，其余部分是由我的母 校南京林业大学提供的。在此我要对f o r i n t e k 和南京林业大学表示感谢。 我还要特别感谢我的前任导师，杜同兴教授对我的栽培。正是因为杜教授的支持，学 生我才能够到f 。r i n t e k 完成我的论文。同时杜教授对学生我8 年来无私的关怀也对我的 人生道路产生了巨大的、积极的影响。没有杜教授的帮助，就没有我现在的一切。在此， 我要再一次对我的前任导师表示最崇高的谢意和深深的缅怀。 还要感谢我的现任导师顾炼百教授多年来对我的关心和帮助。在我学生生涯中遇到了 很多热心、负责的老师，不光对我的学业也对我的生活给予了很多的帮助，我也要对他们 表示感谢。也感谢今天在座的答辩委员会的全体老师们。 在论文的完成过程中，f o r i n t e k 的d r c h u n p i n gd a i 和d r b r a dw a n g ，d r h e n q x u ，p r o f c h u n g m i ny u ，p e 七e re n s ，a x e la n d e r s e n ，a n dg e o r g e 也给予了很多的帮助， 在此，我要向他们表示感谢。 在我的内心深处，我要对我父母表示谢意，感谢他们赋予我生命、和思想的翅膀，让 我能有足够的力量和信心来完成论文。还要感谢肖雅真老师给予我的支持和帮助。 最后，我还要感谢我的全体研究生同学陪伴我这三年时间。特别感谢丁涛、严剑、1 三 毅、刘翔等同学陪戎一起度过的美好时光。 另外，本论文的原文是用英文写成的，中文论文是英文文本的翻译，所以论文的格式 上是沿用英文论文的格式和要求，在论文的后面附有英文版本。 作者 桀之， 二零零四年六月十六日 第一章课题概要 l 一1 介绍 压缩木在很久前就已经出现了，对木材加工领域来说它早已不再是个新名词。在2 0 世纪初期的美国，s e a r s 和o l s e n 就已经持有生产压缩木的专利。那时在德国，层积材和 压缩木也有商业化的生产，不过这些产品都被称为“l i g n o f o l ”。当时有很多的研究人员 和学者，像b e r n h a r d ，p e r r y 和s t e r n 就已经做了很多有关层积材和压缩木的力学性能的 实验。胶压木材( c 。m p r e g n a t e dw o o d ) 在美国和德国也有商业化生产，在美国胶压木材 称为“p r e g w 。o d ”，而在德国则被称为“k u n s 七h a r z s c h i c h 七h o l z ( k h s ) ( r m s e b o r g 等 q 4 ) 。 木材的压缩方法也被应用到其他很多方面。像c e c h 和g o u l e t ( 1 9 6 8 ) ”】，他们用辊 压的方法对桦木板材进行挤压处理以改善它的干燥性能。他们发现经过挤压的桦木板材， 用高温干燥的方法进行干燥，它们的干燥质量和未经压缩的板材相比有了很大的提高，干 燥时间缩短，内裂减少，几乎没有发生皱缩。可见，辊压方法可以极大地提高桦木板材的 利用效率，提高了产品的干燥质量。 日本学者通过实验的方法研究了木材的密实化以及木材的液体渗透性能( a d a c h ie t a l2 0 0 3 ”l ，i n e u ee ta l1 9 9 3 “】) 。a d a c h i 研究并且比较了用平压法和辊压法处理板材的 压缩变行行为，他发现两种不同压缩方法的机理是不同的，很明显，辊压法可以造成木材 之间的剪切破坏，而平压法则没有。 澳大利亚学者w i n g a t e h i l l ( 1 9 8 6 ) ”、在实验室条件下对桉木板材进行了挤压脱水 处理。他们发现，用挤压脱水方法可以降低木材在燃烧过程中，因为水分的蒸发而带走的 热能。换句话说，压缩方法可以提高生材的燃烧值。他们的目的之一是为了降低生材的重 量，从而降低运输成本、提高效率( 1 9 8 5 ) “。他们的另一个发现是挤压脱水方法和加热 蒸发的干燥方法相比，可以节省很多的能量( h a y g r e e n1 9 8 一，1 9 8 2 ”】；l i ua n dh a y g r e e n ， 1 9 8 5 ”1 ) 。同时很多的学者也对木材改性方面的研究做了很多的工作。 澳大利亚学者j ly a n g 用压溃细胞壁的方法来减小板材干燥中的皱缩”】。 德国u n i v e r s i t t h a m b u r g 大学研究分析了确定蒸汽处理过程对单板质量特性影 响。松木、桦木和杨木单板用饱和蒸汽在温度1 6 5 一2 0 0 的范围内处理4 m i n ，单板厚度 为o 8 m m ，在处理之前直接测定上述树种单板的质量：干燥和潮湿气候条件下的含水率、 膨胀程度、p h 值、抗拉强度极限和洁白度，在蒸汽处理过程中和终了测定上述指标，可 以确定随着处理温度的提高，单板的质量、含水率、膨胀度将下降。对于松木单板，其质 量的下降与其在o 4 3 o m 范围内的厚度无关。单板初含水率较高时，在蒸汽处理的情况 下，其含水率的下降比初始含水率较小的单板进行处理时要小。当松木的初含水率超过 2 0 ，用饱和蒸汽处理单板时，将导致含水率的上升。单板的初始含水率较高将降低弹性 模量、抗拉强度、膨胀系数和木材的最大膨胀率。桦木、杨木与松木相比，在同样的含水 率条件下将显示出提高的趋势，杨木单板的强度要比松木单板要高”“。 日本学者林和男研究了木材干燥预处理的方法：高含水率板材的预干以及促进干燥的 预处理制材前的原木进行烟熏处理以释放干燥应力；改进干燥的预处理，传统方法为蒸 煮( 气蒸) 以去除纹孑l 中的沉淀物，改善渗透性。目前试验研究有水蒸气爆破法、刻痕、 水存等“”。 物理处理法有横向压缩木材，使纹孔部折曲、闭塞的纹孔龟裂破坏，重复冻结解冻， 消除闭塞的纹孔。木材的组织结构与液体的渗透性用毛细管上升测定的结果表明：木材中 空隙的多少与渗透性无关。与液体渗透有关的木材内部通路是很复杂的，纹孔的闭锁、细 胞腔表面的润湿、抽提物的堆积均为限制因素”“。 和板材的挤压脱水干燥方法相比，单板的挤压脱水干燥方法以及其最终产品的性能几 乎没有人做过系统的研究，因为本课题涵盖木材干燥和人造板两个研究方向。从这一点来 说也是很有意义的。同时，挤压脱水方法本身对速生材单板的干燥也有重要意义。像杨木 ( p 。p u j u s r u i 。j d e 5 ) 单板，这种速生材在北美地区很普遍。一般来说这种木材多被 用作纸浆材，但近年来，越来越多的杨木也进入人造板行业。杨木单板的产量也在逐年增 加。 本课题的重点主要在于挤压脱水方法对单板含水率下降的作用、水分移除的有效性和 压缩所消耗的机械能的测量计算。同时压缩过程中，对木材结构的变化也作了详细的分析 和研究。单板的干燥性质也是本文研究的一个方面，干燥介质和单板本身的性质是影响单 板干燥的两大方面，本文对相关的变量也做了详细的分析。最后，对用两种不同单板生产 的5 层胶合板的力学性质也做了测试和比较，并分析了性能差异的原因。总的来说，本次 研究一定程度上将给速生材单板及其产品的生产带来改进和革新。 1 2 研究的目的 对速生材单板来说，如何进行高效利用是本文的最终目的。为实现这个目的，增强低 密度软材的强度和硬度，改善速生材单板的干燥性能等初步研究就构成了本文的目的和内 容： 1 ，研究压缩条件下，不同含水率杨木( p o p u u s r 锄u 叫d e s ) 单板的应力应变关系。由 此确定一个最佳的生材单板压缩率。研究单板及其最终产品的硬度( m o e ) ，理解胶合 板热压过程中的单板密实化方式。 2 ，研究平板压缩方法对生材单板的水分移除和含水率下降的影响。研究单板的干燥时间。 研究压缩方法对能量节省的程度，并通过数据比较来证实。 3 ，比较压缩单板和对照组单板( 未压缩单板) 的气体渗透性。 4 ，在同样的生产条件下，比较由两组不同单板生产出的5 层胶合板的力学性能。如m o r ， m o e ，胶合强度及木破率。 通过对上述问题的实验研究、分析，我们可以确定挤压脱水方法在木材加工生产过程中的 可行性。 2 1 3 课题研究的重要性 在人们的观念中，为了有效地利用木材资源和切实保护我们赖以生存的森林，我们已 不再大面积砍伐原始森林，而是通过人工种植树木的方法来解决这个矛盾：一方面我们需 要术材，另一方面我们也要保护自己的生存环境。人工种植的树林一般来说经营管理比较 完善，木材的轮作周期相对与自然林来说比较短。也就是说在相对较短的时间内，将有更 多的木材生产出来以满足我们的 j 常? 肖耗。 加拿大的树木种植历史 加拿大是一个木材保有量很高的国家。即便如此，树木的人工种植可追述到1 9 世纪 3 0 年代，当时的p r a i r i e s 地区就有人工种植树木的记载。在2 0 世纪5 0 年代，加拿大政 府对改善人工林树木生产的研究瞧达到了一个新的水平。6 0 年代末和7 0 年代初，很多省 份和工业界一起投入了大量的经费去研究不同的方法加速木材的产量，这些研究一般都以 小规模的林地和靠近林地的木制品生产中心为基地。因为这个时期的能源危机造成了运输 和生产成本的大幅提升。 加拿大的速生材种及其产薰 加拿大的气候和我国有点不同，它的冬季比较漫长，而夏季相对较短。所以只有少数 一些材种适合速生种植。这些速生材的一个共同点就是它们的产量都比较高。最常见的速 生材种是杂交白杨( p 。p u u s r u o 埘e s ) ，这种杨木是本地杨木和非本地杨木的杂交树 种。由于林地土壤的本身性质也决定了某些特定的树种才适合作为速生树种种植。 目前，加拿大杂交白杨( p 。p u u s r 跚u i 。i d e s ) 的平均产量在每年每公顷9 2 5 立方 米左右，具体的产量取决于树木生长的立地条件等因素。在一些比较好的林场，据称木材 生长量可以达到1 5 35 立方米每年每公顷，这个产量远远高于整个加拿大目前平均的木材 生长量，1 7 立方米每年每公顷。纵观整个加拿大，木材的产量很不均匀，这是由于土壤 的条件、气候以及害虫和树木疾病的原因所造成的，同时经营管理的好坏也是影响木材产 量的一个关键因素。 我国的林业状况 在人们的日常生活中，木材扮演着重要的作用。它以其不可取代的优点和功能贯穿 于人类生活的各个方面。木材是一种生物材料，具有再生的特性。木材也是由细胞构成的， 这和人体由细胞组成有点类似，因而在木质环境中，人的感觉是最好的；在人类的发展过 程中，木材也与人类的文化有密切的关系。钻木取火、木质器皿的考古发现都说明了这一 点；木材易于加工、和钢铁相比它有良好的强重比，电绝缘性和热绝缘性好，弹塑性也能 满足工程上的需要，它还能良好地吸收冲击。 随着人们生活水平的提高和社会文明的发展，木材的应用将越来越广，在现代化的 建设中也将发挥更大的作用。 但是从世界范围来看，我国是个少林国家，森林资源严重不足。现在世界森林覆盖率 为2 2 ，而我国才1 3 9 钆两者的差距相当大，我国的森林面积只占世界的4 ，蓄积量不 足世界总量的3 ，人均林地面积和蓄积量分别仅为o ，1 公顷和9 m 3 ，只分别相当于世界人 均水平的1 8 和1 3 矿“。 我国人口众多，木材的消耗量又非常之大。长期以来木材的需求总是大于供给。由于 森林资源结构不合理，林场的林龄结构比例失调，以幼龄赫为主，近期可采伐的很少。特 别是在天然林保护工程实施后，退耕还林，完全停止禁伐区内的森林采伐，大幅度调减一 般生态保护区的采伐量，这就进一步加大了我国的木材供需矛盾，使供需缺口达到了5 9 0 0 万种“2 ”。所以，如何合理有效地利用有限的木材资源，保护现有的森林资源，摆在了我 们面前。 一方面，我们木材科学工作者要提高木材加工和利用的水平。木材干燥是合理利用 木材“，节约木材的重要方法之。因为予燥木材可以防止木材开裂变形，提高木材的力 学强度，而且还能改善木材的工艺性质，有效地防止木材的腐朽和变色。对人造板的加工 而言，经过良好干燥的单板才具有很好的胶合性能。木材干燥是木材加工企业中能耗最大 的工序约占整个企业能耗的4 0 。如何节能也成为一个迫切需要解决的问题。 另一方面，为了缓解木材的供需矛盾，我们要大力发展人工林的种植，1 9 9 3 年的统 计数据表明，我国人工林面积约占全国林地面积的25 1 ：到上个世纪末，我国的人工林 地面积已达3 1 4 0 万公顷，屠世界首位”。 江苏省的速生林状况 江苏省在历史上就是个缺林的省份，全省仅在宜深的丘陵地区有少量的森林资源，更 没有大面积的天然林资源，仅在沿海滩涂和苏北平原有少量的人工林。因为木材原料的缺 乏，制约了我省木材工业的发展。木材加工的生产长期处于落后的地位。由于我省是经济 大省，生活水平较高，所以对木材及木制品的消耗量很大。无论是计划经济时代还是现在 的市场经济时期，木材的消耗主要依靠其他地区的供应。 为了改变我省及我国这种缺乏森林资源的状况，推动人工林的种植，从上个世纪7 0 年代，以王明庥为代表的南京林业大学林木遗传育种课题组，从意大利引进了生长速度快 的意杨。在课题组的具体指导下，苏北的泗阳、宝应等县先后种植南方型杨树获得了成功。 这种国外引进的杨树品种在当地长得又高又大，引起了苏北农民的极大兴趣。一时间，苏 北许多县的农民都开始种植杨树，出现了营造成片林、农田林网以及居住房屋周围围村林 等多种模式。 速生树木材的缺点 尽管速生材的大面积种植缓解了日益增长的木材消费需要，但是对木材工业来说，这 并没有给这个行业带来根本性的改变。原因是人工林的矛中檀虽然满足了纸浆造纸的需要， 但是由于速生材本身的材质比较软，密度比较低，缺乏足够的强度满足木材工业方面的需 要。虽然苏北地区的意杨胶合板的产量很高，但是作为高档次的产品进入市场还有一定的 难度。另方面，低密度木材就意昧着同样的生材体积中包含有更多的水分，这对接下来 的木材干燥工序是有很大影响的，过多的水分必然消耗更多的热量。目前，我国人工栽培 4 的杨树木材中普遍存在着颜色较深、断面形状不规则的湿心材( 又称红心材、黑心材) 。 湿心材与边材不仅材性有显著差异，而且各个部位的木材含水率也大不相同。经测定i 一6 9 杨湿心材内部含水率高达2 4 5 ，边材部分含水率低至7 7 ，这就给杨木胶合板制造带来很 大困难。和国内的杨木相比，加拿大白杨( p 【正u s r e 埘吡。d e s ) 的心材含水率比边材 要低一些，实验中发现心材的含水率在7 0 一8 0 之间，而边材部分的含水率可高达1 5 0 由于心、边材的含水率差异，干燥后单板的含水率依然分布不均匀，由此会引起干燥应力 而造成单板翘曲变形。这样的单板在热压胶合对，由于局部含水率过高而发生舍板鼓包， 由于单板翘曲不平造成合板叠层、离缝以及翘曲变形等缺陷，这也是杨木等速生材用于胶 合板生产的一大障碍。 总结前人的研究成果，可以发现，他们的研究很大程度上是由于能源危机的发生而促 使他们进行相关的挤压脱水干燥的研究，但是他们的研究一直在实木板材的范围内。单板 的挤压脱水干燥方法很少有涉及，国内的相关研究有些涉及到单板的挤压脱水干燥，但是 对能量的消耗、单板的性质和最终产品的品质影响却没有研究。所以本文的研究也是迫切 需要锯决这些问题，那就是水分的移除和哪些变量是有直接关系的? 经过挤压的单板其力 学强度是否降低了? 挤压方法是否真的可以节省能量? 还有一个就是最终的产品，如胶合 板的力学性能有什么样的改变? 力学强度是减小了还是变大了，还是没有变化? 还有一个 重要的问题就是，挤压脱水的方法在实际的生产中，是不是可行的? 最重要的一点就是能 量的问题，虽然在我国的苏北地区，干燥单板是直接用气干的方法进行生产的，但是这一 方面可以节省能源，但是产品的档次却得不到根本性的提高，另一方面，这种生产方式和 气候有很大的关系，天气的好坏直接影响到工厂的生产，这是不利于大规模的社会化生产 的。通过作者的实验研究，这些问题都有初步的结论，同时为了进一步完成这个课题，需 要投入更多的工作。根据研究的目的和研究的重要性，本文的结构如下： 1 4 论文的结构 论文分为4 个部分，每一个部分分别讨论了每一项研究目的 第一部分主要讨论了平板挤压方法的水分移除效果 1 ) 分析了挤压过程中影响水分移除的因素，找出这些因素之间的联系并用数学的方 法表达它们的关系 2 ) 用实验的方法来验证这个数学表达式 3 ) 用实验计算的方法比较能量的消耗，主要是挤压的机械能和蒸发水分所需要的热 能 第二部分着重讨论了单板的压缩机理 1 ) 讨论了木材的解剖构造对木材受压行为的影响 2 ) 实验测量了高含水率和低含水率条件下，单板的压缩弹性模量并分析了两者差异 的原因 3 ) 比较了压缩组单板和对照组单板的动态弹性模量 第三部分讨论了实验室条件下压缩组单板和对照组单板的干燥性能 1 ) 实验测量两组单板对的气体渗透性 2 ) 测量并比较两组单板的干燥时间和于燥速度，并分析差异的原因 3 ) 比较单板厚度方向上的干缩 第四部分主要比较两组单板在实验室条件下生产的5 层胶合板的力学性能 1 ) 弯曲强度实验，测量胶合板的m o r 和m o e 2 ) 剪切强度实验，测量胶合板的胶合强度和木破率 最后，对全文做总结，并考虑了将来还要继续进行的相关实验，很重要的一点就是挤出水 分的处理，也就是挤出的树液如何处理的问题。 6 第二章挤压脱水及能量消耗 2 1 介绍 从木材干燥的角度来说，木材可以看作是由两个部分组成的：一是木材物质，还有一 部分就是木材中的水分。木材物质是由三种不同的物质构成的：一是纤维素，二是半纤维 素，三是木素。通常，木材中的水分也被称为树液，它含有液态水，抽提物和树木生长所 必需的养分，在木材干燥时，通常树液可以简单地认为是的液态水。 木材细胞中的水分 在生材或者湿木材中，水分的多少是很不一样的，这主要取决于木材的种类。但是即 使是同一种木材，由于处于原木内不同的位置，如心材、边材，它们的含水率也是有很大 的差异。对一些特别的树种来说，含水率可高达2 0 0 队上( a d a c h i e ta l2 0 0 3 ) ”1 ，像 前面提到的i 一6 9 杨，它的湿心材内部含水率高达2 4 5 o 水分在木材细胞中以两种方式存 在：一是自由水，二是结合水。自由水存在于木材细胞腔内，而结合水在细胞壁内以氢键 的形式存在于多糖大分子链之间。由此可见，细胞腔中的自由水没有细胞壁中的结合水那 样稳定，相应地，蒸发结合水就要比蒸发自由水消耗更多的能量。 常规干燥方法和挤压脱水干燥方法的比较 木材的干燥的目的就是要把木材的含水率降低到一定的程度来满足随后工序划木材 含水率不同要求的需要。常规木材干燥的方法，如蒸汽加热木材干燥方法，是以热空气或 者蒸汽为媒介对湿木材进行加热以蒸发木材中的水分，达到降低木材含水率的目的。在木 材干燥过程中主要是以三个力的作用驱使水分离开木材，有时这三个驱动力是同时作用的 ( s i a u1 9 8 4 ) “： 1 ) 毛细管作用促使自由水通过细胞腔和细胞壁上的纹孔移动 2 ) 由于相对湿度的不均促使水蒸汽以扩散的方式通过细胞腔。这种驱动力促使水分 从相对湿度较高的区域向相对湿度较低的区域移动，在这个过程中，细胞壁是水 蒸气的主要来源，换句话说，水分从细胞壁被蒸发进入到细胞腔 3 ) 由于木材中含水率梯度的存在，促使结合水以扩散的形式通过细胞壁。水分从高 含水率区域向低含水率区域移动。一般来说，任何一个水分予以扩散的方式移动， 它必然要经过不同的细胞腔和细胞壁。水分可以从细胞壁蒸发进入细胞腔，通过 细胞腔，被对面的细胞壁吸附，然后以扩散的方式通过细胞壁，并一直重复这个 过程，直到这个水分子到达木材的表面。 和常规的木材于燥方法相比，挤压脱水于燥方法是完全不一样的。它主要是通过挤压 木材细胞，使木材细胞腔的容积减小到一定程度，而通常情况下这个细胞腔正是自由水、 水蒸汽及空气的容器。在外力作用下，当细胞腔的容积降低到一定程度时，它将无法再保 持住它原先所容纳的自由水，部分自由水就被挤了出来。正因为是这个原理，挤压脱水方 法所脱掉的水一定是自由水。木材是多孔性材料，其外型体积由细胞壁物质及孔隙构成。 7 这些孔隙包括木材细胞腔、胞间隙、纹孔腔和纹孔膜上的微孔等永久孔隙。而这些孔隙也 正是挤压过程中自由水的通道。另一方面，挤压过程中的水压也会使单板破损，从而形成 更多的水分移动通道。 国外很多学者对挤压脱水也进行过研究。h a y g r e e n 和l i u ( 1 9 8 1 ，1 9 8 2 ) ”2 发现挤 压脱水的方法比加热于燥方法更加有效。c u n n i n g h a m 和w i n g a t e 一毗l l ( 1 9 8 6 ) ”1 做，大 量的实验，他们对四种不同木材的边材板材进行挤压脱水实验发现，木材初含水率、挤压 速度、样品的厚度是和挤出水分多少、消耗的机械能是有关系的。木材的初含水率、木材 材种和木材的比重、体积应变量、挤压速度和样品的纹理方向都会影响单位体积的出水量， 而样品的厚度不影响单位体积的出水量。针叶材由于本身的密度较低而且材质较软，和密 度相对较高的阔叶材相比，在同样的应力水平下，针叶材的变形比阔叶材大得多，因此也 相应地能挤压出更多的水分；在同样的应力水平下，较湿的木材要比较干的木材挤出更多 的水分。同时，挤压速度越慢，挤出的水分也越多。弦向可以比径向挤出更多的水分。因 此，以较慢的速度弦向挤压高含水率、低比重的木材所产生的效益是最高的。因为消耗同 样的机械能挤压木材能挤出更多的水分。他们认为这个研究最有价值之处在于挤压那些作 为燃料使用的高含水率针叶材，这个方法可以大幅度地降低木材燃料的初含水率。 a d a c h i 等人( 2 0 0 3 ) ”就在实验室条件下用一对压辊挤压高含水率板材，用这种机械 的方法挤压脱水。在这种条件下，他们发现，挤出水分的多少和压缩量的多少是有关系的。 在当木材压缩到原来体积的6 0 的时，4 d o k g m 3 将被挤掉。辊压效果不取决于板材尺寸的 大小、挤压程度、及进给速度。辊压后的板材含水率在长度方向上的分布和挤压前相比， 变得比较均匀。 上述的实验都用到了饱和木材样品，也就是说，木材样品用水浸泡以达到饱和，这时 的木材含水率可以达到最高值。换句话说，这时候木材中所有的孔隙都被水填满。他们的 做法是把木材样品放人一个密封的容器，加入足够的水，使木材完全沉入水中，再对容器 进行抽真空处理，时间为不少于6 小时。这时木材中的空气将被排出，水分将进入到原先 空气所占的孔隙中( c u n n i n g h 锄等1 9 8 6 ) ”】。在实际的工业条件下，即使是刚砍伐的木 材，它们的含水率也不是完全饱和的，而总是要比饱和含水率低，也就是说一般的生材木 材细胞腔中还包含有空气或者水蒸气。所以a d a c h i 他们认为木材在饱和的条件下，当l m 材积的木材被压缩到o 6 m 3 材积时，理论上说将有4 0 0 k g 的水分挤出，不管木材的密度或 者比重是多少。 在不同的应变水平下、对不同比重或者不同密度、不同初含水率的杨木( p p p u j u s r 一“i o i d e s ) 单板进行挤压脱水处理，被挤出的水分量或者含水率的下降是可以通过理 论分析并计算出来的，然后可以通过实验的方法来验证这个结论。在单板的垂直纹理方向 压缩条件下，虽然本章的目的是阐述挤水的过程，但这个过程还是要牵涉到木材压缩机理 方面的问题。 木材作为一种自然的多孔性材料来说，当受到垂直纹理方向的外力，而且当外力增加 到一定程度时，木材会表现出很独特的力学现象。因为木材是可以被看作一种蜂窝材料。 我们可以看到一个独特但是比较完整的木材变形过程，那就是：初始细胞壁的线性弯曲变 形，非线性木材多孔结构的坍塌，和最终细胞壁结构的密实化( d a i1 9 9 3 ) 一。 在压缩变形的第一个阶段，对本文研究的杨木( p d p u i u s r 鲫u i d 妇e s ) 单板来说， 应变的范围在。一o 1 之间，也就是说在这个阶段木材细胞腔不会发生很大的变形，细胞壁 处于弹性范围内。如果单板的初含水率小于饱和含水率，那么在外力的作用下，就可能挤 不出水分。在压缩变形的第二个阶段，细胞壁的坍塌阶段，在外力作用下单板的厚度方向 就会有较大的应变，也就是细胞腔的容积会减小到一定程度，这个阶段是有可能挤压出水 分的，只要单板的初含水率足够高。当第三个阶段，也就是细胞密实化阶段开始时，在木 材细胞内和细胞之间还是存在微小的孔隙的，在这一阶段，将会有可观的水分被挤压出来。 但是和前两个阶段相比，发生同样的变形将需要很大的外力。 所以我们在挤压单板的过程中也要研究木材细胞的压缩机理，找出并且划定三个木材 细胞壁变形阶段的大体位置，找到最大的细胞壁坍塌应变，也就是细胞壁密实化的开始点。 理论上说，这个点是个临界点，在这个点之前，应力几乎保持不变，过了这个点后应力将 会突然升高，也就是说，在这个点挤压单板是最经济的，同时有不至于对木材细胞壁产生 很大的破坏和密实化。 9 2 2 木材细胞中的全部水分 只有当细胞壁和细胞腔中所以的孑l 隙都充满水分时，理论上说这时木材的含水率将达郅最 高值。也就是木材的饱和含水率。如果木材的比重相对较离，那么细胞腔的总容积就相对 要小一些，那么这种木材的饱和含水率就会受到限制，不会到达一个很高的值( s i m p s o n 1 9 9 3 ) 。它们的关系可以用下面的公式来表示。 钏一等 这里， 纪一是木材的饱和含水率 g 。是木材物质的比重，数值大约等于1 5 4( s k a a r1 9 8 8 ) ”9 g 是木材的比重 下面就是这个公式的推导过程。 根据木材饱和含水率的定义，我们就可以列出下面的数学表达式 蟛c 。 ：坠二竖! 兰2 ： 1 0 0 这里， k 生材的总体积，单位是( c m y 。是木材物质的总体积，单位是 c m ) _ d 。是水的密度，值是( 1 9 c m 3 2 2 是炉于木材的重量g ) 因为水的密度是l g c m 3 ，所以式( 2 2 ) 数值上可以变成式( 2 3 ) = 半删 m 。， 等式右边的分子分母同除以匕。，得 l o 咎枷。 v 。m 等式右边的分子分母同乘以，得 ：等班川。舰3 1 素萨埘0 0 ， ：! 丝篓：。 ( ) w 。 因为g 。：曼丝：孚咝，p 。：l g ，c m ，所以数值上， p 。_ p 。 ：鱼兰兰二坠1 0 0 吼x g 。 又因为g e 2 毒，p w 叫g 一3 ，所以= 瓯k ：鱼兰羔二鱼兰蔓1 0 0 皖噱g 。 ：g 二鱼婴 g 。g 6 ：f 1 一旦、塑 g 。7 瓯 或者上式可以表示为 慨，邓一急，等 g 。= 2 4 式( 2 4 ) 就表示了一块板材所能达到的大致最高含水率。利用这个关系式也可以对上面 学者所选用的饱和含水率木材进行验证，它可以证实实验过程中用的板材是不是达到了最 高含水率。 对单板的挤压脱水干燥来说，式( 2 4 ) 的作用是明显的。但是前提条件是，当单板 l l 处于压缩状态时，当两块压板之间的距离达到一给定值时，单板达到饱和含水率或者接近 饱和含水率。基于这样的假定，我们就可以计算任意给定的初含水率的单板，在挤压过程 中水分的下降值。而这个前提条件是当应变达到一定的数值时，木材细胞腔完全被液态水 填满。 所以，我们可以假设单板的初始含水率是膨e ，那么单板所含的全部水的重量就是 肘c j ，同样的道理，我们可以知道，挤压脱水后单板所含有的水分重量就是 m c ，所以被挤出的水的重量耻就可以用下式表示 瞰= 警卅一函等急 又因为 m e ：兰堕1 0 0 ，所以式f 2 5 ) 变为 肌 一 比# ( 一) 一( 1 一惫) 壶 。k 一一毒+ 怒 瓯= 争，：匕( 1 一 所以彬2 睨一一k ( 1 一c 固+ 法 又因为 m c ，：墅当1 0 0 1 0 0 x w w ：= 面蔬 式( 2 5 ) 变为 。1 0 0 + 肘c 比= x 罴器一纠，一锄) 这里睨是生材单板的重量f 口) k 是生材单板的体积( c m 1 2 ( 2 6 匕。是挤压后单板的体积， c r 是体积压缩率( g 。压缩后单板的比重，( g 。为压缩前的比重，压缩前后木材体积发生了变化) 从式( 2 6 ) 我们可以得出，如果单板的初含水率、生材单板的原始重量和挤压时的压缩 率，这三者是已知的，那我们就可以估计出每一张生材单板经过挤压，所能够挤出水分的 重量。 理论上说，我们可以用式( 2 6 ) 计算挤压过程中的出水量。但是在实际的操作过程 中，有很多的因素会影响出水量的多少。最主要的一个因素就是是否能及时吸掉已经排出 并聚集在单板表面的水分。 对式( 2 6 ) 的应用方法如下： 如果单板的初含水率为1 5 0 ，就把数值1 5 0 代入式( 2 6 ) ；如果体积压缩率为7 5 ， 就把数值o 7 5 代人式( 2 6 ) ：y ，和w 。数值的代人要保证它们原始单位的统一，如果v 。的 原来单位是c m 3 ，那么阢的单位应该是g 。经过大量的实验后，作者发现，为了达到比较 明显的挤水效果，必须对生材单板的初含水率和挤压的体积压缩率作一定的限制。生材单 板的初含水率不小于13 0 ，压缩率不低于6 0 初始含水率越高、体积压缩率越高，挤水 的效果就越明显。 根据式( 2 6 ) 的结果，我们再做下面的推论，当木材细胞处于一定的、足够的压缩 应变值时，水分被挤出的量一定是最小值。在这个应变水平下，根据先前的假设，木材细 胞腔是完全充满液态水的。如果实际的操作过程中，这个假设是不成立的，也就是说在这 个应变水平下，木材细胞腔并没有完全被液态水饱和，也就是说，木材细胞腔中还有部分 的空气或者水蒸气，那么在这样的状态下，实际的水分挤出量要超过式( 2 6 ) 计算的出 水量。而这种情况也正是我们挤压脱水干燥所期望的：更多的水被挤出。 2 3 材料和方法 单板的旋切和小试样的选取 1 ) 从一根2 米长，直径约为3 0 c m 的白杨木l p 。p u i u sc r 鲫u i 。d e s ) 截取2 段长度为3 6 c m 的木段 2 ) 分别旋切两木段，单板的厚度为3 2 m ，沿单板带长度方向，截取3 5 3 5 m 的正方形 单板试样，挑选出没有生长缺陷和开裂的高质量单板，并从木芯到边材给选出的单板 编号，并装入塑料袋以备后用。 3 ) 从选出的高质量单板中，从心材到边材选出l o 张单板；从每张单板中，锯出1 0 个大 小为2 0 2 0 m m 的小单板试样。分别用1 0 个塑料袋密封取出的小单板试样，在塑料袋 编上和其对应的单板号码。 4 ) 在两木段旋切下的单板中，选取高含水率的边材单板放入另外的塑料袋中，并密封以 防止水分蒸发。所有的样品都放入冰箱储存。 在取样的过程中要特别小心，以防止单板样品内及单板样品之间有太多的差异存在， 单板都是从一根原木上取出来的，而且取出的单板没有节子、腐烂、开裂等缺陷。 实验数据的收集 在进行小单板样品挤压实验前，每个小单板样品的长度、宽度、厚度都重新测量并记 录下来。同时记录下的还有每个小单板试样的原始重量、挤压后重量、绝于重量。记录小 单板试样的挤压厚度、挤压后2 4 小时厚度、绝干厚度。 对35 c m 见方的大单板而言，挤压组大单板原始厚度和原始重量、挤压后重量、挤压 后2 4 小时厚度和绝干重量、绝干厚度也要测量并记录：对照组单板的原始重量、原始厚 度、绝干重量、绝干厚度也测量并记录。 挤压实验 小单板试样的挤压实验： 根据上述的取样方法，小单板样品的总数是1 0 0 。它们的含水率是从心材到边材分布不尽 相同。挤压的设备是i n s t r o n 万能实验机( 见图片2 1 ) ，设定挤压头的下降速度为2 m m i n ， 最大的载荷为1 0 0 0 k g f 。在挤压过程中，载荷和挤压头的位移会自动记录下来。 大单板试样的挤压实验： 大单板试样的挤压是用平板挤压的方法。挤压设备是f o r i n t e k 新产品工厂的小型压机( 见 图片2 2 ) 。为了更好地挤出水分，并尽量防止挤出的水分在压板打开的时候再度被回吸 到单板中，我们在单板的上下表面各放了一层2 m m 厚的金属网( 见图2 8 ) 。当单板中的 水分被挤出的时候，水分就会沿着金属网流到压板上，部分水分也会保留在金属网中。每 次挤压结束后，把挤出的水收集起来装入玻璃瓶中，以供将来的水处理实验用。通过小单 板试样的挤压实验，我们选取6 0 的压缩率作为大单板的挤压压缩率。为了达到并保证6 0 的压缩率，我们在金属网之间放人4 块厚度规( 金属块) 。当压缩时，压板的闭合速度保 持一定，当达到目标厚度时，保持3 0 秒让水分充分挤出。 1 4 2 4 结果和讨论 小单板试样挤水 一般来说，小单板挤压时，由于上、下表面都被密封，水分无法通过上、下表面流出， 出水的途径就是小单板纹理方向的管胞，所以在实验过程中，可以发现小单板的两端( 长 度方向) 有很多水分排出的，侧面的排水几乎未见，这也是符合木材的水分移动规律的： 细胞长度方向的水分移动要比垂直方向的水分移动容易得多。和先前作者在南京林业大学 木材干燥实验室用辊压脱水的实验相比，辊压法中，单板的出水途径也是纹理方向出水， 但是只是进给方向的那头和进给方向的单板表面出水，而另外一头是没有水分挤出的。 在实验的过程中，我们发现很多的小单板试样，在限定挤压载荷1 0 0 0 k g f 的条件下， 它们的应变量几乎在o 7 一o 8 之间。在处理数据的时候选取了o 7 的应变量作为分析，因 此根据式( 2 6 ) 理论上挤出水分的重量就是单板原始重量、原始体积、和初含水率的函 数了。在实验中挤出水分的实际重量如图2 1 所示，它显示了在不同的含水率条件下，理 论和实际的水分挤出量之间的差别。而图2 2 表示了部分小单板试样挤压前后的含水率变 化。 从实验数据可以发现，当小单板试样的含水率低于1 1 0 时，理论计算值和实际测量值 之间有比较大的差别，当含水率超过1 3 0 时，两者之间的差别就要缩小很多。 对木材来说，在受到垂直纹理方向的压缩时，还有一个“侧面膨胀”现象。也就是 说在压缩的时候，单板宽度是变大的，泊松比不等于零。这种现象被称为“侧面效应” ( k a s a l 1 9 8 9 ) 。当小单板试样的上、下两个面被限制住时，侧面的变形可以用一根抛物 线来表示( 见图2 7 ) 。 一方面，在实验过程中，i n s t r o n 万能实验机记录的数据只是挤压头的位移，通过换 算，得出的值也只是单板厚度方向上的应变量。为了计算方便，我们只是把这1 、厚度方向 应变量代迸了式( 2 6 ) 来计算理论出水值，但是要求代入的应该是单板的体积压缩率。 如上所述，由于“侧面效应”的存在，计算确切的体积压缩率是有一定难度的，但是根据 小单板试样的尺寸测量，可以估计“侧面效应”对体积压缩率的贡献值在5 左右。也就 是说，当厚度应变量达到7 0 时，小单板的实际体积压缩率由于“侧面效应”的影响而小 于7 0 ，实际的量在6 5 左右。 另一个方面，由于小单板试样的表面非常粗糙，测量原始厚度时，表面粗糙度也是计 算在单板厚度内的，在压缩时，这部分的厚度值也被计算进去了。实验数据表明，