楊木生長較快 ,適應(yīng)性強(qiáng) ,是我國三大速生豐產(chǎn)樹種之一 ,在我國北方地區(qū)被廣泛種植。但楊木具有密度低 ,材質(zhì)軟 ,干燥易皺縮等缺陷 ,使其高附加值利用受到嚴(yán)重制約。長期以來 ,楊木主要被應(yīng)用于膠合板 、細(xì)木工板及運(yùn)輸包裝材料等低附加值產(chǎn)品的制造。宜家作為全球最大的家具供應(yīng)商 ,在楊木的實(shí)木高附加值利用方面開展了富有成效的研究工作 ,特別是較好地解決了楊木干燥易皺縮的難題。筆者在闡述木材皺縮機(jī)理的基礎(chǔ)上 ,提出了避免楊木干燥過程 中出現(xiàn)皺縮的技術(shù)措施 ,并提供了成熟的楊木干燥基準(zhǔn) ,以期為實(shí)際生產(chǎn)中楊木干燥過程控制 ,楊木實(shí)木高附加值利用提供參考和借鑒。

1  木材皺縮機(jī)理皺縮

    亦稱塌陷 ,是指木材在干燥過程中由于水分移動(dòng)過快 ,所產(chǎn)生的水分蒸發(fā)張力使細(xì)胞潰陷而引起的不規(guī)則收縮。皺縮不同于木材干縮。干縮發(fā)生在木材干燥過程中的吸著水蒸發(fā)階段 ,是 因?yàn)榧?xì)胞壁非結(jié)晶區(qū)域吸著水減少時(shí) ,細(xì)胞壁 內(nèi)微纖絲 和微纖絲 或者微膠粒與微膠粒 之間相互靠攏 ,造成細(xì)胞壁變薄 ,導(dǎo)致整個(gè)細(xì)胞體積收縮 而皺縮是木材細(xì)胞壁不規(guī)則的局部向細(xì)胞腔 內(nèi)凹陷 ,整個(gè)細(xì)胞變得窄小 ,呈扁平狀 、不規(guī)則狀態(tài)。嚴(yán)重皺縮時(shí) ,細(xì)胞壁上會(huì)出現(xiàn)開裂。
    關(guān)于木材皺縮的機(jī)理 ,不同學(xué)者提出了不同的點(diǎn)。但絕大部分學(xué)者認(rèn)為 ,木材在干燥過程中 ,細(xì)胞腔內(nèi)自由水蒸發(fā)后在細(xì)胞腔 內(nèi)形成真空 負(fù)壓 ,使得木材細(xì)胞內(nèi)外存在一定程度壓 力差 ,當(dāng)該壓力差所產(chǎn)生的細(xì)胞壁壓力大于木材細(xì)胞壁 的橫紋抗壓強(qiáng)度時(shí) ,致使木材細(xì)胞潰陷 ,從而產(chǎn)生皺縮

    因此木材細(xì)胞發(fā)生皺縮需要具備兩個(gè)條件 ,即自身?xiàng)l件和外部條件。自身?xiàng)l件表現(xiàn)在木材的滲透性較差 ,干燥過程中能產(chǎn)生較大的毛細(xì)張力 ,且該張力完全作用于木材細(xì)胞壁。外部條件體現(xiàn)在木材蒸發(fā)細(xì)胞腔內(nèi)自由水時(shí) ,水分子有足夠大的內(nèi)能 ,產(chǎn)生足夠大的水分蒸發(fā)張力。而決定水分子內(nèi)能的最根本性因素是溫度。因此 ,從外部條件來看 ,干燥介質(zhì)溫度越高 ,發(fā)生皺縮的機(jī)遇就越大。
    當(dāng)具有皺縮 自身?xiàng)l件的木材 ,遇 到外部條件的干燥環(huán)境 ,皺縮就產(chǎn)生了。也就是說 ,含水率較高的易皺縮木材 ,在較高的干燥溫度條件下 ,便會(huì)發(fā)生皺縮。

2   楊木干燥皺縮控制技術(shù)
2.1  楊木皺縮規(guī)律及其控制措施
    楊木皺縮規(guī)律實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn) ,楊木皺縮的宏觀表現(xiàn)是板材表面呈現(xiàn)不規(guī)則的局部凹陷 ,并使橫斷面成不規(guī)則形狀。在寬度方向上 ,已皺縮區(qū)域和相鄰的無皺縮 區(qū)域有明顯的高低不平的臺(tái)階 ,而不是緩慢的過渡 。有時(shí) ,在皺縮區(qū)域和無皺縮區(qū)域的交界處還會(huì)出現(xiàn)明顯的裂紋在長度方向上 ,皺縮往往會(huì)沿著木材的紋理方向在縱向上延伸,形成一條凹陷的長溝 其長度甚至可達(dá)幾十厘米 在厚度方向上 ,當(dāng)將已皺縮楊木板材鋸開時(shí) ,發(fā)現(xiàn)其皺縮及臨近區(qū)域經(jīng)常存在較嚴(yán)重 的內(nèi)部開裂 從皺縮區(qū)域來看 ,皺縮不會(huì)發(fā)生在板材的邊緣部位 ,而是發(fā)生在板材的中間區(qū)域。
    整體來看，相對(duì)于正常樹干材而言 ,楊木邊材和樹梢材更容易發(fā)生皺縮 。同時(shí) ,已經(jīng)皺縮的板材往往會(huì)伴有明顯的翹曲 、變形缺陷。

2.2   楊木皺縮的控制措施通過 述理論分析可知 ,在楊木干燥過程中 ,只要合理控制好導(dǎo)致皺縮 發(fā)生 的兩 個(gè)條件中的一個(gè) ,就能有效避免皺縮的發(fā)生 筆者通過 多年的生產(chǎn)實(shí)踐研究發(fā)現(xiàn) ,只要采用以下技術(shù)措施對(duì)楊木的干燥過程進(jìn)行嚴(yán)格的控制和管理 ,完全 可以在滿足企業(yè)對(duì)干燥速率要求的前提下，,防止皺縮缺陷的發(fā)生 ,獲得很高的干燥質(zhì)址 ,取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
 

2.2.1  干燥預(yù)處理 已有的研究表明 ,對(duì)易皺縮木材進(jìn)行蒸汽處理 、熱水浸泡 、預(yù)凍處理 ,能在一定程度上破環(huán)木材的紋孔結(jié)構(gòu) ,改變木材微觀構(gòu)造 ,提高其流體滲透性 ,避免 干燥初期因自由水遷移造成的較大毛細(xì)張力 ,從而緩解甚至防止皺縮缺陷的發(fā)生 。筆者曾對(duì)楊木濕材在干燥前進(jìn)行過浸泡處理。發(fā)現(xiàn)在相同干燥工藝條件下,浸泡過的楊木發(fā)生皺縮的程度相對(duì)較輕。

2.2.2  預(yù)干處理 從皺縮發(fā)生的外部條件來看 ,要避免皺縮缺陷的出現(xiàn) ,就必須降低楊木干燥初期的溫度 ,從而降低因 自由水遷移所導(dǎo)致的毛細(xì)張力 。在實(shí)際生產(chǎn)過程中 ,可以從兩方面加以解決 一是對(duì)初含水率很高的楊木 ,進(jìn)行充分地 自然 干燥 ,降低入窯時(shí)木材初含水率 二是在窯于初期,選用較低溫度的干燥基準(zhǔn)。在板材裝入干燥窯之前 ,對(duì)楊木濕材進(jìn)行充分的自然干燥是一種比較經(jīng)濟(jì)、有效的辦法 。楊木家具廠家可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c(diǎn) ,通過合理的安排生產(chǎn)和儲(chǔ)備原材料 ,來實(shí)現(xiàn)板材的自然干燥 ,使楊木入窯初含水率控制在25%以 下,從而大幅減少干燥過程中皺縮缺陷的發(fā)生。

2.2.3  采用合適的干燥基準(zhǔn)合適的干燥基準(zhǔn)是確保于燥質(zhì)址。提高干燥效率 、降低干燥成本的重要技術(shù)保障 一針對(duì)楊木易皺縮的特點(diǎn) ,
在制訂干燥基準(zhǔn)時(shí) ,需要考慮在 于燥初期 ,當(dāng)木材含水率較高時(shí) ,采用較低的干燥溫度和適 當(dāng)?shù)臐穸?,降低水分子蒸發(fā)時(shí)產(chǎn)生 的作用于細(xì)胞壁上的毛細(xì)張力。而在干燥后期 ,
即在木材吸著水蒸發(fā)階段 ,為確保干燥效率 ,可適當(dāng)提高干燥介質(zhì)溫度 ,從而加快楊木干燥速率。經(jīng)過 多年的實(shí)驗(yàn) 及生產(chǎn)實(shí)踐 ,筆者總結(jié)出了楊木 的優(yōu)化干燥基準(zhǔn) (見表1)
   

                                      表1     46mm 厚楊木的干燥基準(zhǔn)

             含水率 （%）          干球溫度（ ℃ ）          濕球溫度 （℃ ）         干濕球溫度差 （℃）

                    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

    對(duì)于以上干燥基準(zhǔn) ,有幾點(diǎn)需要說明:
    1）該基準(zhǔn)的特點(diǎn)是楊木板材含水率在纖維飽和點(diǎn) 以上時(shí)干燥溫度一直較低 。這就有效地避免了引發(fā)皺縮的外部條件 后期干燥溫度較高 ,是為了提高干燥度。                                       

    2）雖然該基準(zhǔn)干燥初期溫度較低 ,但干濕球溫度差較大 ,濕度較小 ,這就有效地避免了楊木發(fā)生霉變的可能。正因?yàn)檫@樣 ,該基準(zhǔn)需要有較大的排濕窗口 。生產(chǎn)實(shí)踐表明 ,該基準(zhǔn)要求干燥窯的容量每 100m³楊木濕板 ,所配備的排濕窗口不應(yīng)少于4m² 。

    3)該基準(zhǔn)后期的溫度升高很快 ,這對(duì)整個(gè)干燥窯內(nèi)的楊木含水率的均勻性要求較高。

2.2.4    規(guī)范干燥過程的控制在干燥過程中 ,為避免楊木皺縮缺陷的發(fā)生 ,很重要的一點(diǎn) ,就是要保證干燥溫度和楊木含水率相適應(yīng) 。因此 ,在整個(gè)干燥過程中,加強(qiáng)對(duì)干燥窯內(nèi)板材含水率的均勻性及干燥速率的控制就顯得尤為重要 在楊木的實(shí)際干燥過程中 ,特別需要注意以下幾點(diǎn)：
  1）干燥設(shè)備的檢查
    為使干燥時(shí)干燥窯內(nèi)不同部位的板材具有基本相同的干燥速率 ,在裝窯前 ,要仔細(xì)檢查干燥窯的加熱系統(tǒng)和空氣循環(huán)系統(tǒng) ,確保它們處于良好運(yùn)行狀態(tài)。以保證干燥過程中,介質(zhì)溫度、循環(huán)風(fēng)速分布均勻。

   2）板材初含水率基本一致
    為保證干燥質(zhì)量和干燥速率,同一干燥窯內(nèi)的板材初含水率差別不宜太大 ,一般不應(yīng)超過15%。否則 ,如果板材入窯初含水率差別過大 ,干燥后期 ,干燥溫度升高,個(gè)別初含水率較高的板材含水率還依然很高。這樣便會(huì)因?yàn)闈癜鍡钅居龅礁稍锔邷?,而發(fā)生皺縮缺陷。   

    3)合理堆垛
    工廠應(yīng)合理地組織安排好干燥車間的生產(chǎn)任務(wù) ,使裝入到同一干燥窯內(nèi)楊木板材的厚度是相同的 同時(shí)為了保證氣流順暢 ,所使用的墊條的厚度也應(yīng)該相同 前后材堆之間應(yīng)保持一定的距離 ,以防止把空氣通道堵死 ,該距離一般不少于10cm 。

    4)充分的預(yù)熱處理過程 。
     在干燥開始時(shí) ,一定要有很好的預(yù)熱處理過程 ,使干燥窯內(nèi)各個(gè)部位的楊木濕板材都能充分均勻地?zé)嵬?。特別是板材中心的溫度不應(yīng)低于基準(zhǔn)的設(shè)定值。盡量減小在干燥過程 ,溫度梯度和含水率梯度相矛盾的問題。從干燥勢(shì)的角度來保證含水率均勻地下降。

    5)加強(qiáng)干燥初期介質(zhì)濕度的控制
    如前文論述 ,在干燥過程中為避免楊木發(fā)生皺縮缺陷,在含水率較高的干燥初期階段 ,采用較低的干燥溫度。但這樣的條件 ,非常適合霉菌在楊木上生長 ,所以此時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)干燥窯內(nèi)濕度的控制。在保證楊木不發(fā)生表裂的情況下 ,可以適當(dāng)降低干燥窯內(nèi)的空氣濕度。通過控制濕度來控制霉菌的生長。如若不然 ,濕度過大 ,而溫度又不高,楊木必然會(huì)發(fā)生霉變。

    目前,國內(nèi)有些干燥窯廠家提供的干燥設(shè)備 ,在設(shè)計(jì)時(shí)是為了使用高溫干燥基準(zhǔn) ,因而排濕窗口較小。這樣在使用初期溫度較低的基準(zhǔn)時(shí) ,就有一定的局限性。眾所周知 ,同樣體積的濕空氣 ,溫度越高，其濕容量越大 ,即容納水分的能力越強(qiáng) 。所以 ,小排濕窗口的干燥窯對(duì)于高溫干燥基準(zhǔn)來說影響并不大。但對(duì)于初期溫度較低的干燥基準(zhǔn)來說 ,會(huì)因?yàn)闈衿荒芗皶r(shí)排出,溫度又較低 ,適合霉菌的生長 ,會(huì)造成楊木的霉變。

    6)強(qiáng)化干燥過程中楊木含水率的監(jiān)測(cè)
    在干燥過程中,應(yīng)保證含水率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性 ,注意對(duì)窯內(nèi)楊木板材含水率的跟蹤檢測(cè) 。在確保干燥板材的含水率全面下降后方可按干燥基準(zhǔn)升高相應(yīng)的干燥溫度。如檢測(cè)不全面 ,干燥窯內(nèi)仍然有含水率較高的板材而沒有被檢測(cè)到 。那么干燥后期溫度升高 ,干燥緩慢 、含水率偏高的那部分板材 ,就會(huì)因?yàn)?自身含水率較高 ,外界干燥溫度也較高 ,而發(fā)生皺縮缺陷。

3  皺縮楊木的恢復(fù)
   為使皺縮的楊木恢復(fù)外形尺寸，減少因皺縮缺陷造成的木材損失 ,筆者曾對(duì)已經(jīng)皺縮的楊木在干燥過程結(jié)束前進(jìn)行過24h的蒸汽處理。觀察發(fā)現(xiàn) ,經(jīng)過處理之后 ,皺縮區(qū)域的長度沒有明顯的變化；皺縮區(qū)域的寬度和深度有一定程度的減輕；皺縮造成表裂和內(nèi)裂的縫隙變化較為明顯 ,有些裂隙甚至肉眼難以發(fā)現(xiàn)。但是 ,經(jīng)驗(yàn)表明這種經(jīng)過處理過的楊木不適合用來制作家具 ,會(huì)造成成品家具的開裂。
4 結(jié)束語
    1）在常規(guī)干燥過程中為避免楊木皺縮 ,比較經(jīng)濟(jì)而又有效的辦法就是合理地安排好原材料儲(chǔ)備和干燥車間的生產(chǎn)任務(wù) ,在楊木裝入干燥窯之前 ,能充分地進(jìn)行自然干燥 ,使裝入干燥窯初含水率在25%以下；

    2）對(duì)濕楊木進(jìn)行干燥時(shí) ,在含水率較高的干燥初期階段要采用低溫干燥 。同時(shí)控制好干燥窯內(nèi)的相對(duì)濕度不要過高 ,以免楊木發(fā)生霉變；

    3）在干燥后期可以適當(dāng)?shù)靥岣吒稍餃囟?,以提高干燥速度 ,楊木不會(huì)因此而發(fā)生皺縮；

    4）整個(gè)干燥過程中應(yīng)規(guī)范控制操作過程 ,保證整個(gè)干燥窯內(nèi)的含水率均勻地下降皺縮楊木的恢復(fù)。