(南京林业大学家居与工业设计学院，江苏 南京 210037)

由于我国经济的快速发展，国内天然林木材远远不能满足应用需求，加上国外对出口木材的控制，人工林实木化利用迫在眉睫。人工林尾巨桉(Eucalyptusurophylla×E.grandis)由尾叶桉树与巨桉树杂交而成[1]，广泛分布于我国两广地区。其林木种植面积大、生长快、材质较好，具有重要的开发潜力[2]。木材材性对木制品的结构及加工影响较大[3]，而木材干燥能够提高其材性及加工性能。

尾巨桉木材干燥的难点在于控制其皱缩。皱缩产生的主要原因是自由水迁移产生的表面张力，而预冻处理[4]、冷冻干燥[5-6]和超临界干燥[7-9]能够消除表面张力。温度是导致皱缩产生的另外一个重要因素，一些低温干燥技术[10-12]在尾巨桉木材干燥上具有一定的应用潜力。

干燥过程中由于水分的脱除木材将产生收缩，过度收缩将导致木材变形或开裂，研究木材干缩规律和特性是制定干燥工艺和控制干燥过程的关键[13]。以尾巨桉为试材，研究其在低温条件下干燥收缩规律和特性，为尾巨桉低温干燥工艺的开发提供实践保证。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

速生林尾巨桉木材，产自广西。原木采伐后立即加工成1 000 mm(L)×30 mm(T)×30 mm(R)及1 000 mm(L)×20 mm(T)×20 mm(R)规格方材，用塑料薄膜密封包裹后放入冰柜冷藏保存。

1.2 试验设备

海尔冷柜(BC/BD-518HD，青岛海尔股份有限公司)；鼓风干燥箱(DHG-905386-Ⅲ，上海新苗医疗器械制造有限公司)；佳能扫描仪(CanoScan LiDE 700F)；电子天平(FA2004，0.001g，上海精密仪器有限公司)；数显游标卡尺(日本三丰，0.01 mm)；直尺及其他辅助工具。

1.3 试验方法

1.3.1 尾巨桉基本材性测量

将规格为1 000 mm(L)×20 mm(T)×20 mm(R)方材加工成20 mm(L)×20 mm(T)×20 mm(R)试件10块，在试件上划线，测量其弦、径及长度方向的尺寸和质量，按GB/T 1931-2009和GB/T 1933-2009测量木材的含水率、密度及干缩。

1.3.2 低温冷藏干燥条件及工艺

将1 000 mm(L)×30 mm(T)×30 mm(R)方材沿L方向锯截成1 mm、2 mm及3 mm厚试件，每种规格各5片。在断面上平行于弦、径向划线，测量其弦、径向尺寸、断面面积和质量。然后把试件放入冷柜内进行低温冷藏干燥(4 ℃、约60%)，在规定时间内将试件取出，放入密封袋内，然后逐个再次测量其弦、径向尺寸、面积和质量，直至最后两次测量的质量变化小于5‰后结束干燥。把所有试件取出后放入密封袋内，测量其弦、径向尺寸、面积和质量。最后，再把所有试件烘干至绝干，再次测量其弦、径向尺寸、面积和质量。

1.3.3 干燥过程含水率及干燥速度测量

干燥过程中定期取出试件后测量各试件的质量，待干燥结束将所有试件烘干至绝干后再次测量其质量，按照GB/T 1931-2009规定方法计算干燥过程中各阶段的含水率。干燥速度用含水率-干燥时间曲线来表示。用烘干法测量材料的初含水率。

1.3.4 干缩变形检测

试件的尺寸测量在定期取出的试件质量测量后进行，面积测量用扫描仪结合Image J进行，干燥结束后再次测量对应试件的尺寸和面积。各含水率阶段面积干缩率用公式(1)计算。

(1)

式中：S为试件面积干缩率(%)；Ai为试件原始面积(mm2)；Aw为试件含水率为w时的面积(mm2)。

2 试验结果与分析

2.1 桉木含水率及基本材性

尾巨桉木材基本材性见表1。试件的平均初含水率为110.2%，方差很小，表明本次试验所有试件的初含水率均匀。试件的气干、绝干及基本密度分别为574.7、543.2及472.0 kg/m3。另外，试件经103 ℃烘干后其绝干收缩率为13.1%，此收缩率是木材在有干燥应力作用下非自由状态下的干缩率。其值用于与后面不同厚度试件在低温冷藏条件下的干缩率进行对比。

表1 尾巨桉基本材性参数

2.2 低温冷藏条件下桉木的干燥速率

低温冷藏干燥条件下桉木的含水率与时间变化曲线如图1所示。木材在低温(4 ℃)下的干燥速度很慢，即使1 mm厚试件，干燥至纤维饱和点(FSP)附近时也需要48 h，而2 mm和3 mm厚试件则分别需要115 h和355 h。试件越厚，其干燥速度越慢。当木材含水率降低至FSP时，其干燥速度明显下降，水分蒸发非常缓慢。因为FSP以下木材中的水分为结合水，其脱除需要吸收更多的热量，而在4 ℃、60%左右的低温条件下，木材无法获得使结合水脱离束缚所需能量，甚至其水分状态与低温冷藏环境达到动态平衡，水分几乎不再发生变化，所以，木材在低温冷藏条件下的蒸发速度变慢，木材可进行缓慢干燥。

图1 低温冷藏干燥过程中木材含水率与时间变化

2.3 低温冷藏条件下桉木的干缩特性

图2是不同厚度试件在低温冷藏干燥过程中的收缩曲线，图3是含水率在FSP以上的收缩曲线，图中的收缩率是试件横截面的收缩率。结合图2和图3能够清晰地看出木材在干燥过程中干缩的变化特征。由图2可知，FSP以上不同厚度的试件其收缩变化很小，同时其收缩量不同。由图3可以明显看出试件厚度对其收缩的影响，其中1 mm试件的收缩率最小，其次是2 mm和3 mm厚试件，且这两个厚度的收缩率差别不大。所有厚度试件的收缩率都小于1.6%，收缩率较小。FSP以上木材理论上不产生收缩，但尾巨桉是易皱缩木材，因此这部分收缩是木材细胞的皱缩，通过相关文献比较可知，厚度及尺寸较小木材经低温冷藏干燥后其皱缩量非常小。

图2 低温冷藏干燥全过程收缩曲线

图3 低温冷藏干燥过程中FSP以上的收缩曲线

2.4 试件厚度对干缩率的影响

图4是试件在低温冷藏干燥过程中FSP以下数据点的回归曲线。木材在FSP以下，其含水率和收缩率呈线性关系，因此可以通过测量数据获得回归方程(图4和表2)。由图4可知，试件厚度对木材的干缩率有影响，因此获得的回归方程及其系数和截距都不相同。厚度越小，其斜率越小，截距越小。通过回归方程可以计算出任何含水率阶段木材的干缩率，表2计算了不同厚度试件绝干时(含水率为0时)的收缩率，并与以往文献常规干燥数据及本试验中烘箱干燥数据进行对比。结果表明，桉木经低温冷藏干燥后其绝干收缩率最小，厚度较大的烘箱干燥试件最大，常规干燥试件居中。其中，1 mm厚试件冷藏干燥后收缩率比20 mm烘箱干燥后的降低了22%。因此，试件厚度及干燥方式对桉木的收缩率都有影响。

图4 低温冷藏干燥过程中收缩率与含水率关系曲线

3 结论

(1)尾巨桉木材初含水率均匀，均值约为110%，满足试验要求；其气干、绝干及基本密度分别为574.7、543.2及472.0 kg/m3；试件经103 ℃烘干后全干收缩率为13.1%。

(2)低温冷藏条件下尾巨桉干燥非常慢，干燥至FSP时，1 mm、2 mm、3 mm厚试件分别需48、115、355 h，厚度越大其干燥越慢。FSP以下时，桉木的干燥速度更慢，几乎没有水分蒸发。

表2 低温冷藏干燥过程中桉木的全干收缩率及比较

(3)低温冷藏干燥过程中，FSP以上时所有厚度试件的干缩率都小于1.6%。其中1 mm厚试件收缩率最小，2 mm和3 mm的收缩率差别不大。这部分收缩变形是木材的皱缩。

(4)试件厚度对收缩率有影响。通过回归方程计算的全干收缩率中，1 mm试件的最小，比2 mm厚103 ℃烘干试件减小了22%。桉木收缩率受试件厚度及干燥方式的影响。