紅櫟與蒙古櫟復(fù)合材料的蒸汽爆破試驗

紅櫟與蒙古櫟復(fù)合材料的蒸汽爆破試驗

中國是一個森林資源極其不足的國家。大量進(jìn)口的木材中,大多為難干的闊葉材,干燥時極易產(chǎn)生開裂等缺陷,使木材的利用率降低,造成木材的浪費。大多數(shù)難干材如櫟木類木材由于木射線寬大,薄壁組織發(fā)達(dá),密度、硬度和強(qiáng)度均較大,干燥非常困難。干燥企業(yè)為了保證干燥質(zhì)量,用較低的干燥溫度,干燥周期長,干燥成本高,影響了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。為了提高難干材的干燥速度,干燥前期采用如汽蒸、水煮等方法對木材進(jìn)行預(yù)處理,以增加木材的滲透性,加快水分從木材的內(nèi)部向外流動。日本學(xué)者對柳杉圓木用高溫蒸汽爆破進(jìn)行干燥預(yù)處理,結(jié)果干燥時間有所縮短。蒸汽爆破預(yù)處理可以提高日本柳杉的滲透性,并改善其干燥性能。張耀麗對毛果冷杉濕心材蒸汽爆破后的滲透性分析認(rèn)為,蒸汽爆破處理使紋孔緣與細(xì)胞壁出現(xiàn)裂痕,紋孔塞與塞緣出現(xiàn)裂隙,交叉場紋孔出現(xiàn)裂痕,從而使得毛果冷杉濕心材的滲透性得以提高。木材的滲透性是木材的重要物理特性之一,木材干燥過程中水分的排除,木材加工利用處理,如木材防腐、改性、阻燃、制漿以及尺寸穩(wěn)定等都與滲透性密切相關(guān)。筆者對較難干燥的硬闊葉樹材柞木(蒙古櫟)板材和紅櫟板材在不同壓力下進(jìn)行了蒸汽爆破預(yù)處理,并對爆破處理的木材進(jìn)行了橫向氣體滲透性的測量,以期為解決硬闊葉材的干燥問題提供理論依據(jù)。1材料和方法1.1試材尺寸、尺寸采用櫟木類木材,因其材質(zhì)硬,木射線發(fā)達(dá),在干燥過程中極易沿木射線方向開裂,屬于難干木材。柞木(蒙古櫟QuercusmongolciaFisch.)試材尺寸為34mm(厚)×75mm(寬)×570mm(長);紅櫟(Q.coccinea)試材尺寸75mm(寬)×570mm(長),厚度分別為10、20、30mm。1.2蒸汽發(fā)生器能承受壓力爆破所采用的設(shè)備主要有:壓力容器、蒸汽發(fā)生器、加壓泵等。壓力容器承受的壓力可達(dá)2.4MPa,蒸汽發(fā)生器能承受的最大壓力0.6MPa。由于試驗條件限制,以一臺最大壓力0.6MPa的空氣壓縮機(jī)來代替水環(huán)式加壓泵,所以試驗的最大壓力設(shè)置為0.55MPa。1.3空氣壓縮和加壓蒸汽爆破處理是將試件放入壓力容器中,通入飽和蒸汽加熱到設(shè)定的溫度,使其在該溫度下保溫1.5h,目的是使木材盡快熱透。再用空氣壓縮機(jī)加壓,當(dāng)壓力達(dá)到預(yù)定壓力后,迅速打開卸壓閥,波動卸壓直至常壓,波動卸壓的目的是對木材內(nèi)部產(chǎn)生沖擊,破壞紋孔膜及薄壁細(xì)胞,增加木材的滲透性。然后再升壓,如此反復(fù)多次。試驗過程中溫度保持為設(shè)定值。試驗采用幾種不同的溫度、壓力,以及蒸汽爆破次數(shù)對木材進(jìn)行爆破處理,并測量了蒸汽爆破處理前后的含水率,經(jīng)過蒸汽爆破處理后板材的含水率都有不同的下降(表1)。1.4材料的滲透率測試方法現(xiàn)代結(jié)木材經(jīng)過蒸汽爆破處理后,將其全部板材置于一臺調(diào)溫調(diào)濕箱內(nèi),用同一干燥基準(zhǔn)進(jìn)行干燥。干燥采用的是以柞木厚34mm板材為基準(zhǔn)。干燥到木材含水率達(dá)到6%時,把板材從調(diào)濕調(diào)濕箱內(nèi)取出,放置一段時間,使板材在厚度上的含水率趨于一致。然后再測量其滲透性。采用氣體滲透性的試驗方法,雖然木材在高含水率階段的干燥過程中主要是液體的流動,但是木材的液體滲透性和氣體的滲透性的規(guī)律基本上是一致的,只是在數(shù)值上氣體滲透性比液體滲透性大,所以可以用氣體滲透性來反映木材的滲透性是否有變化。采用升水體積置換法測量爆破處理材和未處理材的氣體滲透性并進(jìn)行對比。試驗裝置根據(jù)文獻(xiàn)制作。在測量木材的滲透性時要記錄環(huán)境的溫度,以便得到在該溫度下水和空氣的黏度,較準(zhǔn)確地計算出木材的滲透性。由于是測量木材某一個方向的滲透性,因此對其他方向應(yīng)進(jìn)行密封,在試驗時應(yīng)使整個儀器各部位緊密聯(lián)接。將滲透性測試試樣鋸成方形截面,測量時用內(nèi)徑與試件的外徑相同的軟橡膠管套緊并封牢,以防氣體從側(cè)面泄漏,影響測量的準(zhǔn)確性。試樣的尺寸為9mm(厚)×9mm(寬)×10mm(長)。測量試樣的弦向滲透性。從每塊試材的表面層和中芯層截取選取試樣,測量每塊試材的表層和芯層的氣體滲透性。2蒸汽爆破可以改善木材的滲透率柞木和紅櫟板材表芯層的滲透性測試結(jié)果見表2。由表2可見,經(jīng)過爆破處理的柞木和紅櫟板材的橫向氣體滲透性,無論在什么樣的爆破處理條件下,均大于未經(jīng)爆破處理的柞木和紅櫟板材的橫向氣體滲透性,表明蒸汽爆破處理完全可以改善木材的滲透性。2.1爆破處理壓力的影響在相同的爆破次數(shù)條件下,爆破壓力與滲透性的關(guān)系見表2。由表2可見,未經(jīng)爆破處理的柞木板材滲透性最小;當(dāng)爆破壓力為0.25MPa時,滲透性略有增加;而爆破壓力為0.55MPa時,表層和芯層的滲透性都最大。說明爆破處理時壓力越高,柞木板材的表層和芯層的滲透性越大。因此,為了提高柞木板材的橫向滲透性,當(dāng)木材蒸汽爆破預(yù)處理時,在不破壞木材的力學(xué)性能的條件下,可以采用較高的壓力。爆破處理的壓力對板材表、芯層滲透性差異也有影響。由表2可見,柞木板材的表、芯層滲透性差異較小,且表芯層的滲透性差異隨處理壓力的增大而減少。其差異最小的為壓力0.55MPa、溫度為70℃時的蒸汽爆破處理條件,表、芯層滲透性差異較大的為未經(jīng)爆破處理的板材。表明壓力對柞木板材的爆破深度有影響,爆破壓力越大,板材的爆破深度越大。對于紅櫟板材雖然爆破處理的壓力較高(0.55MPa),但其表芯層的滲透性差異都較大,而且相差近有1個數(shù)量級,這說明不同樹種的板材采用相同的爆破處理條件時其滲透性是不同的。木材在爆破處理后橫向氣體滲透性增加的原因,主要由于部分閉塞的紋孔膜,在壓力瞬間釋放沖擊下而破裂,壓力越大,卸壓時對紋孔膜產(chǎn)生的沖擊越大,甚至紋孔邊緣開裂使兩紋孔相通(圖1a),紋孔上的裂隙越多,滲透性越大。柞木和紅櫟都富有大量的射線薄壁細(xì)胞,在加壓及壓力釋放時,受到?jīng)_擊產(chǎn)生裂紋(圖1b),使木材的滲透性提高。另外柞木的導(dǎo)管內(nèi)含有侵填體,在蒸汽爆破處理過程中,在蒸汽和壓力的作用下以及瞬間卸壓時,侵填體脫離開導(dǎo)管內(nèi)壁(圖1c),便于水分橫向移動。2.2爆破次數(shù)對苗木材滲透率的影響在蒸汽爆破處理的壓力和溫度一定的條件下,爆破次數(shù)對木材的滲透性也有影響:柞木板材在爆破壓力為0.25MPa、溫度為80℃時,爆破20次比爆破10次其滲透性提高了30%左右;厚度30mm的紅櫟板材,在爆破處理壓力為0.55MPa、溫度為60℃時,爆破10次比爆破5次的板材滲透性增加了近1倍。2.3爆破壓力增加所增加在爆破壓力相同的情況下,溫度對提高板材的滲透也有所增加,如柞木爆破壓力在0.4MPa時,110℃要比100℃時的滲透性高;柞木爆破壓力在0.55MPa時,70℃要比60℃時的滲透性高。2.4紅櫟板式紅櫟面板的滲透率爆破處理時板材的厚度對滲透性也有影響。從表2可看出,紅櫟板材不同厚度在相同的爆破處理條件下,10mm厚的紅櫟板材的滲透性最大,隨著紅櫟板材厚度的增加橫向氣體滲透性逐漸減小。板材表層的橫向氣體滲透性均大于板材芯層,也說明板材的厚度對爆破處理有一定影響,爆破處理對滲透性的影響是由表層向內(nèi)部進(jìn)行的。2.5抗彎強(qiáng)度測試爆破處理后的板材經(jīng)過干燥達(dá)到7%的含水率,并未發(fā)現(xiàn)柞木板材有開裂現(xiàn)象,為了研究低壓蒸汽爆破處理對木材的力學(xué)性能是否有影響,對處理后及未處理的柞木板材均在萬能試驗機(jī)上作了抗彎強(qiáng)度測試,其結(jié)果見表3。由表3可見柞木板材在進(jìn)行了蒸汽爆破預(yù)處理后,其力學(xué)性能并未下降,表中各數(shù)值上的差異是木材本身的變異性的結(jié)果。3蒸汽爆破處理(1)蒸汽爆破處理板材與未爆破材相比,無論是柞木還是紅櫟,木材的橫向氣體滲透性均得到了不同程度的提高。(2)橫向氣體滲透性隨著蒸汽爆破壓力和爆破溫度的升高而提高。當(dāng)蒸汽爆破溫度和壓力一定時,爆破次數(shù)增加,木材的橫向氣體滲透性也隨之增加。無論是蒸汽爆破處理板材還是未爆破處理的板材,均表現(xiàn)為表層的橫向氣體