竹材干燥技術(shù)研究現(xiàn)狀
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竹材干燥是竹材工業(yè)化利用不可缺少的一個重要環(huán)節(jié)。由于竹材本身各向異性的特點(diǎn)及其固有的節(jié)間組織，如干燥不好勢必造成開裂等各種缺陷現(xiàn)象發(fā)生。因此，為使竹材資源得以合理高效利用，積極開展竹材的基礎(chǔ)理論研究和應(yīng)用研究十分必要和重要。 1 竹材干燥特性和吸濕膨脹特性 竹材干燥特性主要是指竹材干燥過程中的水分移動特性、干縮變形情況、干燥缺陷及其形成原因、竹材構(gòu)造特性對干燥的影響、竹材內(nèi)含物對干燥的影響等。Walter Liese[3~6]研究了竹材的生物學(xué)特性和利用特性(化學(xué)、物理和力學(xué))。研究結(jié)果表明：竹材干燥不同于木材干燥，竹材一開始干燥即發(fā)生收縮，含水率達(dá)40％時停止收縮，40％，以下時也可能繼續(xù)收縮，但主要在徑向。王建和[7]測定了竹材膠合板用竹片(毛竹)脹縮的變化規(guī)律：徑向大于弦向大于縱向；有竹節(jié)處大于無竹節(jié)處；竹片含水率和密度相關(guān)，且隨竹齡和立地條件不同呈較大差異；竹片宜采用熱風(fēng)氣流循環(huán)干燥，以保持其平整。由于溫度和濕度隨自然環(huán)境而變化，所以一般情況下很難保持竹稈的含水率穩(wěn)定。 K T wu[8]對孟宗竹圓竹高溫干燥下的抗裂特性的影響因素進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示：溫度對圓竹的抗裂性能影響顯著。許斌[]采用端部加壓壓注法，使毛竹在高含水率狀態(tài)下，壓注進(jìn)水溶性無機(jī)鹽、高分子化合物以及防蟲劑等，對竹材進(jìn)行了防裂和防蟲處理，結(jié)果表明：該種處理對圓竹防裂有一定效果。 孫照斌等[10]對云南典型的材用叢生竹——龍竹(Dendrocalamus giganteus)的干燥特性進(jìn)行了研究，比較了100℃和60℃2種溫度下竹材干燥速度、干縮率、變形情況以及竹材在縱向、徑向、弦向3個方向上干燥速度的大小。結(jié)果表明：高溫干燥較低溫干燥速度快，但竹材干縮率較大，變形較大；竹材無節(jié)部位徑向干縮率大于弦向干縮率；竹材節(jié)子部位徑向干縮率小于弦向干縮率；相同方向上，節(jié)子部位干縮率小于無節(jié)部位干縮率；無節(jié)試件在單位時間內(nèi)縱向干燥速度較弦向和徑向快，而有節(jié)試件在單位時間內(nèi)徑向干燥速度較縱向和弦向快。 竹材吸濕膨脹特性主要是指竹材從周圍濕空氣中吸著水分并產(chǎn)生膨脹的特性。竹材吸濕性會導(dǎo)致竹材尺寸不穩(wěn)定，還可能伴隨著變形，影響竹材的利用。周芳純[11]在其論著中對36種竹材的吸水膨脹特性進(jìn)行了闡述。竹材的吸水速度與公定容積重成正比，與浸水時間成反比。竹材吸水后，長度、寬度、厚度和體積都會產(chǎn)生膨脹，其膨脹率與吸水量有密切關(guān)系。烘干后再浸水的竹材的膨脹率比氣干的竹材低，膨脹速度也較慢。有關(guān)竹材吸濕膨脹特性的研究目前報道較少。 2 竹材干燥方法和干燥T藝 竹材干燥通常采用自然干燥法和窯干法。 王連鈞[12]經(jīng)試驗(yàn)認(rèn)為，竹黃干燥溫度在105℃以內(nèi)為宜。杜復(fù)元等[13]報道了機(jī)制竹涼席生產(chǎn)中竹篾條的干燥工藝，并對幾種專用干燥室進(jìn)行了比較，結(jié)論是：竹篾條可以實(shí)現(xiàn)高溫(80℃)快速干燥，采用連續(xù)升溫、分段加大熱風(fēng)風(fēng)量的干燥基準(zhǔn)，終含水率達(dá)到8.0％時，干燥周期為14 h。 張齊生[14]在對竹集成材和竹地板生產(chǎn)工藝的論述中，闡述了竹片干燥的工藝：竹片經(jīng)過蒸煮或炭化后，其含水率一般較為接近，可達(dá)35％～50％，，由于竹片纖維排列整齊，厚度較小，在對流干燥過程中不會產(chǎn)生像木材那樣的扭曲變形和開裂現(xiàn)象。因此竹材干燥工藝比木材干燥要簡單得多，既不需要噴蒸加濕，也不需要用復(fù)雜的溫度曲線來控制。一般采用60～70℃左右的溫度連續(xù)干燥72～84 h，含水率即可以達(dá)到10％以內(nèi)。但不宜采用超過70℃的溫度，否則竹片會因干燥速度過快而產(chǎn)生翹曲變形。定型干燥采用熱壓法，竹片在適當(dāng)?shù)膲毫l件下進(jìn)行加溫和排濕，并間歇地使壓力解除，讓竹片排濕和自由收縮，以加快竹片的水分蒸發(fā)和防止由于干縮應(yīng)力而產(chǎn)生的橫向開裂。 伊松林等[15]對竹材地板干燥工藝做了初步研究，結(jié)論為：在保證竹片干燥質(zhì)量的前提下，漂煮片（白片）不出現(xiàn)不均勻的淺褐色斑點(diǎn)的I臨界溫度為60℃，炭化片不出現(xiàn)嚴(yán)重干縮的臨界溫度為55℃，并提出了竹片時間干燥基準(zhǔn)。 張勤麗[16]提出竹片在粗刨后需進(jìn)行蒸煮處理，以除去部分抽提物，蒸煮時間為3～4 h，竹片干燥溫度不宜超過75℃，且不能升溫太快。熱壓后的竹材地板在冷卻過程中易產(chǎn)生翹曲變形，需放入冷壓機(jī)中，使其在受約束的情況下冷卻定型，以保證地板平整。 臺灣吳學(xué)旦[17]對臺灣產(chǎn)經(jīng)濟(jì)竹種人工干燥進(jìn)行了研究，結(jié)論為：圓竹竹壁厚度不同，其干燥速度不同，應(yīng)按竹壁厚度分組干燥。打通圓竹竹節(jié)節(jié)隔可加快干燥速度，且能減少表面開裂。 山之內(nèi)清等[18]研究了毛竹的干燥。用2種干燥基準(zhǔn)對毛竹圓竹和竹片進(jìn)行干燥試驗(yàn)，一種初期干球溫度為45℃，末期干球溫度為70℃；另一種初期干球溫度為60℃，末期干球溫度為70℃。結(jié)果表明：除去竹青和竹黃的竹片干燥速度較未除去竹青和竹黃的竹片快；圓竹除去竹節(jié)后干燥速度加快；第2種基準(zhǔn)干燥時，圓竹有節(jié)隔和無節(jié)隔開裂時的含水率不一致，有節(jié)隔在較高含水率時(29.4％～47.5％)開裂，無節(jié)隔則在低含水率(6.9％～23.3％)時開裂。 Sharama[19]對印度的9個竹種的氣干和窯干的試驗(yàn)結(jié)果顯示：就整竹干燥而言，窯干與氣干相比，竹稈表面更易開裂、內(nèi)裂和變形，故不適于整竹干燥。黃竹極易干燥，有時干燥開始時表面有細(xì)小裂縫，但隨后愈合；印度刺竹干燥時無大的變化，成熟竹稈干燥較慢；B.hamlitonii竹干燥快，效果好；牡竹干燥時間長，成熟竹材干燥結(jié)果令人滿意。圓竹氣干干燥時，竹節(jié)部分易產(chǎn)生變形和皺縮(非成熟材)，厚的成熟材表面易表裂、端裂和皺縮；各種圓竹氣干約需要1.5～3.5個月，時間長短取決于竹壁厚度。對圓竹窯干工藝的研究結(jié)果表明，即使在溫和干燥條件下(35℃～40℃)，圓竹也不可采用窯干工藝，主要是窯干時圓竹表裂、皺縮和變形比氣干更嚴(yán)重。 臺灣K T Wu[8]研究了高溫干燥對竹材抗裂性能的影響。對圓竹試材采用高溫干燥，當(dāng)溫度從60℃升到120℃時，竹材(桂竹)沒有出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。原因是高溫干燥降低了竹材內(nèi)部細(xì)胞特別是軟組織細(xì)胞的強(qiáng)度，使竹材產(chǎn)生皺縮，應(yīng)力得以釋放，從而不至于產(chǎn)生表面開裂。臺灣林弘基[20]研究了竹材干燥溫度對竹材機(jī)械性質(zhì)的影響。對圓竹試材分別采用60℃、80℃、100℃和120℃4種單一干燥基準(zhǔn)進(jìn)行干燥處理，結(jié)果表明：竹材各項(xiàng)強(qiáng)度隨干燥窯溫升高而增加，且上段>中段>下段，麻竹在80℃時強(qiáng)度最大。 翁文增[21]經(jīng)實(shí)驗(yàn)認(rèn)為，竹材干燥(指生產(chǎn)竹膠合板的竹單板、竹篾捆、生產(chǎn)竹地板的竹片)應(yīng)采用中低溫慢速干燥，溫度不能超過70℃，否則會導(dǎo)致硬度過高而難以加工；相對濕度可以低些；不必進(jìn)行中間處理，應(yīng)進(jìn)行終了處理，竹片干燥的時間控制在2.5～3 d效果較好，而竹篾捆的干燥需3～4 d。竹材干燥與木材干燥的不同之處主要是裝堆。 3 干燥設(shè)備 盛炳華和張克安[22]設(shè)計(jì)了竹片干燥定型機(jī)，解決了膠合板生產(chǎn)過程中竹片的干燥和定型問題。干燥定型機(jī)的作用是，使竹片達(dá)到規(guī)定的含水率和表面平整性標(biāo)準(zhǔn)，為再經(jīng)過組坯和熱壓而成的竹膠合板提供合格的竹片。該機(jī)除能連續(xù)生產(chǎn)以滿足生產(chǎn)效率外，還可適應(yīng)不同長度、不同厚度竹片的需要，使不同規(guī)格的竹片都能達(dá)到干燥定型標(biāo)準(zhǔn)，在10余個竹材膠合板企業(yè)使用了多年，基本解決了膠合板生產(chǎn)過程中竹片的干燥和定型問題。據(jù)使用效果看，其定型能力優(yōu)于干燥能力。 張齊生[14]在《中國竹材工業(yè)化利用》一書中也闡述了竹片干燥定型方法和定型設(shè)備。對于4 mm以下的竹片，可在該機(jī)上一次完成竹片預(yù)干燥和定型干燥的操作，但對厚竹片仍需預(yù)干燥和定型干燥2道工序。 目前在實(shí)際生產(chǎn)中，大部分企業(yè)所用竹材干燥設(shè)備與木材干燥窯相同，但容量相對較小，一般采用20～40 m3的小型干燥窯[21]。 4 竹材干燥相關(guān)參數(shù) 在對竹材進(jìn)行干燥處理和建立竹材干燥傳熱傳質(zhì)模型時，涉及到竹材的一些物理性質(zhì)參數(shù)，如竹材比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)、竹材的纖維飽和點(diǎn)、平衡含水率、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度等。國內(nèi)一些學(xué)者對這些參數(shù)進(jìn)行了測定和研究。周芳純[]在其論著中對竹材的比熱、導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)溫系數(shù)進(jìn)行了總結(jié)：絕干竹材的比熱基本上不受竹種和容重的影響，平均為0.327 kCal／(kg.℃)，氣干竹材平均為0.41 kcaL／(kg.℃)，竹材比熱隨含水率的增加而增大。竹材是由竹材物質(zhì)、水分和空氣組成的。竹材物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)為0.25～0.34 kCal／(m•h•clC)；水分的導(dǎo)熱系數(shù)為0.5 kcal／(m•h•℃)，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)為0.02l kcal／(m•h•℃)。取竹材氣干密度639 kg／m3，竹材比熱0.4l kCal／，(kg•℃)，導(dǎo)熱系數(shù)0.154 4 kcal／(m•h•℃)，則竹材導(dǎo)溫系數(shù)為5.89×104m2／h[一般木材導(dǎo)溫系數(shù)為5×104m2／h左右(徐永吉，1994)]。 夏經(jīng)國[]測定竹材斷面板導(dǎo)熱系數(shù)為0.180 2 w／(m•℃)。吳舒辭等[24]采用閃光法和比較法及直線法分別測量了毛竹竹材沿垂直竹纖維方向的幾個熱力學(xué)特性參數(shù)：熱擴(kuò)散率A、比熱cp及竹材密度Q，并根據(jù)公式K=418.68ACpQ得出導(dǎo)熱系數(shù)K。結(jié)果表明：毛竹的比熱Cp、導(dǎo)熱系數(shù)K均在70 c(=附近取得最大值，即在溫度70℃附近，毛竹竹材具有最好的傳熱性。這一結(jié)果對竹材的熱處理加工具有指導(dǎo)意義，如在70℃附近對其進(jìn)行干燥時，因其導(dǎo)熱系數(shù)較高，熱量容易滲透到材質(zhì)內(nèi)部，使內(nèi)外得到均勻干燥，能夠較好地保證干燥質(zhì)量，同時因熱量利用充分，從而節(jié)省能耗。 1998年臺灣有用無損傷法測竹材纖維飽和點(diǎn)的研究報道，3種竹材上、中、下3段的纖維飽和點(diǎn)不同，總平均值分別為15％～28％、15％～25％、13％~23％。周芳純著[11]《竹類培育和利用》中提及竹材的纖維飽和點(diǎn)為30％～35％，輝朝茂和楊宇明[25]在《材用竹資源工業(yè)化利用》一書中依據(jù)木材學(xué)纖維飽和點(diǎn)計(jì)算的公式，由測得的體積絕干干縮率和公定容重，按纖維飽和點(diǎn)=體積絕干干縮率／公定容積重，計(jì)算了云南7種(龍竹、野龍竹、甜龍竹、油勒竹、黃竹、巨龍和錫金)竹材的纖維飽和點(diǎn)為14％～26.81％，竹種和段位之間纖維飽和點(diǎn)的差異較大，下段高于中段、上段，油勒竹的纖維飽和點(diǎn)最高(26.81％)，黃竹的最低(15.23％)，7個竹種纖維飽和點(diǎn)的總平均值為22.33％。 關(guān)明杰[26]用干縮法、抗彎彈性模量法和熱重分析法測定了3種叢生竹(龍竹、黃竹、甜竹)及毛竹的纖維飽和點(diǎn)。干縮法、抗彎彈性模量法測定纖維飽和點(diǎn)，應(yīng)用了竹材性質(zhì)轉(zhuǎn)化點(diǎn)的含水率作為纖維飽和點(diǎn)的定義，這一定義所測出的纖維飽和點(diǎn)隨竹材部位、竹齡、竹青和竹黃的有無而有差異。干縮法變異范圍在13.94％～50.34％，抗彎彈性模量法變異范圍在29.85％～42.55％。熱重法測得毛竹20℃時纖維飽和點(diǎn)為32.32％。前2種方法都無法明確界定細(xì)胞腔中自由水完全蒸發(fā)的狀態(tài)。通過熱重分析，可精確地確定自由水完全蒸發(fā)時竹材的含水率，即纖維飽和點(diǎn)。可見纖維飽和點(diǎn)的數(shù)值隨不同的測定方法有較大出入。 姜志宏[27,28]分別對毛竹的平衡含水率和竹質(zhì)人造板的平衡含水率進(jìn)行了測試研究，結(jié)果表明：未干燥毛竹的平衡含水率與100℃±3℃干燥到絕干的毛竹的平衡含水率相差約3％。 江敬艷[29]用動態(tài)法和差示掃描熱量法測定了絕干毛竹竹材木素的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，2種方法所測定的數(shù)值有一定差距。竹青熱軟化溫度在208.3～2l1.3℃，竹肉在198.7℃，竹黃在217.8℃。竹材熱塑性會隨溫度升高而提高。對一定含水率竹材的熱軟化溫度尚需進(jìn)一步測定，它對確定竹材軟化彎曲工藝參數(shù)有重要意義。 5 結(jié)語 國內(nèi)外有關(guān)竹材干燥方面的研究目前報道較少，特別是對竹材干燥過程中的水分移動特性、竹材干燥過程中的應(yīng)力應(yīng)變、竹材的滲透性、竹材干燥機(jī)理及塑性變定機(jī)理的研究基本是空白，需要深入研究以期提高竹材干燥技術(shù)水平和竹材利用率，生產(chǎn)出更多的高附加值產(chǎn)品，增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。竹材干燥特性和干燥機(jī)理的研究對竹材應(yīng)用研究的發(fā)展有積極的推動和促進(jìn)作用，可為竹材各種性能與加工利用關(guān)系的研究工作，如竹材干餾技術(shù)、防護(hù)處理、藥劑處理、染色和膠合加工工藝等提供理論依據(jù)，并對實(shí)際生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。 |