竹材干燥是竹材工业化利用不可缺少的一个重要环节。由于竹材本身各向异性的特点及其固有的节间组织,如干燥不好势必造成开裂等各种缺陷现象发生。因此,为使竹材资源得以合理高效利用,积极开展竹材的基础理论研究和应用研究十分必要和重要。

1、竹材干燥特性和吸湿膨胀特性

竹材干燥特性主要是指竹材干燥过程中的水分移动特性、干缩变形情况、干燥缺陷及其形成原因、竹材构造特性对干燥的影响、竹材内含物对干燥的影响等。Walter L iese研究了竹材的生物学特性和利用特性(化学、物理和力学) 。研究结果表明:竹材干燥不同于木材干燥,竹材一开始干燥即发生收缩,含水率达40%时停止收缩, 40%以下时也可能继续收缩,但主要在径向。王建和测定了竹材胶合板用竹片(毛竹)胀缩的变化规律:径向大于弦向大于纵向;有竹节处大于无竹节处;竹片含水率和密度相关,且随竹龄和立地条件不同呈较大差异;竹片宜采用热风气流循环干燥,以保持其平整。由于温度和湿度随自然环境而变化,所以一般情况下很难保持竹秆的含水率稳定。

K TWu对孟宗竹圆竹高温干燥下的抗裂特性的影响因素进行了研究,结果显示:温度对圆竹的抗裂性能影响显著。许斌采用端部加压压注法,使毛竹在高含水率状态下,压注进水溶性无机盐、高分子化合物以及防虫剂等,对竹材进行了防裂和防虫处理,结果表明:该种处理对圆竹防裂有一定效果。

孙照斌等对云南典型的材用丛生竹———龙竹(Dendrocalam us giganteus)的干燥特性进行了研究,比较了100 ℃和60 ℃ 2种温度下竹材干燥速度、干缩率、变形情况以及竹材在纵向、径向、弦向3 个方向上干燥速度的大小。结果表明:高温干燥较低温干燥速度快,但竹材干缩率较大,变形较大;竹材无节部位径向干缩率大于弦向干缩率;竹材节子部位径向干缩率小于弦向干缩率;相同方向上,节子部位干缩率小于无节部位干缩率;无节试件在单位时间内纵向干燥速度较弦向和径向快,而有节试件在单位时间内径向干燥速度较纵向和弦向快。

竹材吸湿膨胀特性主要是指竹材从周围湿空气中吸着水分并产生膨胀的特性。竹材吸湿性会导致竹材尺寸不稳定,还可能伴随着变形,影响竹材的利用。周芳纯在其论著中对36种竹材的吸水膨胀特性进行了阐述。竹材的吸水速度与公定容积重成正比,与浸水时间成反比。竹材吸水后,长度、宽度、厚度和体积都会产生膨胀,其膨胀率与吸水量有密切关系。烘干后再浸水的竹材的膨胀率比气干的竹材低,膨胀速度也较慢。有关竹材吸湿膨胀特性的研究目前报道较少。

2、竹材干燥方法和干燥工艺

竹材干燥通常采用自然干燥法和窑干法。

王连钧经试验认为,竹黄干燥温度在105 ℃以内为宜。杜复元等报道了机制竹凉席生产中竹篾条的干燥工艺,并对几种专用干燥室进行了比较,结论是:竹篾条可以实现高温(80 ℃)快速干燥,采用连续升温、分段加大热风风量的干燥基准,终含水率达到8. 0%时,干燥周期为14 h。

张齐生在对竹集成材和竹地板生产工艺的论述中,阐述了竹片干燥的工艺:竹片经过蒸煮或炭化后,其含水率一般较为接近,可达35%～50% ,由于竹片纤维排列整齐,厚度较小,在对流干燥过程中不会产生像木材那样的扭曲变形和开裂现象。因此竹材干燥工艺比木材干燥要简单得多,既不需要喷蒸加湿,也不需要用复杂的温度曲线来控制。一般采用60～70 ℃左右的温度连续干燥72～84 h,含水率即可以达到10%以内。但不宜采用超过70 ℃的温度,否则竹片会因干燥速度过快而产生翘曲变形。定型干燥采用热压法,竹片在适当的压力条件下进行加温和排湿,并间歇地使压力解除,让竹片排湿和自由收缩,以加快竹片的水分蒸发和防止由于干缩应力而产生的横向开裂。

伊松林等对竹材地板干燥工艺做了初步研究,结论为:在保证竹片干燥质量的前提下,漂煮片(白片)不出现不均匀的浅褐色斑点的临界温度为60 ℃,炭化片不出现严重干缩的临界温度为55 ℃,并提出了竹片时间干燥基准。

张勤丽提出竹片在粗刨后需进行蒸煮处理,以除去部分抽提物,蒸煮时间为3～4 h,竹片干燥温度不宜超过75 ℃,且不能升温太快。热压后的竹材地板在冷却过程中易产生翘曲变形,需放入冷压机中,使其在受约束的情况下冷却定型,以保证地板平整。

台湾吴学旦对台湾产经济竹种人工干燥进行了研究,结论为:圆竹竹壁厚度不同,其干燥速度不同,应按竹壁厚度分组干燥。打通圆竹竹节节隔可加快干燥速度,且能减少表面开裂。

山之内清等研究了毛竹的干燥。用2种干燥基准对毛竹圆竹和竹片进行干燥试验,一种初期干球温度为45 ℃,末期干球温度为70 ℃;另一种初期干球温度为60 ℃,末期干球温度为70 ℃。结果表明:除去竹青和竹黄的竹片干燥速度较未除去竹青和竹黄的竹片快;圆竹除去竹节后干燥速度加快;第2种基准干燥时,圆竹有节隔和无节隔开裂时的含水率不一致,有节隔在较高含水率时(29. 4%～47. 5% )开裂,无节隔则在低含水率(6. 9%～23. 3% )时开裂。

Sharama对印度的9个竹种的气干和窑干的试验结果显示:就整竹干燥而言,窑干与气干相比,竹秆表面更易开裂、内裂和变形,故不适于整竹干燥。黄竹极易干燥,有时干燥开始时表面有细小裂缝,但随后愈合;印度刺竹干燥时无大的变化,成熟竹秆干燥较慢; B. ham litonii竹干燥快,效果好;牡竹干燥时间长,成熟竹材干燥结果令人满意。圆竹气干干燥时,竹节部分易产生变形和皱缩(非成熟材) ,厚的成熟材表面易表裂、端裂和皱缩;各种圆竹气干约需要1. 5～3. 5个月,时间长短取决于竹壁厚度。对圆竹窑干工艺的研究结果表明,即使在温和干燥条件下( 35 ℃～40 ℃) ,圆竹也不可采用窑干工艺,主要是窑干时圆竹表裂、皱缩和变形比气干更严重。

台湾K TWU研究了高温干燥对竹材抗裂性能的影响。对圆竹试材采用高温干燥,当温度从60 ℃升到120 ℃时,竹材(桂竹)没有出现开裂现象。原因是高温干燥降低了竹材内部细胞特别是软组织细胞的强度,使竹材产生皱缩,应力得以释放,从而不至于产生表面开裂。台湾林弘基研究了竹材干燥温度对竹材机械性质的影响。对圆竹试材分别采用60 ℃、80 ℃、100 ℃和120 ℃ 4种单一干燥基准进行干燥处理,结果表明:竹材各项强度随干燥窑温升高而增加,且上段>中段>下段,麻竹在80 ℃时强度最大。

翁文增经实验认为,竹材干燥(指生产竹胶合板的竹单板、竹篾捆、生产竹地板的竹片)应采用中低温慢速干燥,温度不能超过70 ℃,否则会导致硬度过高而难以加工; 相对湿度可以低些;不必进行中间处理,应进行终了处理,竹片干燥的时间控制在2. 5～3 d效果较好,而竹篾捆的干燥需3～4 d。竹材干燥与木材干燥的不同之处主要是装堆。

3、干燥设备

盛炳华和张克安设计了竹片干燥定型机,解决了胶合板生产过程中竹片的干燥和定型问题。干燥定型机的作用是,使竹片达到规定的含水率和表面平整性标准,为再经过组坯和热压而成的竹胶合板提供合格的竹片。该机除能连续生产以满足生产效率外,还可适应不同长度、不同厚度竹片的需要,使不同规格的竹片都能达到干燥定型标准,在10余个竹材胶合板企业使用了多年,基本解决了胶合板生产过程中竹片的干燥和定型问题。据使用效果看,其定型能力优于干燥能力。

张齐生在《中国竹材工业化利用》一书中也阐述了竹片干燥定型方法和定型设备。对于4mm以下的竹片,可在该机上一次完成竹片预干燥和定型干燥的操作,但对厚竹片仍需预干燥和定型干燥2道工序。

目前在实际生产中,大部分企业所用竹材干燥设备与木材干燥窑相同,但容量相对较小,一般采用20～40 m3 的小型干燥窑。

4、竹材干燥相关参数

在对竹材进行干燥处理和建立竹材干燥传热传质模型时,涉及到竹材的一些物理性质参数,如竹材比热、导热系数、导温系数、竹材的纤维饱和点、平衡含水率、玻璃化转变温度等。国内一些学者对这些参数进行了测定和研究。周芳纯在其论著中对竹材的比热、导热系数和导温系数进行了总结:绝干竹材的比热基本上不受竹种和容重的影响,平均为0. 327 kCal/ ( kg·℃) ,气干竹材平均为0. 41 kCal/ ( kg·℃) ,竹材比热随含水率的增加而增大。竹材是由竹材物质、水分和空气组成的。竹材物质的导热系数为0. 25～0. 34 kCal/ (m·h·℃) ;水分的导热系数为0. 5 kCal/ (m·h·℃) ,空气的导热系数为0. 02 l kCal/ (m ·h ·℃) 。取竹材气干密度639 kg/m3 ,竹材比热0. 41 kCal/ ( kg·℃) ,导热系数0. 154 4 kCal/ (m·h·℃) ,则竹材导温系数为5. 89 ×10- 4m2 /h[一般木材导温系数为5 ×10- 4 m2 /h左右(徐永吉, 1994) ]。

夏经国测定竹材断面板导热系数为0.180 2 w / (m·℃) 。吴舒辞等采用闪光法和比较法及直线法分别测量了毛竹竹材沿垂直竹纤维方向的几个热力学特性参数:热扩散率A、比热Cp 及竹材密度Q, 并根据公式K =418.68ACpQ得出导热系数K。结果表明:毛竹的比热Cp、导热系数K均在70 ℃附近取得最大值,即在温度70 ℃附近,毛竹竹材具有最好的传热性。这一结果对竹材的热处理加工具有指导意义,如在70 ℃附近对其进行干燥时,因其导热系数较高,热量容易渗透到材质内部,使内外得到均匀干燥,能够较好地保证干燥质量,同时因热量利用充分,从而节省能源。

1998年台湾有用无损伤法测竹材纤维饱和点的研究报道, 3种竹材上、中、下3段的纤维饱和点不同,总平均值分别为15% ～28%、15% ～25%、13%～23%。周芳纯著《竹类培育和利用》中提及竹材的纤维饱和点为30% ～35% ,辉朝茂和杨宇明在《材用竹资源工业化利用》一书中依据木材学纤维饱和点计算的公式,由测得的体积绝干干缩率和公定容重,按纤维饱和点=体积绝干干缩率/公定容积重,计算了云南7种(龙竹、野龙竹、甜龙竹、油勒竹、黄竹、巨龙和锡金)竹材的纤维饱和点为14%～26. 81% ,竹种和段位之间纤维饱和点的差异较大,下段高于中段、上段,油勒竹的纤维饱和点最高( 26. 81%) ,黄竹的最低(15. 23% ) , 7个竹种纤维饱和点的总平均值为22. 33%。

关明杰用干缩法、抗弯弹性模量法和热重分析法测定了3种丛生竹(龙竹、黄竹、甜竹)及毛竹的纤维饱和点。干缩法、抗弯弹性模量法测定纤维饱和点,应用了竹材性质转化点的含水率作为纤维饱和点的定义,这一定义所测出的纤维饱和点随竹材部位、竹龄、竹青和竹黄的有无而有差异。干缩法变异范围在13. 94% ～50.34% ,抗弯弹性模量法变异范围在29. 85% ～42.55%。热重法测得毛竹20 ℃时纤维饱和点为32. 32%。前2种方法都无法明确界定细胞腔中自由水完全蒸发的状态。通过热重分析,可精确地确定自由水完全蒸发时竹材的含水率,即纤维饱和点。可见纤维饱和点的数值随不同的测定方法有较大出入。

姜志宏分别对毛竹的平衡含水率和竹质人造板的平衡含水率进行了测试研究,结果表明:未干燥毛竹的平衡含水率与100 ℃ ±3 ℃干燥到绝干的毛竹的平衡含水率相差约3%。

江敬艳用动态法和差示扫描热量法测定了绝干毛竹竹材木素的玻璃化转变温度, 2种方法所测定的数值有一定差距。竹青热软化温度在208. 3 ～211. 3 ℃,竹肉在198. 7 ℃,竹黄在217. 8 ℃。竹材热塑性会随温度升高而提高。对一定含水率竹材的热软化温度尚需进一步测定,它对确定竹材软化弯曲工艺参数有重要意义。

5、结语

国内外有关竹材干燥方面的研究目前报道较少,特别是对竹材干燥过程中的水分移动特性、竹材干燥过程中的应力应变、竹材的渗透性、竹材干燥机理及塑性变定机理的研究基本是空白,需要深入研究以期提高竹材干燥技术水平和竹材利用率,生产出更多的高附加值产品,增加企业的经济效益和社会效益。竹材干燥特性和干燥机理的研究对竹材应用研究的发展有积极的推动和促进作用,可为竹材各种性能与加工利用关系的研究工作,如竹材干馏技术、防护处理、药剂处理、染色和胶合加工工艺等提供理论依据,并对实际生产提供理论指导。

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