竹材干燥技術研究現狀
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竹材干燥是竹材工業化利用不可缺少的一個重要環節。由于竹材本身各向異性的特點及其固有的節間組織，如干燥不好勢必造成開裂等各種缺陷現象發生。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理論研究和應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、竹材構造特性對干燥的影響、竹材內含物對干燥的影響等。Walter Liese[3~6]研究了竹材的生物學特性和利用特性(化學、物理和力學)。研究結果表明：竹材干燥不同于木材干燥，竹材一開始干燥即發生收縮，含水率達40％時停止收縮，40％，以下時也可能繼續收縮，但主要在徑向。王建和[7]測定了竹材膠合板用竹片(毛竹)脹縮的變化規律：徑向大于弦向大于縱向；有竹節處大于無竹節處；竹片含水率和密度相關，且隨竹齡和立地條件不同呈較大差異；竹片宜采用熱風氣流循環干燥，以保持其平整。由于溫度和濕度隨自然環境而變化，所以一般情況下很難保持竹稈的含水率穩定。 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行了研究，結果顯示：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下，壓注進水溶性無機鹽、高分子化合物以及防蟲劑等，對竹材進行了防裂和防蟲處理，結果表明：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；竹材無節部位徑向干縮率大于弦向干縮率；竹材節子部位徑向干縮率小于弦向干縮率；相同方向上，節子部位干縮率小于無節部位干縮率；無節試件在單位時間內縱向干燥速度較弦向和徑向快，而有節試件在單位時間內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生膨脹的特性。竹材吸濕性會導致竹材尺寸不穩定，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、厚度和體積都會產生膨脹，其膨脹率與吸水量有密切關系。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]經試驗認為，竹黃干燥溫度在105℃以內為宜。杜復元等[13]報道了機制竹涼席生產中竹篾條的干燥工藝，并對幾種專用干燥室進行了比較，結論是：竹篾條可以實現高溫(80℃)快速干燥，采用連續升溫、分段加大熱風風量的干燥基準，終含水率達到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工藝的論述中，闡述了竹片干燥的工藝：竹片經過蒸煮或炭化后，其含水率一般較為接近，可達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生像木材那樣的扭曲變形和開裂現象。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，也不需要用復雜的溫度曲線來控制。一般采用60～70℃左右的溫度連續干燥72～84 h，含水率即可以達到10％以內。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生翹曲變形。定型干燥采用熱壓法，竹片在適當的壓力條件下進行加溫和排濕，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和防止由于干縮應力而產生的橫向開裂。 伊松林等[15]對竹材地板干燥工藝做了初步研究，結論為：在保證竹片干燥質量的前提下，漂煮片（白片）不出現不均勻的淺褐色斑點的I臨界溫度為60℃，炭化片不出現嚴重干縮的臨界溫度為55℃，并提出了竹片時間干燥基準。 張勤麗[16]提出竹片在粗刨后需進行蒸煮處理，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生翹曲變形，需放入冷壓機中，使其在受約束的情況下冷卻定型，以保證地板平整。 臺灣吳學旦[17]對臺灣產經濟竹種人工干燥進行了研究，結論為：圓竹竹壁厚度不同，其干燥速度不同，應按竹壁厚度分組干燥。打通圓竹竹節節隔可加快干燥速度，且能減少表面開裂。 山之內清等[18]研究了毛竹的干燥。用2種干燥基準對毛竹圓竹和竹片進行干燥試驗，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；圓竹除去竹節后干燥速度加快；第2種基準干燥時，圓竹有節隔和無節隔開裂時的含水率不一致，有節隔在較高含水率時(29.4％～47.5％)開裂，無節隔則在低含水率(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結果顯示：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，成熟竹材干燥結果令人滿意。圓竹氣干干燥時，竹節部分易產生變形和皺縮(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，當溫度從60℃升到120℃時，竹材(桂竹)沒有出現開裂現象。原因是高溫干燥降低了竹材內部細胞特別是軟組織細胞的強度，使竹材產生皺縮，應力得以釋放，從而不至于產生表面開裂。臺灣林弘基[20]研究了竹材干燥溫度對竹材機械性質的影響。對圓竹試材分別采用60℃、80℃、100℃和120℃4種單一干燥基準進行干燥處理，結果表明：竹材各項強度隨干燥窯溫升高而增加，且上段>中段>下段，麻竹在80℃時強度最大。 翁文增[21]經實驗認為，竹材干燥(指生產竹膠合板的竹單板、竹篾捆、生產竹地板的竹片)應采用中低溫慢速干燥，溫度不能超過70℃，否則會導致硬度過高而難以加工；相對濕度可以低些；不必進行中間處理，應進行終了處理，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 干燥設備 盛炳華和張克安[22]設計了竹片干燥定型機，解決了膠合板生產過程中竹片的干燥和定型問題。干燥定型機的作用是，使竹片達到規定的含水率和表面平整性標準，為再經過組坯和熱壓而成的竹膠合板提供合格的竹片。該機除能連續生產以滿足生產效率外，還可適應不同長度、不同厚度竹片的需要，使不同規格的竹片都能達到干燥定型標準，在10余個竹材膠合板企業使用了多年，基本解決了膠合板生產過程中竹片的干燥和定型問題。據使用效果看，其定型能力優于干燥能力。 張齊生[14]在《中國竹材工業化利用》一書中也闡述了竹片干燥定型方法和定型設備。對于4 mm以下的竹片，可在該機上一次完成竹片預干燥和定型干燥的操作，但對厚竹片仍需預干燥和定型干燥2道工序。 目前在實際生產中，大部分企業所用竹材干燥設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 竹材干燥相關參數 在對竹材進行干燥處理和建立竹材干燥傳熱傳質模型時，涉及到竹材的一些物理性質參數，如竹材比熱、導熱系數、導溫系數、竹材的纖維飽和點、平衡含水率、玻璃化轉變溫度等。國內一些學者對這些參數進行了測定和研究。周芳純[]在其論著中對竹材的比熱、導熱系數和導溫系數進行了總結：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、水分和空氣組成的。竹材物質的導熱系數為0.25～0.34 kCal／(m•h•clC)；水分的導熱系數為0.5 kcal／(m•h•℃)，空氣的導熱系數為0.02l kcal／(m•h•℃)。取竹材氣干密度639 kg／m3，竹材比熱0.4l kCal／，(kg•℃)，導熱系數0.154 4 kcal／(m•h•℃)，則竹材導溫系數為5.89×104m2／h[一般木材導溫系數為5×104m2／h左右(徐永吉，1994)]。 夏經國[]測定竹材斷面板導熱系數為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特性參數：熱擴散率A、比熱cp及竹材密度Q，并根據公式K=418.68ACpQ得出導熱系數K。結果表明：毛竹的比熱Cp、導熱系數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。這一結果對竹材的熱處理加工具有指導意義，如在70℃附近對其進行干燥時，因其導熱系數較高，熱量容易滲透到材質內部，使內外得到均勻干燥，能夠較好地保證干燥質量，同時因熱量利用充分，從而節省能耗。 1998年臺灣有用無損傷法測竹材纖維飽和點的研究報道，3種竹材上、中、下3段的纖維飽和點不同，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為30％～35％，輝朝茂和楊宇明[25]在《材用竹資源工業化利用》一書中依據木材學纖維飽和點計算的公式，由測得的體積絕干干縮率和公定容重，按纖維飽和點=體積絕干干縮率／公定容積重，計算了云南7種(龍竹、野龍竹、甜龍竹、油勒竹、黃竹、巨龍和錫金)竹材的纖維飽和點為14％～26.81％，竹種和段位之間纖維飽和點的差異較大，下段高于中段、上段，油勒竹的纖維飽和點最高(26.81％)，黃竹的最低(15.23％)，7個竹種纖維飽和點的總平均值為22.33％。 關明杰[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。干縮法、抗彎彈性模量法測定纖維飽和點，應用了竹材性質轉化點的含水率作為纖維飽和點的定義，這一定義所測出的纖維飽和點隨竹材部位、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℃時纖維飽和點為32.32％。前2種方法都無法明確界定細胞腔中自由水完全蒸發的狀態。通過熱重分析，可精確地確定自由水完全蒸發時竹材的含水率，即纖維飽和點。可見纖維飽和點的數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人造板的平衡含水率進行了測試研究，結果表明：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變溫度，2種方法所測定的數值有一定差距。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一步測定，它對確定竹材軟化彎曲工藝參數有重要意義。 5 結語 國內外有關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力應變、竹材的滲透性、竹材干燥機理及塑性變定機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水平和竹材利用率，生產出更多的高附加值產品，增加企業的經濟效益和社會效益。竹材干燥特性和干燥機理的研究對竹材應用研究的發展有積極的推動和促進作用，可為竹材各種性能與加工利用關系的研究工作，如竹材干餾技術、防護處理、藥劑處理、染色和膠合加工工藝等提供理論依據，并對實際生產提供理論指導。 |