1　皺縮的定義

皺縮 (collapse)亦稱潰縮、潰陷 ,是木材干燥時由于水分移動太快 ,所產(chǎn)生的水分蒸發(fā)張力使細(xì)胞潰陷而引起的不規(guī)則收縮 ,不是微纖絲和微膠粒之間的空隙因失水后相互靠攏細(xì)胞變薄的結(jié)果 ,而是由于細(xì)胞形態(tài)發(fā)生改變所致。在木材干燥過程中 ,皺縮通常在自由水蒸發(fā)階段就開始產(chǎn)生 (與干縮不同 ) ,并隨含水率下降而加劇。木材皺縮的宏觀表現(xiàn)是板材表面呈不規(guī)則的局部向內(nèi)凹陷并使橫斷面呈不規(guī)則圖形 ;微觀表現(xiàn)通常是呈多邊形或圓形的細(xì)胞向內(nèi)潰陷 ,細(xì)胞變得扁平而窄小 ,皺縮嚴(yán)重時細(xì)胞壁上還會出現(xiàn)細(xì)微裂紋。皺縮不僅使木材的收縮率增大 ,損失增加 ,而且因其并非發(fā)生在木材所有部位或某組織的全部細(xì)胞而導(dǎo)致木材干燥時產(chǎn)生變形。皺縮時還經(jīng)常伴隨內(nèi)裂和表面開裂。研究結(jié)果表明 ,雖多數(shù)木材在干燥時均會發(fā)生程度不同的皺縮 ,但某些樹種木材更易發(fā)生 [1 ]。即使是同一株木材 ,因生長的部位不同 ,其皺縮程度也不同 ,通常心材較邊材、早材較晚材、樹干基部和梢部較中部、幼齡材較成熟材容易發(fā)生皺縮 ;生長在沼澤地區(qū)的木材較生長在干燥地區(qū)的木材、侵填體含量大的木材和閉塞紋孔多的木材較其它木材容易產(chǎn)生皺縮 [2 ]。

2　皺縮的機(jī)理

關(guān)于木材干燥時發(fā)生皺縮的機(jī)理目前有兩種認(rèn)識 :一種認(rèn)為皺縮是由于木材干燥時產(chǎn)生的壓應(yīng)力超過木材細(xì)胞的橫紋抗壓強(qiáng)度所致 ,這種壓應(yīng)力又歸因于細(xì)胞腔內(nèi)的自由水蒸發(fā)以后在細(xì)胞腔內(nèi)形成真空而使細(xì)胞潰陷[3];另一種認(rèn)為 ,由于細(xì)胞中的毛細(xì)管張力所致。如在某些完全封閉的細(xì)胞腔中 ,當(dāng)自由水通過紋孔膜的微孔向外蒸發(fā)時產(chǎn)生張力 ,這種張力只有在細(xì)胞腔內(nèi)充滿水分時才能完全作用于細(xì)胞 ,如果細(xì)胞腔中存在空氣泡 ,那么這種空氣泡在張力作用下膨脹 ,而使作用于細(xì)胞的應(yīng)力減小 ,就不會發(fā)生潰陷。Kollmann[1 ]根據(jù)對澳大利亞最容易產(chǎn)生皺縮的王桉(Eucalyptus regnans)木材的研究 ,認(rèn)為液體張力是皺縮的基本原因 ,但干燥應(yīng)力對皺縮的程度有顯著影響。王喜明 [3, 4]對中國山楊小徑材的研究認(rèn)為 ,水分蒸發(fā)張力是引起木材細(xì)胞皺縮的主要原因。干燥溫度越高 ,皺縮的程度越大 ,而干燥應(yīng)力對皺縮的影響很小。由此可見 ,木材細(xì)胞發(fā)生皺縮需具備兩個條件。即自身條件 ,是指木材細(xì)胞具有良好的氣密性 ;細(xì)胞處于飽水狀態(tài)時細(xì)胞腔內(nèi)無氣泡 ;細(xì)胞腔與水的接觸角小 ,水對細(xì)胞壁的潤濕性好 ;細(xì)胞壁上的紋孔足夠小。另一個是外界條件 ,主要是干燥過程中 ,當(dāng)水分蒸發(fā)張力對木材細(xì)胞所產(chǎn)生的壓力大于木材細(xì)胞的橫紋抗壓極限強(qiáng)度時 ,木材細(xì)胞即可皺縮。因此木材細(xì)胞皺縮具有很強(qiáng)的選擇性 ,表現(xiàn)為皺縮一般發(fā)生于某些木材的特定部位、特定組織或某組織的局部 ,某些闊葉樹材的薄壁細(xì)胞容易皺縮。基于上述理論 ,干燥工藝條件構(gòu)成了木材細(xì)胞皺縮的外界環(huán)境條件 ,對皺縮有很大影響 ,但干燥工藝也可以破壞木材細(xì)胞皺縮的基本條件。研究結(jié)果表明 ,對木材進(jìn)行預(yù)處理可破壞木材細(xì)胞的自身條件 [4, 5],如蒸汽處理使木材細(xì)胞腔內(nèi)的侵填體破壞 ,紋孔膜破裂 ,從而破壞了木材細(xì)胞的氣密性 ;對木材進(jìn)行預(yù)凍處理 ,可在細(xì)胞腔內(nèi)產(chǎn)生空氣泡等 ,在不同程度上破壞了木材細(xì)胞皺縮的基本條件?？梢?,在干燥過程中合理控制干燥工藝 ,使由于水分蒸發(fā)而產(chǎn)生的壓力小于木材細(xì)胞的橫紋極限抗壓強(qiáng)度 ,木材細(xì)胞便不會皺縮。眾多研究還表明[3～ 5, 7],干燥溫度是影響木材皺縮的主要工藝參數(shù) ,干燥溫度越高 ,木材細(xì)胞皺縮的程度越大。澳大利亞 Innes[7]利用壓力 -應(yīng)變模型 ,采取不同的干燥措施 ,從理論上計算出澳大利亞桉樹木材皺縮的臨界溫度。結(jié)果表明 ,在皺縮臨界溫度以下干燥木材時 ,木材細(xì)胞不會皺縮 ,反之 ,隨著干燥溫度的增加而皺縮加劇。王喜明等在研究干燥介質(zhì)參數(shù)對木材皺縮的影響中指出 ,溫度對木材皺縮有顯著影響 ,相對濕度對皺縮也有影響 ,但較溫度的影響要小。已經(jīng)發(fā)生了皺縮的木材細(xì)胞可通過調(diào)濕處理或浸泡處理使其全部或部分恢復(fù) ,可見皺縮又具有可恢復(fù)性。因此對容易發(fā)生皺縮的木材 ,在干燥過程中 ,加強(qiáng)后期調(diào)濕處理可使已經(jīng)皺縮了的細(xì)胞得以全部或部分恢復(fù) ,從而進(jìn)一步減小皺縮。

3　皺縮的評價

根據(jù)木材細(xì)胞皺縮的基本理論 ,各國學(xué)者在木材皺縮特性的研究中 ,涉及到的一個共同問題 ,就是如何去評價木材的皺縮特性及其程度?，F(xiàn)綜合歸納起來定量的指標(biāo)有如下幾種 [2～ 7]:

(1 )干縮率 (SR)　即木材干燥前后尺寸差占干燥前木材尺寸的百分比。干縮率越大 ,木材皺縮的程度越大。從木材的干縮率隨含水率的變化曲線可以分析到易皺縮木材和不易皺縮木材的典型差異 ,劉元 [8]研究桉樹木材的皺縮特性時指出 ,木材皺縮具有階段性。干縮率又是比較心邊材皺縮嚴(yán)重程度的指標(biāo)。

(2 )皺縮面積 (S)　板材橫斷面干燥前后面積變化量是反應(yīng)木材利用率的一項重要指標(biāo) ,皺縮面積越大 ,板材利用率越低。

(3 )皺縮深度 (H )　干燥板材橫斷面垂直方向上的厚度差是反應(yīng)板材斷面規(guī)則程度的一項指標(biāo) ,與皺縮面積相比 ,皺縮深度對板材利用率影響更大 ,因為大部分板材總是在刨平后使用。

(4)皺縮因子 (CF)　是反應(yīng)板材橫斷面積與周邊長度變化的一項指標(biāo) ,同時對板材的內(nèi)裂也綜合地予以評價。其數(shù)值大小為板材橫斷面周長 (包括內(nèi)裂周長 )的平方與板材橫斷面面積 (去除內(nèi)裂 )的比值。皺縮因子是評價皺縮缺陷的主要指標(biāo) ,不論試件有無開裂 ,大多數(shù)情況下都能采用 CF來更準(zhǔn)確有效地評價皺縮 ,特別是對于那些已經(jīng)發(fā)生了內(nèi)裂的板材。(5)體積干縮率 (VS)　在不考慮縱向干縮的情況下 ,此項指標(biāo)與皺縮面積具有同樣意義 ,但對縱向干縮率大的小徑材等則應(yīng)用體積干縮率去評價。綜上所述 ,皺縮是一種很嚴(yán)重的木材干燥缺陷 ,對木材細(xì)胞皺縮的研究包括木材的構(gòu)造特征 ,木材的物化和力學(xué)性質(zhì) ,木材干燥過程靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)等范疇 ,木材的皺縮機(jī)理和皺縮特性也已初步形成一套理論 ,用于指導(dǎo)木材干燥過程 ,對提高木材利用率具有十分重要的理論指導(dǎo)意義。

王喜明 ,　王欣 (內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)林業(yè)工程學(xué)院 ,呼和浩特 0 1 0 0 1 9)

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