常压过热蒸汽干燥对木材物理力学性能的影响文献综述

 2022-08-10 14:46:00

常压过热蒸汽干燥

对木材物理力学性能影响文献综述

摘要:过热蒸汽干燥主要的目的是控制干燥中木材的应力释放,以达到减小木材的形变并控制木材形变的效果。高温高压过热蒸汽干燥中的柳杉试材径向收缩应力较大,干燥后的柳杉材相对结晶度提高,木材的热稳定性提高,吸湿滞后现象更明显。常压过热蒸汽可以提高马尾松的干燥速率,减少干燥周期,提高渗透性。高温过热蒸汽处理的速生杨木平衡含水率降低,力学性能有所提高。

关键词:过热蒸汽,柳杉,马尾松,木材物理力学性能

  1. 过热蒸汽干燥

过热蒸汽干燥是采用100℃以上不饱和过热蒸汽对木材进行干燥的方法,是对一次干燥后的窑干材进行二次干燥,以达到更好的干燥水平和更好的对含水率的掌控,主要的目的是控制干燥中木材的应力释放,以达到减小木材的形变并控制木材形变的效果。

  1. 过热蒸汽干燥对柳杉试材的影响

2.1高压过热蒸汽干燥对柳杉试材的影响

2005年,齐华春 [1]采用温度为80~180℃,相对湿度0~100%的过热蒸汽对日本柳杉(Cryptomeria japonica D. Don)材的心材部分进行干燥处理后,对试材的横纹压缩强度进行测试,再将其粉碎后的化学成分进行分析。结果显示温湿度对木材的抗压强度影响不大,但对木材的屈服应力影响比较明显,弹性模量受温湿度影响都比较明显。同年,程万里 [2]对日本柳杉(Cryptomeria japonica)材的心材部在温度和相对湿度水平为80~190℃、0~100%的条件下进行高温高压干燥。对其拉伸应力进行测量并观察有无开裂发生,以及开裂方向、开裂程度等。得出结论在高温热处理过程中,木材径向的收缩应力很大,大约为弦向的2倍,并且试材的收缩应力受相对湿度的影响较明显,相对湿度增加可以使木材的应力得到抑制。程又对在不同应变水平、不同温度和不同相对湿度条件下的应力松弛和影响机理[3]进行分析,发现随着相对湿度增加,木材应力松弛增大,木材残余应力减小,是因为温度升高、相对湿度增大,会加剧木材非结晶领域的纤维素和半纤维素的分子运动,减小初始阶段的应力。2009年,齐华春[4]使用差热分析仪对干燥处理后的试材进行热稳定性的测量,结果发现高温高压过热蒸汽处理木材类似于木材的热分解过程,高温高压过热蒸汽处理材的热稳定性更好,并且处理后的热稳定性与处理温度成正比,与相对湿度成反比。2010年,张士成[5]选用三种不同温度(120、140、180 ℃),三种不同相对湿度(0、60 %和100 %)过热蒸汽对日本柳杉(Cryptomeria japonica Don)进行处理,采用X射线衍射仪测试并分析不同温度及湿度条件处理后对木材相对结晶度的变化。通过正交分析得出结论:高温、高湿条件处理木材会使木材的相对结晶度提高,尤其受温度的影响比较显著,但晶层的距离并没有发生变化。相对结晶度的提高对木材的热稳定性的增强给予了合理的解释。2010年,齐华春 [6]对高温过热蒸汽处理后的日本柳杉吸湿解吸特性进行研究,分别使用温度为140,160,180℃,相对湿度为0,60%,100%的过热蒸汽处理而后将试材放至大气平衡含水率,通过测量试材达到平衡条件的时间来绘制等温线来观察木材的吸湿滞后现象的明显程度。结果显示高温高湿处理的木材吸湿滞后现象比低温处理材更明显。

2.2常压过热蒸汽干燥对柳杉试材的影响

2017年,鲍咏泽等[7]将过热蒸汽干燥后的柳杉与常规干燥的柳杉进行对比发现,过热蒸汽干燥可以提高木材的干燥速率,减少干燥周期,经过热蒸汽干燥后木材的终含水率减小,过热蒸汽能够达到对含水率的控制更精准的精度,但木材的翘弯质量却略有降低,过热蒸汽干燥后的木材的弹性模量有明显的增加,而通过对干燥锯材微观构造进行观察发现,木材经过热蒸汽干燥后纹孔膜破裂及脱落的数量和程度大于常规干燥,水分的迁移途径增加,木材的渗透性提高,这是干燥速率会显著提高的主要原因之一。鲍咏泽[8]对常压过热蒸汽干燥的柳杉锯材的干燥质量、微观结构以及物理力学性能的影响进行研究,还对干燥过程中边界层的特点进行了分析,并得出lsquo;在恒定风速下的干燥过程中,干燥介质在材堆内通气道的流动为流体密度不变的定常流动,并且在过热蒸汽条件下,热边界层的厚度等于流动边界层的厚度,传质边界层厚度远大于流动边界层厚度rsquo;结论。并提出了过热蒸汽干燥过程中传热传质规律,构建了一维传热传质模型。该模型基于纤维饱和点、木材空隙度、木材的容积密度、木材的基本密度、木材含水率、饱和度、木材的有效导热系数、木材的等效比热、木材内部水分有效扩散系数、水的汽化潜热共十个物理量对传热传质模型进行合理假设后,求解干燥模型的控制方程,该传热传质数学模型基本可以用于预测木材过热蒸汽干燥过程中水分场和温度场的分布,为优化干燥工艺提供理论依据。这是过热蒸汽干燥柳杉锯材理论研究上新的突破,该模型的建立有利于精确的对传热传质的时间和过程进行预测,并为其他树种木材的干燥模型的建立提供了基础。

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