木材真空干燥特点及国内研究现状

综述木材真空干燥特点及国内研究现状郑拓宇S闫超2（1.黑龙江省木材科学研究所，黑龙江哈尔滨150081；。黑龙江省林业科学院，黑龙江哈尔滨150081）标，对推进行业节能减排工作、解决难干材和改性处理材干燥问题、提高干燥品质等均具有重要意义。对真空干燥木材的机理、研究进展、可能的研究方向进行评述，以期促进木材真空干燥科研工作和生产实践的共同发展。
：郑拓宇（1985-），男，研究实习员通讯作者：闫超（1981-），男，助理研究员木材真空干燥属于木材特种干燥范畴，是将木材置于低于大气压力的密闭容器环境中进行干燥的一种技术，始于20世纪70年代的欧洲木材工业，因其在干燥质量和干燥效率等方面具有较大优势，符合干燥技术发展要求，从而在世界各地得到广泛应用。该项技术在20世纪80年代初期引人我国并得到推广应用，但不论是研究领域还是生产应用领域，总体发展比较迟缓。进人21世纪，随着木材工业的进一步发展，木材价格不断攀升，市场对木制品品质要求的逐步提高及速生材改性处理材等非传统木质材料干燥问题的出现，使传统干燥技术在实际生产中存在的不足显现出来，这时真空干燥技术开始得到相关企业和科研人员的重视。真空干燥设备制造企业的数量、规模及设备制造水平等相关领域也得到迅速发展，但对真空干燥基准、干燥机理等方面的研究还是很少。
根据加热方式不同，可将真空干燥技术分为对流加热（间歇干燥）、传导加热（连续干燥）和高频电解质加热三种，其中前两种加热方法的真空干燥被认为是传统干燥方法。由于高频电解质加热还存在一定的技术问题，采用这一加热方式的真空干燥机在实际应用中相对较少，生产企业仍大都采用前两种真空干燥方法来干燥木材。为此，本文以传统真空干燥方法为研究对象，对其干燥特点、国内研究现状等进行分析，为推动真空干燥技术的理论研究、促进现代木材干燥工业发展提供依据和指导。
1木材真空干燥的原理在影响木材内部水分移动的众多因素中，周围空气的压力是决定性的因素。若空气的温度和湿度保持不变，则木材水分移动的速度随空气压力的减小而急剧增大。这是因为在真空条件下水的沸点降低，木材内部水分可在较低温度下达到沸点汽化，从而使木材表面水分蒸发速度加快，木材表面和内部的含水率梯度增大。木材表面水分剧烈蒸发的同时会吸收大量的汽化热，在常规干燥中这部分汽化热会从介质中得到补充，但在真空条件下却无从补充，因此会引起木材表面的降温，使得木材表面与内部的温度梯度加大。另外，真空条件下，木材内外大毛细管系统的水蒸气压力梯度也增大。这些因素都加速了木材内部的水分向表面移动。
2木材真空干燥的特点与木材的常规干燥技术相比，真空干燥技术在我国应用的时间短、范围小，直到近年来该项技术才被一些企业应用，并得到快速发展。采用真空干燥技术干燥木材具有如下优势。
2.1大幅缩短干燥周期干燥是木材整个加工过程中耗时长的环节之一，尤其是厚板和难干材，其干燥周期可达到一个月甚至更长的时间。如能大幅缩短干燥周期，对企业经济效益、产出规模、抗风险能力等都具有重要意义。真空干燥技术的出现适应了企业的这一需求，据统计，木材真空干燥周期仅为常规干燥的1/51/3，是难干材的1/101/5，木材干燥周期大幅缩短。这与真空干燥中影响木材水分移动的因素有关，在影响木材内部水分移动的各因素（如干燥温度、湿度和周围空气压力）中，周围空气压力是决定性的因素，随着周围空气压力减小木材内部水分移动速率会急剧增大，压力60mmHg柱时木材内部水分移动速度大约是压力为760mmHg柱时的5倍。
2.2降低能耗和污染在传统的木材干燥中，干燥热效率普遍偏低，通常仅在3040之间，且干燥过程造成的污染为林产工业行业污染的一个重要污染源。研究表明，与常规干燥窑相比，真空干燥的综合能耗可下降50，污染气体排放也有明显减少。因此这一干燥技术的广泛应用将会推进林产工业行业的节能减排工作，符合我国“十二五”规划提出的大力发展节能环保产业的要求。真空干燥在节能环保上的贡献主要取决于干燥周期的大幅缩短和干燥加热温度的显著降低，从节能减排来看，真空干燥技术具有更广阔的发展空间。
2.3明显改善木材干燥质量常规干燥条件下，板材因处于材堆中的位置不同以及干燥窑内各位置环境条件的差异使得锯材干燥后易出现翘曲变形、霉变、终含水率不均匀和表面硬化等缺陷。真空干燥则可明显提高木材干燥合格率，保证木材干燥质量，特别适合贵重木材、改性处理材等难干木材的干燥。这与真空干燥均匀的干燥环境和低压、低温、快速的干燥方式有关。在真空干燥环境中，木材周围气压仅为大气压的515，保证了材堆各位置都处在均等的干燥环境中，使得木材之间含水率差异较小。低压、低温、快速的干燥方式使得木材内部和表面之间压力差较大，在压力梯度作用下，水分会很快移向表面，补充木材表面蒸发掉的水分，锯材各位置含水率相对均匀，不会出现表面硬化现象。从而使得真空干燥木材质量好，合格率高。
2.4减缓木材干燥变色自木材干燥行业兴起以来，就面对木材干燥变色这一问题。尤其是不利于木材材色美观的干燥变色会使木材品质降低，使产品经济价值受到影响。真空干燥则可以很好地解决木材变色的问题，甚至能够保持木材的天然色泽。这与真空干燥的低温、快速、低压特点密切相关。大量研究表明，干燥温度、干燥时间均为影响木材变色的重要因素，在热作用下一些木材物质还会与空气中氧气发生氧化变色反应。在真空干燥中干燥温度较低，相当于常规干燥的低温干燥，干燥周期仅为常规干燥的10~20，且低压条件下干燥介质中的氧气稀少。真空干燥的这些特点极大地抑制了木材变色，使解决木材干燥变色问题成为可能。
3我国木材真空干燥研究现状及存在的问题自20世纪80年代真空干燥技术进人我国以来，对木材真空干燥的研究重心主要集中在针对不同树种干燥基准的制订和真空干燥机研制等方面。1989年朱政贤等自行研制出木材真空干燥机，试验表明该干燥机设计合理，技术性能良好。并在此基础上对榆木、水曲柳、桦木和椴木等树种进行了干燥试验，通过对干燥速率、终含水率、应力等的对比研究，证实了该干燥方法具有研究和推广价值，并提出了试验树种的真空干燥基准。1992年陈日新制订了针对柞木、桦木和水曲柳木材的间歇真空干燥基准。1994年许美琪提出了2540mm厚辐射松木材的真空干燥基准。1998年张光照在研究木材间歇真空干燥的过程中提出了16cm厚水曲柳毛边板和竹地板毛坯的干燥基准。2002年刘元在研究桉树人工林木材的干燥特性时提出了柠檬桉和圆角桉的真空干燥基准。2003年陈志军研制出带有热能回收装置的木材真空干燥系统，并探讨了对流加热连续真空干燥新工艺，结果表明该项技术节能效果显著。但该干燥系统使用水喷式真空泵，真空度较低，对干燥效果有一定的影响，因此还有待进一步研究改进。于洪志等采用负压方式使用ZKY-01型箱式木材真空干燥机对榆木和酸枝木进行了实验研究，结果表明使用该干燥机的干燥速度大大提高，其干燥时间仅为常规干燥时间的15左右，且干燥质量好，干燥应力小，没有发生端裂、表裂与变形等干燥缺陷。
为进一步探索真空干燥规律，何正斌等对真空干燥中水分移动的机理进行了研究，对真空条件下木材表面水分蒸发速率模型进行了理论推导，并将相同截面、不同长度的试件置于不同温度和不同压力下进行试验。根据试验结果，得出不同条件下各种规格试材的干燥速率与温度、压力的关系式，并与理论推导得出的模型进行比较，得到木材表面水分蒸发速率与内部水分移动速率之比及木材真空干燥过程中不产生缺陷时的温度和压力的关系式。
综上所述，木材真空干燥研究走过了一条由干燥工艺研究向理论分析方向发展的道路，对这一干燥技术的特点和规律有了一定的认识，但受我国多年粗放式生产模式和一直以来常规干燥占据主导地位等因素影响，基于真空干燥方面的研究仍相对较少，真空干燥对木材材性影响方面的研究尚属空白。干燥基准、理论分析远未形成体系，因此对真空干燥生产实践的指导作用较小。可喜的是，近年来，随着各行业节能减排工作的推进，速生材改性后干燥问题的出现、干燥质量要求的提高、难干材和厚板材干燥量增大等诸多实际问题的增多，使得真空干燥技术开始被更多的生产企业所采用，相关的干燥设备生产和科研工作开始活跃起来，这将促进真空干燥技术的推广和应用。