黄荣凤1
高志强1,2冯上环3向娥琳1
（1. 中国林业科学研究院木材工业研究所;国家林业和草原局木材科学与技术重点实验室,北京 ；2. 西昌学院,四川西昌 ；3. 国际竹藤中心;国家林业和草原局竹藤科学与技术重点实验室,北京 ）
DOI：10.12326/j.2096-9694.
摘 要热作用下温度分布和含水率分布的变化规律，是实木层状压缩形成机制研究的基础。以初含水率处于非均匀分布状态下的毛白杨木材为对象，研究在180 ℃热板夹持加热过程中的温度分布变化规律，为揭示层状压缩形成机制提供科学依据。结果表明：初始含水率表层高、内部低的木材，在热板夹持加热过程中，厚度方向上始终存在一个明显的升温速率峰值。随着加热时间的延长，升温速率峰值和高含水率层逐渐向中心移动；高含水率区域内木材，温度较玻璃化转变温度高6.11~47.58 ℃，处于层状软化状态，是层状压缩形成的重要原因之一；采用多元线性回归分析方法建立的木材厚度方向温度预测多变量函数模型，决定系数为0.985，预测木材内部温度的标准误差为3.21 ℃，能够用于木材内部温度分布的预测。
关键词含水率非均匀分布木材；热板加热；升温速率；温度分布；层状压缩
压缩密实化是提高低密度木材的硬度、强度等力学性能，扩大低质材应用范围的有效方法[1-4]。低密度木材经压缩密实化后，可直接用于地板、家具等木制品的工业化生产。传统的木材整体压缩方法，压缩木材力学性能的改善效果依赖于压缩率的大幅度提高[5]，需要消耗更多的木材，增加压缩木的生产成本。理想的压缩方法是根据木制品加工的要求，将需要增强的木材表层或者内部进行压缩，以最小的压缩率，获得力学性能优良的压缩木材。实木层状压缩技术[6]，通过对实体木材的定向定位压缩，实现了实体木材最理想的压缩增强目标，是一项有应用前景的新技术。但层状压缩的形成机理方面的研究工作尚未报道。
含水率和温度是影响木材玻璃化转变温度和软化性能的重要因素[1,7-8]，也是木材压缩密实化研究的主要内容。对于木材整体压缩而言，木材只要经过充分的软化后再压缩，就不会出现被压溃的问题，因此目前多数木材湿热软化研究主要关注木材的初含水率和蒸煮软化时间[2-5]，以确保木材充分软化，鲜见从传热传质的角度研究木材湿热软化的报道。而对于层状压缩来说，木材内部温度梯度和含水率梯度的形成及其变化规律，是揭示层状压缩形成机理的重要基础研究内容，其核心问题是木材内部的传热传质问题。
木材的传热传质问题一直是木材干燥研究的核心问题，其中，水分扩散规律是干燥过程数值模拟的理论基础，关于干燥过程中水分扩散规律以及水分扩散非稳态模型方面的研究报道很多[9-12]。木材是一种天然有机多孔材料，其固相骨架细胞壁、细胞腔、细胞间隙等孔隙结构，以及水分在木材中的存在形式，都会影响木材传热传质过程。因此，在建立传热传质预测模型时涉及的参数很多，如木材密度、导热系数、水分扩散系数、比热容、加热温度、初始含水率、纤维饱和点等[13]。
热板加热下的传热传质问题是作为木材干燥研究中的一个科学问题被提出的[14]。在研究锯材热板加热干燥过程中，由于上下热板的加热条件对称，而且均匀地施于木材的上下表面，使平板内水平方向的热传递很微弱，可以忽略不计，因此，将传热传质过程简化为一维非稳态传热传质问题，只计算厚度方向的热传递和气体的渗流，由此建立的数学模型，能够有效地反映木材内部的传热传质规律[13]。对既有自由水又有吸着水的木材加热后，纤维饱和点可以作为一种临界值，以此为界限构成的干、湿界面是木材传热传质模型的重要参数。TANG等[15]在假设加热界面上的温度保持在水的沸点温度（约100 ℃），并在满足一维非稳态传热传质的假设和边界条件下建立了热板加热下的干湿界面退却模型，以及一维非稳态传热模型和传质模型，分析了热量和水分的传递规律以及干、湿界面的退却规律。汪佑宏等[16-17]参考此模型的假设条件和边界条件，分别建立了马尾松（Pinus ）锯材在热压干燥过程中的传热、传质模型，并且分析了理论值和实测值的偏差。木材干燥过程中传热传质的研究成果对木材层状压缩中湿热梯度分布的形成与调控具有重要参考价值。但是，由于目前的传热传质模型都是建立在木材初含水率处于饱水状态、均匀分布的假设条件下的，对于初含水率非均匀分布的木材，不能直接应用这些模型实现含水率和温度分布的预测。
本研究基于干燥木材表层浸水、放置和预热处理后压缩，可形成层状压缩的思路，将木材在常温下进行初始水分分布调整后，检测热板加热处理过程中不同初含水率木材厚度方向温度和含水率分布的变化，分析热板加热处理过程中木材厚度方向温度分布的变化规律，为揭示层状压缩形成机制研究提供科学依据。
1材料与方法
1.1试验材料
人工林毛白杨（ ）边材。树龄25年，胸径25~35 cm，平均气干密度为0.44 g/cm3，最大气干密度为0.49 g/cm3。将干燥至含水率10%的弦向板，加工成幅面为400 mm（L）× 150 mm（T），厚度（R）分别为20、25、40 mm的试件，横截面用石蜡封端处理后备用。
1.2试验设备
NR-1000（日本）多通道温度传感器、热压机等。
1.3试验方法
1.3.1含水率分布的调整和测定
3种厚度试材横截面均用石蜡封端处理，在室温条件下浸水2 h，再放入塑料袋内密封放置18 h后取出，采用GAO等[18]的实验方法，调控和计算预热处理下的含水率分布。调整后厚度为20、25、40 mm试件的平均含水率分别为14.55%、13.85%和12.88%，表层含水率分别为22.51%、20.78%和19.81%，芯层含水率分别为9.09%、9.16%和8.71%。加热温度为180 ℃，加热时间为10、40、80、120、240、360、480和600 s。
1.3.2温度分布的测定
在木材试样长度方向的中心位置附近的上下表面，以及板材厚度的1/6处、1/3处、及1/2处径切面上，共设置7个测温点。各个测温点之间，在长度方向上间隔15 mm。以25 mm厚度的板材为例，温度数据采集点设置方法如图1所示。
图1温度数据采集点设置方法Fig. for
设置的测温点处，沿木材弦向钻孔，插入温度传感器（热电偶）后，用同一株毛白杨木材的细木粉填塞测温孔，并压实，以确保热电偶埋置牢固，且与木材接触良好。钻孔深度为20 mm，孔径为1.5 mm，并且与板材表面保持平行。
将埋入温度传感器的木材放置在180 ℃热压机的上、下压板间，压机迅速闭合后，开始测定实时温度，测定时间间隔为2 s。根据实测结果，计算加热10、40、80、120、240、360、480和600 s时间节点的区间升温速率。
1.4数据分析
1.4.1木质素玻璃化转变温度计算
根据木质素软化温度与含水率关系[19]，将高含水率区域边界含水率实测值带入方程1，计算Tg理论值。
y=144.74e－0.139x+70.45
（1）
式中：y为木质素玻璃化转变温度（Tg），x为含水率。
1.4.2温度预测模型构建
固气多孔材料在热板加持下加热，传热主要发生在平板的厚度方向（垂直方向）均匀分布的密度函数，沿宽度方向（水平方向）是极微弱的。因此，在分析平板瞬态加热问题时，可采用沿厚度方向的一维瞬态传热方程[13,15,20]。汪佑宏等[16]以木材初始温度及含水率均匀分布、木材密度一致为前提，研究了马尾松锯材在热压干燥过程中的传热规律，建立了一维非稳态传热模型。结果表明，多数采集点温度实测值与拟合方程计算值之间的偏差小于5 ℃，模型能够较好地反映马尾松锯材在热压干燥过程中的传热规律。
干燥木材表层浸水、放置后进行热板加热，木材厚度方向的初始含水率处于非均匀状态，木材的比热容、导热系数和导温系数具有动态变化的特征。因此，TANG等[15]、俞昌铭[13]和汪佑宏等[16]提出的一维非稳态模型的假设条件，对初始含水率外高内低、呈非均匀分布状态的木材不适用。
基于上述原因，本研究采用多元线性回归分析方法，根据木材内部温度分布随加热时间的变化趋势和方程的拟合度，筛选多变量函数，建立木材内部温度分布模型。利用温度分布预测模型，计算不同加热时间下板材厚度方向温度分布的理论值，绘制理论值的模型图，以表征木材厚度方向上随着加热时间延长的温度变化规律。
2结果与讨论
2.1木材内部的温度分布变化
图2 a~c、d~f、i~k，分别为20、25和40 mm厚度气干材，在表面浸水、放置18 h后用180 ℃热板加热不同时间时，厚度方向的温度分布及升温速率变化曲线。
图2加热不同时间后表面浸水木材厚度方向温度分布及升温速率Fig. of and rate in wood at times
注2 图c、f、k分别为图b、e、j在80～600 s加热时间范围内升温速率的放大图。
从图2中曲线的间距可以直观地看出，随着加热时间延长，厚度方向温差逐渐减小（图2a、d、i）；升温速率峰值由表层向中心移动的同时逐渐降低（图2b、e、j）。3种厚度木材，加热时间600 s时，表面温度均超过170 ℃，20和25 mm厚度木材的中心温度110 ℃左右，40 mm厚度木材中心温度90 ℃左右。
20和25 mm厚度的木材，在加热初期40 s内，其厚度方向的温差非常明显；加热时间从80 s开始，曲线间距相近，厚度方向的温差减小（图2a、2d）。升温速率最大值出现在加热10 s时，位置距表层4~5 mm，最大速率接近140 ℃/min；加热时间从10 s延长到40 s期间，升温速率迅速降低至40 ℃/min（图2b、e）。20 mm厚度的木材，在加热80 s，升温速率最大值出现在中心部位，约19 ℃/min（图2c）。25 mm厚度的木材，在加热120 s时，升温速率达到最大值移动至中心部位，为8 ℃/min（图2f），明显滞后于20 mm厚度木材。加热240 s后，随着加热时间的延长，20和25 mm厚度木材从表层至中心的升温速率均平缓降低。升温速率最大值的变化规律，与含水率峰值的变化规律高度一致[18]。
40 mm厚度木材，所有升温时段温度分布曲线的间距比较均匀（图2i），升温速率最大值出现在加热10~40 s期间，距表层4~5 mm处，为77 ℃/min（图2j）。在加热的全过程中，其厚度方向的温差都小于20和25 mm厚度木材。在加热480 s时，升温速率的最大值到达厚度方向的中心部位（图2k）。
2.2木材内部的温度梯度变化
图3为热板加热下表面浸水木材平均表芯层温度梯度，随加热时间增加的变化曲线。木材表芯层温度梯度，随着木材厚度的增加，逐渐减小。20和25 mm厚度木材，在加热初期的第80 s时，厚度方向的温度梯度达到最大值，分别为8.9和6.7 ℃；加热第240 s时，温度梯度分别降低至6.5和5.8 ℃，之后温度梯度的变化趋于平缓。40 mm厚度木材在加热全过程厚度方向的温度梯度都非常小，在4.1~5.5 ℃之间。由此可知，木材厚度和加热时间都会影响加热过程中木材内部的温度梯度。
图3热板加热下表面浸水木材表芯层温度梯度随加热时间增加的变化曲线Fig. of in wood with
木材组分中木质素的含量和软化特性，是影响木材软化的主要因素，而且木质素的软化点与水分关系密切[21-22]。基于初含水率表层高、内部低的木材，在热板加热下，厚度方向始终存在一个高含水率层，而且高含水率层的位置与压缩后形成的压密层位置具有一致性的研究结果[18]。根据木质素软化温度与含水率关系[19]，计算了不同加热时间下，高含水率层范围内含水率值对应的木材玻璃化转变温度理论值，并与木材实测温度比较，结果列于表1。
表1高含水率层（单侧）实测温度及玻璃化转变温度比较Tab. of the and wood glass in a high MC area in wood
注：木材厚度为20 mm；表侧为高含水率层区间靠近表面一侧距表层的距离；芯侧为高含水率层区间靠近中心一侧距表面的距离。；a 木质素Tg理论值根据木质素软化温度与含水率关系[19]计算。
随着加热时间增加，温度差呈现先减小后增加的特征，加热240 s达到最小值。不同加热时间下形成的高含水率层区域内，木材的温度差在1.96~37.09 ℃之间，但即使是温度较低的一侧，木材的实测温度始终比相应含水率下的玻璃化转变温度高6.11~47.58 ℃。表明，在热板加热过程中，高含水率区域的木材始终处于软化状态，因此，施加外力时首先被压缩。初含水率表层高内部低的木材，在热板加热下温度及含水率分布的变化规律，及其协同作用对木材玻璃化转变温度的影响，使木材内部形成局部层状软化状态，对层状压缩的形成起到非常重要的作用。
2.3温度分布预测
图4为20 mm厚度的木材，在不同加热时间下测定的温度分布结果建立的三维模型图。
图4木材内部温度分布拟合方程的三维模型图Fig.43D of in wood from a
由于木材厚度方向的温度呈对称分布，为了简化方程，多元线性回归模型的建立，使用了从表层至中心的单侧数据。模型中，自变量为加热时间（x）和距表面的距离（y），因变量为木材内部温度（z），获得多元线性回归方程：
z=a+blnx+cy+d(lnx)2+ey2+fylnx+g(lnx)3+hy3++jy(lnx)2
（2）
a=116.06;b=7.62;c=-23.13;d=0.24;e=3.75;f=0.60;g=0.0003;h=0.24;i=0.001;j=0.0009。
方程的决定系数R2=0.986，剔除自变量个数对R2的影响，获得调整后的决定系数AdjR2=0.985，拟合标准误差为3.21，F值为1801.55。拟合方程可以反映出，加热时间与温度之间不是简单的线性关系，自变量中的加热时间（x）都是以自然对数的形式出现在方程中，而且相应常数项都是正值，表明随着加热时间的延长，木材内部温度逐渐升高，在加热前期迅速升高，后期升温速率逐渐减缓。
从图4可以明显看出，加热初期的100 s内，网格间距大，说明木材表层及内部温度迅速升高，之后随着加热时间延长，木材内部温度缓慢升高。拟合方程的决定系数为0.986，根据自变量数量调整后的决定系数为0.985，拟合度高，计算的温度平均标准误差仅3.21 ℃。
根据实测的温度与拟合方程计算的木材内部温度，绘制二维坐标和三维坐标下木材温度分布图（图5a、5b和5c、5d）。从图5中可以看出，根据拟合方程计算值绘制的温度分布图比实测结果图更有规则，类似于消除了实测值偏差形成的“噪音”。实测结果的温度分布曲线，与多元线性回归方程计算结果的温度分布曲线，具有高度一致的变化规律，方程的决定系数达到0.985以上，表明利用多元回归分析方法建立的温度分布模型，能够比较准确地预测特定加热时间下木材内部的温度分布。
图5木材内部温度分布实测结果与计算结果比较Fig. the and in wood
3结论
1）厚度为20、25和40 mm，含水率表层高、内部低的木材，在热板夹持下加热过程中，都始终存在一个明显的升温速率峰值。在加热10 s时，在距表层4~5 mm处出现的升温速率峰值，达到或接近140 ℃/min；随着加热时间的延长，升温速率峰值逐渐降低至2 ℃/min，同时向中心移动。升温速率最大值的变化规律与含水率峰值的变化规律表现出高度的一致性。
2）随着木材厚度的增加，木材内部温度梯度逐渐减小。20和25 mm厚度的木材，在加热初期80 s，厚度方向的温度梯度出现最大值，分别为8.9和6.7 ℃；加热时间240 s开始，温度梯度分别降低至6.5和5.8 ℃均匀分布的密度函数，之后温度梯度的变化趋于平缓。高含水率层区域内木材的实测温度比木质素的玻璃化转变温度理论值高6.11~47.58 ℃，高含水率层区域的木材始终处于软化状态。
3）采用多元线性回归分析方法，建立的木材厚度方向温度预测的多变量函数模型，决定系数为0.985，拟合度高。表明利用该数学模型，能够比较准确地预测特定加热时间下木材内部的温度分布。
4）综上分析，表层具有高含水率区域的木材，采用热板加热的方式加热时，随着加热时间的增加，高含水率区域由表层逐渐向中心迁移过程中，区域内的温度始终高于木材的玻璃化转变温度，形成局部层状软化状态，是层状压缩形成的重要原因之一。
引用本文：黄荣凤,高志强,冯上环等.含水率非均匀分布木材在热板加热下温度分布的变化规律[J].木材科学与技术,2023,37(01):40-47.(HUANG ,GAO ,FENG ,et al. in Wood with by Press [J]. of Wood and ,2023,37(01):40-47.)
作者简介：黄荣凤，女，中国林业科学研究院木材工业研究所，研究员。
基金信息：国家自然科学基金项目“基于过热蒸汽压力和介质组成的木材塑性变形永久固定机理及其适用”（）；“水热控制下木材层状压缩形成机制及其可控性”（）。