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浅谈吉他木材的干燥处理
 
吉他,一种源自西洋的乐器。
  每支吉他,90%以上是用木材加工而成的!每年,全球有近2000万支的吉他在生产!而其中过半以上“Make in China”!因此,如何对木材进行处理利用,减少资源浪费,降低材料成本,在吉他生产中显得至关重要!
  首先,我们有必要了解一些木材的概念和特性:
1、阔叶材(硬质材):如桃花心木、枫木、沙比利木、玫瑰木或乌木等,用于制作吉他的琴颈、背板、侧板、指板、琴桥等。
2、针叶材(软质材):如松木、云杉、椴木、南杨木等,用于制作吉他的面板、音梁、衬边等。
3、异向性:我们都知道,木材有纵向、径向和弦向三个基本方向,三个不同方向上木材的水分传导、干缩性质均有所不同。
其具体数据为:木材水分传导:纵 : 横=9.5~16.7 径 : 弦≈1.77干缩和湿胀: 弦 : 径 : 纵=10 : 5 : 0.4这一特性,在材料处理过程中,直接影响着木材的变异。如果木材在制作吉他之前没有经过合理干燥,做成的吉他就会不稳定。当这些木材最终干燥了的时候,结果可能导致吉他琴颈弯曲,琴体或面板开裂。
4、 吸着水:在细胞壁物质上以吸附方式吸着的水分(存在于微毛细胞中)。吸着水除对木材的重量有影响外,几乎对所有的木材物理、力学性能都有影响。
5、木材的吸湿性
吸湿:当空气中的水蒸汽压力大于木材表面水蒸汽压力时,木材能从空气中吸收水分。
解吸:当空气中的水蒸汽压力小于木材表面水蒸汽压力时,木材中的水分向空气中蒸发。
6、含水率梯度:单位长度上含水率的变化称为含水率梯度。水分从高含水率向低含水率移动,这种梯度越大,水蒸汽压力差越大,水分移动速度越快。
7、木材的纤维饱和点(FSP)
  在大气条件下,自由水蒸发完毕后,细胞壁中的吸着水还处于饱和状态时,此时的含水率状态叫做纤维饱和点。木材的纤维饱和点是木材各类性质的转折点。当含水率低到FSP以下时,木材外形就发生收缩,在FSP以上,含水率降低,但木材外形不发生收缩。
对以上概念和特性的了解后,要如何具体的进行木材合理的干燥呢?
让我们再来看看水分在木材中的移动方式:经测试,纵向水分移动速度是横向的5~8倍,横向中径向大于弦向(径向约比弦向快20%~50%以上)。简单的说,木材水分移动方向:纵>径>弦。而实际情况下,因板材纵向尺寸比横向大得多,横向传导面积比纵向大得多,所以板材实际干燥中主要靠横向。
  另外,我们还有知道木材干燥的三要素,即干燥介质的温度、湿度、气流循环速度。
温度:干燥介质的温度决定了木材的温度和木材内部水的温度,是加速木材干燥速度的有利条件,所以温度越高,干燥速度越快。
湿度:干燥介质的温度是对木材干燥速度起制约作用的因素,在干燥介质温度一定时,湿度越高木材干燥速度越慢;湿度越低干燥速度越快。
气流速度:气流可以吹散木材表面上的饱和水蒸汽层,并带走从木材中蒸发出来的水蒸汽;同时把干燥介质热量传给木材。气流速度越快,木材干燥速度越快。但气流速度过快会浪费动力能源,增加干燥成本。
  知道了木材中水分的移动方式,及木材干燥的三要素,对于如何处理好木材已经有了基本概念,联系前面提到的木材存在“异向性”特性,也即是我们在木材干燥处理过程中出现的“干燥应力”。要想最终合理利用好木材,关键是要控制和消除应力在木材中的作用!在木材干燥过程中,应力的变化可分为四个阶段:
1、干燥开始阶段:此时因木材表层、内部的含水率均在纤维饱和点以上,木材还没有干缩,所以木材内部不存在含水率应力和残余应力。
2、干燥前期阶段:在此阶段,表层含水率先降到FSP以下而发生收缩,但内层含水率尚在FSP以上未发生收缩,这时表层的收缩会受到内层的牵制而处于伸张状态,产生张应力;内层则受表层的压迫而处于受压状态,产生压应力。随着干燥过程的继续应力会增加,当表层张应力超过该条件下的横纹抗拉强度时,木材便发生表裂。可以通过控制干燥工艺使表层最大张应力不超过破坏极限,避免表裂。方法是:在此阶段提高干燥介质湿度,降低干燥温度。
3、干燥中期阶段:此阶段平均含水率降到30%左右,木材内部含水率也开始低于FSP,若上一阶段没有对木材进行增湿处理,则表层木材已失去正常的干缩条件,而固定于伸张状态,此时尽管木材内层的含水率高于表层,但内部各层的干缩量约等于外部各层在塑化前的干缩量,内外各层的尺寸暂时一致,应力也暂时平衡。但由于木材是弹性——塑性体,表层在长时间处于伸张状态下,会发生不同程度的蠕变,并变干后固定下来,形成“表面硬化”。这种硬化如不解除,将影响到后期的干燥,并在干燥结束后在木材中表现出残余应力。
4、干燥后期阶段:此阶段木材断面上的含水率变得均匀,内部的含水率梯度也很小,若上阶段没有进行增湿处理,则木材表层因早已塑化固定而停止收缩。当含水率下降时,内部各层还可以收缩,但内部的收缩受表层的牵制而不能正常收缩,因此内层产生张应力,表层产生压应力。当内部产生的拉应力大于该条件下木材的横纹抗拉强度,将产生内裂。此阶段必须对木材进行增湿处理,以消除干燥结束后的残余应力。
  清楚了干燥应力在各阶段的变化情况,在实际窑干过程中,消除干燥应力的办法是在适当的时候进行适当的调湿处理,根据处理阶段和处理作用的不同,调湿处理可分为预热处理、中间处理、平衡处理和终了处理四种。

一、预热处理
1、预热处理的目的:
①对木材加热,并提高木材心层的温度,以便在进入干燥阶段后能加速内部水分向表层移动。
②对半干材和气干材,预热处理可消除板材在气干过程中产生的表面张应力。
③对湿材和生材,预热处理可以使含水率偏高的木材蒸发一部分水分,使初含水率趋于均匀。
④预热处理可以降低水分的粘度,使半干材或气干材的表层毛细管舒张,从而提高水分的传导性。
2、预热处理的实施:
分两步进行:首先使介质干球温度升高到40℃,并维持0.5~1h,使窑内设备和窑内壁及木材表层加热,以免在高湿处理时这些表面上产生冷凝水。然后再进行调湿预热处理,使温度、湿度同时升高到要求的介质状态,并保持一定时间,让木材热透。

树种

厚度(mm)

升温速度(°c/h)

降湿速度(%/h)

软杂木

<35

2

3

>35

1

2

硬杂木

<35

1.5

2

>35

1

2

3、介质状态参数:
预热处理的温度略高于第一阶段的温度。硬阔叶材预热温度可高5℃,软针叶材预热温度可高8℃。相对湿度100%,不得低于90%。
保温时间:软针叶材每25px厚约维持1h,硬阔叶材约维持1.5h。
注:这里的维持时间是指介质状态参数达到要求后保持此状态所需的时间。
☆注:这里的维持时间是指介质状态参数达到要求后保持此状态所需的时间。

二、中间处理
  板材在窑干过程的前期会产生表面张应力,严重时会引起表裂,而中、后期会出现表面硬化,严重时会造成内裂。
中间处理的目的在于:消除表层张应力和表面硬化,同时还能使表层毛细管舒张并减缓含水率梯度,以利于继续干燥。
  介质状态:常规工艺要求干球温度比当时干燥阶段的温度高5~8℃。但干球温度不超过100℃。湿度按窑内介质的平衡含水率比当时阶段基准的平衡含水率规定值高5~6%来确定。
维持时间:针叶材和软阔叶材厚板及厚度不超过50mm的硬阔叶材,中间处理时间为每10mm厚度处理1h左右,厚度超过60mm的硬阔叶材和落叶松每10mm厚度处理1.5~2h。材质硬和厚度大的处理时间相对长些。针叶材和软阔叶材的中、薄板及中等硬度的阔叶材薄板可不进行中间处理。
  对于透气性好的针叶材和软阔叶材,如果用硬度适中的基准时,后期发生内裂的可能性不大,中间处理主要以防止表裂和改善干燥条件为主,只需在含水率减少1/3~1/2时处理1次即可。对于中等硬度的阔叶材中、厚板,处理1~2次,可分别在含水率降低1/3时和含水率降到25%左右时进行。对于硬阔叶材中、厚板,应处理3次或3次以上,可考虑在含水率为45%、35%、25%左右进行。
  中间处理的效果应通过应力片检验,或看表裂是否愈合。硬阔叶材容易发生内裂,必须比较充分地解除表面硬化。
三、平衡处理
   当板材的含水率达到要求的终含水率时,可能窑内还有一部分板材的含水率尚未达到要求,或沿锯材厚度方向含水率分布还不均匀(即内层尚未干透)。
所以平衡处理的目的在于:提高整个材堆的干燥均匀度和沿厚度上含水率的均匀度。若对干燥含水率均匀性要求较高,须进行平衡处理。
  介质状态:温度可比基准最后阶段高5~8℃,但温度不超过100℃。对于硬阔叶材,如对干燥质量要求较高时,处理温度最好不要超过基准最后阶段的温度。温度过高容易引进内裂。
  平衡处理的介质湿度,按介质平衡含水率值比要求的终含水率低2%来决定。
  维持时间:与初含水率状况的不均匀程度、干燥窑的干燥均匀性、含水率检验板在材堆中的位置,以及树种、厚度和干燥质量等因素有关,不能硬性规定。应以含水率最高的样板和窑内干燥速度较慢的部位的含水率及板材厚度上含水率偏差都达到要求的终含水率允许偏差的范围内为准。
  若不能对这些部位或样板进行检测,可按每25px维持2~6h估计,并在窑干结束后检验,以便总结。

四、终了处理
  板材干燥到所要求的终含水率并经过平衡处理后,无论沿横断面的含水率分布是否均匀,其内部都会有不同程度的残余干燥应力存在。
  终了处理的目的在于:消除残余应力。
  介质状态参数:温度比基准最后阶段高5~8℃,或保持平衡处理的温度(温度不超过100℃)。湿度按介质状态的平衡含水率比板材要求终含水率高4%来决定。
  维持时间:针叶材或软阔叶材厚度小于60mm时,每10mm厚度处理1h。厚度大于60mm,处理1.5h,中等硬度的阔叶材和落叶松薄板,每10mm厚度处理1h,中、厚板处理1.5~3h。硬阔叶材,每10mm厚度处理2~5h,处理时间随材质的硬度和板材厚度而增加。
  通过以上四个阶段的处理,木材已经基本干燥结束。这时,应当立即关闭加热器阀门,通风机是否关闭要根据对被干木材降低温度的方法。强制降温可以让风机继续运转,自然降温可以停止风机运转。
  木材降温过程中,进排气道的打开与关闭与室外天气有关,晴天可以完全打开,阴天下雨可以适当关闭。
  当干燥温度降到与环境温度相差不大于30℃时,可以卸出木材。或冬季30℃,夏季45~50℃。
  木材干燥后,不能对木材立即进行机械加工,应让木材存放一段时间,一是让含水率均匀,二是消除部分残余应力,一般:2~3周。

 

 

 
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