高溫熱處理對人工林楊木物理力學性能和尺寸穩定性的影響

陳澤君，王 勇，馬 芳，范友華，鄧臘云

（湖南省林業科學院，湖南 長沙 410004）

高溫熱處理對人工林楊木物理力學性能和尺寸穩定性的影響

陳澤君，王 勇，馬 芳，范友華，鄧臘云

（湖南省林業科學院，湖南 長沙 410004）

以蒸汽為介質，采用高溫熱處理法對楊木木材進行熱處理，研究了處理溫度和處理時間對楊木木材的物理力學性能和尺寸穩定性的影響。結果表明：處理溫度和處理時間對木材物理力學性能和尺寸穩定性均有較大影響。綜合考慮處理溫度和處理時間對木材物理力學性能和尺寸穩定性的影響及成本等因素，較佳的熱處理工藝參數為：溫度180 ℃，時間3.5 h。

楊木木材；熱處理；力學性能；尺寸穩定性；抗縮系數

我國人工林資源豐富，但人工林木材存在很多不足，如密度小、強度低、尺寸穩定性差、易腐朽等給其生產利用帶來諸多問題，為提高人工林木材材性，實現劣材優用，提高其經濟利用價值，就必須對其進行改性處理。雖然常規的化學浸注法能在一定程度上改善木材的性能，但還有一些不足，如改性的成本較高、產量低不適宜規?；a、改性藥劑給人體和環境帶來潛在危害等[1-2]，因而相比于化學改性，物理改性日益受到研究者的關注，而高溫熱處理技術是其中最具潛力的物理改性技術之一。

本研究以楊木Populeas為原料，以蒸汽為介質對其進行熱處理，測定其抗彎彈性模量（MOE）、靜曲強度（MOR）以及體積濕脹率，研究高溫熱處理對楊木主要力學性能及尺寸穩定性的影響，探索適用于楊木熱處理的最優工藝條件。

1 材料與方法

1.1 材料

試件為采自湖南沅江的黑楊，樹齡6 a，按照GB/T1929-09將 其 加 工 成 20(R)×20(R)×300(L)mm(靜曲強度、抗彎彈性模量測試試件)、20 mm×20 mm×20 mm（體積濕脹率測試試件）2種規格，將它們分別依次編號，試件的含水率為12%左右。

主要儀器及設備：電子天平；電子千分尺；自制高溫熱處理設備；萬能力學試驗機。

1.2 試驗方法

1.2.1 木材熱處理方法

（1）預處理階段。制備及選定好試件后，將試件放入恒溫恒濕箱中（T=20 ℃，HRH=65%）放置2周，達到平衡含水率。

（2）熱處理階段。將試件放入處理罐內，密閉處理罐，開始升溫，到60 ℃時通入蒸汽，當溫度到達設定值（170 ℃、180 ℃、190 ℃、200 ℃和210 ℃）時，保持一段時間（1.5 h、2.5 h、3.5 h和4.5 h）。

（3）降溫階段。處理結束后，停止加熱，當罐內溫度低于80 ℃時停止通入蒸汽，最后在45℃左右打開處理罐，取出試件。

（4）后處理階段。熱處理木材平衡含水率低，本試驗將熱處理木材放置在恒溫恒濕箱中（T=20℃，RH=65%）2周，讓其含水率基本達到平衡。

1.3 性能測試方法

1.3.1 力學性能測試

熱處理材和素材的靜曲強度（MOR）測定采用GB/T1936.1-09規定的方法，彈性模量（MOE）的測定采用GB/T1936.2-09規定的方法。然后比較木材經熱處理前后靜曲強度（MOR）和彈性模量（MOE）的變化率，其計算公式如下。

式中：l為熱處理木材的靜曲強度（MOR）、彈性模量（MOE）相關數據；l0為素材的靜曲強度（MOR）、彈性模量（MOE）相關數據；ω為熱處理材靜曲強度（MOR）及彈性模量（MOE）相比于素材的變化率。

1.3.2 物理性能測試

物理性能檢測素材及處理材的全干密度、體積濕脹率以分析楊木熱處理材的尺寸穩定性。全干密度采用GB1933-91規定的方法測定。熱處理材的抗濕脹測試采用GB1934.2-91規定的方法測定。通過熱處理材和素材的體積濕脹率計算熱處理材的抗縮系數（PASE），并將該值作為評價木材尺寸穩定性的主要指標。

式中：S1為素材的體積濕脹率；S2為處理材的體積濕脹率。

2 結果與分析

2.1 不同熱處理工藝對木材力學性能的影響

圖1和圖2是楊木木材在不同工藝條件下，所得熱處理材靜曲強度（MOR）和彈性模量（MOE）與素材相比的變化率。從圖中可以看出，不管處理時間和處理溫度如何變化，熱處理材靜曲強度（MOR）和彈性模量（MOE）相比于素材均有不同程度的上升。由圖1可以看出，在處理時間為1.5 h、2.5 h和3.5 h時，熱處理木材的靜曲強度（MOR）增加百分比隨著溫度上升先提高爾后下降。當處理條件為180 ℃，3.5 h時，熱處理材的靜曲強度（MOR）達到系列試驗的最大，為25%。當處理時間為4.5 h時，熱處理木材的靜曲強度（MOR）增加百分比隨著溫度的上升急劇下降，從22.5%下降到了5%。但當處理溫度超過180 ℃時，其靜曲強度（MOR）增加百分比又有明顯的提高，達到20%。

圖1 不同工藝條件熱處理材靜曲強度（MOR）變化Fig. 1 MOR variations of heat-treated wood with different processing conditions

圖2 不同工藝條件熱處理材彈性模量（MOE）變化Fig. 2 MOE variations of heat-treated wood with different processing conditions

由圖2可以看出，當處理時間為1.5 h和2.5 h時，熱處理材的彈性模量(MOE)的增加率是隨著溫度的提高先上升爾后下降的。在處理時間為3.5 h和4.5 h處，熱處理材的彈性模量（MOE）增加率曲線是隨著處理溫度的上升整體呈下降趨勢。當處理時間為4.5 h，處理溫度為180 ℃時，熱處理材的彈性模量(MOE)的相比于素材的僅提高了6.6%。說明長的處理時間不利于熱處理材彈性模量(MOE)的提高，這可能是處理時間過長使木材內部的半纖維素發生了深度裂解，破壞了木材結構的穩定性，從而影響了木材的力學性能[3-4]。

2.2 不同熱處理工藝對木材尺寸穩定性的影響

圖3和圖4分別為熱處理材全干密度的變化和吸水飽和后的體積濕脹率變化。從圖3可以看出，高溫熱處理導致木材質量損失，體積縮小，因此，熱處理木材的密度相對于素材會有不同程度的減小[5-6]。木材的全干密度隨著處理溫度的升高和處理時間的延長而降低，而且處理時間越長，木材的全干密度隨溫度變化的曲線越接近直線。熱處理材的體積濕脹率是隨著處理溫度的升高和處理時間的延長，呈下降趨勢。當處理溫度相同時，隨著處理時間的延長，熱處理材的體積濕脹率也會隨之下降。

圖3 熱處理材全干密度的變化Fig. 3 Dry density variations of heat-treated wood

圖4 熱處理材吸水飽和后的體積濕脹率變化Fig. 4 Specific volumetric dilatation variations of heat-treated wood

圖5 是木材從全干到吸水飽和狀態下的抗縮系數（ASE）。可以看出，熱處理材的抗縮系數（ASE）在3.5 h和4.5 h時均隨著處理溫度的上升，呈現一個先上升后下降的趨勢。而在2.5 h時熱處理材的抗縮系數（ASE）隨著處理溫度的上升逐步下降。處理時間為1.5 h時，處理效果整體欠佳，在180 ℃時，熱處理材抗縮系數為-2.5%，最高也僅為8%。在處理時間為4.5 h，處理溫度190 ℃時，熱處理材的抗縮系數（ASE）為33.1%，達到系列試驗的最佳。

圖5 不同工藝條件下熱處理材抗縮系數（ASE）變化Fig. 5 Variations of ASE with different process conditions

熱處理木材尺寸穩定性的變化可能是木材在高溫作用下，纖維素無定形區內纖維素大分子鏈上的羥基以及木質素上的部分羥基互相結合，脫去1分子的水形成-O-結構，從而減少了木材分子內的羥基數量，降低了木材的吸水吸濕性，提高了木材的尺寸穩定性[7-8]。半纖維素是無定型的物質，主鏈和側鏈上均含有親水基團，經熱處理后，半纖維素中的自由羥基的濃度也大大降低，降低了木材的吸濕性和內應力，使熱處理材與外界水分的交換能力下降，同時半纖維素中的某些多糖物質易降解為醛類和小分子糖類物質，在高溫作用下，降解產物又能聚合生成不溶于水的聚合物，從而顯著降低木材的吸濕性，提高木材的尺寸穩定性，大大減少了木材在使用中因環境濕度或水分變化引起的濕脹等問題[9-11]。

3 結 論

(1)不同的處理溫度和處理時間均能不同程度的提高木材靜曲強度（MOR）、彈性模量（MOE）以及抗縮系數（ASE）。

(2)木材彈性模量（MOE）和抗縮系數（ASE）受處理溫度影響較大，而受處理時間變化影響較小。木材靜曲強度（MOR）變化受處理時間和處理溫度雙重影響。因而均衡考量工藝條件和成本等因素，可選定最佳工藝條件為：180 ℃，3.5 h。

(3)熱處理工藝速度快，成本低，效果好，因而在以后的研究中還需全面考察熱處理木材的性能，如熱處理木材一些其它重要的物理力學及尺寸穩定性方面的性能，為未來工業化生產和應用提供堅實的理論基礎。

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Effects of heat treatment on physical and mechanical properties and dimensional stability of plantation poplar

CHEN Ze-jun, WANG Yong, MA Fang, FAN You-hua, DENG La-yun
(Hunan Academy of Forestry, Changsha 410004, Hunan ,China)

∶ The research that temperature and time of heat treatment affected the performance of dimensional stability and mechanical properties on heat-treated plantation poplar wood was conducted by taking steam as medium, and with high temperature treatments.The results show that the dimensional stability and mechanical properties of heat-treated wood were easily susceptible to temperature and time. After considering comprehensively, the optimal parameters of hot-treated wood are as followings: temperature 180 ℃, hotprocessing time 3.5 hours.

∶ poplar wood; heat treatment; mechanical properties; dimensional stability; ASE

S781.21

A

1673-923X(2012)06-0142-04

2012-01-17

湖南省林業廳林產工業建設專項資金項目；城市園林用環保改性防腐材研究與示范（編號：k1005163-31）作者簡介：陳澤君(1962—)，男，研究員，主要從事木材改性及配套裝備研究工作

[本文編校：羅 列]