高溫?zé)崽幚韺θ斯ち謼钅疚锢砹W(xué)性能和尺寸穩(wěn)定性的影響

陳澤君，王 勇，馬 芳，范友華，鄧臘云

（湖南省林業(yè)科學(xué)院，湖南 長沙 410004）

高溫?zé)崽幚韺θ斯ち謼钅疚锢砹W(xué)性能和尺寸穩(wěn)定性的影響

陳澤君，王 勇，馬 芳，范友華，鄧臘云

（湖南省林業(yè)科學(xué)院，湖南 長沙 410004）

以蒸汽為介質(zhì)，采用高溫?zé)崽幚矸▽钅灸静倪M(jìn)行熱處理，研究了處理溫度和處理時(shí)間對楊木木材的物理力學(xué)性能和尺寸穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：處理溫度和處理時(shí)間對木材物理力學(xué)性能和尺寸穩(wěn)定性均有較大影響。綜合考慮處理溫度和處理時(shí)間對木材物理力學(xué)性能和尺寸穩(wěn)定性的影響及成本等因素，較佳的熱處理工藝參數(shù)為：溫度180 ℃，時(shí)間3.5 h。

楊木木材；熱處理；力學(xué)性能；尺寸穩(wěn)定性；抗縮系數(shù)

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(qiáng)度低、尺寸穩(wěn)定性差、易腐朽等給其生產(chǎn)利用帶來諸多問題，為提高人工林木材材性，實(shí)現(xiàn)劣材優(yōu)用，提高其經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值，就必須對其進(jìn)行改性處理。雖然常規(guī)的化學(xué)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(chǎn)量低不適宜規(guī)模化生產(chǎn)、改性藥劑給人體和環(huán)境帶來潛在危害等[1-2]，因而相比于化學(xué)改性，物理改性日益受到研究者的關(guān)注，而高溫?zé)崽幚砑夹g(shù)是其中最具潛力的物理改性技術(shù)之一。

本研究以楊木Populeas為原料，以蒸汽為介質(zhì)對其進(jìn)行熱處理，測定其抗彎彈性模量（MOE）、靜曲強(qiáng)度（MOR）以及體積濕脹率，研究高溫?zé)崽幚韺钅局饕W(xué)性能及尺寸穩(wěn)定性的影響，探索適用于楊木熱處理的最優(yōu)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(qiáng)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(guī)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(shè)備：電子天平；電子千分尺；自制高溫?zé)崽幚碓O(shè)備；萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 木材熱處理方法

（1）預(yù)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(dá)到平衡含水率。

（2）熱處理階段。將試件放入處理罐內(nèi)，密閉處理罐，開始升溫，到60 ℃時(shí)通入蒸汽，當(dāng)溫度到達(dá)設(shè)定值（170 ℃、180 ℃、190 ℃、200 ℃和210 ℃）時(shí)，保持一段時(shí)間（1.5 h、2.5 h、3.5 h和4.5 h）。

（3）降溫階段。處理結(jié)束后，停止加熱，當(dāng)罐內(nèi)溫度低于80 ℃時(shí)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(yàn)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(dá)到平衡。

1.3 性能測試方法

1.3.1 力學(xué)性能測試

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

式中：l為熱處理木材的靜曲強(qiáng)度（MOR）、彈性模量（MOE）相關(guān)數(shù)據(jù)；l0為素材的靜曲強(qiáng)度（MOR）、彈性模量（MOE）相關(guān)數(shù)據(jù)；ω為熱處理材靜曲強(qiáng)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(wěn)定性。全干密度采用GB1933-91規(guī)定的方法測定。熱處理材的抗?jié)衩洔y試采用GB1934.2-91規(guī)定的方法測定。通過熱處理材和素材的體積濕脹率計(jì)算熱處理材的抗縮系數(shù)（PASE），并將該值作為評價(jià)木材尺寸穩(wěn)定性的主要指標(biāo)。

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(jié)果與分析

2.1 不同熱處理工藝對木材力學(xué)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(qiáng)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(shí)間和處理溫度如何變化，熱處理材靜曲強(qiáng)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(shí)間為1.5 h、2.5 h和3.5 h時(shí)，熱處理木材的靜曲強(qiáng)度（MOR）增加百分比隨著溫度上升先提高爾后下降。當(dāng)處理?xiàng)l件為180 ℃，3.5 h時(shí)，熱處理材的靜曲強(qiáng)度（MOR）達(dá)到系列試驗(yàn)的最大，為25%。當(dāng)處理時(shí)間為4.5 h時(shí)，熱處理木材的靜曲強(qiáng)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(dāng)處理溫度超過180 ℃時(shí)，其靜曲強(qiáng)度（MOR）增加百分比又有明顯的提高，達(dá)到20%。

圖1 不同工藝條件熱處理材靜曲強(qiáng)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(dāng)處理時(shí)間為1.5 h和2.5 h時(shí)，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(shí)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(dāng)處理時(shí)間為4.5 h，處理溫度為180 ℃時(shí)，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(shí)間不利于熱處理材彈性模量(MOE)的提高，這可能是處理時(shí)間過長使木材內(nèi)部的半纖維素發(fā)生了深度裂解，破壞了木材結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而影響了木材的力學(xué)性能[3-4]。

2.2 不同熱處理工藝對木材尺寸穩(wěn)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?zé)崽幚韺?dǎo)致木材質(zhì)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(shí)間的延長而降低，而且處理時(shí)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(shí)間的延長，呈下降趨勢。當(dāng)處理溫度相同時(shí)，隨著處理時(shí)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(tài)下的抗縮系數(shù)（ASE）。可以看出，熱處理材的抗縮系數(shù)（ASE）在3.5 h和4.5 h時(shí)均隨著處理溫度的上升，呈現(xiàn)一個(gè)先上升后下降的趨勢。而在2.5 h時(shí)熱處理材的抗縮系數(shù)（ASE）隨著處理溫度的上升逐步下降。處理時(shí)間為1.5 h時(shí)，處理效果整體欠佳，在180 ℃時(shí)，熱處理材抗縮系數(shù)為-2.5%，最高也僅為8%。在處理時(shí)間為4.5 h，處理溫度190 ℃時(shí)，熱處理材的抗縮系數(shù)（ASE）為33.1%，達(dá)到系列試驗(yàn)的最佳。

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

熱處理木材尺寸穩(wěn)定性的變化可能是木材在高溫作用下，纖維素?zé)o定形區(qū)內(nèi)纖維素大分子鏈上的羥基以及木質(zhì)素上的部分羥基互相結(jié)合，脫去1分子的水形成-O-結(jié)構(gòu)，從而減少了木材分子內(nèi)的羥基數(shù)量，降低了木材的吸水吸濕性，提高了木材的尺寸穩(wěn)定性[7-8]。半纖維素是無定型的物質(zhì)，主鏈和側(cè)鏈上均含有親水基團(tuán)，經(jīng)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(nèi)應(yīng)力，使熱處理材與外界水分的交換能力下降，同時(shí)半纖維素中的某些多糖物質(zhì)易降解為醛類和小分子糖類物質(zhì)，在高溫作用下，降解產(chǎn)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(wěn)定性，大大減少了木材在使用中因環(huán)境濕度或水分變化引起的濕脹等問題[9-11]。

3 結(jié) 論

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

(2)木材彈性模量（MOE）和抗縮系數(shù)（ASE）受處理溫度影響較大，而受處理時(shí)間變化影響較小。木材靜曲強(qiáng)度（MOR）變化受處理時(shí)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(xué)及尺寸穩(wěn)定性方面的性能，為未來工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

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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(yè)廳林產(chǎn)工業(yè)建設(shè)專項(xiàng)資金項(xiàng)目；城市園林用環(huán)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]