過熱蒸汽預處理對楓香木材性能的影響

莊曉偉， 潘 炘， 陳順偉， 蔣應梯

(浙江省林業科學研究院浙江省森林資源生物與化學利用重點實驗室,浙江杭州 310023)

過熱蒸汽預處理對楓香木材性能的影響

莊曉偉， 潘 炘， 陳順偉， 蔣應梯

(浙江省林業科學研究院浙江省森林資源生物與化學利用重點實驗室,浙江杭州 310023)

[目的]明確不同溫度過熱蒸汽預處理對楓香木材性能的影響，為進一步提高楓香木材性能提供理論依據。[方法]研究不同溫度過熱蒸汽預處理對楓香色度、尺寸穩定性、防霉效果和耐腐性的影響。[結果]過熱蒸汽預處理能夠誘發楓香表面色度向紅色方向變化，提高其外觀品質；提高楓香的尺寸穩定性，減少變形、開裂等缺陷；一定程度上抑制細菌生長，提高楓香的防霉和耐腐性能。其中140 ℃過熱蒸汽預處理效果最佳，對可可球二孢、桔青霉、黑曲霉、綠色木霉具有較好的防治效果，楓香被害值為1，防治效力達60%；耐腐性方面，140 ℃過熱蒸汽預處理楓香的質量損失率達9.05%，比未處理樣降低了27.83%，耐腐朽等級達 Ⅰ 級。[結論]過熱蒸汽預處理能夠提高楓香木材性能。

過熱蒸汽；楓香；色度；防霉效果；耐腐性

木材是一種可再生和可循環利用的天然材料。木材的顏色是木材表面性質、品質評價和應用價值評價的重要指標[1]，不僅與人的視覺和心理感覺緊密相關，而且憑借木材的顏色及其變化來判斷木材的種類、性質以及性質的變化就是木材顏色實際應用的典型[2]。楓香(Liquidambarformosana)是我國優良鄉土速生闊葉樹種[3]，近年來在木制玩具等行業生產應用方面備受關注，但楓香含有豐富的內含物，易受微生物侵染，采伐后不及時進行干燥處理，易發生褐變[4]，且在干燥、加工和使用過程中容易發生色變，存在因色變產生的浪費等現象[5]。因此，楓香木材干燥工藝前進行過熱蒸汽預處理，誘發楓香木材表面色度變化，提高其外觀品質、尺寸穩定性、耐腐和防霉性能，是一種物理環保的預處理方法，處理后木材適用于出口木制玩具產品生產。筆者研究了不同溫度過熱蒸汽預處理對楓香木材性能的影響，以期為進一步提高楓香木材性能提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 供試植物。楓香木材，板材厚度為2 cm，為江西省萬載縣綠林實業有限公司產品。

1.1.2 供試菌株。黑曲霉(Aspergillusniger)、桔青霉(Penicilliumvisidicatum)、綠色木霉(Trichodermaviride)購自中國普通微生物菌種保藏管理中心。可可球二孢(Lasiodiplodiatheobromae)、彩絨革蓋菌(Trametesversicolor)購自中國林業微生物菌種保藏管理中心。

1.1.3 主要儀器。蒸汽發生器由江西省上饒市江心鍋爐有限公司生產，最高飽和蒸氣壓為0.7 MPa，溫度為170 ℃，蒸汽量為13 kg/h。碳化罐由浙江省杭州榮達鍋爐容器有限公司生產，工作壓力為0.5 MPa，容積為0.2 m3。TNI18 X-Rite型色差計由美國愛色麗公司生產；MWW-10型號微機控制人造板萬能試驗機由山東濟南天辰試驗機制造有限公司生產。

1.2 試驗方法 試驗采用2 cm厚度楓香板材，過熱蒸汽預處理時間4 h，蒸汽溫度為100、120和140 ℃，預處理后置于鼓風干燥箱中50 ℃干燥至水分含量在8%～12%。

1.3 分析方法

1.3.1 色度。木材表面色度采用色差計球面積分模式測試，并通過Lab色彩模型將楓香的色度表達出來，Lab色彩模型是由照度(L*)和有關色彩的a*、 b*3個要素組成。其中，L*表示照度，L*越大表示越白，L*小表示偏黑；a*表示從洋紅色至綠色的范圍；b*表示從黃色至藍色的范圍。總色差△E*由公式計算：△E*=[(△L*)2+(△a*)2+(△b*)2]1/2。記錄L*、a*、b*數值。

1.3.2 尺寸穩定性。木材尺寸穩定性主要包括濕脹率和干縮率，其指標測定分別采用GB/T 1934.2—2009、GB/T 1932—2009標準方法。

1.3.3 防霉效果評價。木材防霉性能的試樣準備、處理、接種和防霉試驗等均按照國家標準GB/T18261—2000“防霉劑防治木材霉菌及藍變菌的試驗方法”的相關規定進行。將樣品置于25～30 ℃、濕度65%～75%的環境中，28 d后目測樣品霉菌感染面積，通過被害值來體現木材防霉效果，被害值越小，防霉效果越好。試樣霉變的分級標準：0級，試樣表面無菌絲；1級，試樣表面感染菌絲面積小于25%；2級，試樣表面感染菌絲面積在25%～50%；3級，試樣表面感染菌絲面積在50%～75%；4級，試樣表面感染菌絲面積大于75%。

1.3.4 耐久性試驗方法。木材耐腐性的試樣準備、處理、接種和防霉試驗等均按照國家標準GB/T13942.1—1992的相關規定進行，對試樣受菌腐朽后質量變化量進行測定，計算試樣的質量損失百分率，通過質量損失率來體現木材防腐效果，質量損失百分率越小，防腐效果越好。試樣耐腐性等級：Ⅰ 強耐腐，質量損失百分率0～10%；Ⅱ 耐腐，質量損失百分率11%～24%；Ⅲ 稍耐腐，質量損失百分率25%～44%；Ⅳ不耐腐，質量損失百分率大于45%。

2 結果與分析

2.1 不同蒸汽溫度預處理楓香的表面色度 由表1可知，楓香的L*值和△E*都隨著預處理蒸汽溫度的升高呈下降趨勢，蒸汽溫度140 ℃時L*值和△E*最小，比未過熱蒸汽預處理楓香分別降低了4.60%和5.39%，說明過熱蒸汽預處理降低楓香的亮度、加深表面色度。但溫度≤140 ℃的過熱蒸汽預處理后楓香木材的L*值≥76.95，其表面顏色總體上還是偏淺。楓香的a*值隨著預處理蒸汽溫度的升高而增大，b*值隨著預處理蒸汽溫度的升高總體呈降低趨勢，其中預處理蒸汽溫度120和140 ℃時楓香的a*值和b*值達到紅木類木材的色度參數標準要求，說明隨著預處理蒸汽溫度的升高，楓香表面色度向紅色方向變化，溫度≥120 ℃蒸汽預處理能夠提高楓香木材的外觀品質。

表1 不同蒸汽溫度預處理的楓香色差參數

Table 1 Chromaticity parameters ofLiquidambarformosanapretreated by different temperature of superheated steam

蒸汽處理溫度Temperatureofsuperheatedsteam∥℃亮度L?紅值a?藍值b?總色差△E?080．664．7123．1984．0610079．295．1022．0682．4612078．456．5318．4280．8514076．957．7818．5279．53

2.2 不同蒸汽溫度預處理楓香的尺寸穩定性

2.2.1 濕脹率。由表2可知，蒸汽溫度對楓香的濕脹率影響較明顯，隨蒸汽溫度升高楓香濕脹率呈下降趨勢，其中蒸汽溫度為140 ℃時，全干-氣干和全干-吸水至尺寸穩定的徑向、弦向和體積濕脹率都最低；與未處理材相比，全干-氣干的徑向、弦向和體積濕脹率分別降低了15.00%、19.23%、16.67%，全干-吸水至尺寸穩定的徑向、弦向和體積濕脹率分別降低了7.32%、8.60%、13.58%；說明蒸汽溫度為140 ℃時預處理楓香的濕脹方面的尺寸穩定性最佳。采用100～140 ℃蒸汽對楓香進行預處理時，少量有機物出現溶出現象，半纖維素開始降解，纖維素基本不發生分解反應，木質素部分被軟化[6]；楓香的熱解反應導致半纖維素主鏈和側鏈上的親水性基團參與反應或斷裂而減少，纖維素中羥基濃度降低，從而降低了楓香的濕脹率[7]。

表2 不同蒸汽溫度預處理楓香的濕脹率

Table 2 Swelling ratio of Liquidambar formosana pretreated by different temperature of superheated steam %

2.2.2 干縮率。由表3可知，楓香徑向和弦向干縮率隨著蒸汽溫度升高呈下降趨勢，與未處理材相比，蒸汽溫度為140 ℃時，楓香的濕材-全干縮率徑向降低了7.89%、弦向降低了11.54%，濕材-氣干縮率徑向降低了5.56%、弦向降低了13.16%；而蒸汽溫度為100和120 ℃時的楓香濕材-全干縮率、濕材-氣干縮差異較小。

差異干縮是指木材的弦向干縮率與其徑向干縮率之比，該值愈大，表明木材在干燥過程中弦向與徑向的干縮率差別越大，所以愈易變形和開裂。由表3可知，楓香過熱蒸汽預處理可以降低楓香的差異干縮，蒸汽預處理楓香的差異干縮均小于未蒸汽預處理的楓香對照樣，說明楓香蒸汽預處理后可一定程度上減少變形、開裂等缺陷[8]。

表3 不同蒸汽溫度預處理楓香的干縮率

Table 3 Dry-shrinkage ofLiquidambarformosanapretreated by different temperature of superheated steam

蒸汽處理溫度Temperatureofsuperheatedsteam∥℃濕材-全干縮率Wet?woodshrinkage徑向Radial%弦向Chord%差異干縮Differentialdryingshrinkage濕材-氣干縮率Wet?airdryingshrinkage徑向Radial%弦向Chord%差異干縮Differentialdryingshrinkage03．87．82．11．83．82．11003．67．52．11．83．62．01203．67．32．01．83．51．91403．56．92．01．73．21．9

2.3 不同溫度蒸汽預處理楓香的防霉性能 由表4可知，隨著預處理過熱蒸汽溫度的升高，楓香的可可球二孢、桔青霉、黑曲霉和綠色木霉4種菌的被害值總體呈下降趨勢，對應的防治效力逐漸提高[9]。楓香的可可球二孢的被害值較低，4種處理的被害植均≤1，其中過熱蒸汽溫度140 ℃預處理楓香被害值達到0級；除未蒸汽預處理的楓香桔青霉、黑曲霉和綠色木霉的被害值≥3，其余不同溫度蒸汽預處理楓香的桔青霉、黑曲霉和綠色木霉的被害值≤2。從被害值均

表4 不同溫度蒸汽預處理楓香的防霉性能

值和防治效力來看，過熱蒸汽溫度140 ℃對楓香的預處理效果最好，被害值均值達到1級，防治效力達60%。因此，蒸汽預處理楓香具有了不同程度的防霉能力，被害值等級的大小與蒸汽溫度相關，140 ℃效果最好。

2.4 過熱蒸汽預處理楓香的耐腐性 由表7可知，蒸汽預處理楓香的質量損失百分率隨處理蒸汽溫度的升高而減小，140 ℃時質量損失百分率最低，為9.05%，比對照樣的質量損失百分率降低27.83%，小于 Ⅰ 級耐腐朽等級標準值10%，耐腐朽等級為 Ⅰ 級[10]；120 ℃時質量損失百分率為10.16%，比對照樣的質量損失百分率降低18.98%，稍高于 Ⅱ 級耐腐朽等級標準值10%。因此，蒸汽預處理能夠在一定程度上提高楓香的耐腐性，且蒸汽溫度越高效果越好，以140 ℃蒸汽預處理效果最佳。

表5 過熱蒸汽預處理楓香的耐腐性

Table 5 Decay resistance ofLiquidambarformosanapretreated by different temperatures of superheated steam

蒸汽處理溫度Temperatureofsuperheatedsteam∥℃質量損失百分率Masslosspercentage∥%耐腐朽等級Gradeofdecayresistance012．54Ⅱ10011．29Ⅱ12010．16Ⅱ1409．05Ⅰ

3 結論

楓香在加工和使用過程中容易發生褐變，120～140 ℃過熱蒸汽預處理能夠降低楓香的a*值和b*值，誘發楓香表面色度向紅色方向變化趨勢，既提高了楓香的外觀品質，又避免了因褐變產生的浪費等現象。

過熱蒸汽預處理能夠降低楓香的濕脹率和干縮率，提高其尺寸穩定性，一定程度上減少其變形、開裂等缺陷。濕脹率方面，隨蒸汽溫度升高楓香濕脹率呈下降趨勢，蒸汽溫度140 ℃時預處理楓香的濕脹方面的尺寸穩定性最佳。干縮率方面，楓香徑向和弦向干縮率隨著蒸汽溫度升高呈下降趨勢，蒸汽預處理楓香的差異干縮均小于未蒸汽預處理的楓香對照樣。

過熱蒸汽預處理能夠降低楓香營養物質含量，在一定程度上能夠抑制細菌生長，提高楓香的防霉和耐腐性能。防霉效果方面，隨著過熱蒸汽溫度的升高，楓香的可可球二孢、桔青霉、黑曲霉和綠色木霉4種菌的被害值總體呈下降趨勢，對應的防治效力逐漸提高，其中140 ℃過熱蒸汽預處理效果最好，處理后楓香被害值為1級，防治效力達60%。耐腐性方面，蒸汽預處理楓香的質量損失百分率隨處理蒸汽溫度的升高而減小，其中140 ℃時質量損失百分率最低，為9.05%，比未處理樣的質量損失百分率降低27.83%，耐腐朽等級為 Ⅰ 級。參考文獻

[1] 郭明輝,關鑫.木材誘發變色研究現狀與趨勢[J].世界林業研究,2008,21(5):51-54.

[2] 王輝,呂艷,張凱.適于木材種類識別顏色空間的研究[J].林業機械與木工設備，2009,37(1):20-22.

[3] 張宏達，任善湘.中國植物志[M].北京：科學出版社，1979.

[4] 郭夢麟,藍浩繁,邱堅.木材腐朽與維護[M].北京：中國計量出版社，2010.

[5] 吳維茜,宋曉,曾韜，等.楓香樹脂淺色化工藝試驗[J].林業科技開發,2013,27(5):105-107.

[6] WINDEISEN E,STROBEL C,WEGENER G.Chemical changes during the production of thermo-treated beech wood[J].Wood science and technology,2007,41(6):523-536.

[7] 趙東洋,程萬里,韓廣萍，等.預處理對榆木鋸材干燥效果及尺寸穩定性的影響[J].東北林業大學學報,2016,44(4):60-65.

[8] 余立琴.熱處理對竹材線性干縮率的影響[J].林業機械與木工設備,2013,41(7):32-33,37.

[9] 孫芳利,段新芳,文桂峰，等.CMC系列防腐劑對毛竹材的防霉效果[J].林業科學,2006,42(3):40-43.

[10] 黃茹,馬振香,楊洪杰，等.熱處理對色木耐腐性能和顏色的影響[J].木材工業,2014,28(3):46-48.

Effect of Superheated Steam on Properties ofLiquidambarformosana

ZHUANG Xiao-wei,PAN Xin, CHEN Shun-wei et al

(Zhejiang Forestry Academy,Key Laboratory of Forestry Resources Utilization of Zhejiang,Hangzhou,Zhejiang 310023)

[Objective] The aim was to clear effect of superheated steam on the properties ofLiquidambarformosanato provide theoretical basis for improve properties ofLiquidambarformosanawood.[Method] We pretreated wood ofLiquidambarformosanaby different temperature of superheated steam,and analyzed the chroma,anti-mold effects,decay-resistant and dimensional stability of treated wood.[Result] The superheated steam pretreatment could induce the surface ofLiquidambarformosanato red,improved the appearance quality and dimensional stability.The pretreatment also reduced deformation,cracking and other defects ofLiquidambarformosana.The superheated steam pretreatment could inhibit the growth of bacteria,improved the corrosion resistance and mildew ofLiquidambarformosana.In all treatments,the optimum temperature of superheated steam was 140 ℃.In this condition,the superheated steam could inhibit the growth ofLasiodiplodiatheobromae,Penicilliumvisidicatum,AspergillusnigerandTrichodermaviride.And the damage degree and prevention effect ofLiquidambarformosanawere grade I and 60%.Mass loss ofLiquidambarformosanapretreated by 140 ℃ superheated steam was 9.05%,27.83% lower than untreated sample.The decay-resistant degree was grade I.[Conclusion] The superheated steam could improve properties ofLiquidambarformosana.

Superheated steam;Liquidambarformosana;Chroma;Anti-mold effects;Decay-resistant

浙江省科技廳公益技術項目(2014C32113)；浙江省重大科技專項(2012C12006-2)。

莊曉偉(1979- )，男，浙江瑞安人，副研究員，博士，從事木材改性與炭素材料研究。

2016-09-12

S 784；TS 652

A

0517-6611(2016)35-0171-02