壓力蒸汽熱改性橡膠木的物理力學性能分析

李曉文+李民+秦韶山+蔣匯川+陸全濟+李家寧

摘 要 為研究介質壓力在木材高溫熱改性過程中的作用，采用壓力蒸汽作為傳熱介質，于155℃/0.4 MPa，170℃/0.4 MPa，170℃/0.8 MPa處理條件對橡膠木進行熱改性，測試熱改性材的質量損失率、明度、抗彎強度、抗彎彈性模量等指標，探討不同處理壓力和溫度改性橡膠木的物理力學性能變化。結果表明，在壓強0.4 MPa條件下，155℃和170℃處理的試材，其各項性能可以達到或接近常壓條件下更高溫度熱改性材的性能。介質壓強由0.4 MPa增加至0.8 MPa，炭化橡膠木的質量損失率、顏色變化、抗彎強度損失均增大，說明壓強越大，熱改性程度越劇烈。介質壓強對試材的熱改性程度有顯著影響，提高蒸汽壓力可以在較低溫度下加快橡膠木的炭化過程，實現木材的高效熱改性處理。

關鍵詞 熱改性 ；橡膠木 ；壓力蒸汽

中圖分類號 S781.7 文獻標志碼 A Doi：10.12008/j.issn.1009-2196.2016.11.022

Abstract In order to determine the effects of steam pressure in wood heat-treated process， thermally modified rubber wood in pressurized steam at 155℃/0.4 MPa， 170℃/0.4 MPa and 170℃/0.8 MPa was investigated in the present study. The physical and mechanical properties of heat-treated rubber wood such as color， mass loss， modulus of rupture and modulus of elasticity were conducted. The results show that rubber wood treated in pressurized steam performed similar properties as that in atmospheric steam while the treated temperature was relatively lower than that. As the steam pressure increased to 0.8 MPa， the mechanical properties decreased sharply and mass losses increased significantly， which suggested that a much more severe degradation occurred inside rubber wood in the condition. The research findings indicated that the properties of heat-treated wood were dramatically affected by treating pressure and thermal modification process could be undertaken at lower temperature when the pressure was accordingly increased.

Keywords thermal modification ； rubber wood ； pressurized steam

高溫熱改性可有效提高炭化處理材的尺寸穩定性，耐腐性，使木材顏色加深，賦予其熱帶硬木的外觀色澤。高溫熱改性采用物理手段對木材進行處理，與化學改性相比，處理過程更為環保，處理成本不高，便于大規模工業化生產。

根據炭化過程中介質壓力狀況，木材炭化生產主要有常壓工藝和壓力工藝2種，常壓工藝生產炭化木研究報道較多[1-3]。近年來，有學者開展了壓力條件下木材熱改性炭化工藝。顧煉百等[4]研究表明，采用0.35 MPa壓力條件，分別于185和205℃炭化柞木和樟子松1.5 h，可以更顯著改善木材的耐腐性。Ding Tao等[5]采用0.32 MPa壓力于200℃熱改性馬尾松鋸材2 h，與常壓工藝相比，木材的抗吸濕性和尺寸穩定性更好，處理材的顏色更深，雖然抗彎強度略有減小，但不具有統計學意義上的顯著差異。涂登云等[6]研究了常壓設備與罐式壓力設備炭化水曲柳板材性能變化。結果表明，在180和190℃炭化水曲柳木材2～3 h，當壓力由0.1增加到0.2 MPa，木材的干縮系數降低，在相同處理溫度和時間條件下，壓力增大，木材穩定性提高。楊潔等[7]報道了溫度150～200℃的過熱蒸汽，壓力0.1～0.6 MPa條件下，橡膠木的抽提物可以減少51%。王曉旭[8]發現，壓力高溫熱改性與常壓熱改性條件相比，馬尾松木材內部的升溫速率比常壓處理快7%～50%，可提高處理效率及炭化木材的整體均勻性。而采用氮氣提高設備內部壓力熱改性歐洲云杉及研發高溫高壓熱處理裝置的發明專利也有報道[9-11]。

結合文獻報道和前期預實驗結果，本文選擇了適當的溫度、壓力開展實驗，對壓力條件處理的橡膠木熱改性材性能進行研究，探討蒸汽壓力條件與蒸汽常壓條件的熱改性工藝差異及其對熱改性材性能的影響，為進一步優化橡膠木熱改性工藝提供試驗依據。

1 材料與方法

1.1 材料

試材為人工林橡膠樹（Hevea brasiliensis），樹齡35年，采自中國熱帶農業科學院試驗場5隊，品系‘PR107。取樹桿通直、無風害斷頭的橡膠樹1株作為試樣，取其離地1.3～2 m的一段原木，徑鋸法下鋸，厚度2.5 cm，低溫窯干至含水率12%，窯干工藝為階段式干燥基準，初期干球溫度55℃，末期干球溫度80℃。選無黑線、節子的試材，備用。

1.2 方法

1.2.1 壓力熱改性

將試材堆垛置入不銹鋼熱處理罐中，待測試件放置在處理罐中間一層，規格為65 cm×10 cm×2.5 cm，數量5塊；并放入橡膠木商品材，規格100 cm×14 cm×2.5 cm，數量5塊，每次處理共放入板材10塊。設備為2組熱源：（1）電加熱導熱油熱源；（2）電加熱蒸汽熱源。處理開始階段通入蒸汽0.5 h，排出罐內空氣，然后啟動導熱油爐，升溫，通過調節蒸汽發生器蒸汽壓力，導熱油溫度和設備壓力控制閥達到試驗設定的壓力。

試驗分3次：（1）155℃、0.4 MPa處理2 h；（2）170℃、0.4 MPa處理2 h；（3）170℃、0.8 MPa處理2 h。木材初含水率、升溫速度、降溫過程等其它工藝均相同，每次試驗周期為5～6 h。

1.2.2 性能檢測

（1）質量損失率測定：每個處理條件取5個試件，尺寸為50 mm×50 mm×22 mm（L×T×R），分別測得熱改性前后試件的絕干質量，計算其質量損失率。

（2）顏色變化測定：用精密色差儀分別測得不同工藝熱改性試件的色度指標，主要分析明度指數L*的變化。

（3）參考國家標準“GB 1936.1-1991木材抗彎強度試驗方法”和“GB 1936.2-91木材抗彎彈性模量測定方法”，將熱改性材置于室內8個月自然平衡后，制備力學性能試件，試件尺寸為300 mm×20 mm×20 mm（L×T×R），取自樹木的邊材部分，位于樹木年輪大致相同的位置，每組試件10個重復，分別測得對照組與不同工藝熱改性材的抗彎強度（modulus of rupture， MOR）和抗彎彈性模量（modulus of elasticity， MOE）。

2 結果與分析

表1為不同壓力條件熱改性橡膠木的質量損失率和顏色變化。從表1數據可知，與常壓熱改性處理材的結果類似，經過壓力條件熱改性后，熱改性材的質量減小。在0.4 MPa壓強下，170℃處理的質量損失率較155℃處理的試材略有升高，而當壓強增加到0.8 MPa時，同樣170℃處理2 h，熱改性材的質量損失率急劇增加到12.22%，超過同等溫度0.4 MPa熱改性材的1倍，說明其改性程度大大增加。分析其顏色變化可以發現相似的規律，不同條件處理的熱改性材顏色明度值較素材均有所降低，說明其材色均不同程度加深；170℃/0.4 MPa處理的試材與155℃/0.4 MPa處理的試材L*值比較相近；而170℃/0.8 MPa處理的試材L*值顯著降低。分析治理損失率和明度數據，3個條件處理的試材之間均存在顯著差異，同等壓力條件，溫度越高，質量損失率越大，顏色越深；同等溫度條件，壓力越大，質量損失率也越大，顏色也越深。 表2為不同壓力條件熱改性橡膠木的力學性能。分析其中MOE數據可以看出，0.4 MPa壓強下，隨著處理溫度的升高，熱改性材的MOE有所增加，但顯著性分析顯示，155℃處理的試材與素材間的差異不顯著；而170℃/0.8 MPa條件下處理的試材MOE有較為顯著的下降。橡膠木熱改性材的MOR較素材均出現顯著下降，其中0.8 MPa壓強下170℃處理的熱改性材MOR下降幅度最大，0.4 MPa壓強下155和170℃處理的試材MOR下降幅度相對較小，二者間差異不顯著。從力學性能分析，0.4 MPa壓強下，不同溫度處理的試材力學性能不存在顯著差異；而保持溫度為170℃不變，壓強增加到0.8 MPa時，力學強度出現顯著降低。

隨著壓強的增加，熱改性橡膠木的質量損失率、顏色變化、抗彎強度損失均增大，說明壓強越大，熱改性程度越劇烈。其機理可能是由于壓強增加，介質的傳熱效率提高；也可能是由于隨著壓強增加，木材含水率升高、或介質中有機酸等熱降解產物濃度增加，從而加劇催化木材的熱降解，最有可能是多種因素共同影響的結果，有待于將來進一步研究驗證。

表3為蒸汽壓力條件下炭化與蒸汽常壓條件炭化橡膠木部分性能比較。芬蘭國家技術研究中心（VTT）將熱改性木材分為2個等級，以提高木材尺寸穩定性為目的的穩定級別（ThermoWood-S級）和以提高木材耐腐朽性及穩定性的耐久級別（ThermoWood-D級），其中闊葉材S級處理溫度推薦185℃，闊葉材D級處理溫度推薦200℃，最高溫度階段保持2～3 h，S級推薦用于室內，木材顏色淺，抗彎強度損失小，D級更適合戶外不接地場合，木材顏色深，耐久性好，但抗彎強度損失較大。前期研究表明，采用VTT推薦的2個經典溫度常壓工藝熱改性橡膠木，其處理材的質量損失率和顏色的變化是反映橡膠木材炭化程度的重要指標。本實驗研究結果表明，采用0.4 MPa，0.8 MPa的壓力于155和170℃炭化橡膠木，其木材的顏色、質量損失率、抗彎強度損失與185～215℃處理接近。如155℃/0.4 MPa/2 h炭化橡膠木性能與185℃/常壓/3 h處理接近，170℃/0.4 MPa/2 h炭化橡膠木性能與200℃/常壓/3 h處理相當，170℃/0.8 MPa/2 h炭化橡膠木性能與215℃/常壓/3 h處理接近，即在該壓力范圍，采用低于VTT推薦的經典處理溫度，可達到常壓高溫度的炭化程度，同時處理時間相應減少。

3 結論與討論

采用壓力蒸汽為傳熱介質，于155℃/0.4 MPa，170℃/0.4 MPa，170℃/0.8 MPa處理條件熱改性橡膠木2 h，測試其各項物理力學性能，結果表明，介質壓強對于橡膠木熱改性材的性能有著顯著影響。在壓力條件下，較低溫度處理的試材，其性能可以達到或接近常壓條件下更高溫度熱處理材的性能。提高蒸汽壓力可以在較低的環境溫度下加快橡膠木的熱改性過程，實現橡膠木材的高效熱改性處理。本實驗選擇有代表性的溫度、壓強等處理條件開展研究，對未來制定橡膠木壓力熱改性工藝有一定借鑒意義。

顧煉百[4，14]指出，木材壓力蒸汽介質熱改性，在高溫壓力蒸汽炭化過程中，木材的終含水率會顯著提高。程萬里[4]在其專著中建立了高溫高壓環境木材平衡含水率與相對濕度的關系，根據其回歸方程推算，常壓185～215℃條件下炭化，木材的平衡含水率要低于1%，可視為接近絕干，則木材要經歷含水率從窯干材到絕干再經過調濕到4%～6%過程。壓力條件下炭化，溫度170℃，壓力0.8 MPa時，其木材的平衡含水率超過6%[15]，由此表明，蒸汽壓力條件下于155～170℃炭化，可在較高的平衡含水率條件下熱改性木材，木材橫斷面上含水率梯度平緩，減少木材因為干燥失水引起的變形和開裂，同時溫度較低時炭化，高效節能，生產成本低。

另外，高壓密閉罐體內炭化，木材釋放的有機酸和水蒸氣得到積累，可能使其作為催化劑加速炭化進程，這亦可能是170℃/0.8 MPa/2 h炭化橡膠木其質量損失超過215℃/常壓/3 h處理的原因。謝延軍[9]研究表明：在0.2～0.8 MPa條件下，隨著介質氮氣與水蒸氣壓強增加，歐洲云杉木材的質量損失率增大；在相同處理溫度下，木材本身的含水率越高，達到相同處理效果（相同的失重率）所需要的時間就越短，能節約時間，提高生產效率，但木材的強度也降低較多。雖然壓力設備制造成本較高，且安裝及生產運行要求高于常壓設備，但高壓高濕環境熱處理，具有木材平衡含水率高，傳熱快，保護氣體不排放而散熱少、能耗小，炭化溫度可以低于VTT推薦的經典溫度范圍等特點。蒸汽壓力介質炭化是否對易變形和開裂的小葉桉、柳桉等硬雜木和厚方材炭化有一定優勢，有待進一步試驗研究。

參考文獻

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