負壓輕炭化木材物理力學性能

薛紫蕎， 王雪花， 周亞琴， 陳夢奇， 黃瓊濤

（1.南京林業大學 家居與工業設計學院，江蘇 南京210037；2.南京林業大學 江蘇省林業資源高效加工利用協同創新中心,江蘇 南京210037；3.梅州市匯勝木制品有限公司,廣東 梅州514600）

炭化是一種常見的木材化學改性技術［1］，相對其他改性方法，炭化處理具有無毒性、環境污染小、工藝簡單等優點。出于降低材料處理成本的考慮，炭化材主要用于戶外用材，室內材應用較少［2］。奧克欖Aucoumea klaineana，椴木Tilia europaea，單瓣豆Monopetalanthus sp.是如今市場上3種常見的家具用材，其色澤均勻、紋理美觀，但應用過程中也存在易變形、易腐蝕等問題，嚴重影響了木材的實用價值和產品附加值。探究一種低成本、適于室內家具用材的熱處理工藝，對于延長家具使用壽命、提高產品附加值意義重大。炭化處理的實質，是通過減少木材組分中吸水羥基的含量，降低木材的吸濕性，以提高其尺寸穩定性［3］。常用的高溫炭化易出現使材色過深、大幅降低木材力學性能等問題［4-5］。為了平衡這2方面的問題，筆者提出 “負壓輕炭化”的工藝理念，即炭化溫度不超過之前大部分炭化實驗常用的最低溫度，炭化箱內的氣壓低于1個標準大氣壓。為了探究奧克欖、椴木、單瓣豆木材在使用過程中尺寸穩定性并避免其材色和力學性能受太大影響，筆者以奧克欖、椴木、單瓣豆木材為研究對象，在較低溫度、負壓條件下進行處理，并研究該處理工藝對這3種木材物理力學性能的影響，以為室內用材炭化工藝提供參考。

1 材料與方法

1.1 熱處理方法

先將試材在電鼓風干燥箱中干燥至含水率穩定，隨后進行炭化，前期緩慢升溫，最終以炭化箱內160℃，0 Mpa實驗條件炭化3.0 h。

1.2 材性指標及測定方法

炭化完成后用電子萬能材料試驗機（AG-IC/100KN）、擺錘式沖擊試驗機（JBS-300S）色差儀等測量木材的物理力學性能。本研究所測物理力學性質包括全干密度，色差，沖擊韌性，抗彎強度，抗彎彈性模量，硬度（徑面硬度、弦面硬度、端面硬度），氣干濕脹率，吸水至尺寸穩定的濕脹率，氣干干縮率，全干干縮率在內的共11個性狀。

性能測試分別按照GBT 1933-2009《木材密度測定方法》、GBT1940-2009《木材沖擊韌性試驗方法》、GBT1936.1-2009《木材抗彎強度試驗方法》、GBT1936.2-2009《木材抗彎彈性模量測定方法》、GBT1941-2009《木材硬度試驗方法》、GBT1934.2-2009《木材濕脹性測定方法》、GBT1932-2009《木材干縮性測定方法》進行。色差測量取得數值后使用亨特色差公式計算。

2 結果與分析

2.1 物理性質

從圖1可看出：3種試材炭化后的全干密度均有所降低，其中椴木和單瓣豆的全干密度變化不大，奧克欖的密度降低最為顯著，由0.489 g·cm-3下降至0.362 g·cm-3，降幅達26.00%。與之相比，通過3.0 h，160℃真空熱處理的日本落葉松Larix kaempferi全干密度達到0.667 g·cm-3，較未處理材下降了0.74%［4］；來自廣西的紅錐Castanopsis hystrix家系木材的全干密度為0.611 g·cm-3［6］。本研究處理后的試材全干密度相對較低。

纖維素、半纖維素、木質素是構成木材的主要成分，當受到熱量作用，這三大成分產生不同程度的降解［7］，因此，炭化材的密度比素材均有所降低。木材質量下降，但同時木材體積也在收縮，當木材質量下降的程度超過木材體積收縮的程度時，木材密度就會降低。

負壓輕炭化處理前后木材的色差如圖2所示。通過色差儀測得試材炭化前后的L，a，b值，后通過亨特色差公式 ΔE=［（ΔL）2＋（Δa）2＋（Δb）2］1/2 計算［8］。 由圖 2 可得： 3 種木材通過 3.0 h， 160 ℃， 0 Mpa 炭化處理材色均有較大變化。其中奧克欖的材色變化相對較小，椴木的材色變化最大。

當木材的含水率低于纖維飽和點時，木材的尺寸隨含水率升降而增減［9］。木材的漲縮會造成木制品開裂、翹曲變形等缺陷，因此，木材的尺寸穩定性是在利用木材時所需考慮的重要因素。本研究從干縮性和濕脹性2個方面的指標來研究奧克欖、椴木和單瓣豆的尺寸穩定性。首先，結合表1和表2可看出：炭化后椴木體積干縮系數達0.52，根據木材材性分級表［10］屬中級（0.46～0.55）；而奧克欖炭化后的體積干縮系數未改變，仍為0.35，屬小級（≤0.45）；同樣，單瓣豆炭化后的體積干縮系數由0.44降至0.37，但級別不變，屬小級。比較炭化前后木材干縮系數變化的程度，可以發現在相同炭化條件下，奧克欖的干縮系數無變化，椴木的干縮系數僅降低了1.00%，只有單瓣豆的干縮系數有明顯降低，降低比例為16.00%。以160℃，2.0 h熱處理的杉木氣干體積干縮率下降了29.76%、全體積干縮率下降了19.37%；以190℃，3.0 h熱處理的杉木氣干體積干縮率下降了35.61%，全干體積干縮率下降了24.18%［11］。本研究處理后的單瓣豆氣干體積干縮率下降了21.30%，全干體積干縮率下降了10.60%，降低幅度較之略小。

圖1 不同試材的素材與炭化材密度對比圖Figure 1 Density of treated and control samples

圖2 不同試材炭化前后色差統計圖Figure 2 Color deviation of treated and control samples

由表3和表4可以看出：炭化對于3種木材的濕脹率均有一定的改善。通過對干縮率和濕脹率變化的研究可以發現，在實驗設置的炭化條件下單瓣豆的尺寸穩定性改善最為顯著。熱處理使木材細胞壁的結構更加緊密，炭化后的木材細胞壁中纖維素與半纖維素無定型區域形成了不可逆的氫鍵，因此，之前一些用于吸水的部位在再次濕潤時不能與水分子結合［12］。

表1 3種試材的氣干干縮率統計分析Table 1 Statistical figures of woods’air-dry shrinkage

表2 3種試材的全干干縮率統計分析Table 2 Statistical figures of woods’absolute-dry shrinkage

2.2 力學性質

通過圖3和圖4可以發現：經過炭化的奧克欖較未炭化的試材其抗彎強度和抗彎彈性模量均略有減小，其中抗彎強度減小了6.00%，抗彎彈性模量減小了7.00%；而椴木和單瓣豆的抗彎強度和抗彎彈性模量則均有增加，但椴木的抗彎強度僅增加4.00%，說明炭化條件對其影響不顯著［13］；單瓣豆的抗彎強度增加了18.00%，彈性模量增加了9.00%。

表3 3種試材的氣干濕脹率統計分析Table 3 Statistical figures of woods’air-dry swelling

表4 3種試材吸水至尺寸穩定時的濕脹率統計分析Table 4 Statistical figures of woods’absolute-dry swelling

在之前的多項研究中都曾提及這種現象，即木材的抗彎強度隨著炭化溫度的提升先升高后下降，因此，在相對較低的炭化溫度下木材的抗彎強度會有所提升。例如扁柏Platycladus orientalis木在100～150℃，2.0～100.0 h的熱處理條件下抗彎強度均較素材有所提高；北美云杉Picea sitchensis在空氣和氮氣中以160℃，2.0 h或160℃，4.0 h的條件進行熱處理，其抗彎強度均有所增加［14］；馬尾松Pinus masoniana通過170℃，2.0～6.0 h的蒸汽熱處理后靜態彎曲應力均有所提升［15］。

圖3 不同試材素材與炭化材抗彎強度對比Figure 3 MOR of treated and control samples

圖4 不同試材的素材與炭化材抗彎彈性模量對比Figure 4 MOE of treated and control samples

由表5可知：奧克欖炭化材的徑面和弦面硬度略有減少，端面硬度有所增加；而椴木和單瓣豆的徑、弦、端向硬度均有所增大。出現這種現象是因為細胞壁中的纖維素和半纖維素的分子結構在高溫的作用下發生改變，纖維素分子結晶度增加，使木材表面硬度變大［3］。

分析圖5可以看出：3種木材通過炭化沖擊韌性均有所降低，其中沖擊韌性損失最為嚴重的是奧克欖，損失率高達53.00%；單瓣豆次之，損失率達到24.00%；椴木損失率最低，僅12.00%。奧克欖炭化后沖擊韌性顯著降低和其密度大幅降低有直接的關系［16］。

熱處理的溫度較低時，木材細胞壁中的半纖維素由于熱穩定性較差，發生部分的結構重組或降解，分子鏈中的羥基脫落。纖維素無定型區域內水分散失以及相鄰纖維素表面靠攏使纖維素分子鏈排列更加緊密，纖維素分子鏈之間的羥基發生 “架橋”反應，使纖維素分子結晶度增加。從而使木材力學性能提升。隨著熱處理溫度升高，一方面木材細胞壁中半纖維素和木素非結晶性高聚物發生玻璃化轉變，纖維素、半纖維素和木素之間的聯結被破壞，降低了木材的力學強度。另一方面，半纖維素劇烈降解產生大量己酸，催化了纖維素降解，纖維素結晶度與聚合度降低。纖維素、半纖維素和木素的大量降解使木材力學強度下降［17］。

表5 3種試材的硬度統計分析Table 5 Statistical figures of woods’hardness

3 結論

3.0 h，160℃，0 MPa的負壓熱處理降低了3種木材的全干密度，使材色變深，尺寸穩定性有所提升，其中對于單瓣豆的尺寸穩定性改善最大，使其體積干縮系數降低了16.00%。

實驗設置的熱處理環境對于3種木材的沖擊韌性均有所降低，其中奧克欖均減弱最多。同時熱處理使奧克欖的抗彎強度有所降低，對椴木的抗彎強度無影響，使單瓣豆的抗彎強度有所提升，增加了18.00%。木材力學性能的變化與木材的密度有緊密關聯，其中奧克欖素材本身素材密度較椴木、單瓣豆偏低，這意味著木材內部孔隙較多，多孔的結構一方面影響木材的力學性能，另一方面使木材熱處理時直接受熱的面積增大，吸收熱量更為迅速，導致在相同炭化條件下的奧克欖力學性能降低更多。而熱處理可一定程度上增加木材的硬度，在3種試材中單瓣豆的端面硬度增加最為顯著，增幅達50.00%。

圖5 不同試材的素材與炭化材沖擊韌性對比圖Figure 5 Toughnessoftreated and control samples

綜合以上多種物理力學性能指標分析，在實驗設置的炭化條件下單瓣豆的尺寸穩定性改善最多而力學性能損失較少。可以表明在3.0 h，160℃，0 MPa的炭化條件可以使木材的尺寸穩定性提升，同時較小程度地損失其力學性能。