高溫?zé)崽幚韺Φ妄g桉樹木材密度的影響

盧翠香，周 維，劉 媛，林家純，李桂蘭，覃引鸞，陳健波

（1.廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院 國家林業(yè)和草原局中南速生材繁育重點實驗室廣西優(yōu)良用材林資源培育重點實驗室，南寧 530002；2.廣西壯族自治區(qū)產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院，南寧 530007；3.廣西生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，柳州 545004）

桉樹（Eucalyptusspp.）屬桃金娘科（Myrtaceae）常綠喬木，樹高可達100 m，直徑可達5.4 m，原產(chǎn)澳洲大陸，極少數(shù)產(chǎn)于鄰近的新幾內(nèi)亞島、印度尼西亞和菲律賓群島[1]，現(xiàn)已引種到65個國家與地區(qū)，成為世界人工林3大造林樹種之一。桉樹木材花紋漂亮、材質(zhì)優(yōu)良、結(jié)構(gòu)均勻、光澤度優(yōu)良，廣泛用于家具、門窗、地板、單板、膠合板、層積材、木片與制漿造紙等[2]。結(jié)構(gòu)材和家具用材對木材硬度、尺寸穩(wěn)定性等要求較高。桉樹木材生長快，輪伐期短，致使木材含幼齡材比例高，生長應(yīng)力大，易開裂變形，常規(guī)干燥后存在尺寸穩(wěn)定性差等問題[3]。為解決這一問題，很多企業(yè)采取高溫?zé)崽幚矸椒ǎ瑴p少或避免開裂變形。

高溫?zé)崽幚硎窃跍囟?60～250℃下對木材進行短期熱解處理，是較為環(huán)保的改性方法。高溫?zé)崽幚砭哂斜姸鄡?yōu)點的同時也存在一些缺點，如處理材的材色加深，木材密度、抗彎強度、抗彎彈性模量等物理力學(xué)性能有所降低。近十幾年來，芬蘭、法國和荷蘭等國開展了木材熱處理技術(shù)的系統(tǒng)研究，對處理材的吸濕性、力學(xué)性能及化學(xué)成分變化開展了大量研究[4-6]，并形成了較成熟的處理工藝[7-9]。國內(nèi)的研究主要集中于處理材材色[10]、尺寸穩(wěn)定性[11]、表面性能[12]及力學(xué)性能[13]等方面，有關(guān)熱處理材密度研究方面的資料較少。木材作為一種承重構(gòu)件，其品質(zhì)主要取決于密度，實際上木材的力學(xué)性質(zhì)大多與密度有著顯著的相關(guān)性[14]，密度對木材的干縮與濕脹也有一定影響，測定木材密度可以簡便、直觀地了解木材的基本性質(zhì)。

1 材料與方法

1.1 材料

采用7年生的尾巨桉（Eucalyptus urophylla×E.grandis）速生林木材，原木檢尺徑＞16 cm，鋸解成規(guī)格為800 mm（長）× 25 mm（厚）× 自然寬的弦切板。

1.2 儀器設(shè)備

木材干燥炭化一體控制設(shè)備（XN-Q10），溫度范圍0～280℃；微機控制電子萬能試驗機（深圳三思UTM5504）；智能恒溫恒濕箱（寧波江南HWS-100）。

1.3 試驗方法

1.3.1 常規(guī)窯干

按照常規(guī)窯干干燥方法進行木材干燥，至板材含水率為12%左右。

1.3.2 高溫?zé)崽幚?/p>

按照3 因素3 水平正交試驗設(shè)計方法（L934）進行熱處理，共9個處理（表1）。其中3 因素設(shè)定為熱處理溫度(A)、恒溫時間(B)、升溫速度(C)；3水平分別設(shè)定為170、190、210℃；2、3、4 h；10、15、20℃/h。每個處理至少180塊弦切板。以未處理材作為對照（CK）。

表1 3因素3水平正交試驗設(shè)計Tab.1 Three factors and three levels orthogonal test

1.3.3 試件調(diào)濕

將未處理材和熱處理材置于溫度20℃、相對濕度65%的恒溫恒濕箱內(nèi)進行調(diào)濕處理，當(dāng)試件重量2次測量差值小于0.02 g時，調(diào)濕處理完成。

1.3.4 木材密度測試

依照國家標(biāo)準(zhǔn)《木材密度測定方法》GB/T1933-2009[15]要求進行，計算公式如下：

ρ＝M/V

式中，ρ為木材密度（g/cm3）；M為木材質(zhì)量（g）；V為木材體積（cm3）。

2 結(jié)果與分析

2.1 木材全干密度

高溫?zé)崽幚砗箬駱淠静娜擅芏染胁煌潭冉档停幚?的全干密度最低（0.432 g/cm3），比CK降低了20.73%（表2）。隨著處理溫度升高和恒溫時間延長，處理材的全干密度先減小后增加；隨著升溫速度加快，處理材的全干密度逐漸增加。A 因素列K1＞K3＞K2，B 因素列K1＞K3＞K2，C 因素列K3＞K2＞K1。最優(yōu)方案的確定需要區(qū)分因素的主次，因素的主次由極差看出，因為RC＞RA＞RB，因素由主到次的順序為升溫速度、處理溫度、恒溫時間。其極差分析對應(yīng)的直觀趨勢圖，見圖1。

圖1 各因素水平與全干密度的直觀趨勢圖Fig.1 Intuitive trend between three factors and oven-dry density

表2 熱處理材全干密度測試結(jié)果與極差分析Tab.2 Results and range analysis of oven-dry density

升溫速度對熱處理材全干密度的影響極顯著（P＜0.01），處理溫度和恒溫時間影響不顯著；3 因素對木材全干密度影響程度為升溫速度＞處理溫度＞恒溫時間（表3）。

表3 熱處理材的全干密度方差分析Tab.3 Variance analysis of oven-dry density

2.2 木材氣干密度

經(jīng)高溫?zé)崽幚砗箬駱淠静牡臍飧擅芏染胁煌潭鹊慕档停捣淮螅ū?）。處理8的氣干密度最低（0.462 g/cm3），比CK降低了20.21%。隨著處理溫度升高，熱處理材的氣干密度逐漸減小；隨著恒溫時間增加和升溫速度加快，熱處理材的氣干密度先減小后增加。A 因素列K1＞K2＞K3，B 因素列K3＞K1＞K2，C因素列K3＞K2＞K1。極差RC＞RA＞RB，因素由主到次的順序為升溫速度、處理溫度、恒溫時間。其極差分析對應(yīng)的直觀趨勢圖，見圖2。

表4 熱處理材氣干密度測試結(jié)果及極差分析Tab.4 Results and range analysis of air-dry density

圖2 各因素水平與氣干密度的直觀趨勢圖Fig.2 Intuitive trend between three factors and air-dry density

處理溫度、升溫速度對熱處理材氣干密度的影響顯著（P＜0.05），恒溫時間影響不顯著；3因素對木材氣干密度影響程度為升溫速度＞處理溫度＞恒溫時間（表5）。

表5 熱處理材的氣干密度方差分析Tab.5 Variance analysis of air-dry density

2.3 木材基本密度

經(jīng)高溫?zé)崽幚砗箬駱淠静牡幕久芏染胁煌潭鹊淖兓幚?和處理9 低于CK 外，其余均高于CK（表6）。處理5 的基本密度最高（0.460 g/cm3），比CK 高6.98%。隨著處理溫度升高和恒溫時間延長，熱處理材的基本密度先增加后減小。隨著升溫速度加快，熱處理材的基本密度呈增加趨勢。A 因素列K2＞K3＞K1，B 因素列K2＞K3＞K1，C 因素列K3＞K2＞K1。極差RC＞RA＞RB，因素由主到次的順序為升溫速度、處理溫度、恒溫時間。其極差分析對應(yīng)的直觀趨勢圖，見圖3。

表6 熱處理材基本密度測試結(jié)果及極差分析Tab.6 Results and range analysis of basic density

圖3 各因素水平與基本密度的直觀趨勢圖Fig.3 Intuitive trend between three factors and basic density

升溫速度、處理溫度對熱處理木材基本密度的影響顯著（P＜0.05），恒溫時間影響不顯著；3因素對木材基本密度影響程度為升溫速度＞處理溫度＞恒溫時間（表7）。

表7 熱處理材的基本密度方差分析Tab.7 Variance analysis of basic density

3 結(jié)論與討論

高溫?zé)崽幚韺?dǎo)致木材質(zhì)量損失，體積縮小[16]，木材密度隨處理溫度升高和處理時間延長而降低[16-17]。木材受熱，其細胞壁中的纖維素、半纖維素和木素發(fā)生熱降解和聚縮反應(yīng)，產(chǎn)生甲醛、乙酸等揮發(fā)性物質(zhì)，這些物質(zhì)會從木材中散失，從而降低木材密度[18]。低齡桉樹木材經(jīng)170、190和210℃高溫處理后，其全干密度、氣干密度均有不同程度的下降，基本密度則有增大趨勢；除基本密度外，全干密度與氣干密度的變化規(guī)律均與前人研究[16-18]基本一致。

升溫速度對熱處理桉樹木材的密度有顯著或極顯著影響，處理溫度對氣干密度和基本密度有顯著影響，恒溫時間影響不顯著。3因素對木材密度影響程度為升溫速度＞處理溫度＞恒溫時間。因此，在對低齡桉樹木材進行熱處理時，要準(zhǔn)確把握升溫速度與熱處理溫度，才能有效控制處理材密度降低。