高溫熱處理對低齡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.廣西壯族自治區林業科學研究院 國家林業和草原局中南速生材繁育重點實驗室廣西優良用材林資源培育重點實驗室，南寧 530002；2.廣西壯族自治區產品質量檢驗研究院，南寧 530007；3.廣西生態工程職業技術學院，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，原產澳洲大陸，極少數產于鄰近的新幾內亞島、印度尼西亞和菲律賓群島[1]，現已引種到65個國家與地區，成為世界人工林3大造林樹種之一。桉樹木材花紋漂亮、材質優良、結構均勻、光澤度優良，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]。結構材和家具用材對木材硬度、尺寸穩定性等要求較高。桉樹木材生長快，輪伐期短，致使木材含幼齡材比例高，生長應力大，易開裂變形，常規干燥后存在尺寸穩定性差等問題[3]。為解決這一問題，很多企業采取高溫熱處理方法，減少或避免開裂變形。

高溫熱處理是在溫度160～250℃下對木材進行短期熱解處理，是較為環保的改性方法。高溫熱處理具有眾多優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的系統研究，對處理材的吸濕性、力學性能及化學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]。國內的研究主要集中于處理材材色[10]、尺寸穩定性[11]、表面性能[12]及力學性能[13]等方面，有關熱處理材密度研究方面的資料較少。木材作為一種承重構件，其品質主要取決于密度，實際上木材的力學性質大多與密度有著顯著的相關性[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。

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，鋸解成規格為800 mm（長）× 25 mm（厚）× 自然寬的弦切板。

1.2 儀器設備

木材干燥炭化一體控制設備（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 常規窯干

按照常規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 高溫熱處理

按照3 因素3 水平正交試驗設計方法（L934）進行熱處理，共9個處理（表1）。其中3 因素設定為熱處理溫度(A)、恒溫時間(B)、升溫速度(C)；3水平分別設定為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水平正交試驗設計Tab.1 Three factors and three levels orthogonal test

1.3.3 試件調濕

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

1.3.4 木材密度測試

依照國家標準《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為木材質量（g）；V為木材體積（cm3）。

2 結果與分析

2.1 木材全干密度

高溫熱處理后桉樹木材全干密度均有不同程度降低，處理8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。最優方案的確定需要區分因素的主次，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

經高溫熱處理后桉樹木材的氣干密度均有不同程度的降低，但降幅不大（表4）。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?。浑S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。其極差分析對應的直觀趨勢圖，見圖2。

表4 熱處理材氣干密度測試結果及極差分析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

經高溫熱處理后桉樹木材的基本密度均有不同程度的變化，除處理1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。其極差分析對應的直觀趨勢圖，見圖3。

表6 熱處理材基本密度測試結果及極差分析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 結論與討論

高溫熱處理導致木材質量損失，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、半纖維素和木素發生熱降解和聚縮反應，產生甲醛、乙酸等揮發性物質，這些物質會從木材中散失，從而降低木材密度[18]。低齡桉樹木材經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。