木材高溫熱處理技術(shù)研究進展

赫 亮

(遼寧省林業(yè)科學研究院，遼寧 沈陽 110032)

木材作為一種天然可再生的環(huán)境友好型材料，因其具有優(yōu)良的環(huán)境學視覺特性及其優(yōu)異的力學性能和可加工性能，近年來一直深受人們喜愛，在生產(chǎn)生活和社會經(jīng)濟建設(shè)方面發(fā)揮著不可替代的作用。但木材某些自身固有屬性限制了其應用范圍，例如易發(fā)生吸濕膨脹、干燥開裂變形及生物侵害腐朽等。為提高木材材性及其多功能性附加值，實現(xiàn)劣材優(yōu)用，剩材再用，拓寬其應用領(lǐng)域，就必須對木材進行改性處理，達到木材高效利用的目的。較常用的木材改性方法主要有化學改性和物理改性兩種方式，而木材物理改性過程中不需要添加任何化學藥劑，產(chǎn)生的污染少且處理工藝簡單，處理后的木材更不會對人和居住環(huán)境產(chǎn)生任何危害[1]，如今正以其獨有的特點贏得更多研究者的青睞，研究日趨深化。高溫熱處理技術(shù)是木材物理改性常用的有效手段之一，在功能上賦予木材良好的尺寸穩(wěn)定性、生物耐久性及改善木材的聲學性能等，具有較為廣闊的應用前景，同時也是人工林速生材和普通木材一種有效的改性增值手段，對我國木材加工行業(yè)的發(fā)展具有較為重要的意義。本文著重闡述高溫熱處理改性木材的性能變化，簡述其改性機理，最后對木材高溫熱處理技術(shù)的研究應用進行了總結(jié)與展望。

1 熱處理木材性能研究進展

1.1 物理力學性能

在高溫熱處理改性木材的過程中，木材細胞壁組分中的半纖維素、纖維素和木質(zhì)素會發(fā)生重組排列或者熱降解反應，從而對木材的物理力學性能指標產(chǎn)生不同程度的影響，其中木材的抗彎強度受高溫熱處理改性的影響最為顯著。總體來說，木材抗彎強度隨高溫熱處理改性程度的增加而逐漸呈現(xiàn)出下降的趨勢。Kubojima等[2]研究了不同導熱介質(zhì)下云杉高溫熱處理后的抗彎強度，發(fā)現(xiàn)楊氏彈性模量、抗彎強度和沖擊強度在熱處理前期呈現(xiàn)上升趨勢，后期逐漸降低，在空氣介質(zhì)中的熱處理材，其力學性能指標要比在氮氣中下降的更多，氮氣介質(zhì)能夠更好地保護熱處理材的沖擊韌性。黃榮鳳等[3]研究不同處理時間-溫度對毛白楊物理力學性能影響時發(fā)現(xiàn)，熱處理溫度185 ℃，處理時間300 min時，抗脹縮率可以提高20%以上，MOR的損失率低于10%。與熱處理材的其他力學性能相比，處理材的硬度指標沒有受到太大的影響，相反處理后還略有上升。合適的熱處理條件會顯著提高木材的彈性模量，使木材擁有更高的剛性，熱處理后木材的順紋抗壓強度同樣會有所上升[4]。

1.2 尺寸穩(wěn)定性

熱處理溫度影響處理材的尺寸穩(wěn)定性，當高溫熱處理溫度大于200 ℃時，木材尺寸穩(wěn)定性受溫度的影響最為顯著[5]。高溫熱處理改性木材的尺寸穩(wěn)定性有較大程度的提高，這主要是因為木材經(jīng)過高溫熱處理后，內(nèi)部的生長應力和干燥應力部分被除去或得到了緩和，且木材細胞壁組分半纖維素，尤其是多糖醛苷將發(fā)生裂解反應，形成具有吸濕性能較弱的單體，在高溫少氧的環(huán)境中，這些小分子物質(zhì)可聚合形成不溶于水的聚合物，從而顯著降低木材的吸濕性及提高木材的尺寸穩(wěn)定性。同時，高溫熱處理后，木材組分中的半纖維素含量會明顯減少，親水性的羥基基團也會隨之降低，從而降低了木材的吸濕性。Navi等[6]在高溫熱改性木材的過程中同時對其進行壓縮密實化處理，處理材的吸濕性能降低，機械強度及其耐久性提高。Petrissans等[7]對熱處理材的吸濕性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)熱處理材的接觸角變大，疏水性能有了很大程度的提高。Repellin等[8]研究了熱處理后木材的濕脹性能，發(fā)現(xiàn)熱處理材濕脹性減少，不僅僅歸因于半纖維素降解而導致半纖維素吸附點減少，木素的化學變化也是木材濕脹性減少的重要原因。Tjeerdsma等[9]利用FTIR分析熱處理后山毛櫸和馬尾松成分的化學變化發(fā)現(xiàn)，高溫熱處理導致半纖維素發(fā)生降解，乙酰基團斷裂形成乙酸，乙酸可進一步加速半纖維素水解形成多糖物質(zhì)，親水性的羥基含量減少。

1.3 材色變化

高溫熱處理會使木材的明度降低，顏色加深。對于材色較淺的毛白楊、馬尾松、落葉松、樟子松等木材，高溫熱處理是改變木材材色的重要技術(shù)方法，熱處理后木材的材色呈現(xiàn)咖啡色，甚至是深褐色，可滿足市場對深色系木材產(chǎn)品的需求。人工林落葉松熱處理溫度210 ℃、熱處理時間 6 h后材色均勻加深，趨近于珍貴材交趾黃檀的顏色，提高了低質(zhì)人工林松木材的視覺特性[10]。對于原來材色鮮艷、彩色程度高的樹種，熱處理后材色向低明度和偏紅方向變化，飽和度降低[11]。高溫熱處理工藝顯著影響木材的材色變化，隨著處理溫度的升高和處理時間的延長，木材顏色的變化也更加明顯，部分木材顯現(xiàn)出接近熱帶木材的微觀特征。高溫熱處理木材的材色穩(wěn)定性與材種有直接關(guān)系，一般針葉材的材色穩(wěn)定性優(yōu)于闊葉材。梅瑞仙[12]利用熱處理方法研究了木材表面紋理的強化工藝，發(fā)現(xiàn)影響最大的因素是熱處理溫度，其次是處理劑使用的濃度和熱處理時間。高溫熱處理改變木材材色的機理一方面因為熱處理使得木材半纖維素、木質(zhì)素中的羰基、苯環(huán)、紫丁香基丙烷及醚鍵等發(fā)色基團數(shù)量增多，對可見光吸收增加，從而木材顏色加深[13]；另一方面高溫熱處理過程中木材抽提物的揮發(fā)或流失也導致木材材色變化。

2 高溫熱處理木材機理

2.1 半纖維素

半纖維素在高溫熱處理過程中的變化是形成熱處理材特有材性的決定性因素。半纖維素是木材細胞壁纖維素骨架和木質(zhì)素填充物之間的主要粘結(jié)物質(zhì)。當高溫熱處理溫度接近160 ℃時，木材細胞壁化學組分中的半纖維素首先開始發(fā)生熱降解反應，分子鏈中的乙酰基首先會從主鏈中發(fā)生斷裂反應形成乙酸物質(zhì)，葡萄糖醛酸聚木糖分子上的少量羧基也會發(fā)生斷裂反應生成甲酸等物質(zhì)，乙酸和甲酸這兩種物質(zhì)是木材高溫熱處理改性過程中的主要揮發(fā)性物質(zhì)，它們在降解斷裂過程中形成的酸性環(huán)境將會對半纖維素的水解產(chǎn)生極大的促進作用，可作為催化劑加速半纖維素水解形成更多的糖類物質(zhì)。隨高溫熱處理改性溫度的不斷升高，木材細胞壁中的半纖維素分子會發(fā)生降解反應生成低聚糖甚至某些單糖分子，單糖分子又可以通過脫水縮合反應生成某些醛類物質(zhì)，180 ℃的飽和蒸汽處理條件下，半纖維素中的阿拉伯糖和半乳糖可以完全發(fā)生分解。

2.2 纖維素

木材細胞壁中的纖維素是具有長分子鏈的骨架結(jié)構(gòu)。由于高溫熱處理過程中木材細胞壁組分中的半纖維素發(fā)生了熱降解反應，以及纖維素準結(jié)晶區(qū)的部分分子發(fā)生了重新排列而進一步結(jié)晶化，導致高溫熱處理后木材細胞壁中纖維素的結(jié)晶度有所增加[14]。纖維素中的微纖絲在高溫熱處理過程中可能會因半纖維素組分的降解而相互聚集，聚集后的微纖絲斷面尺寸更大，具有更高的剛性，這是高溫熱處理改性木材在短時間的溫和條件下物理力學性能提高的主要原因之一。

2.3 木質(zhì)素

雖然木材細胞壁化學組分中的木質(zhì)素在高溫熱處理改性過程中沒有明顯的發(fā)生熱降解反應，但木質(zhì)素的化學結(jié)構(gòu)在高溫熱處理過程中也發(fā)生了部分重組排列。細胞壁木質(zhì)素的部分化學鍵，特別是芳香基醚鍵也會發(fā)生斷裂反應生成自由酚羥基、α或β羰基。相關(guān)研究認為木質(zhì)素苯環(huán)間以亞甲基相聯(lián)進行縮合后形成了更加穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這會使木材的剛性有所加強，從而抑制了木材細胞壁的膨脹。

3 總結(jié)與展望

高溫熱處理改性是木材高效增值利用的有效手段之一，它在維持木材尺寸穩(wěn)定性、生物耐久性和聲學性能方面具有較好的改善作用，木材高溫熱處理改性可以極大地拓寬人工林木材的使用范圍，實現(xiàn)人工林木材的高效增值利用。從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀看，高溫熱處理研究主要集中在熱處理工藝及其對木材性能的影響和作用機理，部分學者研究了多種方式聯(lián)合熱處理木材工藝，例如聯(lián)合增強、弱酸處理、防水劑浸漬、超聲等木材改性手段，進一步提高木材性能。在倡導生態(tài)綠色循環(huán)利用可持續(xù)發(fā)展的今天，無化學成分添加且色澤優(yōu)雅的高溫熱處理材已經(jīng)成為木材功能化改性的重點研究內(nèi)容之一，建議今后的科研結(jié)構(gòu)及企業(yè)在以下幾個方面進行進一步探索，著力提高木材的功能性附加值。

(1)考慮到樹種的多樣化及復雜性，未來高溫熱處理技術(shù)應該擴大樹種的選擇范圍，不應該僅僅局限于常用的樹種，還應該更多地實現(xiàn)熱處理產(chǎn)品的多樣化。

(2)尋求熱穩(wěn)定性好且價格低廉的導熱媒質(zhì)，降低高溫熱處理改性成本，節(jié)約能源，帶來更多的經(jīng)濟效益。

(3)綜合利用各種微觀分析儀器，進一步探究高溫熱處理技術(shù)的改性機理，優(yōu)化高溫熱處理改性工藝，提高熱處理材的質(zhì)量，并且建立熱處理材的統(tǒng)一評價標準，規(guī)范熱處理產(chǎn)品市場。

(4)高溫熱處理過程中揮發(fā)性有機物的釋放水平遠高于常規(guī)干燥，在進行高溫熱處理材改性的同時，配備廢氣污染凈化處理吸收裝置，以防止有機揮發(fā)性物釋放而污染空氣，危害人體健康。