不同溫度熱處理對(duì)木材耐久性的影響

羅法三 孫偉倫 許 民

(東北林業(yè)大學(xué)生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150040)

不同溫度熱處理對(duì)木材耐久性的影響

羅法三 孫偉倫 許 民

(東北林業(yè)大學(xué)生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150040)

以落葉松和大青楊的木材為試材，用生物質(zhì)燃?xì)鈱?duì)其進(jìn)行熱處理，處理溫度為150～210 ℃，處理時(shí)間為4 h。對(duì)熱處理材進(jìn)行室內(nèi)抗白蟻和野外埋地試驗(yàn)，研究不同溫度熱處理對(duì)落葉松和大青楊2個(gè)樹(shù)種熱處理材的室內(nèi)抗白蟻和天然耐久性影響。結(jié)果表明,在室內(nèi)抗白蟻試驗(yàn)中，隨著熱處理溫度的升高，落葉松和大青楊熱處理材的失重率均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，熱處理后試材的室內(nèi)抗白蟻性能降低，且隨著處理溫度的提高抗白蟻性能降低明顯；熱處理溫度對(duì)落葉松試材的天然耐久性有較大影響，隨著處理溫度的提高，其天然耐久性越好，呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，且在190 ℃時(shí)出現(xiàn)性能顯著變化點(diǎn)；大青楊試材的天然耐久性變化規(guī)律與落葉松相反，隨著處理溫度的升高，其天然耐久性呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，且在180 ℃時(shí)出現(xiàn)性能顯著變化點(diǎn)。

熱處理；溫度；室內(nèi)抗白蟻；天然耐久性

木材熱處理是指在150～230 ℃條件下，利用過(guò)熱蒸氣、空氣和熱油等作為傳熱介質(zhì)和保護(hù)氣體對(duì)木材進(jìn)行加熱的一種純物理改性方法。熱處理后的木材尺寸穩(wěn)定性和耐腐性能均會(huì)得到提高[1-4]，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于裝飾材料和室內(nèi)外家具中。

關(guān)于熱處理對(duì)木材耐久性的影響，國(guó)外已經(jīng)有報(bào)道，Boonstra等[5]指出，輻射松(Pinusradiata)熱處理后對(duì)粉孢革菌(Coniophorabetulae)和臥孔菌(Poriaspp.)的耐腐性有所提高，但對(duì)彩絨革蓋菌(Coriolusversicolor)耐性的影響不大。Kamdem等[6]對(duì)熱處理木材的耐久性進(jìn)行研究，結(jié)果表明，闊葉材比針葉材對(duì)溫度變化更為敏感，在提高耐久性的同時(shí)，木材的機(jī)械強(qiáng)度會(huì)有相應(yīng)的降低。國(guó)內(nèi)馬星霞等[7]和陳人望等[8]的研究結(jié)果均表明，熱處理材抗白蟻(Coptotermesformosanus)性能未能得到改善，但是關(guān)于溫度對(duì)熱處理材抗白蟻性能的影響規(guī)律尚不清楚。關(guān)于熱處理對(duì)木材天然耐久性影響方面的報(bào)道也較少。

為此，本研究選擇7個(gè)不同溫度、在相同的處理時(shí)間下，分別對(duì)落葉松(Larixolgensis)和大青楊(Populusussuriensis)2種木材進(jìn)行熱處理，將熱處理試件按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行室內(nèi)抗白蟻和野外埋地試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，探討熱處理溫度對(duì)木材室內(nèi)抗白蟻性能和天然耐久性的影響，以期獲得合適的熱處理工藝參數(shù)，為熱處理木材的合理利用提供基礎(chǔ)研究。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1) 落葉松和大青楊原木，均購(gòu)自黑龍江省綏芬河市林業(yè)局，按標(biāo)準(zhǔn)要求加工成板材，尺寸為 2 000 mm×200 mm×25 mm，將板材干燥至含水率為8%～10%。

2) 蟻種，臺(tái)灣家白蟻，由廣東省林業(yè)科學(xué)研究院提供。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1熱處理工藝 熱處理流程[9]分為4個(gè)階段：1)點(diǎn)燃燃料，在4～6 h內(nèi)緩慢升溫至103 ℃，將木材烘至絕干； 2)調(diào)整風(fēng)量，水蒸氣噴蒸，在3～4 h內(nèi)將木材加熱至目標(biāo)溫度；3)調(diào)整燃?xì)庵醒鯕?、二氧化碳及水蒸氣的比例，保? h；4)待其自然降溫至100 ℃以下，噴蒸調(diào)濕至含水率4%～6%，溫度40 ℃左右出爐。

1.2.2室內(nèi)抗白蟻檢測(cè) 參照GB/T 12860—2000《木材防腐劑對(duì)白蟻毒效實(shí)驗(yàn)方法》進(jìn)行室內(nèi)抗白蟻檢測(cè)。試件規(guī)格為50 mm× 15 mm×25 mm，相同處理?xiàng)l件每組含試件3塊。試驗(yàn)地點(diǎn)在廣東省林業(yè)科學(xué)研究院生物實(shí)驗(yàn)室，將接入白蟻的容器放在溫度為26～28 ℃、相對(duì)空氣濕度75%～80%的環(huán)境中培養(yǎng)，試驗(yàn)期為40 d。

1.2.3野外埋地試驗(yàn) 參照GB/T 13942.2—2009《木材天然耐久性野外試驗(yàn)方法》進(jìn)行野外埋地試驗(yàn)，試件規(guī)格為300 mm ×20 mm×20 mm，相同處理?xiàng)l件每組含試件20塊。試驗(yàn)場(chǎng)地在廣東省林業(yè)科學(xué)研究院附近，地勢(shì)平坦，土壤水分適中，土層較厚，富有腐殖質(zhì)，白蟻活動(dòng)頻繁，且遠(yuǎn)離人群活動(dòng)場(chǎng)所。場(chǎng)地沒(méi)有施過(guò)農(nóng)藥，也未曾作過(guò)防腐處理材試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同溫度熱處理對(duì)木材室內(nèi)抗白蟻性能的影響

落葉松熱處理材和大青楊熱處理材的室內(nèi)抗白蟻性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同溫度落葉松和大青楊熱處理材的室內(nèi)抗白蟻檢測(cè)結(jié)果

表1中的數(shù)據(jù)為各處理溫度條件下3個(gè)試件的算術(shù)平均值。由表1可知，7個(gè)不同溫度熱處理的落葉松和大青楊試材均受到白蟻的嚴(yán)重侵蝕，防蟻蛀等級(jí)均為4級(jí)，這與Momohara等[10]和李曉文等[11]的研究結(jié)果一致。當(dāng)溫度從 150 ℃ 升到210 ℃時(shí)，落葉松熱處理材的平均失重率從10.78%變化至18.73%，相比對(duì)照組的9.57%均有增加；當(dāng)溫度逐漸增加時(shí)，落葉松熱處理材的失重率逐漸增加，210 ℃處理時(shí)的試材失重率最大，達(dá)到了18.73%。從表1中還可以看出，除150 ℃以外的其他6個(gè)不同溫度的大青楊熱處理材的失重率均高于對(duì)照組的8.21%；同時(shí)，在190 ℃處理時(shí)大青楊熱處理材的失重率由180 ℃處理時(shí)的14.46%增加到28.26%，失重率增加接近2倍；當(dāng)處理溫度達(dá)到200 ℃時(shí)，失重率最大，達(dá)到了30.51%。從總體來(lái)看，大青楊熱處理材的失重率也是隨著熱處理溫度的升高而呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)。

對(duì)于2種熱處理材隨著處理溫度的升高失重率逐漸增加的原因，筆者分析認(rèn)為，白蟻在蛀蝕木材時(shí)，白蟻?zhàn)陨砗推潴w內(nèi)共生物分泌的纖維素酶會(huì)將纖維素分解成葡萄糖[12]；而木材在進(jìn)行熱處理時(shí)，高溫導(dǎo)致木材的部分半纖維素和纖維素發(fā)生降解反應(yīng)，產(chǎn)生許多單糖，可以直接作為白蟻的食物。所以熱處理溫度越高，半纖維素和纖維素分解出更多的葡萄糖供白蟻食用，所以失重率會(huì)隨著熱處理溫度的增加而增加，熱處理材比未處理材更容易受到白蟻的蛀蝕，且熱處理溫度越高，失重率越大。

2.2 不同溫度熱處理對(duì)木材天然耐久性的影響

按照GB/T 13942.2—2009的方法，選擇野外埋地試驗(yàn)后取出的試件完好指數(shù)I作為木材天然耐久性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。將所有試件逐根檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)根據(jù)試件腐朽和白蟻蛀蝕程度將試件評(píng)為10.0、9.5、9.0、8.0、7.0、6.0、4.0和0共8個(gè)等級(jí)，10.0表示試件完好，0表示試件已經(jīng)被完全腐朽或被蛀斷。按照公式統(tǒng)計(jì)出不同溫度處理?xiàng)l件下不同時(shí)間的平均完好指數(shù)。當(dāng)白蟻蛀蝕等級(jí)與腐朽等級(jí)不一致時(shí)，以較低的等級(jí)為準(zhǔn)。

I=∑fy/∑f

式中：I為經(jīng)n年后試樣的平均完好指數(shù)；f為每一級(jí)別的試樣數(shù)；y為腐朽或白蟻蛀蝕的分級(jí)值。

2.2.1不同溫度熱處理對(duì)落葉松耐久性的影響 不同溫度落葉松熱處理材野外埋地各年份完好指數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖1。

從圖1可以看出，低溫處理時(shí)(150、160、170 ℃和180 ℃)各年份的完好指數(shù)和對(duì)照組差別不明顯，而較高溫度處理時(shí)(190、200 ℃和210 ℃)在2.0 a及2.5 a的完好指數(shù)明顯高于對(duì)照組。在野外埋地試驗(yàn)0.5 a后，落葉松熱處理材的完好指數(shù)為8.05～9.15，平均值為8.76，對(duì)照組的完好指數(shù)為8.50，不同溫度處理材之間的完好指數(shù)變化不大。1.0 a后，較高溫度處理的試材完好指數(shù)的平均值相比低溫處理試材略高，但不很明顯。從2.0 a后的完好指數(shù)來(lái)看，高溫處理比低溫處理的完好指數(shù)平均值要高很多，190、200 ℃和210 ℃的平均完好指數(shù)為6.30，而150～180 ℃處理溫度下的平均完好指數(shù)僅為2.50。2.5 a后取出試樣的檢測(cè)結(jié)果也是如此，較高溫度條件下的完好指數(shù)均高于較低溫度處理。其中在200 ℃時(shí)完好指數(shù)最高，為5.35；160 ℃處理時(shí)完好指數(shù)最低，僅為1.50。

根據(jù)GB/T 13942.2—2009的要求，當(dāng)完好指數(shù)達(dá)1.60時(shí)，檢測(cè)可終止，并以該年作為該木材的天然耐久平均年限。因此，溫度150 ℃和160 ℃處理的落葉松試樣天然耐久年限為2.5 a；其余5個(gè)溫度(170、180、190、200、210 ℃)處理的落葉松試樣平均完好指數(shù)均大于1.60，還不能下最終結(jié)論。因此，當(dāng)處理時(shí)間不變時(shí)，熱處理溫度越高，落葉松材的天然耐久性越好。

同時(shí)，從圖1還可以看出，當(dāng)熱處理溫度從180 ℃升到190 ℃時(shí)，落葉松熱處理材在2.0 a后的完好指數(shù)從2.75增加到6.40，2.5 a后的完好指數(shù)從2.30增加到4.85。這表明，對(duì)于落葉松熱處理材的天然耐久性而言，190 ℃是個(gè)明顯的臨界溫度。這是由于在木材熱處理過(guò)程中，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素均會(huì)發(fā)生不同程度的熱解反應(yīng)。但是，半纖維素不耐高溫，所以最先開(kāi)始降解?？赡墚?dāng)溫度升高到190 ℃時(shí)，落葉松材中的半纖維素開(kāi)始大量降解，生成乙酸、甲醇和糠醛等揮發(fā)性物質(zhì)，同時(shí)使木材腐朽菌所需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)減少，從而提高了落葉松熱處理材的耐久性能。

2.2.2不同溫度熱處理對(duì)大青楊材耐久性的影響 不同溫度大青楊熱處理材野外埋地各年份完好指數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖2。

由圖2可以看出，與落葉松的規(guī)律不同，大青楊熱處理材在各個(gè)年份的完好指數(shù)均隨著熱處理溫度的上升呈逐漸下降的趨勢(shì)。150 ℃大青楊熱處理材的完好指數(shù)變化情況和對(duì)照組基本一致。當(dāng)處理溫度升高到160 ℃時(shí)，大青楊熱處理材在2.0 a后的完好指數(shù)降到0，天然耐久性明顯下降。170 ℃處理的大青楊熱處理材0.5 a后的完好指數(shù)最高，為7.10；但當(dāng)處理溫度升高到180 ℃時(shí)，0.5 a的完好指數(shù)下降為4.50，下降了36.62%。隨著處理溫度的繼續(xù)升高，完好指數(shù)呈逐漸下降的趨勢(shì)。1.0 a 后的大青楊熱處理材的完好指數(shù)也是在180 ℃時(shí)有了大幅降低，由3.15降至1.10，降低了65.08%。2.0 a后，除150 ℃的完好指數(shù)為1.05外，其他溫度處理的所有試件完好指數(shù)均為0。這表明，對(duì)于大青楊熱處理材的天然耐久性來(lái)說(shuō)，180 ℃可能就是大青楊半纖維素開(kāi)始大量降解的臨界溫度。測(cè)試1.0 a后，180、190、200 ℃和210 ℃處理的大青楊試樣天然耐久性?xún)H為1.0 a；剩余的3個(gè)溫度(170、160、150 ℃)和大青楊素材的天然耐久性為2.0 a。因此，當(dāng)處理時(shí)間不變時(shí)，熱處理溫度越高，大青楊的天然耐久性越差。所以，如果從天然耐久性考慮，推薦對(duì)大青楊進(jìn)行低溫?zé)崽幚怼?/p>

試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，溫度對(duì)落葉松和大青楊熱處理材天然耐久性的影響規(guī)律正好相反。其原因可能是因?yàn)?，天然耐久性的等?jí)是取耐腐朽等級(jí)和抗白蟻等級(jí)的較小值，所以需要考慮2方面的因素。在熱處理過(guò)程中，由于半纖維素的降解和木素化學(xué)結(jié)構(gòu)的改變，提高了木材的耐腐性[3]。從表1中可以看到，大青楊在熱處理溫度高于180 ℃后的失重率大幅增加，所以熱處理后，雖然大青楊的耐腐朽菌性得到提高，但是其抗白蟻性能下降的更加嚴(yán)重。熱處理溫度越高，大青楊受白蟻蛀蝕的程度越大，加之大青楊本身材質(zhì)較差，很容易被蛀斷，因此，較高溫度處理的大青楊試件的完好指數(shù)低于低溫?zé)崽幚淼脑嚰?。?中的數(shù)據(jù)表明，落葉松在較高溫度熱處理時(shí)的失重率均小于20%，且失重率隨著溫度的升高增幅很小。另外，因?yàn)槠浔旧聿馁|(zhì)較硬，白蟻很難將其蛀斷，所以白蟻對(duì)落葉松完好指數(shù)的影響不大。結(jié)合熱處理后落葉松的耐腐性的提高，其綜合完好指數(shù)隨著熱處理溫度的升高而增加。因此，較高溫度熱處理能提高落葉松的天然耐久性。

3 結(jié) 論

1) 室內(nèi)抗白蟻試驗(yàn)的結(jié)果表明：7個(gè)不同溫度處理的落葉松熱處理材和大青楊熱處理材均不抗白蟻蛀蝕，熱處理材較未處理材更容易受到白蟻蛀蝕。同時(shí)，落葉松熱處理材和大青楊熱處理材的失重率均隨著熱處理溫度的升高而不斷增加。

2) 隨著熱處理溫度的升高，落葉松木材的平均完好指數(shù)呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，在190 ℃時(shí)的完好指數(shù)大幅增加；而大青楊熱處理材隨著處理溫度的上升，其平均完好指數(shù)呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，在180 ℃時(shí)下降最明顯。

3) 在本試驗(yàn)所選擇的溫度范圍內(nèi)，熱處理溫度越高，落葉松木材的天然耐久性越好，而大青楊的天然耐久性越差，所以熱處理對(duì)木材耐久性的影響取決于所處理的樹(shù)種、處理溫度和處理時(shí)間等因素。

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(責(zé)任編輯 曹 龍)

The Effect of Different Temperature on the Durability of Heat-Treated Wood

LUO Fa-san, SUN Wei-lun, XU Min

(Key Laboratory of Bio-Based Material Science and Technology of Ministry of Education, Northeast Forestry University, Harbin Heilongjiang 150040,China)

the wood ofLarixspp.andPopulusussuriensiswere heat-treated at different temperatures from 150 ℃ to 210 ℃ for 4 hours by biomass gas. Laboratory termite resistance test and field-buried durability test were conducted on the two kinds of heat-treated woods. Results showed that termite resistance of the woods decreased obviously after heat treatment. Weight loss of the two heat-treated woods tends to increase according to the gradual increment of temperature. Temperature also has great influence on the natural durability of heat-treated woods.190 ℃ and 180 ℃ were respectively the points of significant change forLarixspp.andPopulusussuriensiswoods. Natural durability ofLarixspp.wood was improved while that ofPopulusussuriensiswood was deteriorated when they were heat-treated at a higher temperature.

heat-treated;temperature; laboratory termite resistance;natural durability

2014-03-29

國(guó)家林業(yè)局公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)(201204709)資助。

許民(1963—)，女，博士，博士生導(dǎo)師。研究方向：木材保護(hù)。Email：xumin1963@126.com。

10.3969/j.issn.2095-1914.2014.05.016

S782.33

：A

：2095-1914(2014)05-0085-05

第1作者：羅法三(1989—)，男，碩士生。研究方向：木材熱處理。Email：lfs216081@126.com。