熱工藝對藍變材的材色和力學強度的影響

*， 錢世江

(1.南京林業(yè)大學材料科學與工程學院，江蘇 南京 210037；2.河南省林業(yè)科學研究院，河南 鄭州 450008)

木材內(nèi)含有大量供菌類滋生的營養(yǎng)物質(zhì)，在外界適宜的溫濕度環(huán)境共同作用下，變色菌就會侵入木材內(nèi)部，使木材發(fā)生變色，其中藍變真菌侵入會使木材發(fā)生藍變現(xiàn)象[1-2]。對于表面材色要求高的木制品，藍變會影響木材的視覺效果，使木材的使用范圍嚴重受限，并降低了產(chǎn)品的價值，而熱處理可以改變木材的表面顏色，在視覺上達到珍貴木材顏色的效果。名貴而優(yōu)質(zhì)的天然木材比普通木材的價格高、生長速度較慢、數(shù)量一直在減少，若能將藍變的速生材仿珍貴木材應用于生產(chǎn)中，不僅可以提高藍變速生木材的高效利用價值，而且對緩解名貴木材資源短缺有著重要的意義[3-4]。

已有文獻[5-9]研究表明，對木材進行熱處理可以降低木材的吸濕性并提高木材的尺寸穩(wěn)定性，加深木材的材色[10-13]，在適宜的熱處理溫度范圍內(nèi)木材的物理力學性能有所增加。郭飛等[14]研究了熱處理溫度和時間對馬尾松藍變材的影響，發(fā)現(xiàn)在溫度大于(或等于)200 ℃條件下處理的馬尾松藍變材的藍斑不易被肉眼識別，且材色更均勻。關于熱處理對木材力學性能影響的研究也有很多，如陳康樂等[15]研究了熱處理溫度對木材力學性能的影響，結(jié)果表明溫度小于(或等于)190 ℃時，云杉和樟子松熱處理材的抗彎強度和抗彎彈性模量與對照材相比有所增加；黃榮鳳等[16]研究了熱處理溫度和時間對毛白楊物理力學性能的影響，發(fā)現(xiàn)當溫度小于(或等于)170 ℃時，木材的抗彎強度和抗彎彈性模量大于對照材。從以上研究可以發(fā)現(xiàn)，隨熱處理溫度的升高和時間的延長，處理材的顏色加深且呈更加均勻的趨勢，能達到改善視覺的效果，若控制熱處理溫度和時間，還可以提高木材的抗彎強度和抗彎彈性模量。

本文以楊樹和樟子松兩樹種的木材為研究對象，針對兩樹種木材均易出現(xiàn)藍變的問題對其進行熱處理，通過正交實驗、方差分析，綜合考慮熱處理工藝參數(shù)對楊木和樟子松木材材色、力學性能的影響，以期達到縮小木材藍變部位和正常部位之間的色差、遮蓋藍變部位對視覺效果的影響，為提高這兩種藍變木材的應用范圍和經(jīng)濟效益提供工藝應用參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試材為市場所售的楊木(PopulusL.)和樟子松(P.sylvestrisvar.mongolicaLitvin.)木材，尺寸為1 000 mm(長)×85 mm(寬)×20 mm(厚)，初含水率為20%～30%。

1.2 試驗設備及其型號

木材干燥熱處理箱(XND-MaSO.1)；色差儀(CR-400)；電子萬能試驗機(UTM4304)。

1.3 試驗方法

1.3.1 木材熱處理

設置熱處理試驗的溫度分別為170 ℃、190 ℃、210 ℃，熱處理時間分別為1 h、2 h、3 h，進行正交試驗，試驗共9組，每組三塊試件，對照組三塊板材，兩種木材各30塊板材，共60塊。9組熱處理試驗工藝見表1。

表19組熱處理試驗工藝

1(170 ℃/1 h)2(170 ℃/2 h)3(170 ℃/3 h)4(190 ℃/1 h)5(190 ℃/2 h)6(190 ℃/3 h)7(210 ℃/1 h)8(210 ℃/2 h)9(210 ℃/3 h)

初期的熱處理升溫階段，為防止木材由于升溫過快導致變形和開裂，由室溫升至70 ℃，待木材含水率降至10%以下，每小時溫度升高20 ℃，保溫40 min，直至溫度升至最終目標溫度為止，最終溫度的保溫時間為設定的工藝時間。

1.3.2 木材顏色測試

熱處理的試材均為藍變材，試驗前在每塊試材的藍變部位和正常色部位分別取3個不同的點做好標記，再利用色差儀測試試材的材色數(shù)據(jù)，計算時取3點的平均值。本試驗將正常色部位的顏色作為參比樣品，通過以下公式計算木材表面顏色變化。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

表2為色差值與人的視覺感覺關系，根據(jù)人對色材的敏感程度分為6個等級，當1.5<ΔE≤3.0時，色差可被人的視覺察覺，小于1.5時不易被察覺[17]。

表2色差值(ΔE)與人的視覺感覺關系

色差人的視覺感覺等級0<ΔE≤0.5痕跡0.5<ΔE≤1.5輕微1.5<ΔE≤3.0可察覺3.0<ΔE≤6.0可識別6.0<ΔE≤12.0大ΔE>12.0非常大

1.3.3 力學性能測試

力學性能測試試驗分別參照《GB/T 1936.1-2009木材抗彎強度測定方法》《GB/T 1936.2-2009木材抗彎彈性模量測定方法》進行，考慮到實際測量前木材的含水率不是標準中規(guī)定的12%，熱處理后木材的抗彎強度和抗彎彈性模量按照標準中的方法修正。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 熱處理工藝對楊木材色的影響

表3楊木藍變部位與正常色部位的顏色數(shù)據(jù)及對比差值

L?sL?ΔL?C?sC?ΔC?對照材75.7268.92-6.8026.5226.590.07170 ℃65.8261.11-4.7126.6025.08-1.52190 ℃48.6746.84-1.8223.3422.38-0.95210 ℃34.2233.19-1.0312.1611.33-0.821 h52.8148.70-4.1121.4419.75-1.692 h50.3548.12-2.2320.7719.86-0.913 h45.5544.32-1.2219.8819.19-0.69

熱處理楊木ΔE的方差分析見表4。由表4中F值可知，溫度因素對ΔE的影響程度大于時間因素，且溫度對ΔE的影響為比較重要(**)，時間對ΔE有一定影響(*)。結(jié)合表2與表4可知，熱處理工藝為190 ℃/2 h、190 ℃/3 h、210 ℃/1 h時，1.61≤ΔE≤2.42，人的視覺察覺等級為可察覺級，此時的色差異不容易被人眼識別，但溫度為210 ℃時木材的材質(zhì)碳化，顏色變深。熱處理后楊木兩部位最大色差值(ΔE)為6.39，最小色差值為0.87，與對照材(對照材色差值為7.10)相比，熱處理后楊木兩部位之間的色差ΔE減小了10.00%～87.75%。色差值最能直接反應兩部位之間的顏色差異，由以上分析可知，熱處理縮小了兩部位之間的顏色差異，使材色更加均勻。

圖1 楊木熱處理工藝對顏色指數(shù)的影響

表4熱處理楊木ΔE的方差分析

熱處理工藝ΔE熱處理工藝ΔE熱處理工藝ΔE170 ℃/1 h6.39190 ℃/1 h4.84210 ℃/1 h2.19170 ℃/2 h3.81190 ℃/2 h2.42210 ℃/2 h1.17170 ℃/3 h4.86190 ℃/3 h1.61210 ℃/3 h0.87方差來源偏差平方和自由度均方F值重要性溫度19.652.009.8310.72??時間8.122.004.064.43?誤差1.832.000.92

注：*表示該因素有一定影響；**表示該因素比較重要；***表示該因素重要；****表示該因素特別重要(下同)。

2.2 熱處理工藝對樟子松材色的影響

表5樟子松藍變部位與正常色部位顏色參數(shù)及對比差值

L?sL?ΔL?C?sC?ΔC?對照材75.7267.90-7.8226.6523.04-3.61170 ℃59.4656.22-3.2425.8121.47-2.96190 ℃42.9241.37-1.5524.4821.54-0.95210 ℃36.3635.51-0.8523.8321.16-0.491 h48.7946.60-2.1919.0617.80-1.922 h46.2644.40-1.8619.2118.07-1.813 h43.6942.10-1.5818.2017.32-0.67

圖2 樟子松熱處理工藝對顏色指數(shù)的影響

熱處理后樟子松ΔE的方差分析見表6。由表6可知，溫度因素對樟子松ΔE的影響程度大于時間因素，且溫度對ΔE有一定的影響(*)。由表2與表6可知，當熱處理工藝為190 ℃/1 h、190 ℃/2 h、190 ℃/3 h時，1.51≤ΔE≤2.18，人的視覺察覺等級為可察覺級，此時材色的差異不易被看出；當熱處理溫度為210 ℃時木材顏色發(fā)黑。熱處理后樟子松兩部位最大色差值(ΔE)為5.70，最小色差值為0.81，與對照材(對照材色差值為8.61)相比，熱處理后樟子松兩部位之間的色差ΔE減小了33.79%～90.59%。由以上分析可知，熱處理縮小了樟子松木材兩部位之間的顏色差異，材色更加均勻。

對數(shù)據(jù)的分析表明，熱處理工藝對楊木和樟子松兩樹種木材的明度、色飽和度和色差的影響較明顯，正常色部位與藍變部位的明度差值、色飽和度差值和色差值都隨熱處理溫度的升高和時間的延長而越來越小，材色更加均勻一致。原因是熱處理過程中木材主要成分受熱發(fā)生熱解，使發(fā)色基團產(chǎn)生變化(例如羰基等)、半纖維素等顏色偏暗等綜合作用的結(jié)果[18]，導致木材的材色更均勻。

2.3 熱處理工藝對兩種木材抗彎強度(MOR)的影響

試驗測定得到楊木對照材的MOR為52.36 MPa、樟子松對照材的MOR為69.71 MPa，楊木抗彎強度(MOR)方差分析見表7、樟子松抗彎強度(MOR)方差分析見表8。由表7和表8可知，與對照材相比，當熱處理溫度為170 ℃和190 ℃時，測得兩種木材的MOR數(shù)值增大。楊木MOR增大了8.23%～18.49%，樟子松MOR增大了3.96%～18.73%；當熱處理溫度為190 ℃/2 h時，楊木和樟子松MOR增幅達到最大；熱處理溫度為210 ℃時，熱處理材MOR值小于對照材，且兩種木材的MOR值隨熱處理時間的延長而減小。測試結(jié)果表明，熱處理溫度為170 ～190 ℃時增強了兩種木材的抗彎強度，且在190 ℃/2 h時兩種木材MOR值最大。由表7中F值變化可知，熱處理溫度對兩種木材MOR的影響重要(***)，時間影響不明顯。

表6熱處理后樟子松ΔE的方差分析

熱處理工藝ΔE熱處理工藝ΔE熱處理工藝ΔE(1)170 ℃/1 h5.70(4)190 ℃/1 h2.18(7)210 ℃/1 h1.40(2)170 ℃/2 h4.23(5)190 ℃/2 h2.01(8)210 ℃/2 h1.31(3)170 ℃/3 h4.01(6)190 ℃/3 h1.51(9)210 ℃/3 h0.81方差來源偏差平方和自由度均方F值重要性溫度17.842.008.925.25?時間1.492.000.750.44不明顯誤差3.402.001.70

表7楊木抗彎強度(MOR)方差分析

熱處理工藝MOR/MPa熱處理工藝MOR/MPa熱處理工藝MOR/MPa(1)170 ℃/1 h56.67(4)190 ℃/1 h63.37(7)210 ℃/1 h41.46(2)170 ℃/2 h58.57(5)190 ℃/2 h64.24(8)210 ℃/2 h37.98(3)170 ℃/3 h58.73(6)190 ℃/3 h59.70(9)210 ℃/3 h36.15方差來源偏差平方和自由度均方F值重要性溫度970.122.00485.0650.73???時間9.662.004.830.51不明顯誤差19.122.009.56

表8樟子松抗彎強度(MOR)方差分析

熱處理工藝MOR/MPa熱處理工藝MOR/MPa熱處理工藝MOR/MPa(1)170 ℃/1 h72.47(4)190 ℃/1 h79.44(7)210 ℃/1 h52.74(2)170 ℃/ 2 h74.47(5)190 ℃/2 h82.77(8)210 ℃/2 h49.72(3)170 ℃/ 3 h75.68(6)190 ℃/3 h75.63(9)210 ℃/3 h47.35方差來源偏差平方和自由度均方F值重要性溫度1476.352.00738.1844.55???時間12.242.006.120.37不明顯誤差33.142.0016.57

2.4 熱處理工藝對兩種木材抗彎彈性模量(MOE)的影響

試驗測定得到楊木對照材的抗彎彈性模量(MOE)為7.693 GPa、樟子松對照材的抗彎彈性模量(MOE)為9.884 GPa，楊木抗彎彈性模量(MOE)方差分析見表9、樟子松抗彎彈性模量(MOE)方差分析見表10。由表9、表10可知，與對照材相比，熱處理溫度在170 ℃和190 ℃時，兩樹種的MOE均增大，楊木MOE增大了3.07%～14.72%，樟子松MOE增大了4.61%～19.13%；當熱處理工藝為190 ℃/2 h時，楊木的MOE值增幅最大，樟子松在190 ℃/1 h階段增幅最大；當熱處理溫度為210 ℃時，兩種木材的MOE值隨著熱處理時間的延長而減小，且熱處理材MOE值小于對照材。測試數(shù)據(jù)表明，熱處理溫度為170～190 ℃時增強了兩種木材的MOE，且在190 ℃/2 h時楊木木材MOE值最大，在190 ℃/ 1 h時樟子松木材MOE值最大。由表9和表10中的F值可知，熱處理溫度參數(shù)對兩種木材MOE的影響為重要(***)。

表9楊木抗彎彈性模量(MOE)方差分析

熱處理工藝MOE/GPa熱處理工藝MOE/GPa熱處理工藝MOE/GPa(1)170 ℃/1 h7.930(4)190 ℃/1 h8.670(7)210 ℃/1 h6.303(2)170 ℃/2 h8.097(5)190 ℃/2 h8.826(8)210 ℃/2 h5.897(3)170 ℃/3 h8.149(6)190 ℃/3 h8.595(9)210 ℃/3 h5.623方差來源偏差平方和自由度均方F值重要性溫度12.4852.006.24253.557???時間0.0562.000.0280.238不明顯誤差0.2332.000.117

表10樟子松抗彎彈性模量(MOE)方差分析

熱處理工藝MOE/GP熱處理工藝MOE/GPa熱處理工藝MOE/GPa(1)170 ℃/1 h10.473(4)190 ℃/1 h11.775(7)210 ℃/1 h8.040(2)170 ℃/2 h10.494(5)190 ℃/2 h11.372(8)210 ℃/2 h7.594(3)170 ℃/3 h10.628(6)190 ℃/3 h10.340(9)210 ℃/3 h7.267方差來源偏差平方和自由度均方F值重要性溫度21.2462.0010.62330.33???時間0.7112.000.3551.01不明顯誤差0.7002.000.350

熱處理對兩種木材MOR、MOE的影響趨勢相同，當熱處理溫度不超過190 ℃時兩種木材的MOR、MOE值與對照材相比較高，當溫度超過190 ℃兩種木材的MOR、MOE值都迅速下降；熱處理溫度對兩種木材MOR、MOE的影響程度大于時間。但楊木和樟子松的最佳熱處理條件不同，原因是針葉材與闊葉材在化學成分含量和微觀結(jié)構(gòu)等方面存在差異，導致兩種木材對熱處理條件的敏感程度不同[19]。在熱處理過程中，木材中的三大素發(fā)生了復雜的熱解反應、微觀結(jié)構(gòu)改變、結(jié)晶度改變造成了力學強度的改變。

3 結(jié)論

測定了兩個樹種的藍變部位與正常色部位熱處理前后顏色變化、力學性能變化，具體分析了顏色變化和力學變化與熱處理工藝的關系，得出如下結(jié)論。

(1)隨著熱處理溫度的升高、時間的延長，兩種木材藍變部位與正常色部位的各顏色指標值越來越接近，色差值(ΔE)均越來越小，表明熱處理材的顏色越來越均勻。當熱處理溫度為190 ℃、時間大于(或等于)2 h時，木材兩部位色差難以辨別。

(2)隨著熱處理溫度的升高，兩種木材的抗彎強度和彈性模量均呈先上升后下降趨勢，且在190 ℃ /2 h時兩種木材抗彎強度最大；在190 ℃/2 h時楊木抗彎彈性模量最大，190 ℃/1 h時樟子松抗彎彈性模量最大。

(3)綜合熱處理工藝對兩種木材顏色和力學強度的影響可知，楊木的最佳熱處理工藝為190 ℃/2 h，樟子松的最佳熱處理工藝為190 ℃/1 h，此熱處理條件下木材藍變部位與正常色部位的材色差難以被肉眼發(fā)現(xiàn)，且力學強度最優(yōu)。