過(guò)熱蒸汽壓力對(duì)表層微壓縮樺木地板坯料尺寸穩(wěn)定性影響

何嘯宇　王艷偉　黃榮鳳　孔繁旭　李洪波　張子谷　葉家豪　羅俊其

摘 要：為研究過(guò)熱蒸汽壓力對(duì)表層微壓縮樺木地板坯料尺寸穩(wěn)定性的影響，以樺木地板坯料為研究對(duì)象，采用水熱控制的方法對(duì)其進(jìn)行表層微壓縮處理。壓縮后以過(guò)熱蒸汽為介質(zhì)進(jìn)行熱處理，過(guò)熱蒸汽壓力分別為常壓、0.20、0.25、0.30、0.35 MPa，溫度為180 ℃，時(shí)間為3 h，制得實(shí)驗(yàn)樣品。對(duì)樣品的尺寸穩(wěn)定性進(jìn)行檢測(cè)，分析比較蒸汽壓力對(duì)尺寸穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，與對(duì)照組相比，當(dāng)壓力達(dá)到0.3 MPa時(shí)，寬度方向上收縮率降低58.56%，膨脹率降低60%;長(zhǎng)度方向上收縮率與膨脹率均降低50%;厚度方向回彈率降低了76.12%，說(shuō)明增加過(guò)熱蒸汽熱處理壓力能夠顯著提高表層微壓縮樺木地板坯料尺寸穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：樺木;過(guò)熱蒸汽;表層微壓縮;加壓熱處理;尺寸穩(wěn)定性;壓縮回彈率

中圖分類(lèi)號(hào)：TS612??? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?? 文章編號(hào)：1006-8023（2020）06-0072-06

Study on the Effect of Steam Pressure on the Dimensional Stability

of the Light Surface Compression Birch Flooring Blank

HE Xiaoyu1， WANG Yanwei1*， HUANG Rongfeng2， KONG Fanxu1， LI Hongbo1， ZHANG Zigu1， YE Jiahao1， LUO Junqi1

（1.Treessun Flooring Co.， Ltd， Nanxun 313009， China;

2.Research Institute of Wood Industry， Chinese Academy of Forestry， Beijing 100091， China）

Abstract：For exploring the influence of superheated steam pressure on the dimensional stability of the light surface compression birch flooring? blank， experimental group take the birch flooring blank as the object to research. In the experiment the light surface compression treatment is carried out to it for compressing the flooring blank by hydrothermal control technology. After the birch flooring is compressed， each sample is separately be heat disposed with the superheated steam pressure of atmospheric pressure， 0.20， 0.25， 0.30 and 0.35 MPa， the temperature is 180 °C and the time is 3 h. Testing and analyzing the dimensional stability of the birch flooring blank， the effect of pressure conditions on the dimensional stability of flooring blank is analyzed and confirmed. Compared with the control group， the experimental results （0.3 MPa） in this study show that the contraction rate in the width direction is reduced by 58.56%， and the expansion rate is reduced by 60%; while the contraction rate in the length direction is reduced by 50%， and the expansion rate is reduced by 50%; the spring-back rate in thickness direction is reduced by 76.12%. The results show that： after the superheated steam heat treatment， the dimensional stability of the light surface compression birch flooring blank.

Keywords：Birch; superheated steam; light surface compression; pressurized steam treatment; dimension stability; deformation recovery

收稿日期：2020-06-15

基金項(xiàng)目：南太湖本土高層次人才特殊支持計(jì)劃（JSRD1907）

第一作者簡(jiǎn)介：何嘯宇，助理工程師。研究方向：木材科學(xué)與工程。E-mail： Hoxiaoyu@163.com

通信作者：王艷偉，碩士，高級(jí)工程師。研究方向：木制品新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。E-mail： butterfly33333@126.com

引文格式：何嘯宇，王艷偉，黃榮鳳，等.過(guò)熱蒸汽壓力對(duì)表層微壓縮樺木地板坯料尺寸穩(wěn)定性影響[J].森林工程，2020，36（6）：72-77.

HE X Y， WANG Y W， HUANG R F， et al. Study on the effect of steam pressure on the dimensional stability of the light surface compression birch flooring blank[J]. Forest Engineering，2020，36（6）：72-77.

0 引言

樺木（Betula sp.）是一種具有良好視覺(jué)特性的木材，其材色呈白褐色或淡黃色，具有紋理美觀、結(jié)構(gòu)細(xì)膩等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在材質(zhì)軟，密度、硬度低，易變形等特點(diǎn)[1]，致使樺木地板容易出現(xiàn)如漆膜開(kāi)裂、表面凹痕和起拱扒縫等多種問(wèn)題。通過(guò)優(yōu)化樺木材性，可提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品附加值。

木材壓縮密實(shí)化是一種可以?xún)?yōu)化木材材性的技術(shù)，常規(guī)木材壓縮密實(shí)化工藝為：通過(guò)水熱處理或化學(xué)藥劑使木材發(fā)生整體軟化，其后利用壓力（機(jī)械作用）使木材整體壓縮，最終實(shí)現(xiàn)提升木材密度、硬度及強(qiáng)度[2-4]，但該方法造成木材材積損失過(guò)大，大幅降低木材的利用率[5]。表層微壓縮技術(shù)是一種新型木材壓縮密實(shí)化技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)水熱預(yù)處理，大幅度提高板材表層含水率，使高含水率表層的軟化程度較低含水率芯層更高。經(jīng)預(yù)處理的板材在高溫高壓（機(jī)械作用）處理后，高度軟化的表層將相對(duì)芯層更大程度地壓縮。由于僅對(duì)木材表層進(jìn)行壓縮，該技術(shù)相對(duì)普通木材整體壓縮具有材積損失小、壓縮回彈率低等優(yōu)點(diǎn)[6]。有研究表明，采用此類(lèi)壓縮密實(shí)化技術(shù)對(duì)木材進(jìn)行處理，可至少減小25%的木材材積損失[7]。另一方面軟質(zhì)木材經(jīng)過(guò)表層壓縮處理后，軟質(zhì)木材的表層密度、硬度和強(qiáng)度等性能也明顯提高[8-9]。但軟質(zhì)木材經(jīng)表層微壓縮后，其尺寸穩(wěn)定性較壓縮前更差，產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因一方面是因?yàn)槟静淖陨砭哂械酿椥詫⑹鼓静牡谋粔嚎s部分出現(xiàn)彈性回復(fù)[10];而另一方面則是由于木材具有干縮濕脹的特性，其含水率變化將可能導(dǎo)致相應(yīng)的尺寸變化。而根據(jù)前人研究表明，高溫高壓水蒸氣處理可降低水分對(duì)壓縮木材的影響，有效固定壓縮部分變形，提高其尺寸穩(wěn)定性[11]。

綜上所述，本研究以表層微壓縮處理的樺木木材為原料，通過(guò)以壓力為單因素變量的過(guò)熱蒸汽加壓熱處理實(shí)驗(yàn)，結(jié)合樣品的尺寸穩(wěn)定性、壓縮回彈率檢測(cè)結(jié)果，探究過(guò)熱蒸汽壓力大小對(duì)木材尺寸穩(wěn)定性的影響，為壓縮木技術(shù)產(chǎn)業(yè)化及軟質(zhì)木材的開(kāi)發(fā)利用提供借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

樺木（Betula costata Trautv.）地板坯料，產(chǎn)地俄羅斯，試件尺寸930 mm×130 mm×20 mm，含水率12%，數(shù)量500片。

1.2 裝置與設(shè)備

1.3 ?實(shí)驗(yàn)步驟

工藝流程如圖1所示，分為表層微壓縮處理與加壓熱處理兩部分，每組實(shí)驗(yàn)所需試件數(shù)量為100個(gè)，共5組實(shí)驗(yàn)。

1.3.1 表層微壓縮處理

（1）表層浸水處理。將樺木地板坯料浸沒(méi)于自來(lái)水（水溫20 ℃）中，保持1 h。

（2）熱壓處理。將處理后的樺木坯料取出，將坯料放在溫度為130 ℃的多層熱壓機(jī)壓板間，以間歇性壓縮的方式壓縮至所需厚度。

（3）降溫。保持多層壓機(jī)閉合狀態(tài)直至壓板冷卻至所需溫度后，取出地板坯料。

（4）冷壓處理。將坯料置于冷壓機(jī)中冷壓一定時(shí)間后，取出地板坯料。

1.3.2 加壓熱處理

（1）坯料碼垛。將坯料均勻放置在不銹鋼鋼板上碼垛，坯料頂部根據(jù)情況設(shè)置配重。

（2）加壓熱處理。將坯料放入全自動(dòng)碳化罐中，以過(guò)熱蒸汽為處理介質(zhì)，處理溫度為180 ℃，蒸汽壓力分別為常壓（不通入過(guò)熱蒸汽）和0.20、0.25、0.30、0.35 MPa，處理3 h。

1.4 性能測(cè)試

在每組實(shí)驗(yàn)的樣品中，分別隨機(jī)抽取10塊樣品，并按圖2中的方法進(jìn)行鋸解，尺寸穩(wěn)定性測(cè)試試件的尺寸為200 mm（L）×60 mm（W）（L為長(zhǎng)度;W為寬度），厚度與地板坯料厚度一致;壓縮回彈率測(cè)試試件尺寸為60 mm（L），其厚度、寬度與地板坯料的寬度、厚度保持一致。

1.4.1 尺寸穩(wěn)定性

采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 35913—2018《地采暖用實(shí)木地板技術(shù)要求》中6.2所述方法檢測(cè)。

1.4.2 壓縮回彈率

將壓縮回彈率測(cè)定試件放置在103 ℃的熱風(fēng)烘箱中進(jìn)行干燥，至絕干，并測(cè)量計(jì)算每組實(shí)驗(yàn)所得試件的第一次絕干平均厚度dr。測(cè)量完成后，將壓縮回彈率試件浸沒(méi)于水中24 h。試件吸水完成后，將吸水后的試件放置在自然環(huán)境中干燥3 d，再置于60 ℃的熱風(fēng)烘箱中干燥3 d，最后置于103 ℃的熱風(fēng)烘箱內(nèi)進(jìn)行干燥，至絕干，測(cè)量每塊樣品4邊中點(diǎn)位置的厚度，并計(jì)算每組試件的第二次絕干平均厚度dc。

另取10塊未經(jīng)任何處理的樺木地板坯料，并在每塊樺木地板坯料中部位置截取3塊長(zhǎng)度為60 mm（長(zhǎng)度沿纖維方向，寬度與厚度保持與坯料相同）的試件作為對(duì)照組。將對(duì)照組試件置于103 ℃的電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行干燥，至絕干。干燥完成后，測(cè)量其4邊中點(diǎn)位置的厚度并計(jì)算其平均厚度d0。

計(jì)算公式為[12]：

R=DcDd=dc-drd0-dr×100%。（1）

Dc=dc-dr。（2）

Dd=d0-dr。（3）

式中：R為壓縮變形回復(fù)率，%;Dc為平均壓縮量，mm;Dd為平均壓縮回彈量，mm;d0為未處理材的絕干平均厚度，mm;dr為處理材第一次絕干平均厚度，mm;dc為處理材第二次絕干平均厚度，mm。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 過(guò)熱蒸汽加壓熱處理壓力對(duì)尺寸穩(wěn)定性的影響

受到濕度與溫度的雙重影響[13]，木材及木制品的尺寸穩(wěn)定性包括其基材耐熱性及耐濕性?xún)蓚€(gè)方面。干縮會(huì)造成木材尺寸和體積縮小，最終產(chǎn)生開(kāi)裂、翹曲和變形等問(wèn)題，致使強(qiáng)度下降[14]，吸濕膨脹會(huì)造成木材尺寸增大，影響木材加工利用。由于實(shí)木（地暖）地板所處環(huán)境溫濕度變化較大，如果尺寸穩(wěn)定性達(dá)不到要求，容易產(chǎn)生質(zhì)量問(wèn)題[15]，因此尺寸穩(wěn)定性可以說(shuō)是木材開(kāi)發(fā)利用的最重要參數(shù)。

由圖3可知，在處理溫度一定的情況下，隨過(guò)熱蒸汽壓力的增加，各尺寸變化率均出現(xiàn)不同程度的下降。圖3（a）表示在180 ℃下，經(jīng)不同壓力的過(guò)熱蒸汽處理后，所得試件的寬度方向（橫紋方向）尺寸穩(wěn)定性變化。在壓力達(dá)到0.30 MPa時(shí)，收縮率由1.81%降低至0.75%，降低了58.56%;膨脹率由0.2%降低至0.08%，降低了60%。圖3（b）表示在180 ℃下，經(jīng)不同壓力的過(guò)熱蒸汽處理后，試件的長(zhǎng)度方向（順紋方向）尺寸穩(wěn)定性。在壓力達(dá)到0.30 MPa時(shí)，收縮率由0.16%降低至0.08%，降低了50%;膨脹率由0.04%降低至0.02%，降低了50%。

圖3表明，過(guò)熱蒸汽壓力與地板坯料的尺寸變化率呈負(fù)相關(guān)，采用SPSS軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見(jiàn)表2。過(guò)熱蒸汽壓力與尺寸穩(wěn)定性呈顯著負(fù)相關(guān)，其影響程度由高到低順序?yàn)椋耗蜔釋挾瘸叽缱兓?、耐濕寬度尺寸變化率、耐濕長(zhǎng)度變化率、耐熱長(zhǎng)度尺寸變化率。

綜合上述分析表明，在處理溫度、時(shí)間一定的條件下，過(guò)熱蒸汽壓力的增加可以顯著提升表層微壓縮樺木地板坯料的尺寸穩(wěn)定性，其中過(guò)熱蒸汽壓力對(duì)表層微壓縮樺木地板坯料長(zhǎng)度方向尺寸變化影響遠(yuǎn)小于寬度方向。分析其可能原因?yàn)椋耗静牡母煽s濕脹現(xiàn)象是木材微纖絲上的游離羥基間所結(jié)合水層的厚度變化引起，而木材中的微纖絲多為軸向排列，其徑向及弦向方向上存在的游離羥基較軸向更密集[16]，因此木材在環(huán)境溫濕度變化時(shí)，其徑向、弦向尺寸相對(duì)軸向受影響更大。經(jīng)過(guò)熱蒸汽加壓熱處理后，大量游離羥基因發(fā)生熱解或脫水形成醚鍵而消失[17-18]，因此壓縮樺木寬度方向較長(zhǎng)度方向尺寸穩(wěn)定性受到了更大的影響。此外，由圖3可知，當(dāng)過(guò)熱蒸汽壓力超過(guò)0.30 MPa后，再繼續(xù)增大蒸汽壓力對(duì)于木材的尺寸穩(wěn)定性影響較小，若繼續(xù)增加過(guò)熱蒸汽壓力雖可能進(jìn)一步提升所得樣品的尺寸穩(wěn)定性，但是會(huì)影響處理成本、設(shè)備安全性以及性?xún)r(jià)比。

2.2 過(guò)熱蒸汽加壓熱處理對(duì)回彈率的影響

地暖地板所處環(huán)境的溫濕度變化較大，樺木壓縮部分會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生不同程度回彈。由表3可知，在過(guò)熱蒸汽壓力為0.3 MPa時(shí)，平均回彈量從1.08 mm降低至0.26 mm;平均回彈率從25.88%降低至6.18%，相對(duì)常壓下降了76.12%;回彈率的標(biāo)準(zhǔn)差從2.16%下降至0.43%，相對(duì)常壓下降了83.33%，說(shuō)明加壓熱處理能夠有效降低回彈率，提高地板坯料穩(wěn)定性。在高溫高壓環(huán)境下，過(guò)熱蒸汽促使木材中的半纖維素與木質(zhì)素成分轉(zhuǎn)變?yōu)轲ち鲬B(tài)[19]，同時(shí)這些成分中的部分化學(xué)鍵受高溫蒸汽壓力影響發(fā)生斷裂，釋放了木材的內(nèi)應(yīng)力[20-21]，而部分處于無(wú)定形區(qū)的纖維素的游離羥基在高溫下脫水結(jié)合，使該部分纖維素由原來(lái)的不定型區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榕帕幸?guī)則的結(jié)晶區(qū)，減少了水分子進(jìn)入纖維間造成壓縮木材發(fā)生回彈形變的可能性[22]。

3 ?結(jié)論與建議

（1）過(guò)熱蒸汽加壓熱處理壓力與表層微壓縮樺木地板坯料的尺寸穩(wěn)定性呈正相關(guān)。在本實(shí)驗(yàn)研究條件下，過(guò)熱蒸汽加壓熱處理對(duì)樺木寬度方向的尺寸穩(wěn)定性相對(duì)長(zhǎng)度方向有更顯著的影響。0.30 MPa的過(guò)熱蒸汽壓力處理所得樣品與對(duì)照組相比，寬度收縮率降低58.56%，膨脹率降低60%;而長(zhǎng)度方向上收縮率與膨脹率均降低50%。

（2）本研究條件下，0.30 MPa的過(guò)熱蒸汽壓力處理所得樣品與對(duì)照組相比，回彈率僅為6.18%，較對(duì)照樣降低了76.12%，在熱處理過(guò)程中通過(guò)增加過(guò)熱蒸汽壓力可以明顯減少樺木表層微壓縮地板坯料的回彈。

（3）本研究是在熱處理溫度、處理時(shí)間一定條件下，僅改變過(guò)熱蒸汽壓力的單因素變量研究實(shí)驗(yàn)，并沒(méi)有探討3種工藝參數(shù)（因素）的交互作用對(duì)表層微壓縮木材尺寸穩(wěn)定性和壓縮回彈率的影響，這有待進(jìn)一步研究。另外，關(guān)于過(guò)熱蒸汽加壓熱處理對(duì)其他（如松木、樸木等）表層微壓縮木材尺寸穩(wěn)定性和壓縮回彈率的多因子綜合影響規(guī)律有待進(jìn)一步探索。

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