不同含水率階段木材高溫?zé)崽幚砉に嚺c性能的研究?

趙喜龍 李 超 李英潔 王 芳 王喜明

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.國家林業(yè)和草原局產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃院，北京 100010）

樟子松是我國三北地區(qū)主要優(yōu)良造林樹種之一。樟子松木材具有紋理通直，花紋清晰，材質(zhì)輕且密度小、木質(zhì)軟等特點，可作為建筑、家具、地板、室內(nèi)裝飾用材[1-2]。高溫?zé)崽幚硎悄静母男缘囊环N方法，國內(nèi)外學(xué)者對高溫?zé)崽幚砗竽静牡奈鼭裥浴⒊叽绶€(wěn)定性等作了系統(tǒng)研究[3-4]。本研究對樟子松木材進行高溫?zé)崽幚?，研究含水率、處理溫度、處理時間對其干縮性、濕脹性、吸水性和密度的影響，旨在為人工林樟子松的高效利用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料

樟子松（Pinus sylvestnisvar.mongolicaLitv.）采自內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市涼城縣蠻漢山林場（北緯40.54°，東經(jīng)112.51°）。在同一株樟子松樹上取45個規(guī)格為200 mm(L)×20 mm(T)×20 mm(R)的試樣，無開裂、無腐朽等缺陷；隨機鋸解20個規(guī)格為20 mm(L)×20 mm(T)×20 mm(R)的試件備用。

1.2 試驗方法

1.2.1 正交試驗設(shè)計

本試驗重點考察木材含水率、熱處理溫度、時間三個因素對材性的影響?？疾熘笜?biāo)為木材的干縮性、濕脹性、吸水性和密度。每個因素選用三個水平，因素水平見表1。根據(jù)上述設(shè)定，進行三因素三水平試驗設(shè)計，如表2～4 所示，并對試驗數(shù)據(jù)進行極差分析[5]，探討木材含水率、熱處理溫度、時間三因素對弦向干縮率、弦向濕脹率、吸水性和密度的影響。

表1 正交試驗因素水平表Tab.1 Factor and Level table of orthogonal test

1.2.2 含水率調(diào)整

1）參照GB/T 1931—2009 《木材含水率測定方法》對規(guī)格為20 mm(L)×20 mm(T)×20 mm(R)的20 個試件進行含水率測定，準(zhǔn)確至0.1%。

2）將規(guī)格為200 mm(L)×20 mm(T)×20 mm(R)的試件分成9 組，每組5 塊。根據(jù)試驗確定三個含水率水平（10%、20%、30%），將1、2、3 組試件干燥至含水率約為30%（±1%），4、5、6 組試件干燥至含水率20%（±1%），7、8、9 組試件干燥至含水率10%（±1%）。所有試材均用保鮮膜嚴(yán)密包裹后放置于冰箱中保存。

1.2.3 樟子松高溫?zé)崽幚?/p>

熱處理工藝的主要參數(shù)包括熱處理溫度、時間、加熱速率等。溫度和時間是決定熱處理材性質(zhì)的兩個重要影響因素，其中尤以溫度最為重要。已有研究表明，當(dāng)熱處理時間為4 h時，處理材的各項材性指標(biāo)均處在較理想的范圍[6-9]。按照表1分別設(shè)置熱處理溫度和熱處理時間，同時打開氮氣保護裝置，氮氣流速為30 mL/min。為了避免試件直接放置于馬弗爐中加熱至目標(biāo)熱處理溫度（180、200、220 ℃）導(dǎo)致受熱不均或燒焦，在試驗過程中在試件表面包上一層錫紙[10-14]。

1.3 高溫?zé)崽幚聿男阅軠y定

分別從經(jīng)過熱處理的9 組試件中隨機鋸制20 個規(guī)格為20 mm(L)×20 mm(T)×20 mm(R)的試件，參照GB/T 1932—2009《木材干縮性測定方法》、GB/T 1934.2—2009《木材濕脹性測定方法》、GB/T 1934.1—2009《木材吸水性測定方法》、GB/T 1933—2009《木材密度測定方法》，各選取5 個試件分別測其弦向干縮率、弦向濕脹率、吸水性和密度，計算精確至0.01%。

2 結(jié)果與分析

2.1 工藝因素對處理材弦向干縮率的影響

經(jīng)不同的高溫?zé)崽幚項l件處理后，樟子松木材弦向干縮率有不同程度的變化。表2 為弦向干縮率正交試驗設(shè)計與檢測結(jié)果。利用極差法進行各因素水平之間分析，分析結(jié)果見表2 與圖1。

表2 高溫?zé)崽幚砟静南蚁蚋煽s率極差分析表Tab.2 The range analysis of tangential shrinkage for the high temperature heat treated wood

圖1 高溫?zé)崽幚聿南蚁蚋煽s率極差分析圖Fig. 1 The range analysis chart of tangential shrinkage for the high temperature heat treated wood

由表2 可知，當(dāng)樟子松木材含水率為30%、熱處理溫度和時間分別為220 ℃和4 h時，獲得最小弦向收縮率（3.59%），最優(yōu)組合為A1B3C3，熱處理溫度對處理材弦向干縮有明顯影響，而熱處理時間與含水率對樟子松的弦向干縮影響相對較小，三因素對樟子松弦向干縮的影響程度依次為B（溫度）＞C（時間）＞A（含水率）。由圖1 可以看出，較高含水率、較高熱處理溫度和較長的熱處理時間均可降低弦向干縮率，說明熱處理是一種能有效改善木材尺寸穩(wěn)定性的方法[10-12]。

2.2 工藝因素對處理材弦向濕脹性的影響

弦向濕脹性正交試驗結(jié)果與極差分析見表3和圖2。

表3 高溫?zé)崽幚聿南蚁驖衩浶詷O差分析表Tab.3 The range analysis of tangential moisture-absorbing expansion for the high temperature heat treated wood

圖2 高溫?zé)崽幚聿南蚁驖衩浶詷O差分析圖Fig. 2 The range analysis chart of tangential moistureabsorbing expansion for the high temperature heat treated wood

由表 3可知，三因素中，高溫?zé)崽幚頃r間對樟子松木材的弦向濕脹性影響最大，其次是熱處理溫度，含水率對熱處理樟子松木材的弦向濕脹性影響最小。三者對樟子松濕脹性的影響程度依次為C（時間）＞B（溫度）＞A（含水率），最優(yōu)組出現(xiàn)在A1B3C3，即木材含水率為30%、熱處理溫度為220 ℃、時間為4 h，其最小弦向濕脹率為1.32%。試驗結(jié)果表明：在試驗范圍內(nèi)，隨著高溫?zé)崽幚頃r間的增加以及溫度的升高，處理材的弦向濕脹性表現(xiàn)出降低趨勢，在20%含水率以下時，含水率的降低對濕脹率影響不明顯，如圖2所示。

2.3 工藝因素對處理材吸水性的影響

吸水性正交試驗結(jié)果及工藝因素對處理材吸水特性的影響規(guī)律如表4 與圖3 所示。

表4 高溫?zé)崽幚聿奈詷O差分析表Tab.4 The range analysis of water absorption for the high temperature heat treated wood

圖3 高溫?zé)崽幚聿奈蕵O差分析圖Fig. 3 The range analysis chart of water absorption for the high temperature heat treated wood

由表4可知，高溫?zé)崽幚頃r間對樟子松木材的吸水性影響最大，其次是熱處理材的含水率，熱處理溫度對樟子松的吸水性影響最小，三因素對樟子松吸水性的影響大小依次為C（時間）＞A（含水率）＞B（溫度），最優(yōu)組合為A2B3C2，其對應(yīng)的吸水率為148.79%。由圖3可知，與弦向干縮率和濕脹率相比，高溫?zé)崽幚聿牡奈什⑽幢憩F(xiàn)出明顯的線性變化規(guī)律，在預(yù)設(shè)的三個水平中，均在中間水平出現(xiàn)拐點，時間和含水率中間水平（分別為3 h和20%）表現(xiàn)出最低值，而溫度中間水平（200 ℃）則表現(xiàn)出最高值。

2.4 工藝因素對處理材密度的影響

高溫?zé)崽幚頃鼓静闹械牟糠纸M分發(fā)生降解而從固相體系脫離，因此經(jīng)高溫?zé)崽幚砗竽静牡拿芏扔兴档蚚13-17]。對不同熱處理條件獲得的處理材密度進行計算，并利用極差法進行各影響因素分析，極差分析結(jié)果如表5、圖4 所示。

表5 高溫?zé)崽幚聿拿芏葮O差分析表Tab.5 The range analysis of density for the high temperature heat treated wood

圖4 高溫?zé)崽幚聿拿芏葮O差分析圖Fig.4 The range analysis chart of density for the high temperature heat treated wood

由表 5、圖4 可知，以密度為評價指標(biāo)時，最優(yōu)組合可能出現(xiàn)在A3B1C1或者A3B2C1，即含水率為10%，熱處理溫度為180 ℃或200 ℃，熱處理時間為2 h。由圖4可知，隨著含水率、熱處理溫度和時間的提高，極差分析均值密度表現(xiàn)出降低的趨勢，相對于熱處理溫度和時間對密度的影響，處理材的含水率對密度影響不大。但從表5 數(shù)據(jù)看，在熱處理溫度較低或時間較短的相對溫和熱處理條件下，含水率的變化對熱處理材的密度并未產(chǎn)生規(guī)律性的影響。在溫和的處理條件下，熱處理材密度受木材化學(xué)組分降解、再縮聚的綜合作用，密度呈現(xiàn)波動變化。木材主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素三大物質(zhì)組成[18-20]，隨著熱處理溫度的升高，纖維素和半纖維素會產(chǎn)生一定程度的降解[21-24]，木材密度因此降低；同時，隨著半纖維素的降解，纖維素非結(jié)晶區(qū)間距減小，纖維素會發(fā)生重結(jié)晶，木質(zhì)素也會在一定程度上再縮聚，導(dǎo)致木材密度短暫升高；此外，木材初含水率較高時，木材中自由水含量較高，對木材孔隙起到膨脹作用，在熱動力的作用下，水對熱的傳導(dǎo)作用更易使木材組分發(fā)生降解，使木材密度降低。因此在較溫和的熱處理條件下，含水率、溫度和時間的綜合作用使得密度未表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。然而，隨著熱處理條件的加劇（在熱處理溫度為220 ℃或熱處理時間為4 h時），木材初含水率對密度影響不大，劇烈的熱處理條件導(dǎo)致木材化學(xué)組分降解而成為木材密度降低的主導(dǎo)因素，其對密度的影響程度明顯高于木材組分再縮聚和傳熱對木材密度的影響。綜合上述四個考察指標(biāo)可知，干縮率和濕脹率在相同的熱處理條件獲得最優(yōu)值，而吸水性和密度的最優(yōu)熱處理條件表現(xiàn)各異。熱處理的條件越劇烈，會使木材組分降解越明顯，處理后木材表面的親水性基團也將越少[25-26]，在周圍環(huán)境濕度發(fā)生變化時，木材的吸濕和解析特性隨之改變，木材表面親水基團位點減少，在宏觀上表現(xiàn)為干縮率和濕脹率的降低；對于吸水性而言，熱處理后的木材較長時間浸泡在水中，木材內(nèi)外水的壓力差會使更多水分滲透至木材內(nèi)部，再結(jié)合木材初始含水率的差異，因此未在最劇烈的熱處理條件下出現(xiàn)最小吸水率。同樣，在初始含水率、熱處理溫度和時間的綜合作用下，密度在較溫和的熱處理條件并未表現(xiàn)出規(guī)律性變化。初始狀態(tài)木材中水分的多少會影響熱處理木材的宏觀性能，因此在實際熱處理過程中應(yīng)綜合熱處理木材的目標(biāo)性能進行工藝的最優(yōu)化選擇。

3 結(jié)論

本文以樟子松為原料，采用正交試驗法和極差分析法，研究含水率（10%、20%、30%）、處理溫度（180、200、220℃）和處理時間（2、3、4 h)三個因素對樟子松熱處理前后干縮性、濕脹性、吸水性、密度的影響，得到如下結(jié)論：1）較高初始含水率、較高熱處理溫度和較長高溫處理時間可改善處理木材的干縮性和濕脹性，使木材尺寸穩(wěn)定性更好；在較溫和的熱處理條件下，受初始含水率、熱處理溫度和時間的綜合影響，處理材密度未呈現(xiàn)規(guī)律性變化趨勢；在較劇烈的熱處理條件下，初始含水率的大小不會影響熱處理材密度降低的趨勢；熱處理溫度、時間和含水率對吸水性的影響不呈線性關(guān)系。2）以不同評價指標(biāo)進行極差分析，處理材的最優(yōu)反應(yīng)條件組合不盡相同，不能完全保證所有性能指標(biāo)在某一最優(yōu)條件下均達(dá)到最優(yōu)值，因此若想確定合理的優(yōu)化條件，需根據(jù)處理材不同的性能需求有側(cè)重地進行選擇性優(yōu)化。