長時低溫?zé)崽幚韺λ偕鷹钅静念伾俺叽绶€(wěn)定性的影響1)

王婷歡 高晶晶 何正斌 伊松林

(北京林業(yè)大學(xué)，北京，100083)

楊樹生長周期短、成材速度快、價格低且容易生產(chǎn)加工，在我國造林項目中得到了大力推廣[1]；速生楊(PopulustomentosaCarr)木材家具性價比較高[2]。但是，由于速生楊樹生長周期短，存在尺寸穩(wěn)定性較差、易干縮變形等缺陷，極大地限制了速生楊木材在家具及相關(guān)制品上的應(yīng)用[3]。

速生楊木材的尺寸穩(wěn)定性可以通過單一改性和復(fù)合改性方法得到提高。木材干燥是一種單一的非填充改性方法，綠色無毒無污染，能夠顯著提高木材的尺寸穩(wěn)定性[4]。高溫?zé)崽幚砑夹g(shù)是木材干燥中一種常用的技術(shù)，處理過程中，半纖維素發(fā)生降解，木材中的親水基團(如羥基等)減少；因而木材吸濕性降低，尺寸穩(wěn)定性得到提高[5]。但經(jīng)過高溫?zé)崽幚砗?，木材顏色會由原來的淺木色變成深色系[6]。已有研究表明，通過升高熱處理溫度和增加熱處理時長，木材的顏色將會變深。升高熱處理溫度對木材顏色的影響大于增加熱處理時長對木材顏色的影響，并且同一樹種的心材和邊材，通過同一處理工藝的處理效果可能會有所不同[7-9]。木材尺寸穩(wěn)定性直接影響木制品的質(zhì)量，木材顏色間接影響市場需求，兩者對于木材的加工和使用起著不可或缺的參考作用[10-11]。

為此，本研究采用長時低溫處理方式代替短時高溫?zé)崽幚矸绞?，對速生楊木材進行長時低溫處理試驗研究，使木材盡量保持原有的淺色效果，又盡可能地提高木材的尺寸穩(wěn)定性，滿足市場及加工需求。試驗選擇熱處理溫度(130、140、150 ℃)、熱處理時間(6、12、18、24 h)2個對木材性能的影響因素，按照不同熱處理溫度與不同熱處理時間組合設(shè)計12種熱處理工藝，對速生楊弦向板材進行長時低溫處理試驗；以處理前試件(未處理的素材)為對照，以木材顏色值、木材濕脹性為評價指標，分析不同熱處理工藝對速生楊木材心材、邊材的顏色及尺寸穩(wěn)定性的影響，遴選在試驗設(shè)計范圍內(nèi)的最佳熱處理工藝。旨在為提高速生楊木材性能、拓展速生楊木材應(yīng)用途徑提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

試驗材料：試材為廣東聯(lián)邦家私集團有限公司提供的速生楊(PopulustomentosaCarr)弦向板材，區(qū)分心、邊材。試材寬度64～65 mm(用于拼板)，厚度約20 mm，初始含水率7%～10%，材色均勻，呈黃白色，無明顯缺陷(熱處理時的試樣尺寸，濕脹性測試的試樣尺寸，均為該尺寸)。

主要儀器：NR200 高品質(zhì)便攜式電腦色差計、高溫鼓風(fēng)干燥箱、恒溫恒濕試驗箱、游標卡尺(精度0.01 mm)等。

熱處理條件：根據(jù)木材三大組分在不同溫度環(huán)境中的變化與木材尺寸穩(wěn)定性之間的關(guān)系[12]，本研究在120～180 ℃范圍內(nèi)設(shè)置3個熱處理溫度(130、140、150 ℃)、4個熱處理時長(6、12、18、24 h)，按照不同熱處理溫度與不同熱處理時長組合，設(shè)計12種熱處理工藝。試驗從高溫鼓風(fēng)干燥箱達到設(shè)定溫度時(允許±2 ℃的誤差)開始計算熱處理時長。

木材顏色值的測定及計算：本研究參照國際照明委員會推薦的L*a*b*(1976年)標準色度學(xué)系統(tǒng)對木材的顏色進行檢測。總共12次試驗，區(qū)分速生楊木材的心、邊材，有2種試件，每次同類試件取3塊。試驗步驟——熱處理前后，分別在每個試件上隨機選取3個點測色，記錄試件的L*、a*、b*數(shù)值，每個點測5次，分別取其平均值作為測量結(jié)果。計算公式[6]：

ΔE*=[(ΔL*)2+(Δa*)2+(Δb*)2]1/2；

木材濕脹性測試方法：本研究應(yīng)用濕脹率對試件的尺寸穩(wěn)定性進行檢驗，按照GB/T 1934.2—2009《木材濕脹性測定方法》的試驗方法進行試驗。試驗步驟——將處理材與對照組放置于溫度為(103±2)℃的電熱鼓風(fēng)干燥箱中烘至絕干，取出樣品，選擇3個位置，利用游標卡尺測量其弦向尺寸(l0)；然后，放置于溫度(20±2)℃、相對濕度(65±3)%的恒溫恒濕箱中吸濕；吸濕過程中，每隔6 h取工藝1(130 ℃-6 h)下的心、邊材處理材以及對照組試件各1塊，測量1次弦向尺寸，計算前后差值，至2次結(jié)果之差不超過0.2 mm時，認為尺寸達到穩(wěn)定，可以測量所有試件的弦向尺寸(lw)，計算試件的弦向濕脹率及弦向上的濕脹率下降率，進行比較。對于每種處理條件下的每種類型的試件，弦向濕脹率是在該處理條件下測得結(jié)果的平均值。

試樣從全干到氣干時的弦向濕脹率(αw)計算公式(精確至0.01%)：αw=[(lw-l0)/l0]×100%；lw為試材氣干時弦向上的長度(單位為mm)、l0為試材絕干時弦向上的長度(單位為mm)。

經(jīng)12種熱處理工藝處理后，試樣心材、邊材與對照組相比，弦向上的濕脹率下降率(D)計算公式(精確至0.01%)：D=[(αw2-αw1)/αw1]×100%；αw1為楊木心、邊材對照組試樣從全干到氣干時弦向上的濕脹率，αw2為楊木心、邊材熱處理試樣從全干到氣干時弦向上的濕脹率。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱處理對木材顏色的影響

由圖1、圖2可見：楊木心、邊材經(jīng)12種不同熱處理工藝處理前后的宏觀顏色；熱處理后，速生楊木材邊材從淺白色變?yōu)辄S白色，心材從淺黃白色變成黃色?？傮w呈現(xiàn)出，木材的顏色隨著熱處理溫度的升高和熱處理時間的增加而變深的規(guī)律。

就磷銨供應(yīng)來看，隨著湖北企業(yè)開始向東北陸續(xù)供貨，磷銨供應(yīng)緊張的局面也在緩解。二銨的東北到站價始終難以突破3000元/噸這一關(guān)卡，也說明了二銨后市上揚的可能性不大。

工藝1為130 ℃-6 h；工藝2為130 ℃-12 h；工藝3為130 ℃-18 h；工藝4為130 ℃-24 h；工藝5為140 ℃-6 h；工藝6為140 ℃-12 h；工藝7為140 ℃-18 h；工藝8為140 ℃-24 h；工藝9為150 ℃-6 h；工藝10為150 ℃-12 h；工藝11為150 ℃-18 h；工藝12為150 ℃-24 h。

工藝1為130 ℃-6 h；工藝2為130 ℃-12 h；工藝3為130 ℃-18 h；工藝4為130 ℃-24 h；工藝5為140 ℃-6 h；工藝6為140 ℃-12 h；工藝7為140 ℃-18 h；工藝8為140 ℃-24 h；工藝9為150 ℃-6 h；工藝10為150 ℃-12 h；工藝11為150 ℃-18 h；工藝12為150 ℃-24 h。

本研究應(yīng)用3個基本顏色指標——紅綠軸色品指數(shù)差(Δa*)、黃藍軸色品指數(shù)差(Δb*)、明度差(ΔL*)及總體色差(ΔE*)對熱處理前后試樣顏色變化進行測定。

紅綠軸色品指數(shù)差(Δa*)，正值越大表示木材熱處理后越偏向紅色。由見表1可見：對楊木心材而言，木材顏色受不同熱處理工藝條件的影響較小，Δa*不超過1；對楊木邊材而言，通過不同的熱處理工藝進行熱處理，楊木顏色出現(xiàn)了明顯差異，Δa*均高于1。整體看，升高熱處理溫度和增加熱處理時間，楊木的紅綠軸色品指數(shù)(a*)呈現(xiàn)升高趨勢。心材Δa*在0.16～3.61之間，邊材Δa*在1.53～6.08之間，說明楊木顏色越來越紅，且邊材變化較心材更顯著。

黃藍軸色品指數(shù)差(Δb*)，正值越大表示木材熱處理后顏色越偏向黃色。由表1可見：不同的熱處理工藝對大部分楊木的黃藍軸色品指數(shù)(b*)影響顯著，除工藝1(130 ℃-6 h)處理條件的楊木邊材外，其他工藝處理的楊木邊材Δb*均高于2。整體看，升高熱處理溫度和增加熱處理時間，楊木的b*都呈現(xiàn)升高趨勢，心材Δb*在2.11～7.84范圍之間，邊材Δb*在0.08～6.72之間，說明楊木顏色越來越黃，且心材變化較邊材更顯著。

明度差(ΔL*)負值表示熱處理后木材變暗。由表1可見：楊木心材明度(L*)的降低值在2.48～11.40之間，楊木邊材明度(L*)降低值在2.52～13.39之間，表明速生楊木材經(jīng)過熱處理后顏色整體都變暗、變深。工藝方面，升高熱處理溫度和增加熱處理時間，楊木心、邊材的明度差在負值方向越來越大，說明熱處理后的木材比處理前的木材顏色暗，其中，熱處理溫度的影響大于熱處理時間，特別是當(dāng)熱處理溫度達到150 ℃時，ΔL*變化顯著。

總體色差(ΔE*)反映處理前后木材總體顏色差別，數(shù)值越大表示處理試件前后顏色差別越大。由表1可見：楊木心材ΔE*在3.81～13.97之間，楊木邊材ΔE*在3.68～16.12之間，楊木經(jīng)過熱處理后顏色變化較大，ΔE*均大于3，肉眼均能分辨出變化。且當(dāng)熱處理工藝相同時，多數(shù)楊木邊材的ΔE*大于楊木心材的ΔE*，說明熱處理對楊木邊材的顏色影響更大。

木材顏色變化歸因于木材中含有的發(fā)色基團及助色基團[13]。熱處理過程中，木材生成大量醌類結(jié)構(gòu)，黃色和紅色是木材產(chǎn)生醌類結(jié)構(gòu)的特征顏色，這也是木材熱處理后顏色比較深的主要原因，其他新形成的發(fā)色基團也會使得木材表面顏色變深[14]。依據(jù)測試值及實際觀測，將ΔE*=6作為肉眼識別的極限值，篩選得出工藝1(130 ℃-6 h)、工藝2(130 ℃-12 h)符合顏色變化較小且最終顏色較淺的需求。

2.2 熱處理對木材尺寸穩(wěn)定性的影響

木材的結(jié)構(gòu)特點使其表現(xiàn)出明顯的各向異性，弦向的濕脹率普遍大于徑向的濕脹率[15-17]。本研究試驗所選木材為弦向板材拼板料，為探究不同熱處理工藝對速生楊木材尺寸穩(wěn)定性的影響，分別測量了試驗組與對照組試件弦向上由全干至氣干的濕脹率、計算得出試驗組較對照組弦向上的濕脹率下降率(見表2)。整體看，經(jīng)過熱處理的楊木心、邊材濕脹率均有下降，說明楊木通過設(shè)定的熱處理工藝處理后吸濕性降低，尺寸穩(wěn)定性提高。熱處理木材尺寸穩(wěn)定性提升的重要原因，是半纖維素?zé)峤鈱?dǎo)致游離羥基的數(shù)量大量減少，纖維素降解自由度降低結(jié)晶度升高[6]。隨著熱處理溫度的升高，脫乙酰基反應(yīng)程度減弱，半纖維素的熱解程度降低，游離羥基的含量升高，尺寸穩(wěn)定性也在一定范圍內(nèi)降低。說明木材的尺寸穩(wěn)定性在一定溫度范圍內(nèi)的處理工藝下影響較小，細微處出現(xiàn)先升高后降低的情況。

表2 楊木心、邊材經(jīng)不同工藝處理后的弦向濕脹率和弦向濕脹率下降率

從心、邊材比較看，楊木心材經(jīng)過不同熱處理工藝后的弦向濕脹率為1.94%～2.29%，下降了35.06%～47.84%；楊木邊材經(jīng)過不同熱處理工藝后的弦向濕脹率為2.36%～2.94%，下降了6.79%～23.45%；說明在同一處理工藝下，楊木心材處理效果明顯優(yōu)于楊木邊材。當(dāng)熱處理工藝為工藝2(130 ℃-12 h)時，楊木心材的濕脹率最小(1.94%)，比對照組的弦向濕脹率下降了47.84%。當(dāng)熱處理工藝為工藝1(130 ℃-6 h)時，楊木邊材的濕脹率最小(2.36%)，比對照組的弦向濕脹率下降了23.25%。

3 結(jié)論

速生楊木材的熱處理工藝能顯著改變木材的材色，提高木材的尺寸穩(wěn)定性，可根據(jù)實際需要選擇適宜的熱處理工藝，在尺寸穩(wěn)定性提高的前提下控制木材材色的變化程度。

隨著熱處理溫度的升高和熱處理時長的增加，木材總體色差逐漸增大，且邊材比心材更明顯，熱處理溫度的影響比熱處理時長的影響更明顯。

熱處理后，楊木弦向的尺寸變化明顯降低。楊木心材處理材弦向的濕脹率平均降低39.211%，邊材處理材弦向的濕脹率平均降低16.086%，說明楊木心、邊材處理效果差異較大。

在本試驗條件下，工藝2(130 ℃-12 h)為同時滿足速生楊木材熱處理前后色差較小且尺寸穩(wěn)定性提高的適宜條件。