溫度對木材性能影響的研究概況

摘 要：在廣泛檢索文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對近年來溫度對木材性能影響的研究概況進(jìn)行總結(jié)，為后續(xù)的深入研究和探討提供參考。

關(guān)鍵詞：溫度；木材；性能；概述

中圖分類號 S781 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2013）16-109-03

木材主要是由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素以及少量抽提物組成的復(fù)雜天然高分子化合物。溫度的高低會改變木材的主要化學(xué)成分，不僅會對木材的外觀有一定的影響，還會影響到木材的力學(xué)性能。筆者總結(jié)近年來溫度對木材性能影響的研究概況，為后續(xù)的深入研究和探討提供參考。

1 溫度對木材顏色的影響

顏色是物體給人的一種最直接的視覺感受。木材的顏色是由于細(xì)胞內(nèi)含有各種色素、樹脂、樹膠、單寧及油脂并可能滲透到細(xì)胞壁中，致使木材呈現(xiàn)不同的顏色。隨著人們不斷變化的欣賞品位和藝術(shù)追求，人們除對木材紋理、結(jié)構(gòu)、花紋等特性特別注重外，對其顏色也十分注重，有時近于挑剔[1]。

隨著對木材處理溫度的升高以及處理時間的延長，木質(zhì)素發(fā)生了降解、縮合反應(yīng)，木材中的共軛體發(fā)色基團(tuán)延長，發(fā)色基團(tuán)數(shù)量增加[2]。同時纖維素和半纖維素多糖類物質(zhì)降低，生成了更多的羰基和羧基，心邊材在可見光范圍內(nèi)吸收峰增強(qiáng)，抽提物中含有多種多酚類物質(zhì)，有機(jī)溶劑抽提物含量增加，抽提物發(fā)生氧化還原反應(yīng)，帶有與芳環(huán)共軛的發(fā)色基團(tuán)的物質(zhì)濃度升高，導(dǎo)致木材顏色逐步向褐色至深褐色變化[3-4]。同時研究發(fā)現(xiàn)，和未處理木材相比較，高溫處理材顏色的耐光老化性和穩(wěn)定性增強(qiáng)[3-6]。Katsuya等對木材進(jìn)行高溫處理后再將其進(jìn)行光照。結(jié)果表明，在溫度較低的情況下對正在進(jìn)行熱處理的木材通過光照后的顏色變化明顯大于在溫度較高的情況下[7]。因此木材經(jīng)過高溫處理后能增加其顏色的穩(wěn)定性，同時使之耐光老化性更強(qiáng)。

2 溫度對木材力學(xué)性能的影響

冰點以下的溫度對木材力學(xué)性能的影響如下：木材中的自由水分在-2℃時便會結(jié)冰，隨著溫度的進(jìn)一步下降，木材中的吸著水分也會開始結(jié)冰，冰凍的濕木材，除其塑性、沖擊韌性明顯下降外，其他力學(xué)強(qiáng)度相對于正溫度均有所略微增加，其中抗劈力和抗剪強(qiáng)度的增加較大。

在正溫度方面的研究，于海霞[8]等人通過模擬冬季和夏季環(huán)境條件，得到人造板經(jīng)過夏季條件處理后的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度和表面結(jié)合強(qiáng)度的測量值比經(jīng)過冬季條件處理的測量值低得多。龔仁梅[9]等人探討不同的干燥溫度條件對木材的各種力學(xué)性能影響的變化規(guī)律。試驗結(jié)果表明，在中、低溫區(qū)域，隨著溫度的升高，橫紋抗壓強(qiáng)度、抗彎彈性模量均呈現(xiàn)下降趨勢；而在高溫區(qū)域，隨著溫度的升高，抗彎強(qiáng)度被明顯削弱，但橫紋抗壓強(qiáng)度卻得到增強(qiáng)。Oner U，Nadir A以桉樹為實驗對象，通過對其進(jìn)行熱處理（溫度為120～180℃）2～10h，實驗結(jié)論顯示，隨著處理溫度和時間增加，木材的表面粗糙度、密度、順紋壓縮強(qiáng)度均呈現(xiàn)降低趨勢[10]。呂建熊[11]等研究了熱作用溫度與時間對木材黏彈性的影響，結(jié)果表明：溫度升高引起木材質(zhì)量降低。在180℃和200℃下熱作用時間達(dá)550min時，由于熱降解引起的質(zhì)量下降分別達(dá)到4%和9%，由此導(dǎo)致木材動態(tài)剛度降低達(dá)35%和85%。在25℃和40℃兩個恒溫條件中，木材的貯存模量值幾乎保持不變。然而當(dāng)處理溫度高于60℃時，隨著處理溫度的升高以及時間的延長，木材的貯存模量值將會呈現(xiàn)降低的趨勢。處理溫度在25～50℃之間上升時，針葉樹抗拉強(qiáng)度降低10%～15%，抗壓強(qiáng)度降低20%～24%。當(dāng)木材長期處于60～100℃下時，會引起水分和所含揮發(fā)物的蒸發(fā)而呈暗褐色，強(qiáng)度下降，變形增大。溫度超過140℃時，木材中的纖維素發(fā)生熱裂解，色漸變黑，強(qiáng)度明顯下降[12-14]。因此，長期處于高溫的建筑物不宜采用木結(jié)構(gòu)。

3 影響機(jī)理

木材細(xì)胞壁的主要成分是纖維素、半纖維素和木素。纖維素約占木材組分的50%，是木材的主要組分，在木材細(xì)胞壁中起骨架作用[15]。纖維素具有結(jié)晶區(qū)和無定形區(qū)，結(jié)晶區(qū)多，結(jié)晶度大，木材的力學(xué)強(qiáng)度大。纖維素只有溫度超過150℃時才會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，分子內(nèi)的葡萄糖基才會開始發(fā)生脫水反應(yīng)；半纖維素在木材細(xì)胞壁中起粘結(jié)作用，是非結(jié)晶、帶有各種短側(cè)鏈的多聚糖，在3種成分中其受溫度的影響最大，也是最早發(fā)生分解及降解的；木素在木材細(xì)胞壁中起硬固作用，是一種芳香族化合物，其只有在200℃以上時才發(fā)生熱解。

當(dāng)處理溫度在冰點以下時，木材纖維素分子鏈運動頻率減弱，韌性降低，同時分子間隔發(fā)生變化，間接加固了纖維之間的連接。由于在冰點以下，細(xì)胞壁內(nèi)的部分水分則逐漸以冰的形式向細(xì)胞腔移動，冰的彈性系數(shù)比木材的順紋抗壓彈性系數(shù)要高，此時冰會承受一定的壓力，所以木材的剛度、強(qiáng)度以及相對變形會增大。同時由于水分逐漸向細(xì)胞腔中移動，會導(dǎo)致細(xì)胞壁驟然收縮，產(chǎn)生“凍縮現(xiàn)象”，使得外層出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，導(dǎo)致木材的靜曲強(qiáng)度下降，內(nèi)應(yīng)力增大，應(yīng)變減小。

溫度在0～20℃時，對木材的影響并不明顯，當(dāng)溫度從20℃升至120℃時，木材會產(chǎn)生熱膨脹，分子振動引起晶格間隔變化，同時內(nèi)聚力減小，纖維素分子鏈產(chǎn)生滑移，纖維素、半纖維素和木素軟化，塑性變形增加，造成應(yīng)力的不均勻分布，使得MOE降低。溫度從120℃逐漸上升到180℃時，高溫使得木材含水率急劇下降，從而使得木材的剛性增加，使飽水材形成了內(nèi)高外低的含水率梯度，木材表面硬化即表層形成堅硬的殼狀層，從而提高了木材的MOE[16]。當(dāng)溫度達(dá)到120℃時，半纖維素首先發(fā)生分解，游離羥基數(shù)量會大大減少，因而木材尺寸穩(wěn)定性[13]會有所提高。當(dāng)溫度超過180℃[17]，木材中果膠、抽提物、半纖維素等物質(zhì)會部分或全部降解，大大降低了木材的強(qiáng)度，尤其是沖擊韌性和抗拉強(qiáng)度[18]。隨著處理溫度進(jìn)一步升高（大于210℃），此時木素也開始降解，進(jìn)一步降低了木材的力學(xué)強(qiáng)度。與此同時，減少了木素、半纖維素以及纖維素的聯(lián)結(jié)點數(shù)量[19]，導(dǎo)致胞間層劈裂，也會降低木材的力學(xué)強(qiáng)度。隨著木材半纖維素的進(jìn)一步降解，產(chǎn)生的大量己酸不僅催化了纖維素的降解，還影響了木材的生物耐腐性及耐氣候性，使得纖維素的葡萄糖長鏈大分子結(jié)構(gòu)上的糖苷發(fā)生斷裂，碳-碳鍵受到破壞，導(dǎo)致纖維素的聚合度和結(jié)晶度降低即木材的抗彎強(qiáng)度大大降低[20]，但木材的尺寸穩(wěn)定性[21]相對提高。

4 結(jié)論

溫度對木材的性能影響應(yīng)分階段性。一般而言，室溫條件范圍內(nèi)，影響微小，而在高溫以及極端低溫的條件下影響較大。隨著處理溫度的升高和處理時間的延長，木材顏色逐步向褐色至深褐色變化，同時其耐光老化性和穩(wěn)定性增強(qiáng)。在冰點以下的條件時，除了木材的靜曲強(qiáng)度、沖擊韌性有所下降，其他的力學(xué)性能相對于正溫度時有所增加。在低溫和短時間處理時，木材的力學(xué)強(qiáng)度有所增加，然后隨著熱處理溫度和時間的延長，其力學(xué)強(qiáng)度逐漸下降。溫度對力學(xué)性質(zhì)的影響程度由大至小的順序為：壓縮強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、彈性模量、抗拉強(qiáng)度。

5 展望

在今后的進(jìn)一步研究中，應(yīng)探索出木材處理的溫度以及處理時間的長短對木材顏色的變化產(chǎn)生怎樣的影響。研究建立木材顏色變化與其他物理力學(xué)性能之間的相關(guān)性，更方便直觀地觀察木材的物理力學(xué)性能的變化情況。進(jìn)一步探索熱處理下木材強(qiáng)度變化規(guī)律，建立熱處理溫度和時間對強(qiáng)度影響的等效性。利用現(xiàn)代分析儀器進(jìn)一步探討熱處理下木材化學(xué)成分變化過程，并能進(jìn)行定量分析。

參考文獻(xiàn)

[1]段新芳.木材顏色調(diào)控技術(shù)[M].北京：中國建材工業(yè)出版社，2002.

[2]段新芳.木材變色防治技術(shù)[M].北京：中國建材工業(yè)出版社，2005.

[3]鄧邵平，陳寒嫻，林金春，等.高溫?zé)崽幚砣斯ち稚寄灸静牡牟纳屯匡椥阅躘J].福建農(nóng)林大學(xué)學(xué)報，2010，39（5）：484-489.

[4]王軍.木材的顏色與變色[J].吉林林業(yè)科技，1992（2）：45-46.

[5]Mitsui K，Takada H，Sugiyama Met al. Changes in the properties of light irradiated wood with heat treatment：part 1. Effect of treatment conditions on the change in color[J]. Holzforschung，2001，55（6）：601-605.

[6]史薔，鮑甫成，呂建雄，等.圓盤豆熱處理材光穩(wěn)定性的研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2011，31（2）：109-114.

[7]Ayadi N，Lejeune F Charrier Bet al. Color stability of heat treated wood during artificial weathering[J]. Holzals Roh-und Werkstoff，2003，61（3）：221-226.

[8]于海霞，徐漫平，方崇榮，等.不同溫濕度條件對人造板理化性能的影響[J].林業(yè)科技開發(fā)，2011，25（1）：86-88.

[9]龔仁梅，何靈芝，沈雋，等.溫度對人工林落葉松材物理力學(xué)性能的影響[J].林業(yè)科技開發(fā)，2000，25（5）：38-39.

[10]Oner U，Nadir A. Variations in compression strength and surf ace roughness of heated Turish river red gum （Eucaly puts camaldulensis） wood[J]. J Wood Sci，2005（51）：405-409.

[11]呂建雄，蔣佳荔.熱作用溫度與時間對木材黏彈性的影響[R].第三屆全國生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)術(shù)研討會，2009.

[12]Windeisen E. Bchle H，Zimmer B，et al.Relations between chemical changes and mechanical properties of thermally treated wood[J].Holzforschung，2009，63：773-778.

[13]Finnish. Thermo Wood. Associatior. Thermo Wood Handbook[EB/OL].（2011-06-10） www.thermowood.fi.data.php /200503 /199344200503160912.Thermoeng.pdf.

[14]黃榮鳳，呂建雄，曹永建.熱處理對毛白楊木材物理力學(xué)性能的影響[C].第十二次木材干燥學(xué)術(shù)研討會論文集，2010.

[15]劉一星，趙廣杰.木質(zhì)資源材料學(xué)[M].北京：中國林業(yè)出版社，2004.

[16]Mitchell P H. Irreversible property changes of small loblolly pine specimens heated in air，nitrogen，or oxygen[J].Wood and Fiber Science，1988，20（3）：320-355.

[17]李大綱，顧煉百. 高溫干燥對楊木主要力學(xué)性能的影響[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2000 （1）：38-40.

[18]鄧邵平，楊文斌，饒久平，等. 熱處理對人工林杉木尺寸穩(wěn)定性的影響[J].中國農(nóng)學(xué)通報，2009，25（7）：111-116.

[19]周永東，姜笑梅，劉君良.木材超高溫?zé)崽幚砑夹g(shù)的研究及應(yīng)用進(jìn)展[J].木材工業(yè)，2006（5）：4-6.

[20]Bekhta Pavlo，Peter Niemz，et al. Effect of high temperature on the change in color，dimensional stability and mechanical properties of spruce wood [J]. Holzforschung，2003，57：539-546.

[21]Boonstra M.J.，Bke Tjeerdsma. Chemic analysis of heat-treated softwoods[J].Holz als Roh-und Werkstoff，2006，64：204-211.

（責(zé)編：徐世紅）