粗皮桉木材熱處理位置對吸熱量及升溫速度的影響

王雪花 ，費本華，柴宇博，劉君良

(1.南京林業(yè)大學(xué) 家具與工業(yè)設(shè)計學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.國際竹藤中心，北京 100102；3.中國林業(yè)科學(xué)研究院 木材工業(yè)研究所，北京100091)

作為一種天然的生物質(zhì)材料，木材具有強重比大、紋理美觀及聲學(xué)性質(zhì)優(yōu)良等特點，但同時也存在各向異性及干濕變形的缺陷。熱處理是改善木材尺寸穩(wěn)定性及耐久性的重要方法之一[1－4]，常用的加熱介質(zhì)有蒸汽、熱油、氮氣等。真空熱處理是將木材置于真空條件下，不借助任何加熱介質(zhì)的熱處理方式。較其他處理方法，真空熱處理在減少木材的強度損失和材色變化方面，具有較明顯的優(yōu)勢[5]。對有介質(zhì)參與的熱處理過程或木材干燥過程，有關(guān)熱質(zhì)傳遞的研究及模型較多[6－10]，但由于真空熱處理目前尚未有大規(guī)模應(yīng)用，又不借助熱介質(zhì)，真空熱處理條件下木材內(nèi)熱量的傳遞方式及傳遞均勻性等問題尚缺乏認識。桉樹是中國南方重要的速生樹種之一。華南沿海地區(qū)的粗皮桉Eucalyptus pellita，尾葉桉Eucalyptus urophylla，赤桉Eucalyptus camaldulensis等樹種，密度高，材質(zhì)細膩，木材呈紅色或深粉紅色，是家居裝修的理想原材料，具有較好的實木用材潛力。然而，由于桉樹易變形、開裂、尺寸穩(wěn)定性差等缺點，使其應(yīng)用范圍受到限制。為研究真空熱處理過程中木材內(nèi)的熱量傳遞規(guī)律，同時尋求改善桉樹木材尺寸穩(wěn)定性的方法，筆者前期在實驗室對粗皮按木材小試件在真空條件下進行熱處理，發(fā)現(xiàn)真空熱處理后木材彈性模量、抗彎強度等材性指標在一定溫度范圍內(nèi)有所提高[11]；對處理箱內(nèi)、板材表面及處理材內(nèi)三者的時溫曲線考察，發(fā)現(xiàn)板材內(nèi)部升溫速度較處理箱內(nèi)慢，在熱處理進行半小時后溫度趨于穩(wěn)定，雖最終溫度較處理箱內(nèi)部稍低，但相差不大。為進一步了解木材真空熱處理條件下對處理材性能均勻性方面的影響，本研究進一步設(shè)置不同溫度、板材厚度、端距、側(cè)距條件，考察這些參數(shù)對木材單位質(zhì)量吸熱量及平均升溫速度的影響，確定其主要影響因素及影響程度，以求初步了解在真空熱處理時木材內(nèi)部的熱量分布均勻性，為真空熱處理提供理論指導(dǎo)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

粗皮桉采自廣東湛江。對木材進行熱處理前，首先將試件烘至絕干。將試件烘干的目的是:一方面，如果木材中含有水分，在熱處理過程中由于水分蒸發(fā)，不易保持處理箱的真空狀態(tài)；另一方面，是為了減少水分對木材傳熱的影響。烘干后將試件加工成以下尺寸:長×寬×厚=450 mm×70 mm×10(20，30，40)mm，選取的試件應(yīng)為絕干處理中未發(fā)生發(fā)面開裂等現(xiàn)象的試件。在試件表面用鉆頭按照如圖1所示部位鉆孔，孔深為板厚的一半，鉆孔直徑與熱電偶直徑保持一致，同為1.5 mm，以保證孔的密封性，防止加熱過程中熱量從孔內(nèi)傳入測溫部位影響測量的準確性。

圖1 板材鉆孔位置示意圖Figure 1 Sketch map for holes drilling locations

1.2 試驗方法

1.2.1 熱處理參數(shù) 采用密閉的真空熱處理箱對粗皮桉木材進行熱處理，加熱方式為輻射非接觸式加熱，處理箱內(nèi)長寬高均為600 mm，被加熱試件置于處理箱內(nèi)中間部位，處理時間從處理箱溫度顯示儀上達到目標溫度開始計時，處理4 h，處理溫度包括:80，120，160，200，240，280℃，測試部位如圖1所示，板厚分別為10，20，30，40 mm。

1.2.2 正交設(shè)計 由于涉及參數(shù)較多，采用SPSS正交設(shè)計將試驗次數(shù)進行簡化，計算后的結(jié)果見表1。從中可以看，需進行32組試驗。

1.2.3 木材熱處理中溫度數(shù)據(jù)采集 處理過程中木材內(nèi)溫度數(shù)據(jù)的獲得通過溫度巡檢儀連接熱電偶及計算機實現(xiàn)。熱電偶實現(xiàn)溫度的測量，溫度巡檢儀可顯示溫度數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機。當真空箱溫度顯示儀上數(shù)值達到設(shè)定溫度后，開始對木材內(nèi)溫度數(shù)據(jù)進行提取，數(shù)據(jù)提取頻率設(shè)定為2次°min－1，熱處理完成關(guān)閉加熱裝置的同時，關(guān)閉溫度巡檢儀，導(dǎo)出計算機內(nèi)數(shù)據(jù)。抽真空處理及真空度的維持:熱處理前，先啟動真空泵將處理箱抽真空，真空度達到0.8 MPa時啟動加熱裝置。熱處理期間，維持處理箱內(nèi)真空度在0.8～1.0 MPa。

表1 正交設(shè)計結(jié)果Table 1 Results by orthogonal design

1.2.4 吸熱量及傳熱均勻性的檢驗方法 采用Origin軟件中自帶函數(shù)對實驗獲得的時間—溫度曲線進行擬合。對擬合函數(shù)進行積分，可得不同部位單位質(zhì)量吸熱量；對其求導(dǎo)，可得升溫速度函數(shù)，進而得到平均升溫速度。相關(guān)計算公式如下:

式(1)～式(4)中:VT為熱處理過程中的升溫速度，℃°min－1； CT為木材比熱容，溫度的函數(shù)，kJ°(kg°℃)－1；Qm為熱處理過程中單位質(zhì)量木材的吸熱量，kJ°kg－1； VTmean為平均升溫速度，熱處理過程中速度曲線上所有點的代數(shù)平均值。圖2為Qm與VTmean的計算示意圖。

1.3 試驗設(shè)備

試驗設(shè)備主要由2個部分組成，設(shè)備連接如圖3。真空熱處理系統(tǒng):包括真空熱處理箱及真空泵，完成木材的真空熱處理。溫度采集系統(tǒng):熱電偶和溫度測量；溫度巡檢儀，數(shù)據(jù)的顯示與提??；計算機，數(shù)據(jù)導(dǎo)入與儲存。

圖2 單位質(zhì)量吸熱量及平均升溫速度的計算示意圖Figure 2 Sketch map for calculating of heat absorption unit mass and average rate increasing value

圖3 設(shè)備連接示意圖Figure 3 Diagram for device connection during the test

2 結(jié)果與討論

2.1 影響Qm與VTmean的主要因素

對熱處理過程中得到的測試結(jié)果按照1.2.4中所述方法進行處理，得到Qm與VTmean，對其進行主效應(yīng)分析，得到表2和表3。

表2 VTmean的方差分析結(jié)果Table 2 Variance analysis results of the mean temperature climbing value

表3 Qm的方差分析結(jié)果Table 3 Variance analysis results of the heat-absorbing value per unit mass

從表2和表3中可以看到:熱處理溫度及板材厚度對Qm和VTmean的影響，在0.05水平上均差異顯著；而端距及側(cè)距對Qm及VTmean的影響在0.05水平上差異不顯著。由此，影響Qm及VTmean的主要因素為:熱處理溫度和板材厚度。

2.2 熱處理溫度對Qm和VTmean影響的多重比較

熱處理溫度對Qm和VTmean的影響進行單因素分析，得到不同溫度條件下Qm和VTmean邊際均值(表4)。

分析表4中數(shù)據(jù)，對它進行最顯著差法(LSD)多重比較，得到:①Q(mào)m:由表4可以看出，隨溫度升高，Qm增大。多重比較結(jié)果表明:80℃與120℃，240℃與280℃的Qm在0.05水平上差異不顯著；而160℃與其他溫度在0.05水平上均差異顯著。這說明，在低溫段及高溫度段處理木材時，Qm增長趨勢較緩，但熱處理溫度從160℃升至200℃時，Qm增長較快。②VTmean:由表4可以看出，隨溫度升高，VTmean基本呈增大趨勢。多重比較結(jié)果顯示:80℃與120℃，200℃與240℃，280℃的VTmean在0.05水平上差異不顯著；160℃與除280℃外的其他溫度的VTmean在0.05水平上均差異顯著。這說明，在較低或較高溫度段改變木材的熱處理溫度，對木材內(nèi)部升溫速度的影響并不大，但當熱處理溫度從160℃升高到200℃時，升溫速度變化較大。

表4 不同溫度條件下Qm和VTmean的邊際均值Table 4 Mean increasing rate value of temperature under different temperatures

綜合上述分析結(jié)果，不同處理溫度對Qm和VTmean影響的程度不同，兩者隨熱處理溫度的變化規(guī)律類似。若以吸熱量來衡量熱處理效果，當熱處理溫度在低溫(120℃以下)或高溫(240℃以上)段變化時，由于溫度變化所引起的Qm和VTmean變化均較小，在低溫段或高溫段升高熱處理溫度，只會引起處理能耗增加，而處理效果上差異并不大；而當熱處理溫度在120～240℃變化時，由于熱處理溫度升高，木材吸熱量差異較大，即在此溫度段內(nèi)由于熱處理溫度不同會對熱處理效果有較顯著差異。因此，若對處理效果有不同要求時，應(yīng)主要考慮熱處理溫度在120～240℃的溫度段。

2.3 板材厚度對Qm和VTmean影響的多重比較

表5是不同板材厚度時Qm和VTmean的邊際均值。

表5 不同厚度條件下Qm和VTmean的邊際均值Table 5 Mean increasing rate value of temperature under different thicknesses

分析表5中數(shù)據(jù)，并對其進行LSD多重比較，發(fā)現(xiàn):①Q(mào)m:隨板材厚度增加，Qm增大。多重比較結(jié)果表明，厚度差異20 mm以上時，對Qm的影響在0.05水平上顯著。②VTmean:隨厚度增加，VTmean增大。多重比較結(jié)果表明，板材厚度為40 mm時與10，20，30 mm在0.05水平上的差異顯著，10 mm與30 mm在0.05水平上差異顯著。

從上述分析可以看到，若厚度差異較小(20 mm以下)，因厚度造成的Qm及VTmean差異在0.05水平上差異不顯著，但當厚度差異在20 mm以上時，Qm及VTmean在0.05水平上均存在顯著差異，此時應(yīng)考慮由厚度差異造成的傳熱不均問題。需要說明的是，一般情況下，板材厚度越小，VTmean越快，但本實驗中由于溫度測量起點為熱源達到設(shè)定溫度之后，此時由于升溫速度差異，不同部位起始溫度不同，較薄的板材具有較高的起始溫度，測量開始時較厚板材有較大的溫度梯度，因而造成較厚板材的VTmean較大。

3 結(jié)論

以熱處理溫度、板材厚度、端距及側(cè)距為參數(shù)，考察其對板材單位質(zhì)量吸熱量及平均升溫速度的影響，采用方差分析及多重比較分析其主要影響因素及影響程度，得到以下結(jié)論:①影響板材單位質(zhì)量吸熱量及平均升溫速度的主要參數(shù)是:熱處理溫度、板材厚度，其在0.05水平上差異顯著，端距及側(cè)距的影響較小，在0.05水平上差異不顯著。②隨溫度升高，板材單位質(zhì)量吸熱量及平均升溫速度提高，120℃與80℃處理時對吸熱量的影響差異在0.05水平上差異不顯著，240℃與280℃對吸熱量的影響差異不顯著，但160℃較其他溫度對吸熱量的影響均在0.05水平上差異顯著，因此，若以吸熱量衡量熱處理效果，120～240℃的溫度段進行熱處理，可滿足較廣泛的熱處理效果差異需求。③隨板材厚度增加，單位質(zhì)量吸熱量及平均升溫速度增大。這可能是由于對處理箱的抽真空操作，當木材較薄時板材散熱嚴重，而當木材較厚時，木材內(nèi)部熱量不易散失易于蓄積。④當厚度差較小時(10 mm)，吸熱量差異在0.05水平上差異不顯著，但在厚度差達到20 mm以上時，吸熱量在0.05水平上差異顯著，因此當處理材厚度較大時，應(yīng)考慮因厚度差異造成的傳熱不均問題。

4 建議

本實驗的所有數(shù)據(jù)，是在真空箱上溫度顯示器達到設(shè)定溫度后開始測量的，由于板材在處理箱內(nèi)已經(jīng)加熱一段時間，且不同點的升溫情況不同，因此各點測試的初始溫度是不同的。本實驗的部分結(jié)論，如平均升溫速度隨厚度增加而增大的結(jié)論，可能是由于較厚的板材測試起始溫度較低，具有較大的溫度梯度造成的。因此，在進一步的實驗中，可考慮剛開始加熱時作為測量起點，可能會對平均升溫速度有較大的影響。但由于吸熱量是一個過程量，并且處理箱升溫過程持續(xù)的時間較短，一般在3～15 min之內(nèi)，在升溫段吸收的熱量較整個過程來說是可以忽略的，因此，對吸熱量的計算是適用的。另外，由于本實驗的結(jié)果是針對小尺寸試件，當選用大尺寸試件時，對真空熱處理過程主要影響因素及影響程度的判定，需考慮試驗結(jié)果的適用性。

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