樟子松材干燥密實炭化一體化技術(shù)的優(yōu)化1)

鄔飛宇 李麗麗 王喜明

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，呼和浩特，010018)

樟子松材干燥密實炭化一體化技術(shù)的優(yōu)化1)

鄔飛宇 李麗麗 王喜明

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，呼和浩特，010018)

為了提高樟子松木材的力學(xué)和環(huán)境學(xué)特性，采用平壓法對樟子松木材實施干燥密實和炭化一體化功能性改良。采用正交試驗法探討壓縮比、干燥溫度、炭化溫度、炭化時間4因素對處理材力學(xué)性能的影響。根據(jù)密度、硬度、抗彎強度、抗彎彈性模量對最優(yōu)工藝的探索及對各因素中不同條件進行交叉分析，綜合考慮確定一體技術(shù)的最佳工藝為：壓縮率50%、干燥溫度160 ℃、炭化溫度200 ℃、炭化時間3 h。在此基礎(chǔ)上探討了不同炭化溫度和炭化時間條件下的木材應(yīng)力松弛。

樟子松；木材干燥；木材密實化；木材炭化

We used plate hot-pressing method to modify wood drying, densifying and charring to improve the mechanical and environmental properties ofPinussylvestristimber, and investigated the effects of compression ratio, drying temperature, carbonization temperature and carbonization time on the mechanical properties of treated wood by orthogonal experiment method. The condition was the best, when the compression ratio was 50%, drying temperature was 160 ℃, heat-treated temperature was 200 ℃ and heat-treated time was 3 h. Then, we discussed the stress relaxation under different conditions of carbonization temperature and carbonization time.

木材是人類社會發(fā)展過程中的再生的必不可少的重要材料，人類利用木材資源已從過去利用天然林開始逐步轉(zhuǎn)到利用人工林再生資源上，為了緩解日益激化的木材供求矛盾，世界各國尤其是我國種植了大面積的速生人工林，并且隨著國家天然林保護工程的實施，人工速生林的高效、增值利用已逐漸成為木材行業(yè)研究和關(guān)注焦點[1]。人工林生長快,但普遍存在材質(zhì)軟、強度低、易翹曲、變形大等缺點,其較差的材質(zhì)難以適應(yīng)市場的需求，所以對人工林木材進行功能性改良可以擴大速生林木材的使用范圍，對提高其利用價值和商業(yè)價值，具有重要的現(xiàn)實意義[2]。

熱壓干燥、密實化和炭化是提高木材性能3種不同的方法。國內(nèi)外學(xué)者從干燥方法、熱壓工藝等不同方面研究熱壓干燥及干燥后木材性能的變化[3-4]，總結(jié)出熱壓干燥后木材具有尺寸穩(wěn)定、密度增加、板面平整光滑、翹曲降等率小等優(yōu)點[5]。人工林木材的壓縮密實化可提高木材的密度和硬度，改良其加工性能，從而擴展其使用范圍[6]；國內(nèi)外木材表面壓縮的工藝主要集中在：采用低分子樹脂處理，或者通過交聯(lián)化反應(yīng)，然而其處理成本高，工藝復(fù)雜，處理后的壓縮木存在游離甲醛釋放等問題[7]；但是物理處理方法無污染，是木材性能改良方法的發(fā)展方向[8-9]。炭化技術(shù)是木材加工領(lǐng)域的新興技術(shù)之一,采用物理方法通過炭化減少木材組分中吸水羥基的含量，降低木材的吸濕性和內(nèi)應(yīng)力,從而增加木材的尺寸穩(wěn)定性[10-11]；而且炭化木具有良好的生物耐久性、耐候性、尺寸穩(wěn)定性及安全、環(huán)保等一系列突出的優(yōu)點[12]。本技術(shù)就是將這3種不同的方法結(jié)合起來，在普通熱壓機上對樟子松材進行功能性改良，實現(xiàn)人工林木材密實干燥炭化一體化生產(chǎn)，從而使人工林木材的力學(xué)性能、尺寸穩(wěn)定性、耐腐性、耐久性等多方面性能增強。本研究主要探索最佳的一體化生產(chǎn)工藝。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

材料：實驗主要用采自呼和浩特木材市場的俄羅斯樟子松，將其加工成450 mm×150 mm×30 mm的弦切板，初含水率為30%。

儀器：幅面為500 mm×500mm的萬能實驗壓機(蘇州新協(xié)力企業(yè)發(fā)展有限公司)，電子天平，電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，恒溫恒濕箱，力學(xué)萬能試驗機，動態(tài)應(yīng)力—應(yīng)變測試系統(tǒng)(北京新華教儀科貿(mào)有限公司)。

1.2 方法

選取規(guī)格為450 mm×150 mm×30 mm弦切板試材，置于熱壓機內(nèi)帶有氣孔的上下墊板之間，壓力為2.0 MPa，按不同的壓縮比將木材分三段壓縮到目標(biāo)厚度。之后在保壓狀態(tài)下干燥試材：每隔600 s進行一次排氣，排氣時間20 s，排氣次數(shù)4次；在前期預(yù)實驗階段，采用稱質(zhì)量法測板材的含水率，每隔600 s測一次含水率變化情況，在將要接近含水率10%左右時，每隔60 s進行測量，最終確定干燥時間為4 200～5 200 s，將木材干燥到含水率約為10%；10～30 min內(nèi)將壓機溫度迅速升高到炭化溫度，進行炭化處理。

經(jīng)過前期大量的預(yù)實驗，確定采用L9(34)的正交試驗法探討壓縮比分別為0、30%、50%、干燥溫度分別為140、150、160 ℃[13-14]、炭化溫度分別為180、200、220 ℃、炭化時間分別為3、4、5 h[15-16]4因素對一體化試驗的影響。其中在隔氧環(huán)境(熱壓干燥)160 ℃的條件下木材不會發(fā)生大面積的炭化，所以可選取160 ℃為干燥溫度。每組重復(fù)3次，試件需27塊。

表1 正交試驗因素水平

2 結(jié)果與分析

在相對濕度為65%，相對溫度為20 ℃的恒溫恒濕箱中對試件進行處理，然后參照國標(biāo)GB/T1933—2009《木材密度測定方法》、GB/T 1941—2009《木材硬度試驗方法》、GB/T 1936.1—2009《木材抗彎強度試驗方法》、GB/T 1936.2—2009《木材抗彎彈性模量測定方法》對試件的密度、硬度、抗彎強度、抗彎彈性模量進行檢測。由于經(jīng)過一體化處理后試件厚度無法達到國標(biāo)的厚度要求，所以硬度試件的尺寸采用50 mm×70 mm×壓縮處理后的厚度。

2.1 最優(yōu)工藝的確定

2.1.1 通過密度探索最優(yōu)工藝

通過表2的方差分析可以看出，壓縮比、干燥溫度為極顯著因素，炭化溫度為顯著因素，炭化時間不顯著；雖然壓縮比和干燥溫度為極顯著因素，但密度主要受壓縮比的影響，干燥溫度雖是極顯著因素但對密度的影響較小。由表3可知，密度隨著壓縮比增加和干燥溫度升高呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，其中壓縮比對密度的影響較大，是由于木材壓縮密化后，縮小了木材內(nèi)的細胞腔和細胞間隙，造成了木材體積的減少，進而引起木材密度增加。炭化溫度的增加使密度緩慢減小，但變化不大，這是因為炭化過程中，內(nèi)部發(fā)生了化學(xué)變化，半纖維素降解，少量纖維素和木質(zhì)素參與反應(yīng)及抽提物揮發(fā)，致使密度降低。炭化時間對密度影響較小。因此各因素對試材密度的影響從大到小依次為：壓縮比、干燥溫度、炭化溫度、炭化時間；得到最佳工藝組合為A3B3C1D2。由于炭化時間對試驗影響不明顯，本試驗選擇D1作為最佳工藝參數(shù)，最終確定最優(yōu)組合為A3B3C1D1，即最優(yōu)工藝為壓縮比50%、干燥溫度160 ℃、炭化溫度180 ℃、炭化時間3 h。

表2 密度的方差分析

注：** 表示差異顯著；*** 表示差異極顯著。

表3 4因素對密度的影響

2.1.2 通過硬度探索最優(yōu)工藝

由表4可知，壓縮比為顯著因素，干燥溫度和炭化溫度為一般顯著因素，炭化時間不顯著?？煽闯觯弘S著壓縮比增加和干燥溫度升高，硬度逐漸增大且變化明顯。這是因為木材硬度受密度影響極大，密度隨壓縮比增加和干燥溫度升高而增大，密度愈大，則硬度越大。炭化溫度升高和炭化時間延長使硬度呈現(xiàn)先增后減的變化，但變化很小。這也是因為試材在炭化過程中發(fā)生了化學(xué)變化，半纖維素降解，少量纖維素與木質(zhì)素發(fā)生反應(yīng)，抽提物減少，導(dǎo)致密度降低，試材的脆性增大，硬度降低。所以4個因素對硬度的影響順序從大到小為：壓縮比、炭化溫度、干燥溫度、炭化時間；得出最優(yōu)工藝組合為：A3B3C2D2，即壓縮率50%，干燥溫度160 ℃，炭化溫度200 ℃，炭化時間4 h。

2.1.3 通過抗彎強度、抗彎彈性模量探索最優(yōu)工藝

對抗彎強度分析得出，壓縮比、干燥溫度、炭化溫度的均為極顯著因素，炭化時間不顯著(見表6)；對抗彎彈性模量分析得出，壓縮比為極顯著因素，干燥溫度和炭化溫度為顯著因素，炭化時間不顯著(見表7)。從表8和表9看出，在各影響因素中，壓縮率對抗彎強度和抗彎彈性模量的影響最大，二者都隨壓縮率的增大而增大，壓縮率越大，板材被壓得越密實。木材本身經(jīng)過壓縮后其力學(xué)強度也會增加，抵抗外部壓力的能力越強，而且木材的抗彎彈性模量與纖維素的定向性和結(jié)晶化程度及纖維素與半纖維素的聯(lián)結(jié)強度等因素關(guān)系密切[17]。經(jīng)過高溫高壓長時間的壓縮密化后，木材內(nèi)部纖維素非結(jié)晶結(jié)構(gòu)區(qū)域的結(jié)晶化程度有一定提高，這促使木材的抗彎彈性模量提高。抗彎強度和抗彎彈性模量隨著干燥溫度的升高而增加，但增加的幅度小，這是因為4 200～5 200 s熱壓干燥過程(達到含水率10%左右)一直處于含水率較高的階段，所以影響較小。隨著炭化溫度的升高抗彎強度和抗彎彈性模量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，炭化溫度在小于200 ℃時抗彎強度和抗彎彈性模量有不同程度的提高；炭化溫度為200 ℃時，抗彎強度和抗彎彈性模量均達到最大值；炭化溫度超過200 ℃后，抗彎強度和抗彎彈性模量隨炭化溫度的升高反而降低。這是由于炭化過程中溫度升高，試材內(nèi)部發(fā)生了化學(xué)變化，半纖維素降解，少量纖維素和木質(zhì)素參與反應(yīng)及抽提物揮發(fā)致使試材性能下降。炭化時間對抗彎強度和抗彎彈性模量的影響最小，是由于試材完全炭化后，內(nèi)部不再發(fā)生化學(xué)變化，抗彎強度和抗彎彈性模量影響不隨著時間的延長而改變。因此，對抗彎強度和抗彎彈性模量影響最大的是壓縮比，炭化溫度次之，然后是干燥溫度，炭化時間的影響不大。得到最優(yōu)工藝為：A3B3C2D1，即壓縮率50%，干燥溫度160 ℃，炭化溫度200 ℃，炭化時間3 h。

表4 硬度的方差分析

注：*表示差異一般顯著；** 表示差異顯著。

壓縮率越大，彈性恢復(fù)率越小，壓縮定形越好，尺寸越穩(wěn)定；當(dāng)壓縮率達到45%左右時，壓縮的試件定形基本穩(wěn)定；若壓縮率再加大，彈性恢復(fù)率下降很少，將會造成木材材積過多的損失[13]，所以選擇最佳的壓縮率為50%。炭化3 h時試材的吸濕穩(wěn)定性已達到相關(guān)要求[16]，從生產(chǎn)成本及能耗的角度考慮，本實驗選取3 h為最佳炭化時間。高溫干燥不僅沒有減少木材的抗壓強度，反而能使木材強度略有提高，木材的變形隨干燥溫度的增加而減小，強度隨干燥溫度的增加而增加[18]，因此選取最佳干燥溫度為160 ℃。由以上分析和4因素對最優(yōu)工藝的探索以及對各因素中不同條件進行交叉分析的綜合考慮得到最佳的一體化工藝為：壓縮率50%，干燥溫度160 ℃，炭化溫度200 ℃，炭化時間3 h。

表5 4因素對硬度的影響

表6 抗彎強度的方差分析

注：*** 表示差異極顯著。

表7 抗彎彈性模量的方差分析

注：*表示差異一般顯著；*** 表示差異極顯著。

表8 4因素對抗彎強度的影響

表9 4因素對抗彎彈性模量的影響

2.2 各因素對試件的影響

素材力學(xué)性能為：密度0.441 g·cm-3、抗彎強度64.15 MPa、抗彎彈性模量3 785.2 MPa、硬度2 777.83 MPa。

與素材相比，壓縮比為50%的處理材密度、抗彎強度、抗彎彈性模量和硬度分別增大81.41%、85.27%、259.30%、112.29%，可見，高壓縮比是木材力學(xué)強度提高的重要影響因素，壓縮比越大，力學(xué)強度越大。干燥溫度內(nèi)處理材密度增大14.70%～54.65%，抗彎強度增大110.13%～161.53%，抗彎彈性模量增大225.43%～241.05%，硬度增大160.62%～166.64%。炭化溫度由180 ℃升到220 ℃的過程中，抗彎強度、抗彎彈性模量、硬度都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在200 ℃達到最大，分別為157.90%、243.82%、171.51%。這是由于炭化過程中溫度升高，試材內(nèi)部發(fā)生了化學(xué)變化致使試材性能下降，但力學(xué)性能較素材而言都有顯著提高。在不同炭化時間條件下，處理材較素材的力學(xué)性能有所提高，但提高幅度較小，說明炭化時間對一體化實驗的影響較小。

3 不同炭化時間和炭化溫度下的木材應(yīng)力松弛

在一體化實驗的基礎(chǔ)上，探討壓縮比為50%、干燥溫度為160 ℃、炭化溫度為200 ℃條件下，不同炭化時間(1、2、3 h)的和壓縮比為50%、干燥溫度為160 ℃、炭化時間為3 h條件下不同炭化溫度(180、200、220 ℃)的木材應(yīng)力松弛的初始應(yīng)力和松弛率，比較處理材和素材的應(yīng)力松弛現(xiàn)象。試驗采用的儀器為動態(tài)應(yīng)力—應(yīng)變測試系統(tǒng)。其原理為：被測試樣被固定在環(huán)境箱內(nèi)的測試位置上，通過拉伸設(shè)定的長度，從而使試樣產(chǎn)生應(yīng)力，應(yīng)力值通過應(yīng)力傳感器在主控制系統(tǒng)上顯示。試驗在動態(tài)應(yīng)力—應(yīng)變測試系統(tǒng)中采用拉伸應(yīng)力松弛模式，通過固定于專用夾具之上的拉伸應(yīng)力傳感器來連續(xù)測定試件松弛應(yīng)力隨時間的變化。試驗中各項參數(shù)設(shè)置：初始長度100 mm、預(yù)定伸長2 mm、伸長率2%、預(yù)加張力100 N、上升速度20 mm/min、下降速度20 mm/min、松弛時間1 800 s，溫度和濕度為當(dāng)前的環(huán)境條件。試件的尺寸為：100 mm(縱向)×10 mm(弦向)×1 mm(徑向)。

根據(jù)應(yīng)力松弛的機理，應(yīng)力松弛可分為物理應(yīng)力松弛和化學(xué)應(yīng)力松弛兩種。其中物理應(yīng)力松弛是指基于材料內(nèi)部非晶部分的結(jié)晶化、結(jié)晶部分再取向，以及分子擴散運動等氫鍵和范德華鍵結(jié)合而產(chǎn)生的應(yīng)力松弛；而化學(xué)應(yīng)力松弛是指基于分子鏈的切斷反應(yīng)、架橋(交聯(lián))反應(yīng)、交換反應(yīng)等形成牢固共價鍵、離子鍵、金屬鍵而引起的應(yīng)力松弛[19-20]。唐曉淑[21]研究結(jié)果表明：溫度在100 ℃以下，發(fā)生物理松弛；大于100 ℃時，發(fā)生化學(xué)松弛。

3.1 不同炭化時間條件下試件的應(yīng)力松弛

通過圖1可以看出，炭化時間越長，所需要的初始應(yīng)力越大，根據(jù)動態(tài)應(yīng)力—應(yīng)變測試系統(tǒng)得出炭化時間1、2、3 h的松弛率分別為26.10%、21.40%、18.70%。由此可以得出，炭化時間越長，試件的初始應(yīng)力越大，而松弛率越小。這是由于炭化時間越長處理材密實化、炭化的越好，試材內(nèi)部纖維素非結(jié)晶結(jié)構(gòu)區(qū)域的結(jié)晶化程度提高。與素材相比可以看出，經(jīng)過一體化實驗的試材初始應(yīng)力較素材大，處理材的曲線下降緩慢，而素材的應(yīng)力松弛曲線變化較大；由素材的松弛率62.7%得出，經(jīng)過高溫密實的樟子松材松弛率小。

a.炭化時間1 h；b.炭化時間2 h；c.炭化時間3 h；D.素材。

3.2 不同炭化溫度條件下試件的應(yīng)力松弛

由圖2看出，隨著炭化溫度的升高，試件的初始應(yīng)力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，炭化溫度為200 ℃時的初始應(yīng)力最大，且曲線的變化較平緩，根據(jù)動態(tài)應(yīng)力—應(yīng)變測試系統(tǒng)得出炭化溫度180、200、220 ℃的松弛率分別為27.83%、18.7%、19.1%。由此得出在炭化溫度為200 ℃時的初始應(yīng)力最大，松弛率最小，這是因為220 ℃的高溫使試材內(nèi)部發(fā)生了化學(xué)變化，半纖維素降解，少量纖維素和木質(zhì)素參與反應(yīng)及抽提物揮發(fā)致使試材發(fā)生塑性變形，試材的性能降低。對照素材得出，試材初始應(yīng)力較素材大，而素材的應(yīng)力松弛曲線變化較大，因此炭化溫度升高使木材內(nèi)部結(jié)合力增加，殘余應(yīng)力減小緩慢，不容易產(chǎn)生松弛運動。

a.炭化溫度180 ℃；b.炭化溫度200 ℃；c.炭化溫度220 ℃；D.素材。

4 結(jié)論

在選定的因素水平范圍內(nèi)，4個因素對力學(xué)性能的影響從大到小依次為：壓縮比、炭化溫度、干燥溫度、炭化時間。通過前人的研究和4因素對最優(yōu)工藝的探索以及對各因素中不同條件進行交叉分析，確定一體技術(shù)的最佳工藝為：壓縮率50%、干燥溫度160 ℃、炭化溫度200 ℃、炭化時間3 h。

通過與素材的對比得到，處理材的力學(xué)性能顯著提高，隨著壓縮比的增加和干燥溫度的升高，試材的力學(xué)性能都有不同程度的提高；隨著炭化溫度的升高，力學(xué)性能呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

通過研究不同炭化時間和炭化溫度下的木材應(yīng)力松弛得出，經(jīng)過高溫密實的樟子松材內(nèi)部結(jié)合力增加，殘余應(yīng)力緩慢下降，不容易產(chǎn)生松弛運動，松弛率小，力學(xué)性能明顯提高。

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Trinity Technology Optimization of Drying, Densifying and Charring ofPinussylvestris

Wu Feiyu, Li Lili, Wang Ximing(Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, P. R. China)/Journal of Northeast Forestry University，2015,43(4)：82-86.

Pinussylvestris; Wood drying; Wood densification; Wood carbonization

鄔飛宇，男，1991年10月生，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，碩士研究生。E-mail：442423315@qq.com。

王喜明，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，教授。E-mail：w_ximing@263.net。

2014年9月22日。

S715.3

1) 國際合作項目(2013DFA32000)。

責(zé)任編輯：戴芳天。