熱處理對落葉松板材耐久性及力學(xué)性能的影響

華杰瓊　羅法三　許民

摘要：本研究是以生物質(zhì)燃?xì)鉃闊崽幚斫橘|(zhì)對落葉松板材進(jìn)行熱處理，處理溫度為210℃，處理時間為4 h，檢測分析落葉松板材熱處理后對室外耐久性、物理力學(xué)性能及室內(nèi)抑菌性的影響。結(jié)果表明：經(jīng)過熱處理后落葉松板材的室外耐久性和室內(nèi)抑菌性均有改善，尺寸穩(wěn)定性提高，除順紋抗壓強(qiáng)度和抗彎彈性模量略有提高，其它力學(xué)性能總體呈下降趨勢。

關(guān)鍵詞：熱處理；落葉松板材；耐久性；力學(xué)性能

中圖分類號：S 781文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1001-005X（2015）01-0046-03

The Effects of Heat Treatment on Durability

and Mechanical Properties of Larix spp.

Hua Jieqiong，Luo Fasan，Xu Min*

（Key Laboratory of BioBased Material Science and Technology of Ministry of Education，

Northeast Forestry University，Harbin 150040）

Abstract：Larix spp.plates were heated by biomass gas at processing temperature of 210℃ and processing time of 4 hours.The exterior durability，physical and mechanical properties，and antibacterial activity of Larix spp.plates were tested and analyzed.The results showed that the exterior durability，antibacterial activity and dimensional stability of Larix spp.were improved after heat treatment.The compression strength parallel to the grain and bending modulus of elastic（MOE）increased slightly while other mechanical properties decreased.

Keywords： heat treatment；larix spp.plate；durability；mechanical properties

收稿日期：2014-6-12

基金項目：國家林業(yè)公益性行業(yè)專項（201204709）

第一作者簡介：華杰瓊，碩士研究生。研究方向：木材熱處理。

*通訊作者：許民，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：木材保護(hù)、生物質(zhì)復(fù)合材料。

引文格式：華杰瓊，羅法三，許民.熱處理對落葉松板材耐久性及力學(xué)性能的影響[J].森林工程，2015，31（1）：46-48.木材高溫?zé)崽幚硎侵冈诒Ｗo(hù)性氣體環(huán)境或液體介質(zhì)中，對木材進(jìn)行短期熱解處理（溫度160～250℃）的一種木材物理保護(hù)技術(shù)[1]。采用熱處理技術(shù)能夠有效提高木材的尺寸穩(wěn)定性和耐腐性能，大幅度提高低質(zhì)木材的產(chǎn)品附加值，實現(xiàn)了低質(zhì)木材的高效利用。

熱處理主要采用氮?dú)狻⒍趸嫉茸霰Ｗo(hù)氣體，存在的主要問題是處理成本高，熱處理時從木材中蒸餾出來的物質(zhì)含有酚類、焦油等氣體，對環(huán)境造成污染。本研究采用的生物質(zhì)燃?xì)庵饕獊碓从谀举|(zhì)廢棄物，以此作為熱源和加熱介質(zhì)對木材進(jìn)行熱處理，與其它熱處理介質(zhì)（如植物油等）相比，具有處理成本低、燃料來源廣泛、綠色環(huán)保等特點(diǎn)。同時通過采用等離子技術(shù)對從木材中蒸餾出的有害物質(zhì)進(jìn)行處理，處理后排出的氣體以二氧化碳和水的形式排到室外，對環(huán)境沒有污染[2]。

本實驗以落葉松板材為研究對象，采用生物質(zhì)燃?xì)庾鳛榻橘|(zhì)進(jìn)行熱處理，依據(jù)前期的探索性試驗結(jié)果，選擇處理溫度210℃、處理時間4h的熱處理條件。將熱處理試件按照國家標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行野外埋地試驗及室內(nèi)抑菌性試驗，同時分析檢測熱處理木材物理力學(xué)性能的變化，為落葉松熱處理板材的更加廣泛合理利用提供前期基礎(chǔ)研究。

1 材料與方法

1.1試驗材料

落葉松，購自黑龍江省綏芬河市林業(yè)局，按標(biāo)準(zhǔn)要求加工成板材，尺寸為2 000×200×25（mm），將板材干燥至含水率約為8%。

1.2試驗方法

（1）熱處理工藝。首先將生物質(zhì)材料干燥后進(jìn)行顆?；幚恚鳛榇萌剂?。具體熱處理工藝如圖1所示。熱處理過程如下：將燃料點(diǎn)燃，在4～6 h內(nèi)升溫至103℃，將待處理材烘至絕干；然后進(jìn)行水蒸氣噴蒸，繼續(xù)升溫至210℃，并保溫4 h；最后在溫度降至100℃以下，調(diào)節(jié)處理材含水率至4%～6%，并在溫度降到40℃左右時取出。

圖1熱處理工藝流程

Fig.1 Technological process of heat treatment

（2）性能檢測。按照GB/T 13942.2-2009對落葉松素材及處理材進(jìn)行野外埋地試驗，試件規(guī)格為300×20×20（mm）。依據(jù)GB/T 1931-2009至GB/T 1941-2009系列標(biāo)準(zhǔn)對落葉松素材及處理材進(jìn)行物理力學(xué)性能檢測。試件規(guī)格包括20×20×20（mm）（干縮性、濕漲性試件），300×20×20（mm）（抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量、沖擊韌性試件），30×20×20（mm）（橫紋抗壓強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度試件），20×20×10（mm）（室內(nèi)抑菌性試件）。

第1期華杰瓊等：熱處理對落葉松板材耐久性及力學(xué)性能的影響

森林工程第31卷

2結(jié)果與分析

2.1落葉松熱處理材室外耐久性

按照GB/T 13942.2-2009的規(guī)定，選擇野外埋地試驗后取出的試件完好指數(shù)作為木材天然耐久性的評價指標(biāo)。對所有試件進(jìn)行檢測，檢測時根據(jù)試件腐朽和白蟻蛀蝕程度將試件評為10、9.5、9、8、7、6、4和0共8個等級，10表示試件完好，0表示試件已經(jīng)被完全腐朽或者被蛀斷。

落葉松熱處理材室外耐久性的完好指數(shù)變化如圖2所示。由圖2可知，落葉松處理材的各年份完好指數(shù)高于素材；野外埋地試驗時間越長，處理材的優(yōu)勢越明顯；落葉松處理材各年份完好指數(shù)的平均值分別為8.975、8.175、6.25、4.95，較素材分別提高5.6%、26.7%、135.8%和175%。由此可見，在本試驗所選擇的溫度及時間條件下落葉松熱處理材的室外耐久性明顯提高。其原因是由于腐朽菌主要通過分泌各種降解酶，分解木材的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素，使木材結(jié)構(gòu)完全破壞[3]。而在熱處理過程中，木材中的半纖維素首先發(fā)生降解，隨著熱處理溫度的升高，大分子鏈斷裂產(chǎn)生了自由基，這些新產(chǎn)生的基團(tuán)和分子作為木材的保護(hù)劑，使得木材的耐腐朽菌性能得以提高[4-5]。

圖2落葉松熱處理材的各年份完好指數(shù)的變化

Fig.2 The changes of intact index of heat treated larix spp.in all years

2.2落葉松熱處理材室內(nèi)抑菌性

210℃、4 h熱處理條件下，落葉松對密粘褶菌的抑制性能如圖3所示。落葉松處理材的耐腐性能明顯增加，質(zhì)量損失率由46%下降為5%，參照標(biāo)準(zhǔn)中木材天然耐腐性能等級進(jìn)行分級，結(jié)果表明落葉松處理材的耐腐性能達(dá)到I級（強(qiáng)耐腐）指標(biāo)。落葉松耐腐性的提高原因：一方面是由于熱處理過程中木材中半纖維素發(fā)生變化，特別是多糖、醛、酸等發(fā)生化學(xué)變化，生成疏水的聚合物；另一方面因為纖維素分子鏈上的羥基結(jié)合形成氫鍵，使木材的吸濕性降低，因而破壞了菌類生活所必需的水分和營養(yǎng)物質(zhì)，從而抑制了真菌的生長和繁殖，最終提高木材的室內(nèi)耐腐性。

圖3落葉松熱處理材的室內(nèi)抑菌性

Fig.3 The indoor antibacterial activity of heat treated larix spp.

2.3落葉松熱處理材密度及尺寸穩(wěn)定性

落葉松的密度變化如圖4所示。木材熱處理后密度由原來的0.734 g/cm3降低到0.563 g/cm3，下降23%。分析其原因在于木材在高溫?zé)崽幚磉^程中，內(nèi)含物隨著水分的蒸發(fā)而溢出，組成的主要成分纖維素、半纖維素和木質(zhì)素部分分解成小分子或者氣體，導(dǎo)致木材密度下降。由圖4還可見，熱處理后落葉松的尺寸穩(wěn)定性增加，這表現(xiàn)在木材熱處理后濕脹率明顯降低，平均值較素材降低51.3%；干縮率下降較小，較素材降低約6%，干縮性變化較小的原因是由于干縮性是在含水率為8%的條件下測定的。落葉松尺寸穩(wěn)定性增加的原因是在高溫作用下，細(xì)胞壁中的一些結(jié)合水上的-OH發(fā)生締合，由于水分子間形成新的氫鍵，從而減小了纖維素分子間的距離；期間纖維素、半纖維素間的游離羥基與羥基和羧基間發(fā)生脫水反應(yīng)，減少了游離羥基的含量。

圖4落葉松密度及尺寸穩(wěn)定性的變化

Fig.4 Variation of larix spp.density and dimension

durability under the treatment of 210 ℃ for 4h

2.4落葉松熱處理材力學(xué)強(qiáng)度

落葉松熱處理材的力學(xué)性能變化如圖5和圖6所示，見表1。

圖5落葉松熱處理材力學(xué)強(qiáng)度的變化

Fig.5 Variaion of the strength intensity of heat treated larix spp.

由圖5可見，在210℃、4h的熱處理條件下，落葉松的抗彎強(qiáng)度下降，平均值較素材下降23%；而抗彎彈性模量有小幅度的提高，平均值較素材提高16%。圖5表明，落葉松熱處理材順紋抗壓強(qiáng)度有所升高，平均值較素材提高6.5%；橫紋全部抗壓強(qiáng)度下降，平均值較素材下降約30%。由表1可知，在210℃、4h的熱處理條件下，落葉松的弦面硬度、沖擊韌性、順紋剪切強(qiáng)度均有不同程度的下降，平均值較素材分別下降30.6%、25.5%和11.5%。

圖6落葉松熱處理材抗壓強(qiáng)度的的變化

Fig.6 Variation of the compressive strength of heat treated larix spp.

表1落葉松熱處理材其它力學(xué)強(qiáng)度變化

Tab.1 The changes of other mechanical strength of heat treated larix spp.

弦面硬度/N沖擊韌性/kJ·m-2順紋抗剪強(qiáng)度/MPa素材4 64020013.1處理材3 22014911.6

由此可見，在210℃、4 h的熱處理條件下，落葉松熱處理材總體的力學(xué)性能呈降低趨勢，這可能由于高溫?zé)崽幚磉^程中，高溫使木素軟化，半纖維素發(fā)生降解，這破壞了半纖維素、木素與纖維素的聯(lián)結(jié)，減少了半纖維素與纖維素的聯(lián)結(jié)點(diǎn)數(shù)量，斷點(diǎn)數(shù)量增加，導(dǎo)致胞間層劈裂，降低了木材的力學(xué)強(qiáng)度[6-9]。同時，經(jīng)過多次的反復(fù)試驗發(fā)現(xiàn)，熱處理木材的抗彎彈性模量和順紋抗壓強(qiáng)度與未處理木材相比略有升高，這可能是由于木材內(nèi)無定形區(qū)水分流失，結(jié)晶區(qū)面積增加，使得纖維排列方向趨于一致，此時熱降解反應(yīng)尚未占據(jù)主導(dǎo)地位，導(dǎo)致熱處理材的抗彎彈性模量有所增加[10-14]。

3結(jié)果與討論

（1）在210℃、4 h的熱處理條件下，落葉松的室外耐久性和室內(nèi)抑菌性均獲得改善，室外耐久性各年份完好指數(shù)較素材分別增加5.6%、26.7%、135.8%和175%，室內(nèi)抑菌性的質(zhì)量損失率由46%下降為5%，達(dá)到強(qiáng)耐腐等級。

（2）落葉松熱處理材的尺寸穩(wěn)定性得到改善，其中濕漲率改善顯著，提高50%以上；干縮率改善效果不大，密度略有降低。

（3）落葉松熱處理材的力學(xué)性能除抗彎彈性模量和順紋抗壓強(qiáng)度略有提高外，其它總體呈下降趨勢，其中抗彎強(qiáng)度降低最為明顯，但是低于25%。

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[責(zé)任編輯：劉美爽]