過(guò)熱蒸汽預(yù)處理對(duì)楓香木材性能的影響

莊曉偉， 潘 炘， 陳順偉， 蔣應(yīng)梯

(浙江省林業(yè)科學(xué)研究院浙江省森林資源生物與化學(xué)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江杭州 310023)

過(guò)熱蒸汽預(yù)處理對(duì)楓香木材性能的影響

莊曉偉， 潘 炘， 陳順偉， 蔣應(yīng)梯

(浙江省林業(yè)科學(xué)研究院浙江省森林資源生物與化學(xué)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江杭州 310023)

[目的]明確不同溫度過(guò)熱蒸汽預(yù)處理對(duì)楓香木材性能的影響，為進(jìn)一步提高楓香木材性能提供理論依據(jù)。[方法]研究不同溫度過(guò)熱蒸汽預(yù)處理對(duì)楓香色度、尺寸穩(wěn)定性、防霉效果和耐腐性的影響。[結(jié)果]過(guò)熱蒸汽預(yù)處理能夠誘發(fā)楓香表面色度向紅色方向變化，提高其外觀品質(zhì)；提高楓香的尺寸穩(wěn)定性，減少變形、開(kāi)裂等缺陷；一定程度上抑制細(xì)菌生長(zhǎng)，提高楓香的防霉和耐腐性能。其中140 ℃過(guò)熱蒸汽預(yù)處理效果最佳，對(duì)可可球二孢、桔青霉、黑曲霉、綠色木霉具有較好的防治效果，楓香被害值為1，防治效力達(dá)60%；耐腐性方面，140 ℃過(guò)熱蒸汽預(yù)處理?xiàng)飨愕馁|(zhì)量損失率達(dá)9.05%，比未處理樣降低了27.83%，耐腐朽等級(jí)達(dá) Ⅰ 級(jí)。[結(jié)論]過(guò)熱蒸汽預(yù)處理能夠提高楓香木材性能。

過(guò)熱蒸汽；楓香；色度；防霉效果；耐腐性

木材是一種可再生和可循環(huán)利用的天然材料。木材的顏色是木材表面性質(zhì)、品質(zhì)評(píng)價(jià)和應(yīng)用價(jià)值評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)[1]，不僅與人的視覺(jué)和心理感覺(jué)緊密相關(guān)，而且憑借木材的顏色及其變化來(lái)判斷木材的種類、性質(zhì)以及性質(zhì)的變化就是木材顏色實(shí)際應(yīng)用的典型[2]。楓香(Liquidambarformosana)是我國(guó)優(yōu)良鄉(xiāng)土速生闊葉樹(shù)種[3]，近年來(lái)在木制玩具等行業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用方面?zhèn)涫荜P(guān)注，但楓香含有豐富的內(nèi)含物，易受微生物侵染，采伐后不及時(shí)進(jìn)行干燥處理，易發(fā)生褐變[4]，且在干燥、加工和使用過(guò)程中容易發(fā)生色變，存在因色變產(chǎn)生的浪費(fèi)等現(xiàn)象[5]。因此，楓香木材干燥工藝前進(jìn)行過(guò)熱蒸汽預(yù)處理，誘發(fā)楓香木材表面色度變化，提高其外觀品質(zhì)、尺寸穩(wěn)定性、耐腐和防霉性能，是一種物理環(huán)保的預(yù)處理方法，處理后木材適用于出口木制玩具產(chǎn)品生產(chǎn)。筆者研究了不同溫度過(guò)熱蒸汽預(yù)處理對(duì)楓香木材性能的影響，以期為進(jìn)一步提高楓香木材性能提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 供試植物。楓香木材，板材厚度為2 cm，為江西省萬(wàn)載縣綠林實(shí)業(yè)有限公司產(chǎn)品。

1.1.2 供試菌株。黑曲霉(Aspergillusniger)、桔青霉(Penicilliumvisidicatum)、綠色木霉(Trichodermaviride)購(gòu)自中國(guó)普通微生物菌種保藏管理中心?？煽汕蚨?Lasiodiplodiatheobromae)、彩絨革蓋菌(Trametesversicolor)購(gòu)自中國(guó)林業(yè)微生物菌種保藏管理中心。

1.1.3 主要儀器。蒸汽發(fā)生器由江西省上饒市江心鍋爐有限公司生產(chǎn)，最高飽和蒸氣壓為0.7 MPa，溫度為170 ℃，蒸汽量為13 kg/h。碳化罐由浙江省杭州榮達(dá)鍋爐容器有限公司生產(chǎn)，工作壓力為0.5 MPa，容積為0.2 m3。TNI18 X-Rite型色差計(jì)由美國(guó)愛(ài)色麗公司生產(chǎn)；MWW-10型號(hào)微機(jī)控制人造板萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)由山東濟(jì)南天辰試驗(yàn)機(jī)制造有限公司生產(chǎn)。

1.2 試驗(yàn)方法 試驗(yàn)采用2 cm厚度楓香板材，過(guò)熱蒸汽預(yù)處理時(shí)間4 h，蒸汽溫度為100、120和140 ℃，預(yù)處理后置于鼓風(fēng)干燥箱中50 ℃干燥至水分含量在8%～12%。

1.3 分析方法

1.3.1 色度。木材表面色度采用色差計(jì)球面積分模式測(cè)試，并通過(guò)Lab色彩模型將楓香的色度表達(dá)出來(lái)，Lab色彩模型是由照度(L*)和有關(guān)色彩的a*、 b*3個(gè)要素組成。其中，L*表示照度，L*越大表示越白，L*小表示偏黑；a*表示從洋紅色至綠色的范圍；b*表示從黃色至藍(lán)色的范圍。總色差△E*由公式計(jì)算：△E*=[(△L*)2+(△a*)2+(△b*)2]1/2。記錄L*、a*、b*數(shù)值。

1.3.2 尺寸穩(wěn)定性。木材尺寸穩(wěn)定性主要包括濕脹率和干縮率，其指標(biāo)測(cè)定分別采用GB/T 1934.2—2009、GB/T 1932—2009標(biāo)準(zhǔn)方法。

1.3.3 防霉效果評(píng)價(jià)。木材防霉性能的試樣準(zhǔn)備、處理、接種和防霉試驗(yàn)等均按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18261—2000“防霉劑防治木材霉菌及藍(lán)變菌的試驗(yàn)方法”的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。將樣品置于25～30 ℃、濕度65%～75%的環(huán)境中，28 d后目測(cè)樣品霉菌感染面積，通過(guò)被害值來(lái)體現(xiàn)木材防霉效果，被害值越小，防霉效果越好。試樣霉變的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：0級(jí)，試樣表面無(wú)菌絲；1級(jí)，試樣表面感染菌絲面積小于25%；2級(jí)，試樣表面感染菌絲面積在25%～50%；3級(jí)，試樣表面感染菌絲面積在50%～75%；4級(jí)，試樣表面感染菌絲面積大于75%。

1.3.4 耐久性試驗(yàn)方法。木材耐腐性的試樣準(zhǔn)備、處理、接種和防霉試驗(yàn)等均按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T13942.1—1992的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行，對(duì)試樣受菌腐朽后質(zhì)量變化量進(jìn)行測(cè)定，計(jì)算試樣的質(zhì)量損失百分率，通過(guò)質(zhì)量損失率來(lái)體現(xiàn)木材防腐效果，質(zhì)量損失百分率越小，防腐效果越好。試樣耐腐性等級(jí)：Ⅰ 強(qiáng)耐腐，質(zhì)量損失百分率0～10%；Ⅱ 耐腐，質(zhì)量損失百分率11%～24%；Ⅲ 稍耐腐，質(zhì)量損失百分率25%～44%；Ⅳ不耐腐，質(zhì)量損失百分率大于45%。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同蒸汽溫度預(yù)處理?xiàng)飨愕谋砻嫔?由表1可知，楓香的L*值和△E*都隨著預(yù)處理蒸汽溫度的升高呈下降趨勢(shì)，蒸汽溫度140 ℃時(shí)L*值和△E*最小，比未過(guò)熱蒸汽預(yù)處理?xiàng)飨惴謩e降低了4.60%和5.39%，說(shuō)明過(guò)熱蒸汽預(yù)處理降低楓香的亮度、加深表面色度。但溫度≤140 ℃的過(guò)熱蒸汽預(yù)處理后楓香木材的L*值≥76.95，其表面顏色總體上還是偏淺。楓香的a*值隨著預(yù)處理蒸汽溫度的升高而增大，b*值隨著預(yù)處理蒸汽溫度的升高總體呈降低趨勢(shì)，其中預(yù)處理蒸汽溫度120和140 ℃時(shí)楓香的a*值和b*值達(dá)到紅木類木材的色度參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，說(shuō)明隨著預(yù)處理蒸汽溫度的升高，楓香表面色度向紅色方向變化，溫度≥120 ℃蒸汽預(yù)處理能夠提高楓香木材的外觀品質(zhì)。

表1 不同蒸汽溫度預(yù)處理的楓香色差參數(shù)

Table 1 Chromaticity parameters ofLiquidambarformosanapretreated by different temperature of superheated steam

蒸汽處理溫度Temperatureofsuperheatedsteam∥℃亮度L?紅值a?藍(lán)值b?總色差△E?080．664．7123．1984．0610079．295．1022．0682．4612078．456．5318．4280．8514076．957．7818．5279．53

2.2 不同蒸汽溫度預(yù)處理?xiàng)飨愕某叽绶€(wěn)定性

2.2.1 濕脹率。由表2可知，蒸汽溫度對(duì)楓香的濕脹率影響較明顯，隨蒸汽溫度升高楓香濕脹率呈下降趨勢(shì)，其中蒸汽溫度為140 ℃時(shí)，全干-氣干和全干-吸水至尺寸穩(wěn)定的徑向、弦向和體積濕脹率都最低；與未處理材相比，全干-氣干的徑向、弦向和體積濕脹率分別降低了15.00%、19.23%、16.67%，全干-吸水至尺寸穩(wěn)定的徑向、弦向和體積濕脹率分別降低了7.32%、8.60%、13.58%；說(shuō)明蒸汽溫度為140 ℃時(shí)預(yù)處理?xiàng)飨愕臐衩浄矫娴某叽绶€(wěn)定性最佳。采用100～140 ℃蒸汽對(duì)楓香進(jìn)行預(yù)處理時(shí)，少量有機(jī)物出現(xiàn)溶出現(xiàn)象，半纖維素開(kāi)始降解，纖維素基本不發(fā)生分解反應(yīng)，木質(zhì)素部分被軟化[6]；楓香的熱解反應(yīng)導(dǎo)致半纖維素主鏈和側(cè)鏈上的親水性基團(tuán)參與反應(yīng)或斷裂而減少，纖維素中羥基濃度降低，從而降低了楓香的濕脹率[7]。

表2 不同蒸汽溫度預(yù)處理?xiàng)飨愕臐衩浡?/p>

Table 2 Swelling ratio of Liquidambar formosana pretreated by different temperature of superheated steam %

2.2.2 干縮率。由表3可知，楓香徑向和弦向干縮率隨著蒸汽溫度升高呈下降趨勢(shì)，與未處理材相比，蒸汽溫度為140 ℃時(shí)，楓香的濕材-全干縮率徑向降低了7.89%、弦向降低了11.54%，濕材-氣干縮率徑向降低了5.56%、弦向降低了13.16%；而蒸汽溫度為100和120 ℃時(shí)的楓香濕材-全干縮率、濕材-氣干縮差異較小。

差異干縮是指木材的弦向干縮率與其徑向干縮率之比，該值愈大，表明木材在干燥過(guò)程中弦向與徑向的干縮率差別越大，所以愈易變形和開(kāi)裂。由表3可知，楓香過(guò)熱蒸汽預(yù)處理可以降低楓香的差異干縮，蒸汽預(yù)處理?xiàng)飨愕牟町惛煽s均小于未蒸汽預(yù)處理的楓香對(duì)照樣，說(shuō)明楓香蒸汽預(yù)處理后可一定程度上減少變形、開(kāi)裂等缺陷[8]。

表3 不同蒸汽溫度預(yù)處理?xiàng)飨愕母煽s率

Table 3 Dry-shrinkage ofLiquidambarformosanapretreated by different temperature of superheated steam

蒸汽處理溫度Temperatureofsuperheatedsteam∥℃濕材-全干縮率Wet?woodshrinkage徑向Radial%弦向Chord%差異干縮Differentialdryingshrinkage濕材-氣干縮率Wet?airdryingshrinkage徑向Radial%弦向Chord%差異干縮Differentialdryingshrinkage03．87．82．11．83．82．11003．67．52．11．83．62．01203．67．32．01．83．51．91403．56．92．01．73．21．9

2.3 不同溫度蒸汽預(yù)處理?xiàng)飨愕姆烂剐阅?由表4可知，隨著預(yù)處理過(guò)熱蒸汽溫度的升高，楓香的可可球二孢、桔青霉、黑曲霉和綠色木霉4種菌的被害值總體呈下降趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)的防治效力逐漸提高[9]。楓香的可可球二孢的被害值較低，4種處理的被害植均≤1，其中過(guò)熱蒸汽溫度140 ℃預(yù)處理?xiàng)飨惚缓χ颠_(dá)到0級(jí)；除未蒸汽預(yù)處理的楓香桔青霉、黑曲霉和綠色木霉的被害值≥3，其余不同溫度蒸汽預(yù)處理?xiàng)飨愕慕矍嗝?、黑曲霉和綠色木霉的被害值≤2。從被害值均

表4 不同溫度蒸汽預(yù)處理?xiàng)飨愕姆烂剐阅?/p>

值和防治效力來(lái)看，過(guò)熱蒸汽溫度140 ℃對(duì)楓香的預(yù)處理效果最好，被害值均值達(dá)到1級(jí)，防治效力達(dá)60%。因此，蒸汽預(yù)處理?xiàng)飨憔哂辛瞬煌潭鹊姆烂鼓芰Γ缓χ档燃?jí)的大小與蒸汽溫度相關(guān)，140 ℃效果最好。

2.4 過(guò)熱蒸汽預(yù)處理?xiàng)飨愕哪透?由表7可知，蒸汽預(yù)處理?xiàng)飨愕馁|(zhì)量損失百分率隨處理蒸汽溫度的升高而減小，140 ℃時(shí)質(zhì)量損失百分率最低，為9.05%，比對(duì)照樣的質(zhì)量損失百分率降低27.83%，小于 Ⅰ 級(jí)耐腐朽等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值10%，耐腐朽等級(jí)為 Ⅰ 級(jí)[10]；120 ℃時(shí)質(zhì)量損失百分率為10.16%，比對(duì)照樣的質(zhì)量損失百分率降低18.98%，稍高于 Ⅱ 級(jí)耐腐朽等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值10%。因此，蒸汽預(yù)處理能夠在一定程度上提高楓香的耐腐性，且蒸汽溫度越高效果越好，以140 ℃蒸汽預(yù)處理效果最佳。

表5 過(guò)熱蒸汽預(yù)處理?xiàng)飨愕哪透?/p>

Table 5 Decay resistance ofLiquidambarformosanapretreated by different temperatures of superheated steam

蒸汽處理溫度Temperatureofsuperheatedsteam∥℃質(zhì)量損失百分率Masslosspercentage∥%耐腐朽等級(jí)Gradeofdecayresistance012．54Ⅱ10011．29Ⅱ12010．16Ⅱ1409．05Ⅰ

3 結(jié)論

楓香在加工和使用過(guò)程中容易發(fā)生褐變，120～140 ℃過(guò)熱蒸汽預(yù)處理能夠降低楓香的a*值和b*值，誘發(fā)楓香表面色度向紅色方向變化趨勢(shì)，既提高了楓香的外觀品質(zhì)，又避免了因褐變產(chǎn)生的浪費(fèi)等現(xiàn)象。

過(guò)熱蒸汽預(yù)處理能夠降低楓香的濕脹率和干縮率，提高其尺寸穩(wěn)定性，一定程度上減少其變形、開(kāi)裂等缺陷。濕脹率方面，隨蒸汽溫度升高楓香濕脹率呈下降趨勢(shì)，蒸汽溫度140 ℃時(shí)預(yù)處理?xiàng)飨愕臐衩浄矫娴某叽绶€(wěn)定性最佳。干縮率方面，楓香徑向和弦向干縮率隨著蒸汽溫度升高呈下降趨勢(shì)，蒸汽預(yù)處理?xiàng)飨愕牟町惛煽s均小于未蒸汽預(yù)處理的楓香對(duì)照樣。

過(guò)熱蒸汽預(yù)處理能夠降低楓香營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量，在一定程度上能夠抑制細(xì)菌生長(zhǎng)，提高楓香的防霉和耐腐性能。防霉效果方面，隨著過(guò)熱蒸汽溫度的升高，楓香的可可球二孢、桔青霉、黑曲霉和綠色木霉4種菌的被害值總體呈下降趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)的防治效力逐漸提高，其中140 ℃過(guò)熱蒸汽預(yù)處理效果最好，處理后楓香被害值為1級(jí)，防治效力達(dá)60%。耐腐性方面，蒸汽預(yù)處理?xiàng)飨愕馁|(zhì)量損失百分率隨處理蒸汽溫度的升高而減小，其中140 ℃時(shí)質(zhì)量損失百分率最低，為9.05%，比未處理樣的質(zhì)量損失百分率降低27.83%，耐腐朽等級(jí)為 Ⅰ 級(jí)。參考文獻(xiàn)

[1] 郭明輝,關(guān)鑫.木材誘發(fā)變色研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].世界林業(yè)研究,2008,21(5):51-54.

[2] 王輝,呂艷,張凱.適于木材種類識(shí)別顏色空間的研究[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2009,37(1):20-22.

[3] 張宏達(dá)，任善湘.中國(guó)植物志[M].北京：科學(xué)出版社，1979.

[4] 郭夢(mèng)麟,藍(lán)浩繁,邱堅(jiān).木材腐朽與維護(hù)[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2010.

[5] 吳維茜,宋曉,曾韜，等.楓香樹(shù)脂淺色化工藝試驗(yàn)[J].林業(yè)科技開(kāi)發(fā),2013,27(5):105-107.

[6] WINDEISEN E,STROBEL C,WEGENER G.Chemical changes during the production of thermo-treated beech wood[J].Wood science and technology,2007,41(6):523-536.

[7] 趙東洋,程萬(wàn)里,韓廣萍，等.預(yù)處理對(duì)榆木鋸材干燥效果及尺寸穩(wěn)定性的影響[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2016,44(4):60-65.

[8] 余立琴.熱處理對(duì)竹材線性干縮率的影響[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備,2013,41(7):32-33,37.

[9] 孫芳利,段新芳,文桂峰，等.CMC系列防腐劑對(duì)毛竹材的防霉效果[J].林業(yè)科學(xué),2006,42(3):40-43.

[10] 黃茹,馬振香,楊洪杰，等.熱處理對(duì)色木耐腐性能和顏色的影響[J].木材工業(yè),2014,28(3):46-48.

Effect of Superheated Steam on Properties ofLiquidambarformosana

ZHUANG Xiao-wei,PAN Xin, CHEN Shun-wei et al

(Zhejiang Forestry Academy,Key Laboratory of Forestry Resources Utilization of Zhejiang,Hangzhou,Zhejiang 310023)

[Objective] The aim was to clear effect of superheated steam on the properties ofLiquidambarformosanato provide theoretical basis for improve properties ofLiquidambarformosanawood.[Method] We pretreated wood ofLiquidambarformosanaby different temperature of superheated steam,and analyzed the chroma,anti-mold effects,decay-resistant and dimensional stability of treated wood.[Result] The superheated steam pretreatment could induce the surface ofLiquidambarformosanato red,improved the appearance quality and dimensional stability.The pretreatment also reduced deformation,cracking and other defects ofLiquidambarformosana.The superheated steam pretreatment could inhibit the growth of bacteria,improved the corrosion resistance and mildew ofLiquidambarformosana.In all treatments,the optimum temperature of superheated steam was 140 ℃.In this condition,the superheated steam could inhibit the growth ofLasiodiplodiatheobromae,Penicilliumvisidicatum,AspergillusnigerandTrichodermaviride.And the damage degree and prevention effect ofLiquidambarformosanawere grade I and 60%.Mass loss ofLiquidambarformosanapretreated by 140 ℃ superheated steam was 9.05%,27.83% lower than untreated sample.The decay-resistant degree was grade I.[Conclusion] The superheated steam could improve properties ofLiquidambarformosana.

Superheated steam;Liquidambarformosana;Chroma;Anti-mold effects;Decay-resistant

浙江省科技廳公益技術(shù)項(xiàng)目(2014C32113)；浙江省重大科技專項(xiàng)(2012C12006-2)。

莊曉偉(1979- )，男，浙江瑞安人，副研究員，博士，從事木材改性與炭素材料研究。

2016-09-12

S 784；TS 652

A

0517-6611(2016)35-0171-02