壓力蒸汽熱改性橡膠木的物理力學(xué)性能分析

李曉文+李民+秦韶山+蔣匯川+陸全濟(jì)+李家寧

摘 要 為研究介質(zhì)壓力在木材高溫?zé)岣男赃^程中的作用，采用壓力蒸汽作為傳熱介質(zhì)，于155℃/0.4 MPa，170℃/0.4 MPa，170℃/0.8 MPa處理條件對橡膠木進(jìn)行熱改性，測試熱改性材的質(zhì)量損失率、明度、抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量等指標(biāo)，探討不同處理壓力和溫度改性橡膠木的物理力學(xué)性能變化。結(jié)果表明，在壓強(qiáng)0.4 MPa條件下，155℃和170℃處理的試材，其各項性能可以達(dá)到或接近常壓條件下更高溫度熱改性材的性能。介質(zhì)壓強(qiáng)由0.4 MPa增加至0.8 MPa，炭化橡膠木的質(zhì)量損失率、顏色變化、抗彎強(qiáng)度損失均增大，說明壓強(qiáng)越大，熱改性程度越劇烈。介質(zhì)壓強(qiáng)對試材的熱改性程度有顯著影響，提高蒸汽壓力可以在較低溫度下加快橡膠木的炭化過程，實現(xiàn)木材的高效熱改性處理。

關(guān)鍵詞 熱改性 ；橡膠木 ；壓力蒸汽

中圖分類號 S781.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A Doi：10.12008/j.issn.1009-2196.2016.11.022

Abstract In order to determine the effects of steam pressure in wood heat-treated process， thermally modified rubber wood in pressurized steam at 155℃/0.4 MPa， 170℃/0.4 MPa and 170℃/0.8 MPa was investigated in the present study. The physical and mechanical properties of heat-treated rubber wood such as color， mass loss， modulus of rupture and modulus of elasticity were conducted. The results show that rubber wood treated in pressurized steam performed similar properties as that in atmospheric steam while the treated temperature was relatively lower than that. As the steam pressure increased to 0.8 MPa， the mechanical properties decreased sharply and mass losses increased significantly， which suggested that a much more severe degradation occurred inside rubber wood in the condition. The research findings indicated that the properties of heat-treated wood were dramatically affected by treating pressure and thermal modification process could be undertaken at lower temperature when the pressure was accordingly increased.

Keywords thermal modification ； rubber wood ； pressurized steam

高溫?zé)岣男钥捎行岣咛炕幚聿牡某叽绶€(wěn)定性，耐腐性，使木材顏色加深，賦予其熱帶硬木的外觀色澤。高溫?zé)岣男圆捎梦锢硎侄螌δ静倪M(jìn)行處理，與化學(xué)改性相比，處理過程更為環(huán)保，處理成本不高，便于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

根據(jù)炭化過程中介質(zhì)壓力狀況，木材炭化生產(chǎn)主要有常壓工藝和壓力工藝2種，常壓工藝生產(chǎn)炭化木研究報道較多[1-3]。近年來，有學(xué)者開展了壓力條件下木材熱改性炭化工藝。顧煉百等[4]研究表明，采用0.35 MPa壓力條件，分別于185和205℃炭化柞木和樟子松1.5 h，可以更顯著改善木材的耐腐性。Ding Tao等[5]采用0.32 MPa壓力于200℃熱改性馬尾松鋸材2 h，與常壓工藝相比，木材的抗吸濕性和尺寸穩(wěn)定性更好，處理材的顏色更深，雖然抗彎強(qiáng)度略有減小，但不具有統(tǒng)計學(xué)意義上的顯著差異。涂登云等[6]研究了常壓設(shè)備與罐式壓力設(shè)備炭化水曲柳板材性能變化。結(jié)果表明，在180和190℃炭化水曲柳木材2～3 h，當(dāng)壓力由0.1增加到0.2 MPa，木材的干縮系數(shù)降低，在相同處理溫度和時間條件下，壓力增大，木材穩(wěn)定性提高。楊潔等[7]報道了溫度150～200℃的過熱蒸汽，壓力0.1～0.6 MPa條件下，橡膠木的抽提物可以減少51%。王曉旭[8]發(fā)現(xiàn)，壓力高溫?zé)岣男耘c常壓熱改性條件相比，馬尾松木材內(nèi)部的升溫速率比常壓處理快7%～50%，可提高處理效率及炭化木材的整體均勻性。而采用氮?dú)馓岣咴O(shè)備內(nèi)部壓力熱改性歐洲云杉及研發(fā)高溫高壓熱處理裝置的發(fā)明專利也有報道[9-11]。

結(jié)合文獻(xiàn)報道和前期預(yù)實驗結(jié)果，本文選擇了適當(dāng)?shù)臏囟取毫﹂_展實驗，對壓力條件處理的橡膠木熱改性材性能進(jìn)行研究，探討蒸汽壓力條件與蒸汽常壓條件的熱改性工藝差異及其對熱改性材性能的影響，為進(jìn)一步優(yōu)化橡膠木熱改性工藝提供試驗依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試材為人工林橡膠樹（Hevea brasiliensis），樹齡35年，采自中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗場5隊，品系‘PR107。取樹桿通直、無風(fēng)害斷頭的橡膠樹1株作為試樣，取其離地1.3～2 m的一段原木，徑鋸法下鋸，厚度2.5 cm，低溫窯干至含水率12%，窯干工藝為階段式干燥基準(zhǔn)，初期干球溫度55℃，末期干球溫度80℃。選無黑線、節(jié)子的試材，備用。

1.2 方法

1.2.1 壓力熱改性

將試材堆垛置入不銹鋼熱處理罐中，待測試件放置在處理罐中間一層，規(guī)格為65 cm×10 cm×2.5 cm，數(shù)量5塊；并放入橡膠木商品材，規(guī)格100 cm×14 cm×2.5 cm，數(shù)量5塊，每次處理共放入板材10塊。設(shè)備為2組熱源：（1）電加熱導(dǎo)熱油熱源；（2）電加熱蒸汽熱源。處理開始階段通入蒸汽0.5 h，排出罐內(nèi)空氣，然后啟動導(dǎo)熱油爐，升溫，通過調(diào)節(jié)蒸汽發(fā)生器蒸汽壓力，導(dǎo)熱油溫度和設(shè)備壓力控制閥達(dá)到試驗設(shè)定的壓力。

試驗分3次：（1）155℃、0.4 MPa處理2 h；（2）170℃、0.4 MPa處理2 h；（3）170℃、0.8 MPa處理2 h。木材初含水率、升溫速度、降溫過程等其它工藝均相同，每次試驗周期為5～6 h。

1.2.2 性能檢測

（1）質(zhì)量損失率測定：每個處理條件取5個試件，尺寸為50 mm×50 mm×22 mm（L×T×R），分別測得熱改性前后試件的絕干質(zhì)量，計算其質(zhì)量損失率。

（2）顏色變化測定：用精密色差儀分別測得不同工藝熱改性試件的色度指標(biāo)，主要分析明度指數(shù)L*的變化。

（3）參考國家標(biāo)準(zhǔn)“GB 1936.1-1991木材抗彎強(qiáng)度試驗方法”和“GB 1936.2-91木材抗彎彈性模量測定方法”，將熱改性材置于室內(nèi)8個月自然平衡后，制備力學(xué)性能試件，試件尺寸為300 mm×20 mm×20 mm（L×T×R），取自樹木的邊材部分，位于樹木年輪大致相同的位置，每組試件10個重復(fù)，分別測得對照組與不同工藝熱改性材的抗彎強(qiáng)度（modulus of rupture， MOR）和抗彎彈性模量（modulus of elasticity， MOE）。

2 結(jié)果與分析

表1為不同壓力條件熱改性橡膠木的質(zhì)量損失率和顏色變化。從表1數(shù)據(jù)可知，與常壓熱改性處理材的結(jié)果類似，經(jīng)過壓力條件熱改性后，熱改性材的質(zhì)量減小。在0.4 MPa壓強(qiáng)下，170℃處理的質(zhì)量損失率較155℃處理的試材略有升高，而當(dāng)壓強(qiáng)增加到0.8 MPa時，同樣170℃處理2 h，熱改性材的質(zhì)量損失率急劇增加到12.22%，超過同等溫度0.4 MPa熱改性材的1倍，說明其改性程度大大增加。分析其顏色變化可以發(fā)現(xiàn)相似的規(guī)律，不同條件處理的熱改性材顏色明度值較素材均有所降低，說明其材色均不同程度加深；170℃/0.4 MPa處理的試材與155℃/0.4 MPa處理的試材L*值比較相近；而170℃/0.8 MPa處理的試材L*值顯著降低。分析治理損失率和明度數(shù)據(jù)，3個條件處理的試材之間均存在顯著差異，同等壓力條件，溫度越高，質(zhì)量損失率越大，顏色越深；同等溫度條件，壓力越大，質(zhì)量損失率也越大，顏色也越深。 表2為不同壓力條件熱改性橡膠木的力學(xué)性能。分析其中MOE數(shù)據(jù)可以看出，0.4 MPa壓強(qiáng)下，隨著處理溫度的升高，熱改性材的MOE有所增加，但顯著性分析顯示，155℃處理的試材與素材間的差異不顯著；而170℃/0.8 MPa條件下處理的試材MOE有較為顯著的下降。橡膠木熱改性材的MOR較素材均出現(xiàn)顯著下降，其中0.8 MPa壓強(qiáng)下170℃處理的熱改性材MOR下降幅度最大，0.4 MPa壓強(qiáng)下155和170℃處理的試材MOR下降幅度相對較小，二者間差異不顯著。從力學(xué)性能分析，0.4 MPa壓強(qiáng)下，不同溫度處理的試材力學(xué)性能不存在顯著差異；而保持溫度為170℃不變，壓強(qiáng)增加到0.8 MPa時，力學(xué)強(qiáng)度出現(xiàn)顯著降低。

隨著壓強(qiáng)的增加，熱改性橡膠木的質(zhì)量損失率、顏色變化、抗彎強(qiáng)度損失均增大，說明壓強(qiáng)越大，熱改性程度越劇烈。其機(jī)理可能是由于壓強(qiáng)增加，介質(zhì)的傳熱效率提高；也可能是由于隨著壓強(qiáng)增加，木材含水率升高、或介質(zhì)中有機(jī)酸等熱降解產(chǎn)物濃度增加，從而加劇催化木材的熱降解，最有可能是多種因素共同影響的結(jié)果，有待于將來進(jìn)一步研究驗證。

表3為蒸汽壓力條件下炭化與蒸汽常壓條件炭化橡膠木部分性能比較。芬蘭國家技術(shù)研究中心（VTT）將熱改性木材分為2個等級，以提高木材尺寸穩(wěn)定性為目的的穩(wěn)定級別（ThermoWood-S級）和以提高木材耐腐朽性及穩(wěn)定性的耐久級別（ThermoWood-D級），其中闊葉材S級處理溫度推薦185℃，闊葉材D級處理溫度推薦200℃，最高溫度階段保持2～3 h，S級推薦用于室內(nèi)，木材顏色淺，抗彎強(qiáng)度損失小，D級更適合戶外不接地場合，木材顏色深，耐久性好，但抗彎強(qiáng)度損失較大。前期研究表明，采用VTT推薦的2個經(jīng)典溫度常壓工藝熱改性橡膠木，其處理材的質(zhì)量損失率和顏色的變化是反映橡膠木材炭化程度的重要指標(biāo)。本實驗研究結(jié)果表明，采用0.4 MPa，0.8 MPa的壓力于155和170℃炭化橡膠木，其木材的顏色、質(zhì)量損失率、抗彎強(qiáng)度損失與185～215℃處理接近。如155℃/0.4 MPa/2 h炭化橡膠木性能與185℃/常壓/3 h處理接近，170℃/0.4 MPa/2 h炭化橡膠木性能與200℃/常壓/3 h處理相當(dāng)，170℃/0.8 MPa/2 h炭化橡膠木性能與215℃/常壓/3 h處理接近，即在該壓力范圍，采用低于VTT推薦的經(jīng)典處理溫度，可達(dá)到常壓高溫度的炭化程度，同時處理時間相應(yīng)減少。

3 結(jié)論與討論

采用壓力蒸汽為傳熱介質(zhì)，于155℃/0.4 MPa，170℃/0.4 MPa，170℃/0.8 MPa處理條件熱改性橡膠木2 h，測試其各項物理力學(xué)性能，結(jié)果表明，介質(zhì)壓強(qiáng)對于橡膠木熱改性材的性能有著顯著影響。在壓力條件下，較低溫度處理的試材，其性能可以達(dá)到或接近常壓條件下更高溫度熱處理材的性能。提高蒸汽壓力可以在較低的環(huán)境溫度下加快橡膠木的熱改性過程，實現(xiàn)橡膠木材的高效熱改性處理。本實驗選擇有代表性的溫度、壓強(qiáng)等處理條件開展研究，對未來制定橡膠木壓力熱改性工藝有一定借鑒意義。

顧煉百[4，14]指出，木材壓力蒸汽介質(zhì)熱改性，在高溫壓力蒸汽炭化過程中，木材的終含水率會顯著提高。程萬里[4]在其專著中建立了高溫高壓環(huán)境木材平衡含水率與相對濕度的關(guān)系，根據(jù)其回歸方程推算，常壓185～215℃條件下炭化，木材的平衡含水率要低于1%，可視為接近絕干，則木材要經(jīng)歷含水率從窯干材到絕干再經(jīng)過調(diào)濕到4%～6%過程。壓力條件下炭化，溫度170℃，壓力0.8 MPa時，其木材的平衡含水率超過6%[15]，由此表明，蒸汽壓力條件下于155～170℃炭化，可在較高的平衡含水率條件下熱改性木材，木材橫斷面上含水率梯度平緩，減少木材因為干燥失水引起的變形和開裂，同時溫度較低時炭化，高效節(jié)能，生產(chǎn)成本低。

另外，高壓密閉罐體內(nèi)炭化，木材釋放的有機(jī)酸和水蒸氣得到積累，可能使其作為催化劑加速炭化進(jìn)程，這亦可能是170℃/0.8 MPa/2 h炭化橡膠木其質(zhì)量損失超過215℃/常壓/3 h處理的原因。謝延軍[9]研究表明：在0.2～0.8 MPa條件下，隨著介質(zhì)氮?dú)馀c水蒸氣壓強(qiáng)增加，歐洲云杉木材的質(zhì)量損失率增大；在相同處理溫度下，木材本身的含水率越高，達(dá)到相同處理效果（相同的失重率）所需要的時間就越短，能節(jié)約時間，提高生產(chǎn)效率，但木材的強(qiáng)度也降低較多。雖然壓力設(shè)備制造成本較高，且安裝及生產(chǎn)運(yùn)行要求高于常壓設(shè)備，但高壓高濕環(huán)境熱處理，具有木材平衡含水率高，傳熱快，保護(hù)氣體不排放而散熱少、能耗小，炭化溫度可以低于VTT推薦的經(jīng)典溫度范圍等特點(diǎn)。蒸汽壓力介質(zhì)炭化是否對易變形和開裂的小葉桉、柳桉等硬雜木和厚方材炭化有一定優(yōu)勢，有待進(jìn)一步試驗研究。

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