熱處理對(duì)桉樹木材抗?jié)衩浶阅艿挠绊?

曹永建 王 頌 李怡欣 李興偉王劍菁 謝桂軍 李萬菊

（廣東省林業(yè)科學(xué)研究院/廣東省森林培育與保護(hù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510520）

桉樹（Eucalyptus）是我國三大主要速生樹種之一，自1890年引種以來，截至2013年底，我國桉樹種植面積達(dá)450萬hm2[1]，廣泛分布于我國南方大部分地區(qū)，對(duì)緩解我國木材供需矛盾發(fā)揮著重要作用。為提高桉樹木材的尺寸穩(wěn)定性，各國學(xué)者采用熱處理技術(shù)對(duì)各種桉樹木材及其他樹種木材的尺寸穩(wěn)定性進(jìn)行了深入研究。一些學(xué)者研究了熱處理溫度和時(shí)間對(duì)藍(lán)桉 （Eucalyptus globulus）、尾赤桉 （E.urophylla×E. camaldulensis）、王桉（E.regnans）等木材濕脹性能的影響[2-5]。一些學(xué)者采用不同的熱處理介質(zhì)及熱處理工藝因子組合條件分別對(duì)杉木（Cunninghamia lanceolata）、楊樹（Populus tomentosa）、樟子松（Pinus sylvestris var.mongolica）、柞木（Xylosma racemosum）、水曲柳（Fraxinus mandschurica）等木材進(jìn)行了熱處理研究，發(fā)現(xiàn)不同的熱處理工藝條件對(duì)木材的濕脹性能影響顯著，且不同處理?xiàng)l件下木材的抗?jié)衩浶阅艿奶岣呗室膊槐M相同[6-12]，但研究成果均表明，熱處理可顯著提高木材的抗?jié)衩浶阅堋?/p>

雖然國內(nèi)外就木材熱改性技術(shù)對(duì)木材的尺寸穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，但所研究的木材種類繁多，對(duì)桉樹木材在熱改性后的抗?jié)衩浡史矫娴难芯繄?bào)道并不多見，而且盡管是同一樹種，也會(huì)由于產(chǎn)地不同、樹齡不同而導(dǎo)致其材性有很大的區(qū)別。

為此，本研究選取我國南方地區(qū)種植面積最為廣泛的尾葉桉（E. urophylla）、尾巨桉（E.urophylla×E. grandis）、巨桉（E. grandis）為研究對(duì)象，通過熱改性處理，以期提高木材的抗?jié)衩浶阅埽貙掕駱淠静牡膽?yīng)用領(lǐng)域。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究中采用的樹種共有3個(gè)，分別為尾葉桉、尾巨桉、巨桉，每種10株。其中尾葉桉、巨桉（6～7 a生）采自廣東省國營雷州紀(jì)家林場(chǎng)；尾巨桉（6～7 a生）采自廣東省西江林業(yè)總場(chǎng)西江林業(yè)科學(xué)研究所。

1.2 試驗(yàn)儀器

熱處理設(shè)備為真空干燥濕熱試驗(yàn)箱，真空度為-0.08 MPa。螺旋測(cè)微儀（G214）精度為0.001 mm。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 熱處理方法 采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)（Random Complete Block Design, RCBD）方法來設(shè)計(jì)本研究，處理溫度為180、190、200、210、220 ℃，處理時(shí)間分別為1、2、3、4、5 h。另設(shè)一組未經(jīng)任何處理的試件作為對(duì)照組。試材的尺寸規(guī)格為25 mm × 25 mm × 500 mm (弦向×徑向×軸向)。自室溫升高至100 ℃時(shí)的升溫速度設(shè)定為1.5 ℃/min；自100 ℃升到所需熱處理溫度的升溫速度設(shè)定為1 ℃/min。將上述試材做完熱改性處理后，再制備成20 mm × 20 mm × 20 mm的試件，用于測(cè)定體積的濕脹率。

1.3.2 測(cè)定方法 熱處理前后試樣的氣干體積、全干體積的濕脹率依據(jù)中華人民共和國標(biāo)準(zhǔn)[13]測(cè)定，計(jì)算3種桉樹木材從全干至氣干、全干至吸水后體積飽和水體積的抗?jié)衩浡省?/p>

抗?jié)衩浡剩?）=（對(duì)照材濕脹率-處理材濕脹率）/對(duì)照材濕脹率 ×100% ····················（·3）

2 結(jié)果與分析

2.1 尾葉桉木材抗?jié)衩浶阅?/h3>

熱改性處理對(duì)尾葉桉木材的氣干體積、全干體積的抗?jié)衩浡示哂忻黠@的提升作用。圖1表明，隨著處理溫度的升高和時(shí)間的延長(zhǎng)，木材的抗?jié)衩浡示辛嗣黠@的提高，尤其是在相同處理溫度條件下，在處理時(shí)間從1增至2 h時(shí)，抗?jié)衩浡视幸粋€(gè)迅速增加的過程。此變化趨勢(shì)與尾葉桉木材的全干體積抗?jié)衩浡首兓厔?shì)相似（圖2），且均在220 ℃、5 h時(shí)達(dá)到最大值，與未處理材相比，分別提升58.61和59.27個(gè)百分點(diǎn)。

圖1 尾葉桉氣干體積抗?jié)衩浡首兓疐ig.1 Changes in air-dry anti-swelling ratio of E. urophylla

雙因素方差分析表明，處理溫度和處理時(shí)間對(duì)尾葉桉木材的氣干體積、全干體積濕脹率有顯著影響（P ＜ 0.01）。

圖2 尾葉桉全干體積抗?jié)衩浡首兓疐ig.2 Changes in saturated anti-swelling ratio of E.urophylla

2.2 尾巨桉木材抗?jié)衩浶阅?/h3>

圖3 尾巨桉氣干體積抗?jié)衩浡首兓疐ig.3 Changes in air-dry anti-swelling ratio of E. urophylla× E. grandis

圖4 尾巨桉全干體積抗?jié)衩浡首兓疐ig.4 Changes in saturated anti-swelling ratio of E.urophylla × E. grandis

熱處理明顯提高了尾巨桉木材的抗?jié)衩浶阅?，在溫?80～220 ℃、處理時(shí)間1～5 h范圍內(nèi)，與對(duì)照材相比，氣干體積和全干體積的抗?jié)衩浡史謩e提高了6.43～59.14和 6.72～ 64.91個(gè)百分點(diǎn)。由圖3、4可知，相同處理溫度條件下，當(dāng)處理時(shí)間范圍為1～3 h 時(shí)，木材的抗?jié)衩浶阅芴岣呔徛?；但?dāng)處理時(shí)間超過3 h后，其抗?jié)衩浶阅苎杆僭鰪?qiáng)。

雙因素方差分析結(jié)果表明，處理溫度和時(shí)間均對(duì)尾巨桉木材氣干體積、全干體積的濕脹率具有顯著的影響（P ＜ 0.01）。

2.3 巨桉木材抗?jié)衩浶阅?/h3>

熱處理對(duì)巨桉木材的抗?jié)衩浶阅芤簿哂忻黠@的提高作用。在溫度180～220 ℃、處理時(shí)間1～5 h范圍內(nèi)，與對(duì)照材相比，氣干體積和全干體積的抗?jié)衩浡史謩e提高了11.68～60.53和 11.84～60.02個(gè)百分點(diǎn)。由圖5、6可以看出，在相同處理溫度條件下，當(dāng)處理時(shí)間超過3 h時(shí)，木材的抗?jié)衩浶阅苎杆偬岣?，隨后在由4延長(zhǎng)至5 h時(shí)，其抗?jié)衩浡侍岣咚俣容^緩。總體來看，在低溫處理時(shí)（180～200 ℃），隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，抗?jié)衩浡侍岣呔徛坏诟邷靥幚頃r(shí)（200～220 ℃），隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，其抗?jié)衩浡恃杆偬嵘?/p>

圖5 巨桉氣干體積抗?jié)衩浡首兓疐ig.5 Changes in air-dry anti-swelling ratio of E. grandis

圖6 巨桉全干體積抗?jié)衩浡首兓疐ig.6 Changes in saturated anti-swelling ratio of E.grandis

雙因素方差分析表明，處理溫度和時(shí)間均對(duì)巨桉木材氣干體積、全干體積的濕脹率均具有顯著的影響（P ＜ 0.01），且溫度的影響更為顯著。

上述研究結(jié)果表明，熱改性處理對(duì)提高尾葉桉、尾巨桉、巨桉3種木材的尺寸穩(wěn)定性即抗?jié)衩浶阅芫哂酗@著的增強(qiáng)作用，且在本研究處理?xiàng)l件范圍內(nèi)3種木材抗脹縮性能的最大提升幅度分別為59.27、64.91、60.02個(gè)百分點(diǎn)。

3 結(jié)論與展望

熱處理可顯著提高木材的抗?jié)衩浶阅?。這主要是由于在熱處理過程中，木材中大量的親水性基團(tuán)羥基(-OH)流失，同時(shí)生成了憎水性新物質(zhì)，因此大大降低了木材的吸濕性，提高了木材的尺寸穩(wěn)定性。此外，木質(zhì)素的化學(xué)變化也是導(dǎo)致木材濕脹性降低的重要原因。丁濤等[11]采用拉曼光譜對(duì)南方松（Pinus sp.）熱處理材進(jìn)行了分析，結(jié)果表明木素在熱處理過程中部分化學(xué)鍵發(fā)生斷裂并伴隨新化學(xué)鍵的形成，木素結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，因此對(duì)木材的吸濕和平衡直到了阻滯和延遲的作用。王喆等[12]對(duì)熱處理落葉松（Larix kaempfera）進(jìn)行了紅外光譜和光電子光譜分析，表明熱處理后木材纖維素和半纖維素等化學(xué)成分發(fā)生降解，木質(zhì)素發(fā)生交聯(lián)縮合反應(yīng)，使得吸濕性基團(tuán)含量減少，碳元素與氧元素含量發(fā)生變化，氧碳比降低。另外，從C原子的結(jié)合形式來看，熱處理材的C1含量增加，C2和C3含量降低，這些化學(xué)變化使得熱處理材的吸濕性降低。

木材熱改性技術(shù)是顯著提高木材尺寸穩(wěn)定性最有效的方法之一，且整個(gè)處理過程中不添加任何化學(xué)物質(zhì)，是綠色、環(huán)境友好型木材改性方法，契合當(dāng)前世界倡導(dǎo)綠色發(fā)展的大環(huán)境，是我國林業(yè)工業(yè)發(fā)展的必然方向。本研究中采用熱改性技術(shù)對(duì)我國桉樹人工林木材進(jìn)行改性處理，顯著提升了木材的抗?jié)衩浡剩黾痈哌_(dá)59個(gè)百分點(diǎn)以上，有效拓寬了桉樹人工林木材的應(yīng)用領(lǐng)域。由于不同產(chǎn)地、不同種類的桉樹其物理性能不盡相同，因此，針對(duì)不同種的桉樹，深入研究其熱改性機(jī)理，制定出不同種桉樹的熱處理工藝，必將有效推動(dòng)我國桉樹產(chǎn)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性調(diào)整，保障我國人工林桉樹資源的健康發(fā)展。

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