速生巨尾桉木材熱壓處理的研究

黃廣華

(漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院 福建漳州 363000)

木材的熱壓處理是對(duì)木材進(jìn)行軟化處理、然后在一定的溫度、壓力下對(duì)其進(jìn)行壓縮，在不破壞木材細(xì)胞結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，使其密度、強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性等物理力學(xué)性能得以提高，從而達(dá)到木材強(qiáng)化目的的方法[1-2]。隨著天然林資源日漸減少，木材供應(yīng)越來(lái)越緊張，提高人工林木材資源的有效利用已經(jīng)成為一種共識(shí)。通過(guò)密實(shí)化處理提高速生材的物理力學(xué)強(qiáng)度，改善其加工性能，拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域，已成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的一個(gè)重要課題。眾多專家學(xué)者對(duì)木材的蠕變、壓縮木制造等熱壓處理技術(shù)，以及變形的回彈與固定等相關(guān)課題進(jìn)行了廣泛深入的研究，并取得了顯著的進(jìn)展，以期改良速生材的性能，提高在實(shí)木生產(chǎn)中的利用[3-10]。

桉樹(shù)是桃金娘科(Mgrtaceae)桉屬(Eucalyptus)植物的統(tǒng)稱，是世界著名的三類速生用材之一，生長(zhǎng)速度快如巨尾桉(Eucalyptus grandis × Eucalyptus urophylla)，樹(shù)種較佳采伐期為6 a左右[11]。由于天然林的減少，木材供需矛盾日益突出，對(duì)速生桉樹(shù)木材的需求越來(lái)越大。但由于桉樹(shù)木材生長(zhǎng)應(yīng)力大、干縮性變異大、容易變形，尺寸不穩(wěn)定以及物理力學(xué)性能差等缺點(diǎn)，其實(shí)木利用受到限制。因此，桉樹(shù)木材壓縮技術(shù)的研究對(duì)于速生材實(shí)木加工和提高其經(jīng)濟(jì)效益有著重要的意義。該研究采用正交試驗(yàn)，按不同工藝參數(shù)對(duì)巨尾桉木材進(jìn)行熱壓處理，對(duì)比分析素材與處理材的細(xì)胞結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)變化，通過(guò)選優(yōu)，得出巨尾桉木材熱壓工藝的最佳參數(shù)。以期為速生木材的性能改良和加工利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

漳州市漳浦縣國(guó)有林場(chǎng)提供本試驗(yàn)試驗(yàn)材料，巨尾桉樹(shù)齡為4-7年之間；原木直徑為150mm左右，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB1927-1943-91[12]進(jìn)行樹(shù)種的采集和試樣的制作。木材上部為原木的梢部，下部和中部以胸高1.3 m處為界，將木材按樹(shù)高方向平均分為上中下3個(gè)部分，每部分12塊，每組實(shí)驗(yàn)條件的試樣數(shù)為24塊，共288塊。用于壓縮處理試驗(yàn)材料規(guī)格為：長(zhǎng)200 mm，寬100mm，厚度根據(jù)正交試驗(yàn)的要求，由壓縮率和壓后厚度換算而定。密度和回復(fù)率測(cè)定的試驗(yàn)材料為20mm3的小正方體；力學(xué)性能測(cè)定的試驗(yàn)材料尺寸為長(zhǎng)300mm，寬20mm，厚20mm。

1.2 試驗(yàn)方法

(1) 熱壓工藝試驗(yàn)。 壓縮木的制造要防止其壓縮后的回彈，所以壓縮變形的永久固定顯得尤為重要，回復(fù)率的控制是其中的關(guān)鍵指標(biāo)，而影響回復(fù)率的主要工藝參數(shù)有：熱壓時(shí)間、熱壓溫度、壓縮率、壓后厚度、壓前含水率等相關(guān)參數(shù)[13-15]。該試驗(yàn)采取L16(45)正交試驗(yàn)方法，按要求對(duì)巨尾桉木材熱壓處理。對(duì)不同工藝條件下的試驗(yàn)材料進(jìn)行吸水、吸濕回復(fù)率(RS)試驗(yàn)測(cè)定，通過(guò)分析比較，得出巨尾桉木材熱壓處理的最佳工藝參數(shù)。正交試驗(yàn)安排見(jiàn)表1。

表1 L16(45)正交試驗(yàn)

熱壓過(guò)程先預(yù)熱、再逐步分段加壓至預(yù)定壓力，即當(dāng)上壓板接觸到模具時(shí)，停止加壓，進(jìn)入到保壓狀態(tài)。壓縮率越大，單位面積的壓力也越大，一般為5-10 MP。冷卻后再進(jìn)行卸壓，取出試樣，進(jìn)行吸水、吸濕回復(fù)率(RS)測(cè)定：按要求每隔8 h、1 d、4 d、12 d各測(cè)量一次吸水回彈尺寸，共4次，用于計(jì)算吸水回復(fù)率，每隔1 d、2 d、4 d、8 d、12 d、20 d、30 d、40 d吸濕回彈尺寸，共8次，用于計(jì)算吸濕回復(fù)率。

吸濕、吸水回復(fù)率按照徐永吉著[13]《木材改性》計(jì)算，其計(jì)算公式如下：

(1)

式中： RS(%)—回復(fù)率；Lr(mm)—吸濕或吸水處理后的厚度；L0(mm)— 熱壓前的厚度；Lc(mm)— 熱壓后的厚度。

(2) 物理力學(xué)性能試驗(yàn)。 試驗(yàn)材料的氣干、絕干密度等物理性質(zhì)和抗壓、抗彎、抗剪、硬度、沖擊韌性等力學(xué)強(qiáng)度的測(cè)試按照《木材物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法》(GB1927-1943-91)[12]進(jìn)行。

(3) 微觀結(jié)構(gòu)觀察。 利用數(shù)碼顯微鏡(DMB-223P-5)對(duì)試驗(yàn)材料放大400倍進(jìn)行觀察測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱壓工藝試驗(yàn)結(jié)果

按照正交試驗(yàn)的要求，對(duì)不同工藝參數(shù)條件下的試驗(yàn)材料分組編碼，分別測(cè)定和計(jì)算其吸水、吸濕回復(fù)率。試驗(yàn)材料吸水、吸濕回復(fù)率正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，試驗(yàn)材料的極差分析見(jiàn)表3，試驗(yàn)材料的方差分析見(jiàn)表4。

表2 L16(45)正交試驗(yàn)結(jié)果

表3 回復(fù)率極差分析表

表4 回復(fù)率方差分析

注：吸水 F0.01(3，48)= 4.25，F(xiàn)0.05(3，48)=2.70，F(xiàn)0.10(3，48)=2.23；吸濕 F0.01(3，112)=3.97，F(xiàn)0.05(3，112)=2.74，F(xiàn)0.10(3，112)=2.15；當(dāng) F>F0.01(3，112)時(shí)，***表示p<0.001。

由表2、表3、表4可知，熱壓過(guò)程各因素對(duì)試驗(yàn)材料的吸水、吸濕回復(fù)率影響均高度顯著。對(duì)吸水回復(fù)率的影響大小依次是：熱壓前含水率-壓縮率-熱壓溫度-熱壓后厚度-熱壓時(shí)間。各因素對(duì)吸濕回復(fù)率的影響大小依次是：熱壓前含水率-熱壓溫度-壓縮率-熱壓后厚度-熱壓時(shí)間。綜合分析各工藝條件對(duì)試驗(yàn)材料吸濕、吸水回復(fù)率的影響，得出速生巨尾桉木材熱壓處理(即RS最小時(shí))的最佳工藝參數(shù)為：熱壓前含水率為60%，壓縮率為50 %，熱壓后厚度為13-20mm，熱壓溫度為190℃，熱壓時(shí)間為25-30 min。

2.2 物理力學(xué)性質(zhì)

巨尾桉木材經(jīng)過(guò)熱壓處理，其氣干、絕干密度見(jiàn)表5，物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表6和圖2。為了進(jìn)行比較研究，將它們的氣干、絕干密度，力學(xué)性質(zhì)均換算成含水率12%的值。

表5 巨尾桉木材壓縮率與密度的關(guān)系

從表5可知，隨著壓縮率的增加，氣干、絕干密度逐漸增加，素材氣干密度為0.51 g/cm3、絕干密度為0.44 g/cm3，當(dāng)壓縮率為50 %時(shí)，處理材的氣干密度為0.81 g/cm3，絕干密度為0.78 g/cm3；與素材比較，壓縮率為50 %處理材氣干密度、絕干密度分別提高58.82 %和77.27 %。

表6 巨尾桉木材壓縮率與強(qiáng)度的關(guān)系

圖1 巨尾桉木材壓縮率與強(qiáng)度的關(guān)系

由表6和圖1可知，速生巨尾桉木材經(jīng)過(guò)熱壓處理后，結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，隨著壓縮率的增加，其各種強(qiáng)度也逐漸增加，具有相同的趨勢(shì)。具體如下：

(1)對(duì)于木材順紋抗壓強(qiáng)度、橫紋(弦面)抗壓強(qiáng)度、順紋抗剪(弦面)強(qiáng)度，素材分別為72.70 MPa、13.00 MPa、16.40 Mpa；當(dāng)壓縮率為50%時(shí)，處理材分別為87.15 MPa、20.37 MPa、31.50 Mpa；分別提高了19.88 %、56.69 %和92.07 %。

(2)對(duì)于木材抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量，素材分別為238.33 MPa、24.26 GPa；當(dāng)壓縮率為50%時(shí)，處理材分別為408.61 MPa、28.39 GPa；分別提高了71.45 %、和17.02 %。

(3)對(duì)于木材硬度，素材的端面硬度和弦面硬度分別為95.40 Mpa、77.00 Mpa；當(dāng)壓縮率為50 %時(shí)，試驗(yàn)材料的端面硬度和弦面硬度分別為178.86 Mpa、135.56 Mpa；分別提高了87.48 %和76.05 %。

(4)對(duì)于木材沖擊韌性，素材為78.00 kJ/m2，當(dāng)壓縮率為50 %時(shí)，試驗(yàn)材料的沖擊韌性為123.25 kJ/m2，提高了58.01 %。

通過(guò)熱壓處理，木材的力學(xué)性能得到大幅提高，其中幅度最大的是木材剪切強(qiáng)度，提高了92.07 %，其次是端面硬度，提高了87.48 %。

2.3 巨尾桉木材的微觀結(jié)構(gòu)

通過(guò)數(shù)碼顯微鏡(DMB-223P-5)對(duì)巨尾桉木材素材和處理材放大400倍進(jìn)行觀察，得到掃描圖片如圖2。

圖2 巨尾桉木材微觀結(jié)構(gòu)圖(400X)

從圖2 中的碼顯微鏡顯微鏡圖片可知，木材熱壓處理后，細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)完好，細(xì)胞實(shí)質(zhì)沒(méi)有受到壓潰，導(dǎo)管等細(xì)胞腔被擠壓，木材孔隙率變小，從而產(chǎn)生了較大的變形，整體結(jié)構(gòu)仍然保持原有的完整性[14]，熱壓后處理材的物理力學(xué)性質(zhì)明顯提高。這是由于在一定的水分下給予木材較高的溫度，在濕熱狀態(tài)下木材的可塑性增加，玻璃化轉(zhuǎn)變過(guò)程的時(shí)間縮短，使處理材在軟化、可塑狀態(tài)下得以壓縮。木材細(xì)胞壁內(nèi)部受到破壞的可能性大大減少，保持了木材結(jié)構(gòu)的完整性。熱壓過(guò)程，隨著吸附水的不斷逸出，木材細(xì)胞壁中羥基(-OH)和羧基(-COOH)被重新釋放出來(lái)，當(dāng)細(xì)胞壁的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的羥基和羧基之間靠近至極小距離時(shí)，就形成了纖維素、半纖維素以及木質(zhì)素分子之間的氫鍵結(jié)合，組成更為復(fù)雜的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高了結(jié)晶度，使得木材內(nèi)部的結(jié)構(gòu)更加致密[15]。同時(shí)，伴隨著熱壓過(guò)程中細(xì)胞壁羥基數(shù)量的減少，碳水化合物結(jié)晶化、交聯(lián)反應(yīng)以及熱降解等多種反應(yīng)的綜合作用，使處理材的物理力學(xué)性能大幅提高、變定得到固定[4，15]。

3 結(jié)論

通過(guò)熱壓處理后的回復(fù)率試驗(yàn)，巨尾桉木材熱壓處理的最佳工藝為：熱壓前含水率為60%，壓縮率為50 %，熱壓后厚度為13-20mm，熱壓溫度為190 ℃，熱壓時(shí)間為25-30 min。

經(jīng)過(guò)熱壓處理，巨尾桉木材的物理力學(xué)性能有很大變化，各性能指標(biāo)均大幅提高：當(dāng)壓縮率為50%時(shí)，其氣干密度以及絕干密度分別提高了58.82 %和77.27 %。通過(guò)熱壓處理，木材的力學(xué)性能得到大幅提高，木材順紋抗壓強(qiáng)度、橫紋(弦向)抗壓強(qiáng)度、順紋抗剪(弦面)強(qiáng)度，分別提高了19.88 %、56.69 %和92.07 %?？箯潖?qiáng)度和抗彎彈性模量分別提高了71.45 %和17.02 %。 端面硬度和弦面硬度87.48 %和76.05 %。沖擊韌性提高了58.01 %。

對(duì)素材和處理材微觀結(jié)構(gòu)的進(jìn)行觀察比較，可知：經(jīng)過(guò)熱壓處理，雖然木材細(xì)胞腔受到擠壓，但是細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)仍然保持完整。對(duì)人工林巨尾桉木材進(jìn)行熱壓處理，伴隨著處理材內(nèi)部組織構(gòu)造的變化，其物理力學(xué)性能隨之改變，氣干、絕干密度提高，各項(xiàng)力學(xué)性質(zhì)均增強(qiáng)，耐久性變好[10]，促進(jìn)了速生材的高效利用。

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