高溫熱處理低齡桉樹木材力學性能分析

盧翠香，鄧紫宇，郭東強，唐慶蘭，陸敏，任世奇，李昌榮，陳健波

高溫熱處理低齡桉樹木材力學性能分析

盧翠香，鄧紫宇，郭東強，唐慶蘭，陸敏，任世奇，李昌榮，陳健波＊

(廣西林業(yè)科學研究院/國家林業(yè)局中南速生材繁育實驗室/廣西優(yōu)良用材林資源培育重點實驗室，廣西南寧 530002)

在水蒸氣保護下，經(jīng)不同溫度(170、190、210℃)、不同恒溫時間(2、3、4 h)、不同升溫速度(10、15、20℃·h-1)、對低齡桉樹木材進行高溫熱處理改性，按照GB/T1935-GB/T1936國家標準檢測處理木材力學性能。結(jié)果表明：處理溫度對桉樹木材、和有極顯著影響，恒溫時間對影響顯著。隨著處理溫度的升高，、先增加后減小，逐漸減??；隨著恒溫時間延長，、逐漸增大，先減小后增加；隨著升溫速度增加，、和逐漸增大。處理材高于對照樣，和略低于對照樣。

桉樹木材；高溫熱處理；順紋抗壓強度()；抗彎彈性模量()；抗彎強度()

桉樹()是我國南方重要的速生樹種之一，具有生長迅速、適應性強、木材產(chǎn)量高等優(yōu)點。我國桉樹人工林的栽培面積546萬公頃，約占我國森林面積的2.5%，年產(chǎn)木材超過3 000萬立方米，超過全國商品材總產(chǎn)量1/3，桉樹人工林發(fā)展迅速[1]。由于桉樹生長應力大，易變形、開裂、收縮，嚴重制約了其實木利用和產(chǎn)品附加值的提高。

木材高溫熱處理是一種不添加任何化學藥劑的物理改性方法，經(jīng)過熱處理后的木材顏色變深[2-3]，尺寸穩(wěn)定性增強[4]、力學強度降低[5-6]、耐腐性和耐候性增強[7]、光穩(wěn)定性增強[8]。在芬蘭、法國和荷蘭等國已開展木材高溫熱處理技術的系統(tǒng)研究，形成了比較成熟的處理工藝[9-12]。有學者相繼對熱處理材的吸濕性、力學性能及化學成分變化進行了分析[13-15]。我國對木材高溫熱處理技術的研究始于最近10 a，處于起步階段。陽財喜[16]用真空熱處理法對粗皮桉()木材表面性能進行表征。李賢軍等[17]研究了處理溫度和時間對木材顏色和濕潤性的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)熱處理能使木材厚度顏色均勻加深，裝飾效果增強，隨著處理溫度和時間的增加，木材明度顯著降低。巫國富等[18]研究發(fā)現(xiàn)處理溫度對平衡含水率影響顯著，高溫熱處理對速生人工林桉樹木材的改性效果顯著，能夠顯著提高其尺寸穩(wěn)定性。廖立等[19]采用185℃對尾赤桉()進行熱處理，發(fā)現(xiàn)熱處理提高了木材的尺寸穩(wěn)定性，順紋抗壓強度和抗彎強度降低，端面硬度和彈性模量提高。

為解決低齡桉樹木材在使用過程中尺寸穩(wěn)定性差的缺點，本研究以桉樹木材為對象，采用高溫熱處理方法對其進行功能性改良，并研究熱處理對桉樹木材物理力學性能的影響，以期為解決桉樹木材在實木利用過程中易變形的關鍵難題提供理論基礎和參考，對提高桉樹木材實木加工利用率及產(chǎn)品附加值具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料

試材采用7 a生的尾巨桉(×)木材，原木檢尺徑>16 cm，鋸解成規(guī)格為800 mm × 25 mm(厚) × 自然寬的弦切板。三因素分別設定為處理溫度、恒溫時間、升溫速度。

1.2 儀器設備

包括木材干燥炭化一體控制設備(XN-Q10)，溫度范圍0 ~ 280℃，微機控制電子萬能試驗機(深圳三思 UTM5504)和智能恒溫恒濕箱(寧波江南HWS-100)。

1.3 方法

1.3.1 高溫熱處理試驗

板材先進行常規(guī)窯干干燥至含水率為12%左右。按三因素三水平的正交試驗設計方法(L934)進行熱處理，共9個處理，每個處理90塊弦切板(即每個處理重復3次)，另取90塊未處理弦切板作為對照。采用水蒸氣作為保護氣體，處理溫度分別為170、190、210 ℃，恒溫時間2、3、4 h，升溫速度10、15、20 ℃·h-1。試驗過程分4個階段，第1階段為預熱過程，快速升溫至80 ~ 90℃，恒溫2 h；第2階段升溫過程，升溫至130℃后，快速升溫至設定溫度；第3階段炭化過程，當溫度升至設定溫度時，恒溫2 h；第4階段降溫和調(diào)節(jié)過程，關閉電源，放置12 h，使其溫度降至常溫，取出。

1.3.2 試件加工和調(diào)濕處理

熱處理后板材及對照樣經(jīng)四面刨光后，按要求加工成標準力學試件，每一個處理順紋抗壓強度()試樣26個，抗彎強度()試樣62個，抗彎彈性模量()試樣62個。將標準試件置于溫度20℃，相對濕度65%的恒溫恒濕箱進行調(diào)濕處理，當試樣重量兩次測量差值小于0.02 g時，調(diào)濕處理完成。

1.3.3 力學性質(zhì)測試

木材順紋抗壓強度()、抗彎強度()、抗彎彈性模量 ()按照國家標準《木材抗彎強度試驗方法》GB/T1936.1-2009[20]、《木材彈性模量測定方法》GB/T1936.2-2009[21]、《木材順紋抗壓強度試驗方法》GB/T1935-2009[22]要求進行。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用正交試驗設計的極差分析法對數(shù)據(jù)進行處理，采用SPSS19.0軟件進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱處理對CS的影響

經(jīng)高溫熱處理后，桉樹木材的均有不同程度的變化，除處理2、處理9和處理10外，其余處理材的均高于對照樣。對照樣值為47.96 Mpa，處理7(190℃，4 h，10 ℃·h-1)的最高，值為61.48 Mpa，比對照樣高28.19%。由表1可知，隨著處理溫度的升高，處理材的先增加后減??；隨著恒溫時間增加，處理材的先減小后增加；隨著升溫速度的增加，處理材的呈增加趨勢。熱處理試驗的目的是提高木材尺寸穩(wěn)定性的同時保持或提高木材的力學性能，所以力學性能指標數(shù)值高則性能優(yōu)。由表1還可知，A因素列：K>K>K，B因素列：K>K>K，C因素列：K>K>K，最優(yōu)方案的確定需要區(qū)分因素的主次，因素的主次由極差看出，因為R>R>R，因素從主到次的順序為處理溫度、升溫速度、恒溫時間。因此，提高的最優(yōu)方案為A2C3B1，即處理溫度190℃，恒溫時間為2 h，升溫速度為20℃·h-1。

表1 熱處理材CS測試結(jié)果及極差分析

處理材的方差分析見表2。由表2可知，處理溫度對處理材的的影響極顯著；恒溫時間、升溫速度對其影響不顯著。三因素對桉樹木材的影響程度依次為：處理溫度>升溫速度>恒溫時間。

表2 熱處理材的CS方差分析

2.2 熱處理對MOR的影響

經(jīng)高溫熱處理后，桉樹木材的均有不同程度的降低。對照樣值為78.36 Mpa，處理3(170 ℃，3 h，15 ℃·h-1)的最大，值為60.54 Mpa，比對照降低22.74%。由表3可知，隨著處理溫度的升高，處理材的逐漸降低；隨著恒溫時間的增加，R呈增加趨勢；隨著升溫速度的加快，處理材的先增加后減小。由表3還可知，A因素列：K>K>K，B因素列：K>K>K，C因素列：K>K>K，因為R>R>R，因素從主到次的順序為處理溫度、升溫速度、恒溫時間。因此，的最優(yōu)方案為A1C2B3，即溫度為170℃，恒溫時間為4 h，升溫速度為15 ℃·h-1。

由表4可知，處理溫度對處理材的的影響極顯著；恒溫時間、升溫速度對其影響不顯著；三因素對桉樹木材的影響程度依次為：處理溫度>恒溫時間>升溫速度。

表4 熱處理材的MOR方差分析　　

2.3 熱處理對MOE的影響

經(jīng)高溫熱處理后，桉樹木材的均有不同程度的提高。對照均值為7 004.30 Mpa，處理4(170℃,4 h，20 ℃·h-1)的最高，均值為16 538.53 Mpa，比對照高136.12%。由表5可知，隨著處理溫度的升高，處理材的先增加后略減小。隨著恒溫時間延長和升溫速度的加快，處理材的逐漸增加。由表5還可知，A因素列：K>K>K，B因素列：K>K>K，C因素列：K>K>K，因為R>R>R，因素從主到次的順序為處理溫度、恒溫時間、升溫速度。因此，的最優(yōu)方案為A2B3C3，即溫度為170℃，恒溫時間為4 h，升溫速度為20 min。

表5 熱處理材MOE測試結(jié)果及極差分析

由表6可知，處理溫度對處理材的的影響極顯著；恒溫時間對其影響顯著；升溫速度對其影響不顯著。三因素對桉樹木材的影響程度依次為：處理溫度>恒溫時間>升溫速度。

表6 熱處理材的MOE方差分析

3 結(jié)論與討論

(1) 處理溫度及恒溫時間是影響熱處理材、及的兩個重要因素，這與尾赤桉[19]、楊樹[23]()、馬尾松[5]()、杉木[24]()研究結(jié)果一致。處理溫度對熱處理材的、和有極顯著影響；恒溫時間對熱處理材的影響顯著；升溫速度對熱處理材、和影響不顯著。

(2) 熱處理使、降低，提高。隨處理溫度的升高，、先增加后減小，逐漸減小；隨著恒溫時間延長，、逐漸增大，先減小后增加；隨著升溫速度提高，、和均逐漸增大。熱處理導致、的下降，這可能是由于熱處理使木材中基團發(fā)生變化，分子鏈的有序排列受到破壞，木材的結(jié)晶區(qū)減少，從而使其力學強度降低[25]。

(3) 本研究將熱處理材試件置于溫度為20℃，相對濕度為65%的恒溫恒濕箱中調(diào)節(jié)含水率再進行力學測試，即對熱處理材在使用條件下進行的力學比較，其強度值增加，主要原因是熱處理材的平衡含水率低于對照樣，熱處理后木材變脆。

[1] 謝耀堅.我國木材安全形勢分析及桉樹的貢獻[J].桉樹科技,2018,35(4):3-6.

[2] 曹永建,李興偉,王頌,等.高溫熱處理對尾葉桉木材顏色的影響[J].林業(yè)與環(huán)境科學,2018,34(1):18-20.

[3] 馬偉,強添綱,郭明輝.高溫熱處理對落葉松仿珍貴木材顏色變化的影響[J].東北林業(yè)大學學報,2016,44(12):37-41.

[4] 高鑫,周凡,周永東.高溫熱處理木材吸濕特性[J].林業(yè)科學,2019,55(7):119-127.

[5] 張乃華,李康,李延軍,等.高溫水熱處理對馬尾松木材物理力學性能的影響[J].浙江林業(yè)科技,2017,37(5):35-41.

[6] 陳康樂,馮德君,張英杰,等.高溫熱處理對木材力學性能的影響[J].西北林學院學報,2013,28(5):164-166,268.

[7] 鄧邵平,林巧佳,林姿,等.加速老化對高溫熱處理人工林杉木木材性能的影響[J].福建林學院學報,2014,34(1):77-81.

[8] 馬偉.高溫熱處理落葉松仿珍貴材顏色及漆膜附著力的研究[D].哈爾濱:東北林業(yè)大學,2017.

[9] KORTELAINEN S M, ANTIKAINEN T, VIITANIEMI P. The water absorption of sapwood and heartwood of Scots pineand Norway spruce heat-treated at 170,190,210 and 230[J]. Holzals Rohund Werkstoff, 2006, 64(3):192-197.

[10] NGUILA I G, PETRISSANS M, GERARDIN P. Chemical reactivity of heat-treated wood [J]. Wood Science and Technology, 2007, 41(2):157-168.

[11] HAKAN A M, SAIM A. Effect of Heat Treatment on Equilibrium Moisture Content (EMC) of Some Wood Species in Turkey [J]. Research Journal of Agriculture and Biological Sciences, 2008, 4(6): 660- 665.

[12] BRUNO E, ANTONIO V M, IDALINA D, et al. Influence of steam heating on the properties of pine () and eucalypt () wood [J].Wood science and technology, 2007, 41(3):193-207.

[13] OBATAYA E, TANAKA F, NORIMOTO M, et al. Hygroscopicity of heat treated wood I: Effects of after treatments on the hygroscopicity of heat treated wood[J]. Mokuzai Gakkaishi, 2000, 46(2): 77-87.

[14] YILDIZ U C, YILDIZ S, GEZER E D. Mechanical and chemical behavior of beech wood modified by heat[J]. Wood and Fiber Science,2005,37(3): 456-461.

[15] SEOP B H, HANMINPA R K, SUNOKMOON, et al. Effects of heatingtemperature and time on the mechanical properties of heat-treatedwoods[J]. Journal of the Korean Wood Science and Technology, 2015, 43(2):168 -176.

[16] 陽財喜.粗皮桉木材浸漬增強—熱處理工藝研究[D].北京:中國林業(yè)科學研究院,2009.

[17] 李賢軍,蔡智勇,傅峰,等.高溫熱處理對松木顏色和潤濕性的影響規(guī)律[J].中南林業(yè)科技大學學報,2011,31(8):178-182.

[18] 巫國富,黃圣霞.速生人工林桉樹木材高溫熱處理力學性能研究[J].中國農(nóng)學通報,2012,28(10):59-62.

[19] 廖立,涂登云,李重根,等.熱處理對尾赤桉木材物理力學性能的影響[J].中南林業(yè)科技大學學報,2013,33(5):128-131.

[20] 中國木材標準化技術委員會.木材抗彎強度試驗方法: GB/T1936.1-2009[S].北京:中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會,2009.

[21] 中國木材標準化技術委員會.木材彈性模量測定方法: GB/T1936.2—2009[S].北京:中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會,2009.

[22] 中國木材標準化技術委員會.順紋抗壓強度試驗方法: GB/T1935—2009[S].北京:中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會,2009.

[23] 史薔,李如華.人工林楊木熱處理材力學強度變化研究[J].木材加工機械,2014,25(2):10-14.

[24] 李延軍,唐榮強,鮑濱福,等.高溫熱處理杉木力學性能與尺寸穩(wěn)定性研究[J].北京林業(yè)大學學報,2010,32(4):232-236.

[25] 劉君良,陽財喜,王雪花.增強-熱處理桉樹木材物理力學性能分析[J].木材加工機械,2010,21(3):1-4.

Effects of Heat Treatment on Physical-mechanical Properties ofWood

LU Cuixiang, DENG Ziyu, GUO Dongqiang, TANG Qinglan, LU Min, REN Shiqi, LI Changrong, CHEN Jianbo

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Samples ofwood were treated under three different temperatures (170, 190, 210 ℃), three heating rates (10, 15, 20 ℃·h-1) and three different durations of constant temperature (2, 3, 4 h). The results showed that treatment temperature had a significant effect on,andand treatment time had a significant effect on. With the increase of treatment temperature,andincreased and then decreased whilstdecreased. With the extension of treatment time,andincreased but CS decreased at first and then increased. With increased heating rates,andincreased. Under the same heat treatment temperature and constant temperature time,was higher compared to before treatment whilstandwere lower.

eucalyptus wood; high temperature heat treatment; compression strength parallel to grain();bending modulus of elasticity(); bending strength()

S781.2

A

10.13987/j.cnki.askj.2019.04.003

廣西科技重大專項(桂科AA17204087-6)；廣西林業(yè)科技項目(桂林科字〔2014〕第20號)；廣西重點研發(fā)計劃(桂科AB16380036)

盧翠香(1982― )，女，高級工程師，主要從事木材科學研究，E-mail: 48002809@qq.com

陳健波(1964― )，男，教授級高工，主要從事森林培育研究，E-mail: 2283764019@qq.com