高溫?zé)崽幚韺?duì)馬尾松木材機(jī)械加工性能的影響1)

劉明德 唐慶 符韻林 韋鵬練

(廣西大學(xué)，南寧，530004)

自我國實(shí)行天然林全面禁伐以來，國內(nèi)木材供需矛盾進(jìn)一步加深。因此，加大對(duì)人工林的培育和增強(qiáng)人工林木材資源的高效加工利用，對(duì)保障我國的木材安全尤為重要[1]。

馬尾松(PinusmassonianaLamb.)是全國范圍內(nèi)的主要人工林用材樹種，其廣泛應(yīng)用于建筑、家具、木纖維工業(yè)等方面[2]。但馬尾松木材在加工利用過程中存在松脂含量高、木材易藍(lán)變等制約因素[3]，尤其是在脫脂處理中存在的脫脂成本高、脫脂不徹底等問題，嚴(yán)重制約了馬尾松在家具用材方面的應(yīng)用，產(chǎn)品附加值較低，所以馬尾松木材在增值利用和高效加工方面仍有很大的提升空間。

實(shí)現(xiàn)馬尾松增值利用的關(guān)鍵，在于脫脂和防霉處理。目前常用的脫脂處理，有化學(xué)脫脂、高溫?zé)崽幚砻撝?。利用高溫?duì)馬尾松木材進(jìn)行處理，不僅可以讓松節(jié)油揮發(fā)，松香流動(dòng)溢出木材表面，從而實(shí)現(xiàn)脫脂，同時(shí)高溫?zé)崽幚磉€是一種有效的木材改良方法，可以改善木材的尺寸穩(wěn)定性及生物耐久性等物理力學(xué)性能[4]。國外在熱處理改良木材領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，形成了比較成熟的生產(chǎn)工藝[5-8]；而國內(nèi)也有關(guān)于馬尾松熱改性處理的研究[9-13]。這些研究表明，200 ℃以下的熱處理對(duì)馬尾松力學(xué)性能沒有明顯的負(fù)面影響，并可防藍(lán)變和提高木材尺寸穩(wěn)定性。但對(duì)熱處理后，對(duì)馬尾松木材的機(jī)械加工性能變化的研究較少。

本研究以馬尾松素材(對(duì)照)及不同溫度熱處理(溫度分別為145、160、175 ℃)的馬尾松鋸材為研究對(duì)象，參照LY/T 2054—2012《鋸材機(jī)械加工性能評(píng)價(jià)方法》對(duì)其機(jī)械加工性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，利用元素分析儀和傅立葉變換紅外光譜儀對(duì)其組分變化進(jìn)行定性分析，揭示高溫處理對(duì)馬尾松木材物質(zhì)組成的改變，探究高溫?zé)崽幚韺?duì)馬尾松木材機(jī)械加工性能的影響，旨在為馬尾松木材的高附加值生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與主要儀器

試材：馬尾松(PinusmassonianaLamb.)鋸材，采購自廣西寧明縣木材市場(chǎng)，鋸材尺寸200 cm×20 cm×3 cm，含水率9.65%，氣干密度0.58 g/cm3。在廣州綠澤木業(yè)有限公司對(duì)馬尾松鋸材進(jìn)行高溫?zé)崽幚恚蔡幚?個(gè)批次，每一批次10 m3，處理溫度分別為145、160、175 ℃，在0.1 MPa條件下保溫6 h。高溫處理結(jié)束后，從每一批次中隨機(jī)選取10塊鋸材，放置于通風(fēng)干燥處平衡處理3個(gè)月，依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)鋸材含水率和氣干密度(見表1)。

表1 不同溫度熱處理馬尾松木材含水率和氣干密度

設(shè)備：馬氏(MAS)MB504刨木機(jī)，四川青城SRP630B砂光機(jī)、馬氏(MAS)MX5117B立式單軸木工銑床、翠山機(jī)械Z4013A單軸臺(tái)鉆、佛山鴻進(jìn)威MZ1610木工方眼機(jī)、馬氏MC3022仿形木工車床。

儀器：手持式表面粗糙度測(cè)定儀(HANDYSURF E-35A/B型，日本東京精密公司)、傅立葉變換紅外光譜儀(Nicolet iS10型，美國Thermo Fisher Scientific Inc公司)、元素分析儀(PE2400II型，美國PE公司)、電熱恒溫干燥箱(202型，北京永光明醫(yī)療儀器有限公司)。

1.2 試材機(jī)械加工性能測(cè)試指標(biāo)

依據(jù)LY/T 2054—2012《鋸材機(jī)械加工性能評(píng)價(jià)方法》對(duì)馬尾松高溫?zé)崽幚聿募拔醋鳠崽幚淼鸟R尾松鋸材(作對(duì)照)進(jìn)行機(jī)械加工性能的測(cè)試，每項(xiàng)測(cè)試取30塊試件，測(cè)試指標(biāo)如下：

(1)刨削：試樣尺寸為900 mm×100 mm×20 mm。刀具主軸轉(zhuǎn)速5 000 r/min，刨削深度為1.6 mm，調(diào)整進(jìn)料速度為7、10、16 m/min，分別進(jìn)行3次刨削。

(2)砂削：試樣尺寸為400 mm×100 mm×10 mm。選用120目砂帶進(jìn)行單面砂光，進(jìn)料速度6 m/min，砂削厚度為0.6 mm。

(3)銑削：試樣尺寸為300 mm×80 mm×20 mm。采用單軸銑床，順紋理方向進(jìn)行一次銑削成型，主軸轉(zhuǎn)速為6 000 r/min。

(4)鉆削：試樣尺寸為300 mm×80 mm×20 mm。選用鉆頭直徑為25 mm的麻花鉆，主軸轉(zhuǎn)速為500 r/min。

(5)開榫：試樣尺寸為20 mm×80 mm×300 mm。加工方形榫眼，空心鑿的尺寸為12.5 mm，主軸轉(zhuǎn)速3 600 r/min。

(6)車削：試樣尺寸為22 mm×22 mm×130 mm。車床的主軸轉(zhuǎn)速為2 800 r/min。

測(cè)試完成后，按照五級(jí)劃分方法對(duì)不同處理試件分別進(jìn)行評(píng)定[14-15]：1級(jí)(優(yōu)秀)、2級(jí)(良好)、3級(jí)(中等)、4級(jí)(較差)、5級(jí)(很差)。

根據(jù)評(píng)定結(jié)果計(jì)算出各項(xiàng)加工性能的達(dá)標(biāo)率(刨削、砂削為1級(jí)試樣數(shù)量百分比，鉆削、銑削為1、2級(jí)試樣數(shù)量百分比，開榫、車削為1、2和3級(jí)試樣數(shù)量百分比)和質(zhì)量等級(jí)值，再采用加權(quán)方法(對(duì)每一個(gè)測(cè)試項(xiàng)目，按試樣達(dá)標(biāo)率的高低確定其質(zhì)量級(jí)別，每個(gè)加工項(xiàng)目的質(zhì)量級(jí)別乘以其加權(quán)數(shù))將6項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果得分相加，得出綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)的總分。

1.3 試材組成成分測(cè)定方法

機(jī)械加工性能測(cè)試完畢后，將不同溫度的熱處理材、對(duì)照材粉碎，過60目篩(孔徑250 μm)，取粒徑通過60目篩的木粉放于恒溫干燥箱進(jìn)行干燥處理，溫度設(shè)定為60 ℃，干燥12 h。再將經(jīng)過干燥處理的木粉放于密閉容器中，一部分利用灼燒法進(jìn)行C、H、O元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定，另一部分在經(jīng)過研磨和壓片后進(jìn)行傅立葉紅外吸收光譜(FTIR)測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 高溫?zé)崽幚韺?duì)試材機(jī)械加工性能的影響規(guī)律

(1)刨削性能。由表2可見，不同處理溫度和進(jìn)料速度，對(duì)刨削性能有著重要的影響。隨著熱處理溫度的提高，試材的刨削性能呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì)，其中160 ℃試材的達(dá)標(biāo)率為42%，質(zhì)量等級(jí)值為4.37，在不同溫度處理試樣中為最佳。此外，當(dāng)熱處理溫度相同時(shí)，隨著進(jìn)料速度的增加，試件的刨削質(zhì)量都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。參考文獻(xiàn)[16]并結(jié)合本試驗(yàn)結(jié)果，說明適當(dāng)溫度的熱處理可以很好地改良試件，減少在刨削加工過程中由節(jié)子處紋理紊亂、早晚材差異、密度結(jié)構(gòu)不均勻所引起的缺陷的產(chǎn)生，如毛刺、毛刺溝痕、削片壓痕等；但過高的熱處理溫度反而又使試件的刨削性能降低，這與熱處理過程中試件變脆和松脂的排出有著密切的聯(lián)系。

(2)砂削性能。砂削是為了獲得平整光滑的木材表面，以利于后續(xù)的涂飾加工。木材表面粗糙度，通常以木材表面輪廓算術(shù)平均偏差(Ra)值表示。由不同溫度熱處理的馬尾松試材表面輪廓算術(shù)平均偏差變化情況(見圖1)計(jì)算可得，對(duì)照及145、160、175 ℃熱處理馬尾松試材的Ra值分別為1.40、1.46、3.00、1.52 μm。

表2 不同溫度熱處理馬尾松木材的刨削性能

圖1 不同溫度熱處理馬尾松木材120目砂光后Ra曲線

由不同溫度熱處理馬尾松試材的砂削性能變化情況(見表3)可知：在進(jìn)料速度相同、砂紙目數(shù)相同的條件下，對(duì)照材和145、175 ℃熱處理材的達(dá)標(biāo)率都達(dá)到了100%，質(zhì)量等級(jí)值均為5；而160 ℃熱處理材的達(dá)標(biāo)率為61%，質(zhì)量等級(jí)值為4.61。結(jié)合圖1、表3可知，對(duì)照材及145、175 ℃熱處理材的砂削性能相差不大，從Ra的平均值看，隨著溫度的升高砂削性能略有下降。但經(jīng)160 ℃熱處理后的馬尾松試材，其砂削性能明顯差于其它的2個(gè)溫度處理材及對(duì)照材；試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)經(jīng)，160 ℃處理過的試材表面有較多的松脂滲出，參考文獻(xiàn)[17]并結(jié)合本試驗(yàn)結(jié)果，說明高溫?zé)崽幚頃?huì)促使試材內(nèi)部的松脂自發(fā)地向外遷移到木材表面，從而影響到試材的表面光滑度。

(3)銑削性能。由不同溫度熱處理馬尾松的銑削性能變化情況(見表4)可見：不同溫度處理試件的銑削性能，隨處理溫度的升高呈現(xiàn)出先升高后下降的變化，且各熱處理試材的銑削性能都優(yōu)于對(duì)照材。說明對(duì)馬尾松試材進(jìn)行高溫加熱處理，能夠在一定溫度范圍內(nèi)改良其銑削加工性能。不同溫度熱處理試材與對(duì)照試材相比，經(jīng)高溫?zé)崽幚砗?，馬尾松試材的銑削加工缺陷明顯減少，性能得到改良。

表3 不同溫度熱處理馬尾松木材的砂削性能(120目砂紙)

(4)鉆削性能。由不同高溫?zé)崽幚眈R尾松試材的鉆削性能變化情況(見表4)可見：對(duì)照試材表現(xiàn)出最好的鉆削性能，達(dá)標(biāo)率為47%。145、160、175 ℃處理試材與對(duì)照試材相比，達(dá)標(biāo)率分別下降了38%、100%、57%左右。由此可知，熱處理會(huì)降低馬尾松試材的鉆削性能，且處理溫度越高，試件表現(xiàn)出的鉆削缺陷相對(duì)越加嚴(yán)重。試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，試材在原木時(shí)，位置越靠近心材的部位，其鉆孔內(nèi)壁表現(xiàn)相對(duì)越光滑。而且大多數(shù)鉆孔下周緣主要產(chǎn)生撕裂缺陷，其內(nèi)壁的垂直紋理面也遠(yuǎn)比平行紋理面顯得粗糙(見圖2)。

圖2 鉆削加工主要缺陷

(5)開榫性能。由表4可見：在試材進(jìn)行開榫加工后，不同溫度處理試材的達(dá)標(biāo)率、質(zhì)量等級(jí)表現(xiàn)為先降低后升高的趨勢(shì)，其中145 ℃熱處理試件的開榫性能最差。開榫的主要缺陷跟鉆削類似，榫眼的下周緣也會(huì)產(chǎn)生撕裂，而上周緣基本沒發(fā)現(xiàn)明顯的撕裂缺陷。榫眼內(nèi)壁在垂直紋理的方向上存在著嚴(yán)重的壓潰缺陷(見圖3)。與鉆削性能不同的是，在熱處理溫度達(dá)到160、175 ℃時(shí)，比對(duì)照試材開榫性能得到了改良。

圖3 開榫加工主要缺陷

(6)車削性能。由不同高溫?zé)崽幚眈R尾松試材的車削性能變化(見表4)可見：隨著熱處理溫度的升高，馬尾松試材車削加工性能的達(dá)標(biāo)率、質(zhì)量等級(jí)都表現(xiàn)為先降低后升高的趨勢(shì)，160 ℃熱處理時(shí)二者都達(dá)到最低點(diǎn)，高溫?zé)崽幚韺?duì)車削性能沒起到改良的作用。車削加工的主要缺陷為毛刺、表面切痕、紋理撕裂(見圖4)。且毛刺、紋理撕裂多發(fā)生于早材部分，這是因?yàn)槟静闹性绮牟糠旨?xì)胞壁薄、材質(zhì)較松軟所造成的。

表4 不同溫度熱處理馬尾松試材的銑削、鉆削、開榫、車削性能

圖4 車削加工主要缺陷

(7)高溫?zé)崽幚砗竽静臋C(jī)械加工性能的綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)。綜合上述各項(xiàng)加工性能測(cè)試的結(jié)果，通過計(jì)算得出各處理溫度的機(jī)械加工綜合評(píng)價(jià)值：對(duì)照試樣的綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)值為24、145 ℃處理試樣的綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)值為24、160 ℃處理試樣的綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)值為23、175 ℃處理試樣的綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)值為20。高溫?zé)崽幚韺?duì)綜合機(jī)械加工性能的影響不顯著，隨著熱處理溫度的升高，略微有所下降。

2.2 高溫?zé)崽幚韺?duì)試材組成成分的影響

在相同測(cè)試條件時(shí)，不同熱處理試材機(jī)械加工性能的變化，往往與其組成成分結(jié)構(gòu)和含量的改變有關(guān)，如含水率、結(jié)晶度、密度等。為進(jìn)一步了解高溫?zé)崽幚磉^程中馬尾松試材組成成分的變化，本研究對(duì)不同溫度熱處理的馬尾松試材進(jìn)行了500～4000 cm-1波數(shù)范圍內(nèi)的傅里葉紅外光譜(FTIR)分析(見圖5、表5)、測(cè)定了不同溫度熱處理馬尾松試材C、H、O元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化(見表6)。

圖5 不同熱處理溫度木材的紅外光譜圖

木材經(jīng)高溫?zé)崽幚砗螅浣M成成分會(huì)發(fā)生多層次的變化。第一，木材中大量易吸收、釋放水分的羥基自由基化學(xué)基團(tuán)會(huì)減少。從圖5中可看出，隨著熱處理溫度的提高，木材中的羥基吸收峰(波數(shù)3 650～3 200 cm-1)的強(qiáng)度明顯降低。這是因?yàn)?，在高溫作用下，木材?nèi)的纖維素分子鏈間原先存在的游離羥基將發(fā)生“架橋”反應(yīng)，脫去1分子的水，形成醚鍵，使游離羥基的數(shù)量顯著減少[18]。通過元素分析(見表6)表明：經(jīng)過熱處理后的試材，其C元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著處理溫度的升高呈增加的趨勢(shì)，而H、O元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著處理溫度的升高呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。這進(jìn)一步證明，在高溫作用下，木材內(nèi)碳水化合物發(fā)生脫水反應(yīng)，產(chǎn)生自由水，生成的水分在高溫條件下被蒸發(fā)。第二，木材三大組分之一的半纖維素發(fā)生降解。半纖維素分子鏈上的乙?；诟邷丨h(huán)境下容易水解生成醋酸[19-21]。

表5 紅外吸收峰所對(duì)應(yīng)的官能團(tuán)與木材組分

圖5中波數(shù)1 735 cm-1左右的譜帶，幾乎完全是由木聚糖乙?；械聂驶M成的；由圖2可見，隨著熱處理溫度的升高，波數(shù)1 735 cm-1吸收峰的強(qiáng)度也發(fā)生明顯的降低，這正是半纖維素降解所引起。第三，結(jié)晶度的變化。Esteves et al.[22]、李賢軍等[19]、Okon et al.[23]研究發(fā)現(xiàn)，木材在高溫?zé)崽幚磉^程中，纖維素分子鏈間羥基發(fā)生的“架橋”反應(yīng)，會(huì)使纖維素?zé)o定形區(qū)域內(nèi)微纖絲的排列更加有序，向結(jié)晶區(qū)靠攏并取向，從而使結(jié)晶度有所增加。圖5中3 650、3 200、2 980 cm-1處的吸收峰寬度有輕微變窄，這與高溫?zé)崽幚砟静闹薪Y(jié)晶度的變化密切相關(guān)。第一、第二、第三類型所發(fā)生的化學(xué)變化，會(huì)使熱處理試材的密度、含水率、吸濕性降低，尺寸穩(wěn)定性提高，結(jié)晶度增加，這些物理性質(zhì)的變化是引起試材機(jī)械加工性能出現(xiàn)差異的原因之一，但要進(jìn)一步揭示化學(xué)組分改變與機(jī)械加工性能之間的關(guān)系需做更深入、細(xì)致的研究。

表6 馬尾松高溫?zé)崽幚聿牡腃、H、O元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w)

3 結(jié)論

175 ℃以下的高溫?zé)崽幚恚瑢?duì)馬尾松試材綜合機(jī)械加工性能的影響不明顯，不同溫度熱處理的最終木材機(jī)械加工性能綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)相差不大，但不同溫度熱處理對(duì)單項(xiàng)機(jī)械加工性能的影響卻有很大差異。隨著處理溫度的升高，刨削、銑削性能表現(xiàn)為先升高后下降的規(guī)律，160 ℃處理材的刨削、銑削性能最佳，都優(yōu)于對(duì)照材。鉆削、開榫、車削性能則表現(xiàn)為先降低后升高的規(guī)律，且鉆削、車削的處理材性能都差于對(duì)照材；而開榫的各處理材性能中145 ℃處理材表現(xiàn)為最差，175 ℃處理材表現(xiàn)為最佳。此外，砂削性能中，對(duì)照材、145 ℃處理材、175 ℃處理材的表現(xiàn)差別不明顯，略微有些下降，但160 ℃的處理材性能卻明顯下降。

經(jīng)高溫?zé)崽幚砗蟮鸟R尾松試材，其內(nèi)部會(huì)發(fā)生大量易吸收、釋放水分的羥基自由基化學(xué)基團(tuán)減少，半纖維素降解以及結(jié)晶度增加等化學(xué)變化，這些化學(xué)變化會(huì)使試材含水率、密度、尺寸穩(wěn)定性等物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，從而使不同溫度熱處理材的機(jī)械加工性能產(chǎn)生差異。