蒸汽熱處理對(duì)桉木物理力學(xué)性能的影響*

李臘梅 謝桂軍 曹永建 李興偉

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

桉樹(shù)品種眾多，具有生長(zhǎng)迅速、干形通直、成材率高、材質(zhì)細(xì)等優(yōu)點(diǎn)，是世界上最重要的人工林樹(shù)種之一，也是我國(guó)南方地區(qū)人工林主要造林樹(shù)種之一，目前桉樹(shù)產(chǎn)業(yè)在緩解我國(guó)木材供需矛盾、保證木材安全方面發(fā)揮了重要作用。但桉樹(shù)生長(zhǎng)周期較短且中齡、幼齡材居多，存在易變形、易開(kāi)裂、較天然林有密度小、材質(zhì)疏松等缺陷，使得木材應(yīng)用范圍受限，利用率低且利用方式單一。目前我國(guó)桉樹(shù)木材多應(yīng)用于制漿造紙和人造板（膠合板、纖維板、刨花板）領(lǐng)域，附加值不高。人工林桉木經(jīng)過(guò)改性后，尺寸穩(wěn)定性及物理力學(xué)性能得到改善，可擴(kuò)大其適用范圍，開(kāi)發(fā)高出附加值的桉木產(chǎn)品。因此桉木高值化利用問(wèn)題成為桉木加工利用的研究重要方向。

熱處理是一種能有效改善木材材性且環(huán)保的物理改性方法，處理后的木材尺寸穩(wěn)定性提高、顏色加深、耐腐性和防蟲(chóng)效果增強(qiáng)。研究者在改良速生桉木材性方面做出許多研究。巫國(guó)富等[1]對(duì)廣西速生桉進(jìn)行熱處理研究，結(jié)果表明熱處理木材的尺寸穩(wěn)定性得到顯著提高。曹永建等[2-4]對(duì)尾葉桉Eucalyptus urophylla進(jìn)行熱處理發(fā)現(xiàn)，熱處理后尾葉桉木材的顏色由原色逐步過(guò)渡到深色，熱處理溫度和時(shí)間均對(duì)木材顏色變化有顯著影響，且熱處理溫度的影響比更為顯著，此外一定處理溫度和時(shí)間下尾葉桉的抗干縮性和抗?jié)衩浶阅茏畲筇岣吡?8.24%、59.27%，尺寸穩(wěn)定性明顯改善。廖立等[5]采用185 ℃對(duì)尾赤桉E.urophylla×E.camaldulensis進(jìn)行熱處理，結(jié)果表明熱處理提高了木材的尺寸穩(wěn)定性、端面硬度和彈性模量，順紋抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度降低。上述一系列研究表明，熱處理改性技術(shù)是改善桉木材性的可行性手段。由于桉木易變形、尺寸穩(wěn)定性不佳、顏色偏淺等因素，在制備實(shí)木地板等高附加值木質(zhì)產(chǎn)品上不具優(yōu)勢(shì)，為研究桉木制備實(shí)木地板的可行性，為充分利用豐富的桉樹(shù)資源，熱處理改性桉木的研究具有重要意義。

木材熱處理方法主要有熱油處理法、惰性氣體處理方法和蒸汽處理方法3 種。為綜合評(píng)價(jià)熱處理工藝對(duì)桉木材質(zhì)性能的影響，為桉木在制備實(shí)木地板的關(guān)鍵工藝因子選擇提供依據(jù)，本試驗(yàn)以我國(guó)南方地區(qū)主要速生樹(shù)種桉木為研究對(duì)象，采用常壓過(guò)熱蒸汽高溫?zé)崽幚頌楦男允侄危阅静臒崽幚頊囟群蜔崽幚頃r(shí)間為外部影響因子，研究蒸汽熱處理對(duì)桉木材的物理力學(xué)性能、干縮性和濕脹性的影響，探索高附加值桉樹(shù)木材產(chǎn)品的可行性，拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。

1 材料與方法

1.1 熱處理材料

桉樹(shù)試材采集于海南儋州中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)場(chǎng)，品種為廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院培育的廣9 桉樹(shù)Eucalyptus robusta，2009 年栽種，樹(shù)齡13 年，胸徑約20 cm。

1.2 熱處理設(shè)備

熱處理設(shè)備采用蒸汽熱處理罐（自制），適用于處理小批量木材。

1.3 熱處理方法

蒸汽熱處理主要流程如下：首先，桉木砍伐后鋸切成900 mm（長(zhǎng)）×140 mm（寬）×25 mm（厚）的板材，并堆垛自然氣干至含水率為20%以下，采用水蒸汽作為加熱介質(zhì)，放入熱處理罐內(nèi)進(jìn)行熱處理。熱處理分為3 個(gè)階段：第一階段，快速將蒸汽發(fā)生器中的水蒸汽升至400 ℃，立即向熱處理罐內(nèi)通入水蒸汽；第二階段，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)熱處理罐內(nèi)壓力，使罐體內(nèi)蒸汽溫度在20 min 內(nèi)升至所需溫度，當(dāng)升到所要求的溫度時(shí)開(kāi)始保溫，保溫時(shí)間為1.5～6 h；第三階段，排氣后開(kāi)罐冷卻，取出樣品，常溫環(huán)境中放置24 h。

桉木熱處理溫度、時(shí)間組合處理?xiàng)l件如表1，以未進(jìn)行熱處理的素材（CK）作為對(duì)照組。

表1 熱處理工藝Table1 Heat treatment process

1.4 材性檢測(cè)方法

1.4.1 尺寸穩(wěn)定性檢測(cè) 本試驗(yàn)采用干縮性和濕脹性評(píng)價(jià)木材熱處理前后的尺寸穩(wěn)定性指標(biāo)，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1932—2009[6]和GB/T 1934.2—2009[7]測(cè)試樣品的弦向干縮性、徑向干縮性和體積干縮性以及弦向濕脹性、徑向濕脹性和體積濕脹性。

將木材制成20 mm×20 mm×20 mm 的小試件，分成兩小組，分別進(jìn)行干縮性試驗(yàn)和濕脹性試驗(yàn)。

1.4.2 力學(xué)性能試驗(yàn) 用萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，按照國(guó) 家 標(biāo) 準(zhǔn)GB/T 1936.1—2009[8]、GB/T 1936.2—2009[9]規(guī)定要求進(jìn)行檢測(cè)，將試件制成300 mm（長(zhǎng)）×20 mm（寬）×20 mm（厚）的規(guī)格備用。

2 結(jié)果與分析

2.1 尺寸穩(wěn)定性

2.1.1 干縮率 水蒸汽熱處理前后木材干縮率的變化規(guī)律如圖1、圖2 所示，與CK 相比，熱處理后的木材弦向、徑向干縮率和體積干縮率均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，降低幅度范圍在0.7%～54.6%，抗干縮性能得到明顯增強(qiáng)。其中TDCS、ADCS、TDRS、ADRS、TDVS、ADVS 最 大 降 低 幅 度 分 別 為35.7%、47.1%、54.6%、50.7%、37.6%、45.4%，均出現(xiàn)在H2107 組，即210 ℃熱處理6 h。

圖1 中5 組曲線顯示：當(dāng)熱處理溫度一定，干縮率隨熱處理時(shí)間延長(zhǎng)呈現(xiàn)波動(dòng)趨勢(shì)，在150 ℃、170 ℃、190 ℃、200 ℃、210 ℃時(shí)分別在（1.5～3）h、（1.5～3）h、（1.5～4.5）h、（4.5～7）、7 h 時(shí)間范圍內(nèi)獲得相對(duì)較低的干縮率。這說(shuō)明，在較低溫度時(shí)，短時(shí)間的熱處理后木材內(nèi)的水分揮發(fā)完畢，再延長(zhǎng)熱處理時(shí)間對(duì)木材的尺寸影響較??；而在較高溫度時(shí)，由于木材的收縮不僅僅有水分揮發(fā)導(dǎo)致，還有部分有機(jī)組分揮發(fā)導(dǎo)致，因而熱處理時(shí)間的延長(zhǎng)對(duì)木材的尺寸影響更明顯。圖2 中4 組曲線表明：相同熱處理時(shí)間下，干縮率隨熱處理溫度升高呈現(xiàn)波動(dòng)趨勢(shì)。

圖1 熱處理時(shí)間對(duì)桉木干縮性的影響Fig.1 Effect of heat treatment time on drying shrinkage of Eucalyptus

圖2 熱處理溫度對(duì)桉木干縮性的影響Fig.2 Effect of heat treatment temperature on drying shrinkage of Eucalyptus

2.1.2 濕脹率 水蒸汽熱處理前后木材濕脹率的變化規(guī)律如圖3、圖4 所示，與CK 相比，弦向、徑向濕脹率和體積濕脹率均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，降低幅度范圍在1.1%～60.1%，抗干濕脹性能得到明 顯 增 強(qiáng)。其 中CS1、CS2、RS1、RS2、VS1、VS2 降低最大幅度分別為60.1%、47.3%、45.2%、51.5%、42.3%、49.1%，CS1 降低最大幅度出現(xiàn)在H2005 組即200 ℃熱處理4.5 h，其它均出現(xiàn)在H2107 組，即210 ℃熱處理6 h。

圖3 中5 組曲線顯示：在熱處理溫度一定時(shí)，濕脹率隨熱處理時(shí)間延長(zhǎng)大體呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，個(gè)別出現(xiàn)小幅度上升現(xiàn)象，在150 ℃、170 ℃、190 ℃、200 ℃、210 ℃時(shí) 分 別 在（4.5）h、（4.5～7）h、（4.5）h、（4.5）h、（4.5～7）h 時(shí) 間 范圍內(nèi)可獲得相對(duì)較低的濕脹率。

圖3 熱處理時(shí)間對(duì)桉木濕脹性的影響Fig.3 Effect of heat treatment time on wet swelling of Eucalyptus

圖4 中4 組曲線表明：相同熱處理時(shí)間下，濕脹率隨熱處理溫度升高呈現(xiàn)波動(dòng)趨勢(shì)。在溫度區(qū)域比低溫?zé)崽幚砟静牡臐衩浡室停@是由于易受濕脹影響的木材內(nèi)部細(xì)胞壁內(nèi)纖絲、微纖絲線等成分熱處理后受到了破壞，導(dǎo)致吸水后不能產(chǎn)生膨脹或收縮及木材內(nèi)部半纖維素受熱分解，從而使熱處理木材整體的濕脹率降低。

圖4 熱處理溫度對(duì)桉木濕脹性的影響Fig.4 Effect of heat treatment temperature on wet swelling of Eucalyptus

2.2 力學(xué)性能

水蒸汽熱處理溫度對(duì)桉木MOR 和MOR 的變化規(guī)律如圖5、圖6 所示。由圖5、圖6 可知，與CK 相比，熱處理后木材的MOR 均有不同幅度減小，在4 組不同處理時(shí)間下，隨溫度升高，MOR降幅在3.2%～59.4%區(qū)間，其中H2005 組的MOR降幅最大，達(dá)59.4%，即溫度為200 ℃、處理時(shí)間為4.5 h；H1907 組的MOR 降幅最小，為3.2%，即溫度為190 ℃、處理時(shí)間為6 h，力學(xué)強(qiáng)度基本未受影響。熱處理后木材的MOE 除H1501、H1905 有小幅度減小外，其余組均不同幅度升高，增幅在7.0%～52.7%區(qū)間，其中H1907 組的MOE提高最多，達(dá)52.7%，即溫度為190 ℃、處理時(shí)間為6 h，而H1501、H1905 有小幅減小，降幅分別為1.2%、3.2%。

圖5 熱處理溫度對(duì)桉木MOR 的影響Fig.5 Effect of heat treatment temperature on MOR of Eucalyptus

圖6 熱處理溫度對(duì)桉木MOE 的影響Fig.6 Effect of heat treatment temperature on MOE of Eucalyptus

雖然桉木經(jīng)高溫?zé)崽幚砗罅W(xué)性能有所降低，但與制備家具常用的人造板材料相比，力學(xué)性能仍具有較大的優(yōu)勢(shì)，可以根據(jù)不同使用要求來(lái)制定最合適的熱處理工藝。

3 結(jié)論與討論

蒸汽熱處理可顯著提高桉木的抗干縮性能和抗?jié)衩浛s性能，改善木材的尺寸穩(wěn)定性，其中熱處理桉木的干縮率和濕脹率最大降幅分別可達(dá)54.6%和60.1%，蒸汽處理溫度和時(shí)間對(duì)桉木干縮率和濕脹率均有明顯影響，且溫度的影響更為顯著。熱處理材尺寸穩(wěn)定性提高是由于木材中的親水性基團(tuán)羥基(-OH)在熱處理過(guò)程中發(fā)生化學(xué)交聯(lián)縮合反應(yīng)，生成新的憎水性物質(zhì)，因此降低了木材的對(duì)水分的吸濕性，提高了木材的尺寸穩(wěn)定性，此外木質(zhì)素的降解也會(huì)導(dǎo)致木材濕脹性降低，這與丁濤等[10]、王喆等[11]的研究一致，研究指出木材在熱處理過(guò)程中部分化學(xué)鍵發(fā)生斷裂并伴隨新化學(xué)鍵的形成，木材內(nèi)部化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，因此對(duì)木材的吸濕和平衡起到了阻滯和延遲的作用。

蒸汽熱處理使桉木的抗彎強(qiáng)度有不同幅度降低，抗彎彈性模量有不同幅度增加，其中抗彎強(qiáng)度最大降幅為59.4%，抗彎彈性模量最大增幅為52.7%，個(gè)別溫度處理的桉木抗彎彈性模量有3%左右降低。木材抗彎強(qiáng)度與木材纖維之間的橫向聯(lián)結(jié)密切有關(guān)，它主要依靠纖維素與半纖維素的聯(lián)結(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)。高溫?zé)崽幚硎拱肜w維素發(fā)生降解，破壞了半纖維素、纖維素與木素之間的聯(lián)結(jié)，減少了聯(lián)結(jié)點(diǎn)的數(shù)量，斷裂點(diǎn)增加，使得胞間層劈裂[12-14]，從而降低了木材抗彎強(qiáng)度。雖然桉木經(jīng)高溫?zé)崽幚砗罅W(xué)性能有所降低，但與制備家具常用的人造板材料相比，力學(xué)性能仍具有較大的優(yōu)勢(shì)，可用于家具、木地板、室內(nèi)外建筑裝飾材料等，可以依據(jù)不同的使用要求選擇不同的處理溫度和時(shí)間。而且由于產(chǎn)地、品種等不同使得桉樹(shù)自身材性各異，針對(duì)不同種的桉樹(shù)，深入研究其熱改性機(jī)理，制定出更適合不同產(chǎn)品的桉樹(shù)熱處理工藝，將有效推動(dòng)桉樹(shù)產(chǎn)業(yè)，保障人工林桉樹(shù)資源的健康發(fā)展。