水熱預(yù)處理軟質(zhì)材內(nèi)部水分移動及壓縮剖面形態(tài)的響應(yīng)規(guī)律?

孔繁旭 王艷偉 何嘯宇 張子谷 孫龍祥

（久盛地板有限公司，浙江 湖州 313009）

我國人工林速生軟質(zhì)木材資源豐富，但由于其生長快、成材早、輪伐期短等原因，普遍存在材質(zhì)軟、密度及硬度低、強(qiáng)度低、變異性大等缺陷[1-2]。同樣，進(jìn)口木材如樸木（Celtissp.）、番龍眼（Pometiasp.）、樺木（Betulasp.）等也相對軟質(zhì)，密度較低。因此，在對木材密度要求較高的地板加工領(lǐng)域[3]，這兩類木材都存在使用限制。

木材壓縮密實(shí)化技術(shù)是指對木材進(jìn)行濕熱處理提高其塑性，在外力作用下將其沿橫紋方向壓縮致密，減小其胞腔的空隙體積，從而改變木材微觀、宏觀結(jié)構(gòu)，以達(dá)到提高軟質(zhì)木材密度、硬度、強(qiáng)度、耐磨等物理力學(xué)性能及裝飾性的目的。木材壓縮密實(shí)化有利于實(shí)現(xiàn)劣質(zhì)木材資源的高效利用，能夠提高產(chǎn)品附加值并拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域[4-5]。然而，壓縮后木材體積有較大損失，制造成本顯著增加[6]。與木材整體壓縮不同，層狀壓縮技術(shù)以濕、熱、力協(xié)同作用控制木材彈塑性轉(zhuǎn)化過程，形成具有高穩(wěn)定性和疏密相間層狀結(jié)構(gòu)的新木材[7]。黃榮鳳團(tuán)隊(duì)通過濕熱軟化、預(yù)熱及壓縮過程控制木材的含水率分布，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)壓縮位置、厚度可控的木材水熱軟化壓縮工藝[8-10]。

番龍眼、樸木、樺木等是實(shí)木地板生產(chǎn)中常見的闊葉材樹種，與其他地板用材相比，密度相對偏低，在使用過程中易磕碰損壞，表面產(chǎn)生凹陷；且樸木、樺木吸濕性強(qiáng)，尺寸穩(wěn)定性較差。而地板加工領(lǐng)域?qū)δ静谋砻嬗捕?、耐磨、?qiáng)度等性能要求較高，因而對密度相對較低的軟質(zhì)材進(jìn)行表面密實(shí)化處理十分必要[11-12]。同時在木材壓縮塑性變形固定處理中，還能提高尺寸穩(wěn)定性[13-14]。實(shí)木地暖地板近些年得到快速推廣[15]，在其使用過程中，鎖扣是改善地板扒縫問題、提高地板間結(jié)合力的重要手段[16]。然而，軟質(zhì)材加工鎖扣強(qiáng)度較低，當(dāng)?shù)匕灏l(fā)生干縮濕脹時，鎖扣部分區(qū)域易產(chǎn)生應(yīng)力集中，發(fā)生損壞。因此，可以將木材壓縮層分布在鎖扣區(qū)域，使其能夠承受較大應(yīng)力，以避免上述情況的發(fā)生[16]。

綜上，本研究以工廠現(xiàn)有的番龍眼、樸木、樺木3種進(jìn)口樹種地板坯料為研究對象，進(jìn)行定向壓縮密實(shí)化處理，考察浸水溫度、浸水時間、（熱壓）預(yù)熱溫度、（熱壓）預(yù)熱時間等工藝參數(shù)對木材處理效果的影響，優(yōu)化其層狀壓縮工藝。

1 材料與方法

1.1 材料

3 種實(shí)木地板坯料：番龍眼（Pometiasp.），產(chǎn)自東南亞；樺木（Betulasp.），產(chǎn)自俄羅斯；樸木（Celtissp.），產(chǎn)自美國。木材無翹曲，表面刨光平整，無開裂、蟲眼、變色等可見缺陷，含水率約12%。

隨機(jī)選取上述樹種弦切板、徑切板或介于兩者之間的板材，分別將其鋸解成6塊試材。番龍眼、樺木試材尺寸均為200 mm（長）×120 mm（寬）×18 mm（厚），樸木試材尺寸為200 mm（長）×90 mm（寬）×18 mm（厚）。

1.2 設(shè)備

熱壓機(jī)（XLB-D 500×500），浙江湖州東方機(jī)械有限公司；數(shù)顯恒溫水浴鍋（HH-6），上海力辰邦西儀器科技有限公司；X射線剖面密度檢測儀（DENSE-LAB mark 3），電子木材系統(tǒng)有限公司（德國）；電子天平，精度0.001 g，常熟市雙杰測試儀器廠；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海錦屏儀器儀表有限公司；恒溫恒濕箱，南京泰斯特試驗(yàn)設(shè)備有限公司；微型單反相機(jī)（X-T10），富士膠片（中國）投資有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 工藝設(shè)定

木材層狀壓縮工藝的具體步驟包括封端、浸水、儲存、預(yù)熱、壓制、保壓冷卻及變形固定。在“浸水”及“預(yù)熱”工序中，通過改變浸水溫度、時間及熱壓預(yù)熱時間3個因素，研究其對木材內(nèi)部水分移動規(guī)律及其壓縮剖面形態(tài)的影響。

水熱預(yù)處理的浸水工藝設(shè)定：浸水溫度分別設(shè)置為20、40 ℃和60 ℃；浸水時間為0～9 h，每隔0.5 h檢測試驗(yàn)所需指標(biāo)1 次。相同工藝條件進(jìn)行2 次重復(fù)試驗(yàn)，每組試驗(yàn)3 個重復(fù)試件。

結(jié)合水熱預(yù)處理的熱壓工藝設(shè)定：分別設(shè)定水熱預(yù)處理浸水時間為2、8 h和20 h，設(shè)置浸水溫度為20 ℃、木材浸水后儲存（平衡）時間為18 h；固定壓縮工藝的熱壓（預(yù)熱）溫度為175 ℃，設(shè)定預(yù)熱時間為20、200 s和600 s，厚度規(guī)為15 mm、實(shí)際熱壓壓強(qiáng)為6 MPa、保壓時間為15 min、冷卻溫度為90 ℃。相同工藝條件進(jìn)行2次重復(fù)試驗(yàn)，每組試驗(yàn)3個重復(fù)試件。

1.3.2 檢測指標(biāo)

1）密度。木材絕干密度和氣干密度依據(jù)GB/T 1933—2009《木材密度測定方法》測定，氣干密度（含水率12%）由當(dāng)時含水率的氣干密度（W%）和測算的絕干密度導(dǎo)出。木材絕干密度可換算孔隙率，但其內(nèi)部水分滲透依賴于有效孔隙率，即孔隙間是否連通對水分遷移有著直接影響[17]。本文僅通過密度佐證分析3 個樹種浸水狀態(tài)的吸水能力。

2）單位面積進(jìn)水量。進(jìn)水量為木材經(jīng)一定溫度、時間內(nèi)浸泡處理后，水分進(jìn)入木材內(nèi)部的質(zhì)量。樸木表面積（寬度90 mm）低于其他2 個樹種（寬度120 mm），引入指標(biāo)“單位面積進(jìn)水量”以消除表面積差異導(dǎo)致的結(jié)果誤差。木材表面積遠(yuǎn)大于側(cè)端面，且端頭封膠，因此假設(shè)水分僅從木材上下兩表面滲入。

3）進(jìn)水速率。進(jìn)水速率通過以下公式計算：

式中：v為進(jìn)水速率，g/（m2·h）；ΔG為后一次浸水時間下木材的質(zhì)量減去前一次進(jìn)水時間的質(zhì)量，g；A為試材上或下表面積，m2；Δt為浸水間隔時間（0.5 h），h；L為試材長度，m；W為試材寬度，m。

4）水分進(jìn)入深度。結(jié)合試材浸水后的密度分布與其初始狀態(tài)的密度分布計算水分進(jìn)入深度[18]。將試材在相對濕度65%、溫度20 ℃的環(huán)境中平衡，測定試材質(zhì)量，浸泡后測量剖面密度分布；浸泡試材氣干2 d后，再次放入相對濕度65%、溫度20 ℃的環(huán)境中平衡，使其質(zhì)量與浸泡前接近，測量其橫斷面剖面密度分布。

5）木材壓縮剖面形態(tài)。試材壓縮前后，靠近端部橫切。使用相機(jī)拍攝獲得試材的剖面圖像，并分析壓縮層的位置與形態(tài)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同浸水工藝3 種木材的單位面積進(jìn)水量

圖1 為不同浸水工藝下3 個樹種木材的單位面積進(jìn)水量。樹種不同、溫度不同，相同進(jìn)水時間下的進(jìn)水量存在明顯差異。溫度越高，木材的進(jìn)水量越大；溫度相同時，3 種木材的進(jìn)水量也存在較大區(qū)別，這與木材的滲透性有關(guān)[19]。

由圖1可知，當(dāng)浸水溫度為20 ℃時，木材的進(jìn)水量依次為：樸木≥樺木>番龍眼，其中樺木、樸木兩者差異較小。隨著溫度的升高，在不同浸水時間下，兩者的進(jìn)水量分別為：樺木≤樸木（20 ℃）、樺木<樸木（40 ℃）、樺木>樸木（60 ℃）。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因?yàn)椋?0 ℃下樸木內(nèi)部水分遷移能力（擴(kuò)散系數(shù)、滲透率）提升程度要大于樺木；溫度升高到60 ℃時，樺木吸水能力高于樸木，說明溫度對樺木影響較大?？梢?，不同樹種的水分遷移能力與溫度呈正比，但具體影響程度和過程還有待探討[20]。所有溫度條件下，番龍眼進(jìn)水量曲線均位于樺木、樸木進(jìn)水量曲線下方，具有統(tǒng)計學(xué)意義的顯著差異。在實(shí)際生產(chǎn)中，常溫20 ℃浸水工藝有利于降低壓縮木水熱預(yù)處理能耗。若對生產(chǎn)效率有較高要求，可適當(dāng)升高溫度改善木材的吸水能力，但也應(yīng)匹配具體層狀壓縮工藝。當(dāng)溫度過高時（超過60 ℃），進(jìn)水量、水分進(jìn)入深度不易控制。

圖1 3 種木材不同溫度下的單位面積進(jìn)水量變化Fig.1 Changes in water inflow per unit area of three types of wood at different temperatures

2.2 不同浸水工藝3 種木材的進(jìn)水速率

圖2和圖3分別為3個樹種木材在不同溫度水平下的進(jìn)水速率和平均進(jìn)水速率。可以看出，木材初始浸水時，進(jìn)水速率最高；浸水時間1 h內(nèi)，進(jìn)水速率迅速降低；之后，進(jìn)水速率曲線趨近平緩，并逐漸降低。降低拐點(diǎn)可代表不同樹種木材在不同溫度水平的吸水能力。

圖2 3 種木材不同溫度下的進(jìn)水速率變化Fig.2 The change of water inflow rate of three kinds of wood at different temperatures

由圖可知，同種木材3個溫度水平進(jìn)水速率20 ℃<40 ℃<60 ℃，溫度越高，木材中水分的滲透率和擴(kuò)散系數(shù)越大，水分子運(yùn)動速度越快，木材的進(jìn)水速率越快。隨著浸水時間的延長，木材中的進(jìn)水量增加，含水率梯度減小，3種木材進(jìn)水速率逐漸趨于一致。當(dāng)溫度為20 ℃時，樸木和樺木的進(jìn)水速率接近，番龍眼則明顯較低；當(dāng)溫度為40 ℃時，三者進(jìn)水速率有明顯差異，進(jìn)水速率表現(xiàn)為樸木≥樺木>番龍眼；當(dāng)溫度為60 ℃時，樸木和樺木的進(jìn)水速率大小關(guān)系逆轉(zhuǎn)，這與上述分析吻合。由圖3和表1也可看出，樺木在60 ℃時平均進(jìn)水速率提升較大。同時，番龍眼在此溫度下，平均浸水速率也有很大提升，為20 ℃時的2.13倍。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)不同樹種的吸水特性調(diào)整浸水工藝。

圖3 3 種木材不同溫度下的平均進(jìn)水速率Fig.3 The average water ingress rate of the three types of wood at different temperatures

表1 同種木材在浸水溫度40、 60 ℃與20 ℃時的平均進(jìn)水速率倍比關(guān)系Tab.1 The ratio of the average water ingress rate of the same kind of wood at 40, 60 ℃ and 20 ℃

2.3 不同浸水工藝3 種木材的水分進(jìn)入深度

圖4～6為3種木材在不同工藝下浸水前厚度方向氣干密度分布及浸水后密度曲線。表2為3種木材的絕干密度和氣干密度。表3為3種木材在不同浸水時間（2、4、8 h）和不同浸水溫度（20、40、60 ℃）下，水分進(jìn)入木材的深度，由圖4～6中2種密度曲線近坐標(biāo)原點(diǎn)（厚度方向一側(cè)）的分離點(diǎn)測算得出。

從表2 可看出，樸木的平均氣干密度值略低于樺木，但差異不顯著，因此兩者相同浸水工藝密度分布差異相對較小，水分進(jìn)入深度接近。番龍眼的密度顯著高于兩者，水分進(jìn)入深度小于樸木和樺木。木材浸水過程中，其表層含水率高于心層，在含水率梯度的作用下，近表層水分沿木材內(nèi)部水分遷移通道向心層遷移，表層水分則由外界水分及時補(bǔ)充，浸水時間延長，木材水分進(jìn)入量大。中心層距表層距離遠(yuǎn)，鄰近區(qū)域含水率梯度小，水分遷移難，因此木材厚度方向呈近表面密度高、近心層密度低的剖面密度分布。

表2 樺木、樸木、番龍眼3 種木材的絕干密度和氣干密度Tab.2 The absolute dry density and air dry density of the three types of birch, hackberry, and taun

由表3、圖4 可知，對于這3 種木材，當(dāng)浸水溫度為20 ℃，浸水時間為8 h時，水分均未到達(dá)木材的中心層。然而，這不代表木材壓縮時強(qiáng)化壓縮層不能位于中心位置。熱壓板預(yù)熱時會傳遞熱量，讓木材近表層水分瞬間汽化，木材內(nèi)孔隙通道會形成由表及里、較高的蒸汽壓力梯度，使表層水分迅速向中心層遷移。與此同時，木材內(nèi)部進(jìn)水量仍需達(dá)到一定程度，才能使中心層具有足夠的含水率，使之在高溫條件（本文熱壓溫度設(shè)為175℃）下迅速軟化，從而實(shí)現(xiàn)中心層的選擇性壓縮[21-22]。由數(shù)據(jù)可知，浸水溫度越高，水分?jǐn)U散系數(shù)越大，水分遷移速度越快，含水率梯度越大，則水分更易進(jìn)入木材中心層。當(dāng)浸水溫度為60 ℃，浸水時間為8 h時（圖6），樸木、樺木和番龍眼試材的水分進(jìn)入深度分別為中心（浸透）、中心（浸透）和4.64 mm（表3），番龍眼具有相對較高密度，水分較難進(jìn)入中心位置。

表3 3 種木材不同浸水工藝下的水分進(jìn)入深度Tab.3 The depth of water penetration of the wood of three tree species under different soaking processes

圖4 3 個樹種木材在浸水溫度20 ℃、不同浸水時間下厚度方向的剖面密度分布Fig.4 The profile density distribution of the wood of three tree species in the thickness direction under the water immersion temperature of 20 ℃ and different water immersion time

圖6 3 個樹種木材在浸水溫度60 ℃、不同浸水時間下厚度方向的剖面密度分布Fig.6 The profile density distribution of the wood of three tree species in the thickness direction under the water immersion temperature of 60 ℃ and different water immersion time

表4 為樹種、浸水溫度、浸水時間對水分進(jìn)入深度影響的相關(guān)性分析結(jié)果（SPSS軟件計算）。由表中結(jié)果可知，3 種因素對水分進(jìn)入木材深度的影響大小為樹種>浸水溫度>浸水時間。因此，壓縮木實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)綜合考慮三者的影響程度，匹配合適層狀壓縮工藝。

表4 3 種木材水分進(jìn)入深度與浸水工藝中因素的相關(guān)性Tab.4 Correlation between the depth of water penetration of the three types of wood and the factors in the water soaking process

圖5 3 個樹種木材在浸水溫度40 ℃、不同浸水時間下厚度方向的剖面密度分布Fig.5 The profile density distribution of the wood of three tree species in the thickness direction under the immersion temperature of 40 ℃ and different immersion time

2.4 不同壓縮工藝3 種木材的剖面形態(tài)

由前文分析結(jié)果可知，浸水時間8 h，番龍眼試材中的水分進(jìn)入深度較淺，盡管熱壓預(yù)熱可使水分遷移至中心，但若水分不足，可能導(dǎo)致中心層軟化而壓縮效果較差。因此，壓縮工藝研究階段，浸水時間水平之一延長至20 h，考察浸水時間和預(yù)熱時間對3 種木材壓縮形態(tài)的影響。

圖7為3種試材在預(yù)熱溫度175 ℃，浸水溫度20 ℃，浸水時間2、8、20 h，預(yù)熱時間20、200、600 s，不同處理工藝下的橫斷面剖面壓縮形態(tài)照片。由圖可知，預(yù)熱溫度175 ℃，基本可實(shí)現(xiàn)木材表層、中間層、中心層選擇性壓縮。表層壓縮在預(yù)熱20 s時便可實(shí)現(xiàn)；預(yù)熱200 s時，有中間層壓縮效果，圖中近表層可見清晰的壓縮邊界。預(yù)熱時試材上、下表層因水分蒸發(fā)迅速向內(nèi)部遷移，表層水分迅速干燥，其軟化程度較低，壓縮層表現(xiàn)為中間層；預(yù)熱600 s時，表層未壓縮，壓縮層更近中心。由于預(yù)熱時間延長，（近）表層蒸發(fā)水分多，內(nèi)部水分繼續(xù)向內(nèi)移動，（近）中心層水分多，高溫下軟化程度提高，壓縮層向中心層移動。

圖7 3 個樹種木材不同壓縮工藝下的剖面形態(tài)Fig.7 The cross-sectional morphology of the three wood species under different compression processes

中心層壓縮時，水分進(jìn)入量和預(yù)熱時間應(yīng)合理匹配，中心層形態(tài)才可更規(guī)則。以樺木、預(yù)熱時間200 s為例，其20 h中心層形態(tài)明顯優(yōu)于2、8 h。這是因?yàn)樗殖渥?，填充了木材?nèi)部較多孔隙，軟化壓縮更均勻。但因材性因素，木材不同區(qū)域密度不一，水分遷移難度不同。預(yù)熱20 s，水分進(jìn)入深度較淺，剖面密度分布差異對壓縮層邊界影響體現(xiàn)并不明顯；預(yù)熱時間延長（200、600 s），水分進(jìn)入深度深，遷移路徑遠(yuǎn)，密度差異影響加劇，壓縮層邊界不規(guī)則。為了獲得均勻、通直的壓縮層邊界，除了有充分的水分進(jìn)入量、合適的預(yù)熱時間，木材壓縮的紋理方向也需要考慮。目前大多數(shù)研究集中在橫紋徑向壓縮[9]?？紤]到水分?jǐn)U散系數(shù)的影響因素較復(fù)雜[23]，影響預(yù)熱及壓縮階段水分?jǐn)U散的深度、軟化的邊界一致性，且弦、徑向及半弦向的微觀層面壓縮機(jī)制也有所不同[24-25]，因此有待進(jìn)一步研究壓縮層規(guī)則邊界的影響因素，以提高壓縮木生產(chǎn)中規(guī)則壓縮層的產(chǎn)生率。

3 結(jié)論

1）樺木、樸木、番龍眼3 種木材在不同浸水工藝下單位面積進(jìn)水量有差異。溫度越高，進(jìn)水量越大。樺木和樸木的進(jìn)水量顯著高于番龍眼，而在不同浸水時間下，兩者存在明顯差異，具體為樺木≤樸木（20 ℃）、樺木<樸木（40 ℃）、樺木>樸木（60 ℃）。

2）不同溫度下，3種木材的進(jìn)水速率表現(xiàn)為20 ℃<40 ℃<60 ℃；隨著浸水時間的延長，木材水分增加，進(jìn)水速率減小。

3）樸木的平均氣干密度值略低于樺木，相同浸水工藝下，兩者的密度分布差異小、水分進(jìn)入深度接近；番龍眼密度顯著高于兩者，水分進(jìn)入深度較小。木材浸水后，厚度方向呈近表面密度高、近心層低的分布規(guī)律；影響水分進(jìn)入深度的因素按作用大小依次為樹種>浸水溫度>浸水時間。

4）熱壓預(yù)熱過程可實(shí)現(xiàn)木材表層與中心層選擇性壓縮。表層壓縮在預(yù)熱20 s時便可實(shí)現(xiàn)；預(yù)熱200 s，有中間層壓縮效果；預(yù)熱600 s，壓縮層向中心層移動；中心層壓縮時，水分進(jìn)入量和預(yù)熱時間合理匹配，中心層形態(tài)更規(guī)則。今后需進(jìn)一步研究規(guī)則壓縮層影響因素及其準(zhǔn)確控制。