热处理对尾赤桉木材物理力学性能的影响

廖 立，涂登云,，李重根，周桥芳，张少川，吴向阳

(1.华南农业大学 林学院，广东 广州 510642；2.浙江世友木业有限公司研发中心，浙江 湖州 313009)

热处理对尾赤桉木材物理力学性能的影响

廖 立1，涂登云1,2，李重根1，周桥芳1，张少川1，吴向阳2

(1.华南农业大学 林学院，广东 广州 510642；2.浙江世友木业有限公司研发中心，浙江 湖州 313009)

采用185℃温度对尾赤桉木材进行了热处理研究, 并对处理材和素材进行了物理、力学性能对比研究。结果表明：热处理提高了尾赤桉木材的尺寸稳定性，在环境温度30℃，相对湿度45%～ 90%变化范围内，处理材含水率的变化比素材降低了30.6%，顺纹、径向、弦向尺寸变化率分别减少了25.4%、25.2%、33.8%；处理后顺纹抗压强度降低了14.8%；径切面、弦切面、端面的硬度分别升高了33.1%、12.8%、1.4%；抗弯强度降低了43.8%；弹性模量增加了37.2%。

尾赤桉木材；热处理；物理力学性能

尾赤桉是我国南方重要的速生树种之一，具有生长迅速，适应性强，木材产量高等优点，但也存在尾赤桉实木制品易变形的问题，严重制约了其实用价值和产品附加值的提高。

木材热处理是一种物理改性方法，能够使木材的吸湿性显著降低，从而提高其尺寸稳定性。在芬兰、法国和荷兰等国已开展了木材高温热处理技术的系统研究，形成了比较成熟的处理工艺[1-4]。Obataya, Yildi相继对热处理材的吸湿性、力学性能及化学成分变化进行了分析[5-6]。我国对木材高温热处理技术的研究始于最近10 年，处于起步阶段[7]。涂登云等[8]研究了高温热处理对水曲柳板材尺寸稳定性的影响。黄荣凤等[9]研究了热处理对毛白杨木材物理力学性能的影响。李贤军等[10]对热处理木材吸湿性及尺寸稳定性进行了研究。

为解决尾赤桉木在使用过程中尺寸稳定性差的缺点，笔者以速生材尾赤桉为研究对象，采用185 ℃热处理方法对其进行尺寸稳定性改良，并研究热处理对尾赤桉木材物理力学性能的影响。为解决尾赤桉木在实木化利用过程中易变形的关键难题提供理论基础和参考,对尾赤桉木实木化加工利用及产品附加值的提高具有重要意义。

1 材料与设备

1.1 试验材料

试验所用材料产自广东清远，7年生，胸径16 cm。试验试件规格500 mm（长）×120 mm（宽）×60 mm(厚)。参照苏晓华等[11]对尾巨桉木材制定的干燥基准，经常规干燥后，试件含水率为8%～10%。经四面刨光后，选取无缺陷的试件20块，其中10块用于热处理，10块用作对比材。

1.2 试验仪器

推台锯；电热鼓风干燥箱(温度范围：室温5～250 ℃)；恒温恒湿箱(控温范围：-10～100℃；控湿范围：35%～95%)；常压过热蒸汽窑式热处理设备(容积30 m3，最高温度220 ℃)；万能力学实验机(日本岛津公司生产)；电子天平(精确到0.001 g)；游标卡尺(精确到0.01 mm)。

2 试验方法

2.1 高温热处理方法

①将含水率10%以下的试件，在干球温度T干=95 ℃，湿球温度T湿=65 ℃条件下干燥至含水率小于5%；②以15 ℃/h升温速度，将T干升至185 ℃，升温过程中保持T湿=100 ℃。③在T干=185 ℃，T湿=100 ℃条件下，保温热处理3 h。④保持T湿=100 ℃，把T干降低至110 ℃以下，关闭风机，加湿器，闷窑降温。⑤T干降低至60 ℃以下时，试验结束。

2.2 稳定性测试方法

按照GB/T1929-2009木材物理力学试材锯解及试样截取方法规定，从每块试样中截取尺寸为20 mm×20 mm×20 mm试样8个，总共160个。同一块木材中截取的试样分为一组并编号。先将木材放置于烘箱中，按国标GB/T1931-2009中的规定，烘至绝干，记录绝干质量m0及径、弦向尺寸。然后将木块放置在温度为30 ℃，相对湿度为45%的恒温恒湿箱中，每24 h测量一次试件重量，当两次测量的试件重量变化小于0.002 g,认为木块含水率在此条件下达到平衡，测得木块此时的质量m1，精确至0.001 g，并测量木块径、弦尺寸，精确至0.01 mm。将恒温恒湿箱温度设置为30 ℃，相对湿度设为90%，待质量恒定后，测量木块质量m2及各向尺寸。

结果计算：

式中mx表示每次木块平衡后质量，g；m0表示木块绝干质量。

式中βw表示木材湿胀率，%；lw表示不同湿度下的尺寸，mm；l0表示绝干尺寸，mm。

(3)含水率变化：W变=W90-W45。

式中W变表示环境相对湿度由45%升至90%，木材含水率变化，%；W90与W45分别表示相对湿度90%和45%下的木材含水率，%。

(4)尺寸变化率：β变=β90-β45。

式中β变表示环境相对湿度由45%升至90%，木材尺寸变化率，%；β90与β45分别表示相对湿度90%和45%下的木材湿胀率，%。

2.3 力学性能测试

木材顺纹抗压强度测试依据国家标准GB/T1935-2009要求进行,处理材与素材试样各为30块；木材硬度测试依据国家标准GB/T1941-2009要求进行，处理材与素材试样各15块；木材抗弯强度及弹性模量测试依据国家标准GB/T1936.1-2009及GB/T1936.2-2009要求进行，处理材与素材试样各30块。

3 结果与分析

3.1 稳定性对比

由表1可知，高温热处理材含水率变化值比素材降低了30.6%。顺纹、径向、弦向尺寸变化率分别减少了25.4%、25.2%、33.8%。这是因为热处理使得木材细胞壁三大主成分物质中最具吸湿性能的半纤维素含量降低[12]，木材中吸湿的羟基减少，吸湿性下降，稳定性提高。热处理对尾赤桉尺寸稳定性的改善效果显著。

表1 环境湿度变化对处理材与素材稳定性的影响†Table 1 Effects of environmental humidity change on stability of treated and control samples

3.2 顺纹抗压强度

由表2可知，经过高温热处理后，尾赤桉木材的顺纹抗压强度降低了14.8%。高温热处理后的尾赤桉木材顺纹抗压强度仍保持较高水平，顺纹方向能够满足制造家具的抗压强度要求。

表2 处理材与素材顺纹抗压强度†Table 2 Compressive strength parallel to grain of treated and control samples

3.3 表面硬度

经高温热处理后，木材各向表面硬度发生变化，但变化程度不同，径切面、弦切面、端面硬度分别升高了33.1%、12.8%、1.4%。纤维素、半纤维素和木素是组成木材细胞壁的主要成分。当处理温度不高于200 ℃时，木材细胞壁物质中的提取物和挥发性成分流失。此外，热稳定性较差的半纤维素发生部分结构重组或降解，分子链中羟基脱落。纤维素无定形区内水分的散失及相邻纤维素表明的靠拢，使纤维素分子链排列得更加紧密，纤维素分子链之间的羟基发生“架桥”反应，并形成了新的氢键结合，使纤维素分子结晶度增加[13]，因此木材表面硬度增大。

表3 处理材与素材表面硬度†Table 3 Surface hardness of treated and control samples kN

3.4 抗弯强度及弹性模量

高温热处理使尾赤桉木材抗弯强度降低，弹性模量增加。相比素材，处理材抗弯强度降低了43.8%，弹性模量增加了37.2%。木材抗弯强度与木材纤维和纤维之间横向联结强度有关，它主要靠纤维素与半纤维素的联结来实现。高温热处理使木素软化，半纤维素发生降解，这破坏了半纤维素、木素与纤维素的联结，减少了半纤维素与纤维素的联结点数量，断点数量增加，导致胞间层劈裂[14-16]，降低了木材抗弯强度。

表4 处理材与素材抗弯强度及弹性模量Table 4 MOR and MOE of treated and control samples

4 结 论

(1)185 ℃高温热处理对尾赤桉木材的材性改善有显著效果，具体表现为改善了尾赤桉含水率稳定性及尺寸稳定性，提升了尾赤桉表面硬度，但在改善上述性能的同时木材的化学结构发生变化，导致热处理后的木材顺纹抗压和抗弯强度下降,在利用热处理技术处理尾赤桉木材时，应加以考虑。

(2)185 ℃高温热处理虽降低了尾赤桉木材的部分力学性能，但是主要力学性能指标基本能够满足制造家具要求，可以应用于实木地板、实木家具等领域。

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Effects of heat treatment on physical-mechanical properties of E.urophylla×E.camaldulensis

LIAO Li1,TU Deng-yun1,2, LI Chong-gen1, ZHOU Qiao-fang1, ZHANG Shao-chuan1, WU Xiang-yang2
(1. College of Forestry, South China Agriculture University, Guangzhou 510642, Guangdong, China; 2. Zhejiang Shiyou Timber Co.Ltd.,Huzhou 313009, Zhejiang, China)

The E.urophylla×E.camaldulensis were treated under 185℃ thermal surrounding, whose physical and mechanical properties were analyzed by contrasting before and after heating treatments. The results indicate that the heating treatments signif i cantly promoted the dimensional stability of E.urophylla×E.camaldulensis; the moisture content heating-treated were reduced by 30.6%, the dimensional decrease rates of longitudinal, radial, tangential of the bamboo wood were respectively 25.4%, 25.2%, 33.8%, lower than the normal bamboo wood under the conditions of 30 ℃ and relative humidity 45%～90%. After being heat-treated, the compressive strength for parallel to grain direction decreased by 14.8%; the surface hardness of radial section, tangential section, and cross-section increased by 33.1%, 12.8%, 1.4% separately; the modulus of rupture (MOR) lessened by 43.8%；the modulus of elasticity (MOE) enchanced 37.2%.

E.urophylla×E.camaldulensis wood；heating treatment；physical and mechanical properties

S781.29

A

1673-923X(2013)05-0128-04

2012-11-08

国家农业科技成果转化资金项目（2012GB2C200180）

廖 立（1989-），广东梅州人，硕士研究生，研究方向为木材科学与技术

涂登云，副教授，博士，主要从事木材干燥及木材改性研究；E-mail：tudengyun@163.com

[本文编校：吴 毅]