廖 立，涂登云,，李重根，周橋芳，張少川，吳向陽

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，廣東 廣州 510642；2.浙江世友木業(yè)有限公司研發(fā)中心，浙江 湖州 313009)

熱處理對尾赤桉木材物理力學(xué)性能的影響

廖 立1，涂登云1,2，李重根1，周橋芳1，張少川1，吳向陽2

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，廣東 廣州 510642；2.浙江世友木業(yè)有限公司研發(fā)中心，浙江 湖州 313009)

采用185℃溫度對尾赤桉木材進行了熱處理研究, 并對處理材和素材進行了物理、力學(xué)性能對比研究。結(jié)果表明：熱處理提高了尾赤桉木材的尺寸穩(wěn)定性，在環(huán)境溫度30℃，相對濕度45%～ 90%變化范圍內(nèi)，處理材含水率的變化比素材降低了30.6%，順紋、徑向、弦向尺寸變化率分別減少了25.4%、25.2%、33.8%；處理后順紋抗壓強度降低了14.8%；徑切面、弦切面、端面的硬度分別升高了33.1%、12.8%、1.4%；抗彎強度降低了43.8%；彈性模量增加了37.2%。

尾赤桉木材；熱處理；物理力學(xué)性能

尾赤桉是我國南方重要的速生樹種之一，具有生長迅速，適應(yīng)性強，木材產(chǎn)量高等優(yōu)點，但也存在尾赤桉實木制品易變形的問題，嚴重制約了其實用價值和產(chǎn)品附加值的提高。

木材熱處理是一種物理改性方法，能夠使木材的吸濕性顯著降低，從而提高其尺寸穩(wěn)定性。在芬蘭、法國和荷蘭等國已開展了木材高溫?zé)崽幚砑夹g(shù)的系統(tǒng)研究，形成了比較成熟的處理工藝[1-4]。Obataya, Yildi相繼對熱處理材的吸濕性、力學(xué)性能及化學(xué)成分變化進行了分析[5-6]。我國對木材高溫?zé)崽幚砑夹g(shù)的研究始于最近10 年，處于起步階段[7]。涂登云等[8]研究了高溫?zé)崽幚韺λ宀某叽绶€(wěn)定性的影響。黃榮鳳等[9]研究了熱處理對毛白楊木材物理力學(xué)性能的影響。李賢軍等[10]對熱處理木材吸濕性及尺寸穩(wěn)定性進行了研究。

為解決尾赤桉木在使用過程中尺寸穩(wěn)定性差的缺點，筆者以速生材尾赤桉為研究對象，采用185 ℃熱處理方法對其進行尺寸穩(wěn)定性改良，并研究熱處理對尾赤桉木材物理力學(xué)性能的影響。為解決尾赤桉木在實木化利用過程中易變形的關(guān)鍵難題提供理論基礎(chǔ)和參考,對尾赤桉木實木化加工利用及產(chǎn)品附加值的提高具有重要意義。

1 材料與設(shè)備

1.1 試驗材料

試驗所用材料產(chǎn)自廣東清遠，7年生，胸徑16 cm。試驗試件規(guī)格500 mm（長）×120 mm（寬）×60 mm(厚)。參照蘇曉華等[11]對尾巨桉木材制定的干燥基準，經(jīng)常規(guī)干燥后，試件含水率為8%～10%。經(jīng)四面刨光后，選取無缺陷的試件20塊，其中10塊用于熱處理，10塊用作對比材。

1.2 試驗儀器

推臺鋸；電熱鼓風(fēng)干燥箱(溫度范圍：室溫5～250 ℃)；恒溫恒濕箱(控溫范圍：-10～100℃；控濕范圍：35%～95%)；常壓過熱蒸汽窯式熱處理設(shè)備(容積30 m3，最高溫度220 ℃)；萬能力學(xué)實驗機(日本島津公司生產(chǎn))；電子天平(精確到0.001 g)；游標卡尺(精確到0.01 mm)。

2 試驗方法

2.1 高溫?zé)崽幚矸椒?/h3>

①將含水率10%以下的試件，在干球溫度T干=95 ℃，濕球溫度T濕=65 ℃條件下干燥至含水率小于5%；②以15 ℃/h升溫速度，將T干升至185 ℃，升溫過程中保持T濕=100 ℃。③在T干=185 ℃，T濕=100 ℃條件下，保溫?zé)崽幚? h。④保持T濕=100 ℃，把T干降低至110 ℃以下，關(guān)閉風(fēng)機，加濕器，悶窯降溫。⑤T干降低至60 ℃以下時，試驗結(jié)束。

2.2 穩(wěn)定性測試方法

按照GB/T1929-2009木材物理力學(xué)試材鋸解及試樣截取方法規(guī)定，從每塊試樣中截取尺寸為20 mm×20 mm×20 mm試樣8個，總共160個。同一塊木材中截取的試樣分為一組并編號。先將木材放置于烘箱中，按國標GB/T1931-2009中的規(guī)定，烘至絕干，記錄絕干質(zhì)量m0及徑、弦向尺寸。然后將木塊放置在溫度為30 ℃，相對濕度為45%的恒溫恒濕箱中，每24 h測量一次試件重量，當兩次測量的試件重量變化小于0.002 g,認為木塊含水率在此條件下達到平衡，測得木塊此時的質(zhì)量m1，精確至0.001 g，并測量木塊徑、弦尺寸，精確至0.01 mm。將恒溫恒濕箱溫度設(shè)置為30 ℃，相對濕度設(shè)為90%，待質(zhì)量恒定后，測量木塊質(zhì)量m2及各向尺寸。

結(jié)果計算：

式中mx表示每次木塊平衡后質(zhì)量，g；m0表示木塊絕干質(zhì)量。

式中βw表示木材濕脹率，%；lw表示不同濕度下的尺寸，mm；l0表示絕干尺寸，mm。

(3)含水率變化：W變=W90-W45。

式中W變表示環(huán)境相對濕度由45%升至90%，木材含水率變化，%；W90與W45分別表示相對濕度90%和45%下的木材含水率，%。

(4)尺寸變化率：β變=β90-β45。

式中β變表示環(huán)境相對濕度由45%升至90%，木材尺寸變化率，%；β90與β45分別表示相對濕度90%和45%下的木材濕脹率，%。

2.3 力學(xué)性能測試

木材順紋抗壓強度測試依據(jù)國家標準GB/T1935-2009要求進行,處理材與素材試樣各為30塊；木材硬度測試依據(jù)國家標準GB/T1941-2009要求進行，處理材與素材試樣各15塊；木材抗彎強度及彈性模量測試依據(jù)國家標準GB/T1936.1-2009及GB/T1936.2-2009要求進行，處理材與素材試樣各30塊。

3 結(jié)果與分析

3.1 穩(wěn)定性對比

由表1可知，高溫?zé)崽幚聿暮首兓当人夭慕档土?0.6%。順紋、徑向、弦向尺寸變化率分別減少了25.4%、25.2%、33.8%。這是因為熱處理使得木材細胞壁三大主成分物質(zhì)中最具吸濕性能的半纖維素含量降低[12]，木材中吸濕的羥基減少，吸濕性下降，穩(wěn)定性提高。熱處理對尾赤桉尺寸穩(wěn)定性的改善效果顯著。

表1 環(huán)境濕度變化對處理材與素材穩(wěn)定性的影響?Table 1 Effects of environmental humidity change on stability of treated and control samples

3.2 順紋抗壓強度

由表2可知，經(jīng)過高溫?zé)崽幚砗螅渤噼衲静牡捻樇y抗壓強度降低了14.8%。高溫?zé)崽幚砗蟮奈渤噼衲静捻樇y抗壓強度仍保持較高水平，順紋方向能夠滿足制造家具的抗壓強度要求。

表2 處理材與素材順紋抗壓強度?Table 2 Compressive strength parallel to grain of treated and control samples

3.3 表面硬度

經(jīng)高溫?zé)崽幚砗螅静母飨虮砻嬗捕劝l(fā)生變化，但變化程度不同，徑切面、弦切面、端面硬度分別升高了33.1%、12.8%、1.4%。纖維素、半纖維素和木素是組成木材細胞壁的主要成分。當處理溫度不高于200 ℃時，木材細胞壁物質(zhì)中的提取物和揮發(fā)性成分流失。此外，熱穩(wěn)定性較差的半纖維素發(fā)生部分結(jié)構(gòu)重組或降解，分子鏈中羥基脫落。纖維素?zé)o定形區(qū)內(nèi)水分的散失及相鄰纖維素表明的靠攏，使纖維素分子鏈排列得更加緊密，纖維素分子鏈之間的羥基發(fā)生“架橋”反應(yīng)，并形成了新的氫鍵結(jié)合，使纖維素分子結(jié)晶度增加[13]，因此木材表面硬度增大。

表3 處理材與素材表面硬度?Table 3 Surface hardness of treated and control samples kN

3.4 抗彎強度及彈性模量

高溫?zé)崽幚硎刮渤噼衲静目箯潖姸冉档?，彈性模量增加。相比素材，處理材抗彎強度降低?3.8%，彈性模量增加了37.2%。木材抗彎強度與木材纖維和纖維之間橫向聯(lián)結(jié)強度有關(guān)，它主要靠纖維素與半纖維素的聯(lián)結(jié)來實現(xiàn)。高溫?zé)崽幚硎鼓舅剀浕肜w維素發(fā)生降解，這破壞了半纖維素、木素與纖維素的聯(lián)結(jié)，減少了半纖維素與纖維素的聯(lián)結(jié)點數(shù)量，斷點數(shù)量增加，導(dǎo)致胞間層劈裂[14-16]，降低了木材抗彎強度。

表4 處理材與素材抗彎強度及彈性模量Table 4 MOR and MOE of treated and control samples

4 結(jié) 論

(1)185 ℃高溫?zé)崽幚韺ξ渤噼衲静牡牟男愿纳朴酗@著效果，具體表現(xiàn)為改善了尾赤桉含水率穩(wěn)定性及尺寸穩(wěn)定性，提升了尾赤桉表面硬度，但在改善上述性能的同時木材的化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致熱處理后的木材順紋抗壓和抗彎強度下降,在利用熱處理技術(shù)處理尾赤桉木材時，應(yīng)加以考慮。

(2)185 ℃高溫?zé)崽幚黼m降低了尾赤桉木材的部分力學(xué)性能，但是主要力學(xué)性能指標基本能夠滿足制造家具要求，可以應(yīng)用于實木地板、實木家具等領(lǐng)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

國家農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金項目（2012GB2C200180）

廖 立（1989-），廣東梅州人，碩士研究生，研究方向為木材科學(xué)與技術(shù)

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

[本文編校：吳 毅]