热处理对落叶松板材耐久性及力学性能的影响

华杰琼　罗法三　许民

摘要：本研究是以生物质燃气为热处理介质对落叶松板材进行热处理，处理温度为210℃，处理时间为4 h，检测分析落叶松板材热处理后对室外耐久性、物理力学性能及室内抑菌性的影响。结果表明：经过热处理后落叶松板材的室外耐久性和室内抑菌性均有改善，尺寸稳定性提高，除顺纹抗压强度和抗弯弹性模量略有提高，其它力学性能总体呈下降趋势。

关键词：热处理；落叶松板材；耐久性；力学性能

中图分类号：S 781文献标识码：A文章编号：1001-005X（2015）01-0046-03

The Effects of Heat Treatment on Durability

and Mechanical Properties of Larix spp.

Hua Jieqiong，Luo Fasan，Xu Min*

（Key Laboratory of BioBased Material Science and Technology of Ministry of Education，

Northeast Forestry University，Harbin 150040）

Abstract：Larix spp.plates were heated by biomass gas at processing temperature of 210℃ and processing time of 4 hours.The exterior durability，physical and mechanical properties，and antibacterial activity of Larix spp.plates were tested and analyzed.The results showed that the exterior durability，antibacterial activity and dimensional stability of Larix spp.were improved after heat treatment.The compression strength parallel to the grain and bending modulus of elastic（MOE）increased slightly while other mechanical properties decreased.

Keywords： heat treatment；larix spp.plate；durability；mechanical properties

收稿日期：2014-6-12

基金项目：国家林业公益性行业专项（201204709）

第一作者简介：华杰琼，硕士研究生。研究方向：木材热处理。

*通讯作者：许民，教授，博士生导师。研究方向：木材保护、生物质复合材料。

引文格式：华杰琼，罗法三，许民.热处理对落叶松板材耐久性及力学性能的影响[J].森林工程，2015，31（1）：46-48.木材高温热处理是指在保护性气体环境或液体介质中，对木材进行短期热解处理（温度160～250℃）的一种木材物理保护技术[1]。采用热处理技术能够有效提高木材的尺寸稳定性和耐腐性能，大幅度提高低质木材的产品附加值，实现了低质木材的高效利用。

热处理主要采用氮气、二氧化碳等做保护气体，存在的主要问题是处理成本高，热处理时从木材中蒸馏出来的物质含有酚类、焦油等气体，对环境造成污染。本研究采用的生物质燃气主要来源于木质废弃物，以此作为热源和加热介质对木材进行热处理，与其它热处理介质（如植物油等）相比，具有处理成本低、燃料来源广泛、绿色环保等特点。同时通过采用等离子技术对从木材中蒸馏出的有害物质进行处理，处理后排出的气体以二氧化碳和水的形式排到室外，对环境没有污染[2]。

本实验以落叶松板材为研究对象，采用生物质燃气作为介质进行热处理，依据前期的探索性试验结果，选择处理温度210℃、处理时间4h的热处理条件。将热处理试件按照国家标准要求进行野外埋地试验及室内抑菌性试验，同时分析检测热处理木材物理力学性能的变化，为落叶松热处理板材的更加广泛合理利用提供前期基础研究。

1 材料与方法

1.1试验材料

落叶松，购自黑龙江省绥芬河市林业局，按标准要求加工成板材，尺寸为2 000×200×25（mm），将板材干燥至含水率约为8%。

1.2试验方法

（1）热处理工艺。首先将生物质材料干燥后进行颗粒化处理，作为待用燃料。具体热处理工艺如图1所示。热处理过程如下：将燃料点燃，在4～6 h内升温至103℃，将待处理材烘至绝干；然后进行水蒸气喷蒸，继续升温至210℃，并保温4 h；最后在温度降至100℃以下，调节处理材含水率至4%～6%，并在温度降到40℃左右时取出。

图1热处理工艺流程

Fig.1 Technological process of heat treatment

（2）性能检测。按照GB/T 13942.2-2009对落叶松素材及处理材进行野外埋地试验，试件规格为300×20×20（mm）。依据GB/T 1931-2009至GB/T 1941-2009系列标准对落葉松素材及处理材进行物理力学性能检测。试件规格包括20×20×20（mm）（干缩性、湿涨性试件），300×20×20（mm）（抗弯强度、抗弯弹性模量、冲击韧性试件），30×20×20（mm）（横纹抗压强度、顺纹抗压强度试件），20×20×10（mm）（室内抑菌性试件）。

第1期华杰琼等：热处理对落叶松板材耐久性及力学性能的影响

森林工程第31卷

2结果与分析

2.1落叶松热处理材室外耐久性

按照GB/T 13942.2-2009的规定，选择野外埋地试验后取出的试件完好指数作为木材天然耐久性的评价指标。对所有试件进行检测，检测时根据试件腐朽和白蚁蛀蚀程度将试件评为10、9.5、9、8、7、6、4和0共8个等级，10表示试件完好，0表示试件已经被完全腐朽或者被蛀断。

落叶松热处理材室外耐久性的完好指数变化如图2所示。由图2可知，落叶松处理材的各年份完好指数高于素材；野外埋地试验时间越长，处理材的优势越明显；落叶松处理材各年份完好指数的平均值分别为8.975、8.175、6.25、4.95，较素材分别提高5.6%、26.7%、135.8%和175%。由此可见，在本试验所选择的温度及时间条件下落叶松热处理材的室外耐久性明显提高。其原因是由于腐朽菌主要通过分泌各种降解酶，分解木材的纤维素、半纤维素、木质素，使木材结构完全破坏[3]。而在热处理过程中，木材中的半纤维素首先发生降解，随着热处理温度的升高，大分子链断裂产生了自由基，这些新产生的基团和分子作为木材的保护剂，使得木材的耐腐朽菌性能得以提高[4-5]。

图2落叶松热处理材的各年份完好指数的变化

Fig.2 The changes of intact index of heat treated larix spp.in all years

2.2落叶松热处理材室内抑菌性

210℃、4 h热处理条件下，落叶松对密粘褶菌的抑制性能如图3所示。落叶松处理材的耐腐性能明显增加，质量损失率由46%下降为5%，参照标准中木材天然耐腐性能等级进行分级，结果表明落叶松处理材的耐腐性能达到I级（强耐腐）指标。落叶松耐腐性的提高原因：一方面是由于热处理过程中木材中半纤维素发生变化，特别是多糖、醛、酸等发生化学变化，生成疏水的聚合物；另一方面因为纤维素分子链上的羟基结合形成氢键，使木材的吸湿性降低，因而破坏了菌类生活所必需的水分和营养物质，从而抑制了真菌的生长和繁殖，最终提高木材的室内耐腐性。

图3落叶松热处理材的室内抑菌性

Fig.3 The indoor antibacterial activity of heat treated larix spp.

2.3落叶松热处理材密度及尺寸稳定性

落叶松的密度变化如图4所示。木材热处理后密度由原来的0.734 g/cm3降低到0.563 g/cm3，下降23%。分析其原因在于木材在高温热处理过程中，内含物随着水分的蒸发而溢出，组成的主要成分纤维素、半纤维素和木质素部分分解成小分子或者气体，导致木材密度下降。由图4还可见，热处理后落叶松的尺寸稳定性增加，这表现在木材热处理后湿胀率明显降低，平均值较素材降低51.3%；干缩率下降较小，较素材降低约6%，干缩性变化较小的原因是由于干缩性是在含水率为8%的条件下测定的。落叶松尺寸稳定性增加的原因是在高温作用下，细胞壁中的一些结合水上的-OH发生缔合，由于水分子间形成新的氢键，从而减小了纤维素分子间的距离；期间纤维素、半纤维素间的游离羟基与羟基和羧基间发生脱水反应，减少了游离羟基的含量。

图4落叶松密度及尺寸稳定性的变化

Fig.4 Variation of larix spp.density and dimension

durability under the treatment of 210 ℃ for 4h

2.4落叶松热处理材力学强度

落叶松热处理材的力学性能变化如图5和图6所示，见表1。

图5落叶松热处理材力学强度的变化

Fig.5 Variaion of the strength intensity of heat treated larix spp.

由图5可见，在210℃、4h的热处理条件下，落叶松的抗弯强度下降，平均值较素材下降23%；而抗弯弹性模量有小幅度的提高，平均值较素材提高16%。图5表明，落叶松热处理材顺纹抗压强度有所升高，平均值较素材提高6.5%；横纹全部抗压强度下降，平均值较素材下降约30%。由表1可知，在210℃、4h的热处理条件下，落叶松的弦面硬度、冲击韧性、顺纹剪切强度均有不同程度的下降，平均值较素材分别下降30.6%、25.5%和11.5%。

图6落叶松热处理材抗压强度的的变化

Fig.6 Variation of the compressive strength of heat treated larix spp.

表1落叶松热处理材其它力学强度变化

Tab.1 The changes of other mechanical strength of heat treated larix spp.

弦面硬度/N冲击韧性/kJ·m-2顺纹抗剪强度/MPa素材4 64020013.1处理材3 22014911.6

由此可见，在210℃、4 h的热处理条件下，落叶松热处理材总体的力学性能呈降低趋势，这可能由于高温热处理过程中，高温使木素软化，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，導致胞间层劈裂，降低了木材的力学强度[6-9]。同时，经过多次的反复试验发现，热处理木材的抗弯弹性模量和顺纹抗压强度与未处理木材相比略有升高，这可能是由于木材内无定形区水分流失，结晶区面积增加，使得纤维排列方向趋于一致，此时热降解反应尚未占据主导地位，导致热处理材的抗弯弹性模量有所增加[10-14]。

3结果与讨论

（1）在210℃、4 h的热处理条件下，落叶松的室外耐久性和室内抑菌性均获得改善，室外耐久性各年份完好指数较素材分别增加5.6%、26.7%、135.8%和175%，室内抑菌性的质量损失率由46%下降为5%，达到强耐腐等级。

（2）落葉松热处理材的尺寸稳定性得到改善，其中湿涨率改善显著，提高50%以上；干缩率改善效果不大，密度略有降低。

（3）落叶松热处理材的力学性能除抗弯弹性模量和顺纹抗压强度略有提高外，其它总体呈下降趋势，其中抗弯强度降低最为明显，但是低于25%。

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[责任编辑：刘美爽]