高温热处理红松和橡胶木的尺寸稳定性及涂饰性能1)

严悦 李凤龙 张坤 谷雪 郭明辉

(生物质材料科学与技术教育部重点实验室(东北林业大学)，哈尔滨，150040)

对木材采用高温热处理可极大程度上提高木材品质及其可利用范围。高温热处理可以有效降低木材吸湿性，通过在热处理过程中改变木材内部结构使其不易发生翘曲变形，从而提高木材尺寸稳定性、耐腐性和抗虫害性，消除木材存在的生长应力及干燥应力等对热处理后木材湿胀干缩性能的影响。高温热处理木材采用物理方法，不需添加任何化学试剂，不会造成环境污染，符合现代科技中的绿色环保的新思想。高温热处理技术应用范围极广，不仅可以在木材干燥、房屋建筑等方面有极其广泛的应用，还能大量地应用于庭院家具、木栅、门窗和乐器等领域[1]。从加工工艺、材料选取、构造差异等多方面进行了大量全面有效的探讨及研究。热处理技术对木材的改性做出了突出的贡献。

本研究以红松及橡胶木作为试验试材，采用高温热处理的方法，以氮气为介质，分别在120、140、160、180、200、220 ℃的条件下处理4 h；再对热处理红松及橡胶木分别进行油性漆、水性漆和木蜡油涂饰，并分析涂饰后表面漆膜性能，为木材表面漆膜性能研究提供参考[2]。

1 材料与方法

1.1 材料

实验试材红松和橡胶木购买自三利雅风有限公司，热处理前，将试材锯切成20 mm(长)×20 mm(宽)×20 mm(厚)的双面刨光试件，试件在热处理前后均进行双面平整化处理，将木块分成6组，每组5块，最终数据取其平均值。参考GB/T 1931—2009对红松及橡胶木试件含水率进行检测并调整木材初始含水率为8%，除掉开裂、腐朽、变色等可见缺陷的试件。其中，为了方便记录，H表示红松，X代表橡胶木。编号A、B分别表示干缩性和湿胀性测试。标号0、1、2、3、4、5、6分别表示对照组、120、140、160、180、200，220 ℃处理温度。如，HAl表示红松在120 ℃处理条件的干缩性试件。

多乐士油性透明木器漆、多乐士水性透明木器漆(半哑光)以及朗秀木蜡油(哑光)，均为市售。

自制高温热处理设备；SPX-250BⅢ恒温恒湿箱；101-2电热烘箱；SF2000三按键电子数显卡尺；SB20002电子天平；Nicolet6700FT-IR傅里叶变换红外光谱仪。

1.2 方法

1.2.1 高温热处理

升温阶段：在初期的热处理升温阶段，以18 ℃/h的速度由室温逐步升至103 ℃；然后以12 ℃/h的升温速度由103 ℃升到120 ℃，在120 ℃时保温4 h，以同样的操作方法分别将温度升至140、160、180、200、220 ℃。在热处理过程中，要向箱体中通入氮气作为保护气，保证热处理设备内的氧气质量分数始终低于2%。

保温热处理阶段：当温度达到实验的设定值后，开始进行保温热处理实验，同时持续加大通入的氮气量用来保证避免其他副反应的发生与实验的安全。

降温阶段：待热处理结束后，关闭加热开关，停止风机的运作，使其自然冷却至室温，取出样品后密封保存。

1.2.2 干缩湿胀性检测

将处理好的试件放置于恒温恒湿箱中静置，使每个试件含水率基本达到一致。用游标卡尺分别测量每个试件三切面尺寸并称质量。将称质量后的试件置于热处理箱中，控制其温度缓慢上升，以防试件开裂变形[3]，将温度分别控制在为120、140、160、180、200、220 ℃，处理时间为4 h。处理完毕后，将所有试件放置于恒温恒湿箱中调节。按照国家标准GB/T 1932—2009和GB/T 1934.2—2009《木材物理力学性质试验方法》中测试方法测定，计算处理后试件的干缩湿胀率[4]。

热处理材的抗胀(缩)率按照下列公式计算：

式中：S0为未经过处理的体积膨胀(干缩)率；S1为处理材的体积膨胀(干缩)率。

1.2.3 FTIR的检测

利用Nicolet6700FT-IR傅里叶变换红外光谱仪对去抽提物木粉进行红外测定，扫描范围400～4 000 cm-1，分辨率4 cm-1，频率16次。

1.2.4 XRD的检测

用接触角测量仪(德国KRUSS设备公司DSA100)在恒温恒湿条件下对试件接触角进行测量，将准备好的试件放置于高度可调节的载物台上，对焦距及试件位置进行调整，使图像清晰可见[5]。在测量过程中，用蒸馏水作为滴液。从初始滴形成时开始计时，测量在水滴下落过程中接触角变化情况，每隔80 ms自动测量1次，每个处理条件下测量1个试件，每个试件测试3个点。测量完毕后用吸水纸吸去液滴。取其平均值。

1.2.5 表面涂饰

对热处理后的红松及橡胶木分别用油性漆、水性漆和木蜡油进行涂饰。试件在涂饰之前用400目的砂纸进行砂光处理至表面平整光滑，手工将油性漆、水性漆和木蜡油直接涂刷，后一次涂刷要在前一次涂刷的漆膜自然干燥后进行。每次涂刷的厚度误差控制在在5%之内，涂饰3次，待涂饰漆膜干燥后对其涂饰性能进行测定。

1.2.6 热处理红松及橡胶木涂饰后漆膜性能评价

分别按照国家标准GB/T 4893.2—2005、GB/T 4893.3—2005、GB/T 6739—2006、GB/T 4893.4—2013和GB/T 4893.8—2013进行漆膜性能测定。

2 结果与分析

2.1 尺寸稳定性的变化

2.1.1 热处理对红松及橡胶木干缩性的影响

由表1可知，红松及橡胶木的干缩率均随着热处理温度的升高逐渐下降，在各个热处理阶段干缩率下降趋势略有不同。在120～160 ℃时，木材干缩率变化幅度较小。当温度在180～220 ℃时，红松及橡胶木干缩率下降趋势较为明显，红松径向全干干缩率从5.5%降低到2.15%，橡胶木径向全干干缩率从4.97%降低到1.64%，红松径向气干干缩率从4.85%降低到1.79%，橡胶木径向气干干缩率从4.36%降低到1.77%；红松弦向全干干缩率从9.5%降低到3.2%，橡胶木弦向全干干缩率从8.92%降低到3.04%，红松弦向气干干缩率从9.2%降低到3.17%，橡胶木弦向气干干缩率从8.68%降低到3.04%。通过比较得出，经过高温热处理后，橡胶木干缩率较红松相比，下降趋势更为稳定平缓，变化幅度相对较小。

由此可知，温度是影响红松及橡胶木干缩率的重要影响因素[6]，在木材经过高温热处理过程中，其弦向及径向干缩率均有明显变化[7]。

2.1.2 热处理对红松及橡胶木湿胀性的影响

从表2中可以明显看出，热处理对木材径向及弦向湿胀率均有显著影响，在各个热处理温度下，木材从全干到气干以及从全干到吸水过程中尺寸变化均较为明显。随着热处理温度的升高，红松径向饱和湿胀率从3.37%降低到2.62%，橡胶木径向饱和湿胀率3.15%降低到2.53%；红松径向气干湿胀率从2.67%降低到1.79%，橡胶木径向气干湿胀率从2.47%降低到1.68%。同一处理时间下，随着热处理温度的升高，红松弦向饱和湿胀率从7.04%降低到4.23%，橡胶木饱和湿胀率从6.65%降低到4.05%；红松弦向气干湿胀率从4.92%降低到3.49%，橡胶木弦向气干湿胀率从4.52%降低到2.97%。

表1 红松及橡胶木热处理材的干缩率

表2 红松及橡胶木热处理材的湿胀率 %

实验数据表明热处理对提高木材尺寸稳定性有着积极的作用及效果[8]。这是由于在热处理过程中木材的羟基减少，半纤维素降解导致。

2.1.3 热处理对红松实木和集成材抗胀缩率的影响

图1为采用不同高温热处理工艺条件对红松以及橡胶木进行热处理后抗胀缩率的影响规律曲线。本实验中红松抗胀缩率的增长范围为46.8%～65.8%，橡胶木抗胀缩率的增长范围为41.2%～60.2%。可以看出随着热处理温度的不断升高，红松及橡胶木的抗胀缩率均有不同程度的上升。通过对图中两条曲线的比较分析可以看出，在相同高温热处理工艺条件下，橡胶木的尺寸稳定性比红松实木好。

图1 不同热处理工艺下的抗胀缩率

综合上述实验结果表明，随着热处理温度的不断升高，木材的抗胀缩率不断增大且木材径向的干缩率(湿胀率)始终小于弦向的干缩率(湿胀率)，这符合木材的固有特性[9]。

2.1.4 热处理对红松及橡胶木表面接触角的影响

由表3可知，在高温热处理条件下，红松和橡胶木的接触角随着温度的升高逐渐增大，其润湿性降低。温度越高，木材润湿性越差。

表3 热处理对红松及橡胶木表面接触角的影响

由于木材是各向异性材料，影响木材表面润湿性的影响因素很多。当对木材进行高温热处理时，木材内部结构发生改变，羟基基团数量变少并产生乙酰基[10]，木材亲水性降低，吸水性及吸湿性均下降。除了温度影响以外，木材含水率、孔隙率、木材表面粗糙度及木材显微排列顺序等均会对红松及橡胶木表面润湿性产生影响[11]。

2.2 漆膜性能评价

①表面耐干热：将热处理后的红松及橡胶木分别置于60、70和80 ℃的温度下，静置烘干30 min，观察到油性漆、水性漆和木蜡油形成的漆膜并未出现明显变化，判定红松及橡胶木漆膜耐干热性能均达到国家标准GB/T 4893.3—2005评定等级的一级[12]。

②表面耐湿热：将热处理后的红松及橡胶木分别在60、70和80 ℃，湿度为80%条件下，静置30 min，观察到油性漆、水性漆和木蜡油形成的漆膜表面无明显翘曲开裂现象出现，判定红松及橡胶木表面漆膜耐湿热性能达到国家标准GB/T 4893.2—2005评定等级的一级。

表4 热处理红松及橡胶木表面漆膜性能评价

③漆膜附着力：油性漆和木蜡油涂饰后的热处理红松及橡胶木表面漆膜附着力测试结果表明，表面漆膜割痕光滑，未出现剥落现象，表面漆膜附着力性能达到国家标准GB/T 4893.4—2013评定等级的一级[13]。测试中发现水性漆的漆膜附着力，在割痕交叉处出现漆膜脱落现象，漆膜附着力性能达到评定等级的二级。

④漆膜耐磨性：在砝码质量1 000 g，转数为1 000 r条件下，分别对3种涂料的漆膜性能进行测试，油性漆和木蜡油的漆膜未露白，耐磨性能达到国家标准GB/T 4893.8—2013评定等级的一级；而水性漆涂饰形成的表面漆膜呈现出露白现象，耐磨性能达到国家标准GB/T 4893.8—2013评定等级的二级。

⑤漆膜硬度：表面漆膜硬度测试结果表明，油性漆的表面漆膜在2B硬度铅笔下测定合格，水性漆的表面漆膜在3B硬度铅笔下测定合格，木蜡油的表面漆膜在HB硬度铅笔下测定合格，达到国家标准GB/T 6739—2006。

3 结论

随着热处理温度的升高，红松及橡胶木的全干干缩率和气干干缩率均呈现极为规律的降低，木材径向和弦向湿胀率明显降低。

通过高温热处理，红松和橡胶木的表面接触角增大，从而降低了木材的表面润湿性。因此，热处理可以有效的使木材的尺寸稳定性增加。

红松及橡胶木经热处理涂饰后的漆膜性能良好，水性漆、油性漆和木蜡油经涂饰后耐干热、耐湿热性能均达到国家标准评定等级的一级；油性漆、木蜡油涂饰后的附着力、耐磨性均达到国家标准要求的一级，而水性漆涂饰后的附着力、耐磨性达到国家标准要求的二级。3种涂料中，水性漆漆膜的硬度要低于油性漆和木蜡油。

[1] 李贤军,刘元,高建民,等.高温热处理木材的FTIR和XRD分析[J].北京林业大学学报,2009,31(增1):104-107.

[2] 那斌,王志鹏,王巍,等.两种方法提高速生杨木尺寸稳定性的研究[J].中南林业科技大学学报,2011,31(8):183-186.

[3] TJEERDSMA B F, MILITZ H. Chemical changes in hydrothermal treated wood: FTIR analysis of combined hydrothermal and dry heat-treated wood[J]. Holz als Roh-und Werkstoff,2005,63(2):102-111.

[4] HILLIS W E. High temperature and chemical effects on wood stability. I. General considerations.[J]. Wood Science & Technology,1985,19(1):57-66.

[5] 刘元.热处理对水与木材接触角的影响[J].中南林学院,1993，13(2):136-141.

[6] BHUIYAN T R, HIRAI N. Study of crystalline behavior of heat-treated wood cellulose during treatments in water[J]. Journal of Wood Science,2005,51(1):42-47.

[7] 李贤军,傅峰,蔡智勇,等.高温热处理对木材吸湿性和尺寸稳定性的影响[J].中南林业科技大学学报,2010,30(6):92-96.

[8] 刘彬.超高温热处理对柞木地板尺寸稳定性的影响[J].林业与环境科学,2015,31(4):75-78.

[9] 罗法三.热处理对响叶杨和落叶松性能的影响[D].哈尔滨：东北林业大学,2015.

[10] 李延军,唐荣强,鲍滨福,等.高温热处理木材工艺的初步研究[J].林产工业,2008,35(2):16-18.

[11] 李涛.水曲柳实木地板高温热处理研究[D].南京：南京林业大学,2007.

[12] 张礽.低温等离子体处理对实木地板表面漆膜性能的研究[D].南京：南京林业大学,2013.

[13] 李凤龙,严悦,谷雪,等.高温热处理落叶松的涂饰性能及涂饰后抗弯强度[J].东北林业大学学报,2017,45(10):49-52，59.