热处理木材表面粗糙度和形貌变化分析

陈磊

摘要：研究木材热处理后样品的微观表面形貌和粗糙度及方差变化，在图像与数据相互佐证的情况下，总结木材样品在热处理时间不同的情况下的变化规律，起到为以后的科研生产提供数据参考的作用。将4种木材的试样分为4组，其中一组不进行任何处理;其他3组试样放入热处理箱中，整个过程中采取水蒸汽保护，恒温180℃。随后将分组的试样放入恒温恒湿的环境中进行调制。接着在扫描电镜下对试样进行观察和拍摄，并使用表面粗糙度测定仪对其进行粗糙度测量。同时对切片进行喷金处理形貌观测。马尾松4种样品的粗糙度在1 h时变得比未处理样品大，随后才随热处理时间增加而减小。北美短叶松4种样品的粗糙度在1 h时变小，随后又因为热处理时间变长，粗糙度增加。杉木4种样品的粗糙度随热处理时间增加而逐渐减小。毛白杨4种样品的粗糙度在1 h时变得比未处理样品大，随后才随热处理时间增加而减小。4种样品的实验结果与微观图观测到的一致。关键词：热处理;粗糙度;微观形貌;木材

1.緒论

木材热处理改性后，其粗糙度的变化规律一直得到各界广泛的关注。在前人的大量文献中就可以看出，木材热处理后其粗糙度的变化规律若得到更细致更明确的总结，对板材胶合、涂饰工艺有着一定的参考价值。本文将在前人研究的基础上，重新对4种木材进行热处理实验，并将实验过程进行记录，对木材试样热处理前后粗糙度进行测量及统计，并结合扫描电镜图，以便得出木材试样的热处理粗糙度变化规律。

木质材料热处理改性首先取决于热质传递问题[1]，可以通过辅助改性提高导热性能[2]。木材高温热处理过程的二维数学模型可以用来预测高温热处理过程中木材在厚度方向上的温度和含水率分布[3]，据木材各向异性特征建立了木材纵向和横向导热系数模型[4]。木质材料改性后，表面材色、尺寸稳定性和化学性能都发生显著变化，拓展了木材的应用领域。常温条件下熏蒸色差值变化轻微[5]，饱和水蒸气或氮气保护下趋近于珍贵材颜色[2，6，7]，真空木材炭化控制系统可以保证木材炭化后的质量[8，9]。热处理显著提高木材尺寸稳定性[10]，炭化单板与木塑一次热压成户外用木地板性能优良[11]，或将木质材料与脲醛树脂浸注处理后吸水率则显著降低[12]，为实木拼板质量提供新的解决思路[13]。热处理改性后挥发性有机化合物发生变化[14]，热处理材抽提物的含量和成分改变而具有保健功能的成分部分保留[15]。就其表面粗糙度而言，虽然细胞壁受到破碎[16]，但是一般情况下是热处理后粗糙度降低[17，18]，无论是针叶材还是阔叶材[19，20]。

木材在通过高温热处理时，其本身的表面形貌及粗糙度的参数会改变。但因木材树种不一样，其粗糙度变化不一样，变化规律也不一样。实验时，通过清晰的电镜扫描，可以很好的对比其实验前后，及热处理时间不同的情况下，其样品微观表面的具体变化情况，再通过结合精确的粗糙度测量数据，来解释其粗糙度变化规律。

实验使用扫描电镜及表面粗糙度测定仪来观测马尾松、北美短叶松、杉木、毛白杨4种木材在热处理前后的表面粗糙度。依靠建立数据柱形图和微观形貌图来总结其规律变化。并与前人的研究结果作对比，对相同的理论进行支持，而实验结果不同的则进行讨论。这对轻型木结构建筑墙体结构[21]、防腐[22]、防霉变[23]和木质建筑的湿热性能评价[24]都有重大意义。

2.材料与方法

2.1 材料

马尾松（Pinus massoniana Lamb.）、北美短叶松（Pinus banksiana Lambert）、杉木（Cunninghamia lanceolata）和毛白杨（Populus tomectosa）。

2.2 方法

锯材自然干燥，含水率降至约12%左右制样，试件尺寸为300 mm×30 mm×30 mm。随后将试样分为4组，第一组作为对比试样，不做任何处理;第二组热处理1 h，第三组处理2 h，第三组处理4 h。处理时，将试样放入热处理箱中，整个过程中采取水蒸气保护，处理温度为恒定180℃，而且除热处理时间改变之外，其它条件不变。热处理结束后，将分组的试样标好记号，放入恒温恒湿的环境中进行调制。此时所有条件不变，温度设定为20℃，湿度设定为65%，调制时间为14 d。之后利用表面粗糙度测定仪（日本HANDYSURF，E-35B）观察试样表面粗糙程度，试样为与接触角使用同批试样。待液滴自然风干后测量，每个试样测量5次，沿木材纹理方向测量，测量长度12.50 mm，评定长度2.5 mm。同时进行形貌观测，利用扫描电子显微镜（日本日立，S-3400N）在试件未破坏表面切片厚约0.1 mm的木片，喷金处理进行形貌观测。

3.结果与分析

3.1 马尾松木材热处理后粗糙度及形貌分析

马尾松在蒸汽保护下进行热处理，其热处理时间及表面形貌情况由图1可知，在微观形貌上，热处理1 h样品相对于未处理材而言，表面多了大块的鳞片状颗粒，少许的细小的沟槽变成了表面大片的劈裂现象，故热处理1 h样品比未处理材要粗糙。接着在2 h、4 h处理材的图像上，随着热处理时间的延长，木痕深度变小，木痕变少，样品表面与热处理1 h相比，表面变得更平滑。故可以看出，处理1 h的样品表面最为粗糙，而2 h与4 h样品的裂痕比未处理样品的裂痕少，故未处理样品的粗糙情况甚于二者。

同时由图2得知在热处理4 h时样品柱型图最低，即粗糙度最小;热处理1 h的样品柱型图最高，即粗糙度最大;两者差值为3.28 μm。而2 h和未处理样品的粗糙度居中，但热处理2 h样品的粗糙度数值与未处理样品的粗糙度数值接近，但2 h的粗糙度略小于未处理样品。同时可以看到，热处理过程中，样品的粗糙度下降很大，说明马尾松受热处理影响较大。

由于马尾松在加热1 h时，受热处理影响，导致其样品表面裂痕变深变大，整体性较差，所以粗糙度比未处理更高，而随着热处理时间的增加，其粗糙度又逐渐变小，样品表面逐渐变稳定。其样品粗糙度在2 h时与未处理材接近，4 h时则低过未处理材。若将热处理1 h、2 h、4 h进行对比，则发现随热处理时间的增加，其样品表面粗糙度变小。

3.2北美短葉松木材热处理后粗糙度及形貌分析

在蒸汽保护热处理的情况下，北美短叶松不一样的热处理时间得到了不一样的粗糙度数据和图片。由图3可知，在微观形貌上，热处理1 h样品上的碎片比未处理的少，故其粗糙度较低，但随着热处理时间的增加，木材表面出现了深而大的裂痕，同时碎片增多，故热处理2 h比热处理1 h粗糙，到了4 h时，样品形貌劈裂比未处理时更严重。而图片上2 h样品表面的碎片情况与未处理相比略少，故其粗糙度也比未处理的略低。

同时由图4可知，整个热处理过程中，木材样品粗糙度表现为先减小后增大。其中热处理4 h的样品粗糙度最大，其数值为4.50 μm;热处理1 h的样品粗糙度最小为3.55 μm;上升了0.95 μm。而热处理2 h样品的粗糙度与未处理样品的粗糙度接近，但未处理样品粗糙度比2 h大0.04 μm。而且在热处理2 h、4 h过程中，样品柱形图之间差距不大，说明长时间处理对北美短叶松的粗糙度改变不大。

可得出结论，北美短叶松在加热1 h时，适当时间的热处理使得其样品表面逐渐变得稳定，碎片量也减少，表面与未处理样品相比也较光滑。而随着热处理时间的增加，其样品表面受到破坏，样品表面逐渐明显的开裂。其样品粗糙度在2 h之后超过了未处理材，4 h时粗糙度则更高，但4 h的样品表面比未处理的要稳定。若将热处理1 h、2 h、4 h进行对比，则发现随热处理时间的增加，其样品表面粗糙度增加。

3.3 杉木木材热处理后粗糙度及形貌分析

杉木在蒸汽保护下进行热处理，其热处理时间及粗糙度形貌数据结合图5可知，在微观形貌上，热处理4 h与其他样品相比最为光滑，具体表现在裂痕之间距离更小，物体之间变紧凑。而未处理材则沟壑较多，明显比所有热处理材都要粗糙。而处理1 h和2 h表面则存在细小的沟槽裂缝，并呈现花纹状，可知这两种样品的粗糙度居中，但1 h表面依旧存在明显的沟壑，整体也相对粗糙。

同时通过图6可知，4种样品的柱型图随热处理时间的增加逐渐变矮，其中最高的为未处理材，最矮的为热处理4 h样品，两者差值为0.49 μm。热处理过程中，1 h与2 h粗糙度数值接近，但1 h样品粗糙度略大。样品表现出随热处理时间的增加，其粗糙度逐渐变小，但数值的改变并不大的现象，说明杉木在180 ℃时对热处理不敏感。

可得出结论，杉木样品包括未处理在内，在热处理过程中，样品表面的裂缝因为热处理的原因而逐渐变小，样品表面层次感变低，纹理也越来越清晰。即随着热处理时间的增加，样品表面越光滑。即未处理、热处理1 h、热处理2 h、热处理4 h的粗糙度逐渐变小。

3.4 毛白杨木材热处理后粗糙度及形貌分析

在蒸汽保护热处理的情况下，毛白杨不一样的热处理时间得到了不一样的粗糙度数据和图片，结合图7可知，在微观形貌上，将未处理材与热处理2 h、4 h比较，发现随热处理时间增加，样品表面大而深的沟槽及表面木毛明显减少，起伏状况明显减弱，同时附着物逐渐减少，其间的间隙、孔洞也逐渐变小，样品表面趋于光滑平整。但1 h样品因为短时间的热处理，导致其表面出现了较明显的开裂，故其表面比未处理样品还要粗糙。

同时由图8可知，样品在热处理1 h时，粗糙度先增加，出现最大值，随后粗糙度逐渐减小，在4 h时出现最小值，两者差值为1.95 μm。而未处理样品的粗糙度处于热处理1 h样品和热处理2 h样品之间。同时可以看到，热处理1 h、2 h之间，木材粗糙度改变较大，2 h、4 h之间粗糙度改变则较小，说明毛白杨热处理时间越久，对热处理越不敏感。

由此可得，由于毛白杨在加热1 h时，受热处理影响，导致其样品表面裂痕不整齐，层次感较明显，所以粗糙度比未处理更高，而随着热处理时间的增加，块状物开始聚合，裂痕慢慢变小，其粗糙度又逐渐变小，样品表面逐渐变稳定。其样品粗糙度在2 h时就已经低于未处理样品，在随后加热至4 h的过程中，样品粗糙度继续下降，比2 h时还要略低。若单独将热处理1 h、2 h、4 h进行对比，则发现随热处理时间的增加，其样品表面粗糙度变小。

4. 结论

（1）实验所使用的样品有4种，分别为马尾松、北美短叶松、杉木和毛白杨。4种木材均是在180℃恒温条件下进行热处理。但实验结果显示4种不一样的木材在热处理后粗糙度出现了3种变化趋势，其中北美短叶松的粗糙度在1～4 h过程中逐渐变大，即并不是所有的木材都是随热处理时间增加，其粗糙度变小。

（2）在微观形貌方面，实验观测到在恒温180℃的热处理过程中，4种木材均会产生很多碎片。结合所测量的4种木材样品的粗糙度数值，发现这个因素会导致粗糙度及方差数值的改变，但这不是影响木材粗糙度的唯一变量。

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