热处理对三种木材尺寸稳定性的影响

吕蕾 周亚菲 刘珊杉

摘要：  以落叶松、红橡和奥克榄为研究对象，采用不同的常压蒸汽热处理工艺条件，对照未处理材，研究热处理温度和时间对木材尺寸稳定性的影响。结果表明：热处理温度和时间对木材的尺寸稳定性有显著影响;木材吸湿性随温度提高逐渐降低，当热处理温度上升到一定程度时，尺寸稳定性改善趋缓;随着热处理时间延长，木材尺寸稳定性提高;木材高温热处理后吸湿性和吸水性的改善与木材的密度、结构等物理性能相关。

关键词：  热处理;  尺寸稳定性;  膨胀率;  红橡;  吸水率

中图分类号：   S 781. 61               文献标识码：   A                文章编号：1001 - 9499（2020）02 - 0051 - 04

木材是一种多孔结构的有机高分子材料，当周围环境的温湿度发生变化时，木材会吸收或释放水分，对环境有一定的调节作用，因此实木家具得到了广大消费者的喜爱。但木材吸收或释放水分会引起木材变形，从而影响木制品的尺寸稳定性。吸湿性与尺寸稳定的“平衡点”一直以来都是木材加工领域研究的重要课题。高温热处理技术的出现解决了木材的尺寸稳定性问题，通过几十年的探索和验证，从户外栈道、景观建筑建设到装饰、家具用材，此项技术在木材改性中的应用范围不断扩展和深入[ 1 - 5 ]。本文以落叶松、红橡、奥克榄3种木材为研究对象，采用常压过热蒸汽对其进行高温热处理，以弦向、径向湿胀率和吸水率为检测指标，研究热处理温度和时间对木材尺寸稳定性的影响。以期为木制品生产企业解决实木组件变形问题提供理论指导。

1 材料与方法

1. 1 试验材料

落叶松、红橡、奥克榄锯材采购于辽宁省大连市木材市场，常规干燥至含水率9%～10%，四面刨光，加工成规格为1 500 mm×150 mm×22 mm的刨光材。

1. 2 设 备

常压蒸汽碳化窑、电热鼓风干燥箱、恒温恒湿箱（精度0.1 ℃）、电子天平（精度0.001 g）、游标卡尺（精度0.01 mm）等。

1. 3 热处理工艺

热处理过程分为升温、保温、降温3个阶段，升温速度为10 ℃/h，降温阶段进行调湿处理。保温阶段温度分别为140、160、180、200 ℃，处理时间分别为2、4、6、8 h。

1. 4 吸湿性和吸水性检测

参照GB/T 1934.2-2009制备吸湿性试样，放入温度为（103±2）℃的电热鼓风干燥箱中烘至绝干，检测试样的弦向、径向尺寸，精确至0.01 mm。再将试样放置于温度（20±2）℃，湿度（65±3）%的恒温恒湿箱中，检测木材吸湿至尺寸稳定时的弦向和径向尺寸，根据公式计算气干状态下的线湿胀率，即弦向湿胀率和径向湿胀率。

根据GB/T 1934.1-2009木材吸水性测定方法制作试样，将试件浸入蒸馏水中，保持水温处于（20±2）℃，浸泡至试样重量不再改变时，记录重量，按公式计算各组试样的吸水率。

2 结果与分析

2. 1 处理温度对木材尺寸稳定性的影响

将试材分成5组，分别以140、160、180、200 ℃的热处理温度对木材保温6 h，以未处理材作对照组，参照GB/T 1928，每组制备10个20 mm×20 mm×20 mm的试样，用于检测木材的线湿胀率和吸水性。

2. 1. 1 处理温度对木材吸湿性的影响

从图1可知，在140～160 ℃的温度范围内，随着处理温度的升高，木材的弦向和径向湿胀率呈明显下降趋势，3种木材由于构造不同，下降程度不同。相对于未处理材，高温热处理后落叶松的弦向湿胀率降低15%～47%，径向湿胀率下降18%～45%;高温热处理前后红橡的弦向湿胀率降低19%～51%，径向湿胀率下降25%～54%;高温热处理前后奥克榄的弦向湿胀率下降24%～65%，径向湿胀率下降32%～57%。由此可见，高温热处理可以明显降低木材的吸湿性，而且径向湿胀率比弦向湿胀率下降快，有利于提高木材尺寸稳定性。丁涛等[ 6 ]在研究常压热处理对樟子松和柞木尺寸稳定性影响中也得到了同样的结论。此外，从3种木材热处理前后线湿胀率的变化，可推断密度越大的木材在高温热处理后，线湿胀率下降越大，尺寸稳定性越好。

随着热处理温度的升高，木材的弦向湿胀率和纵向湿胀率的下降程度趋缓。落叶松在140 ℃下处理6 h，弦向湿胀率为3.17%;在160 ℃下处理6 h，弦向湿胀率为2.28%;在200 ℃下处理6 h，弦向湿胀率为1.98%，可见热处理温度上升到160 ℃以后，随着温度的提升，落叶松的线湿胀率下降趋缓，即尺寸稳定性提高幅度减小。红橡在180℃以后尺寸稳定性变化趋缓，可见，并非温度越高木材的尺寸稳定性越好，当温度提高时，随着半纤维素和纤维素的降解，木材的强度和韧性也随之下降，加工和涂饰性能降低。

2. 1. 2 处理温度对木材吸水性的影响

从图2可以看出，木材的吸水性与时间呈抛物线关系，落叶松的吸水率由高到低依次是180 ℃处理材、对照组、160 ℃处理材和200 ℃处理材。分析原因，高温热处理减少了木材中的亲水性基团[ 7 ]，从而降低了木材的吸水性。但落叶松富含树脂，树脂具有拒水性，在高温高湿环境中，落叶松中的松节油随着水分从木材中向外迁移，其所在空间清空，从而增加了木材的吸水空间，当降低木材亲水性基团和树脂迁移引起的结构变化两相作用时，出现了高温热处理后吸水性反而增加的现象。相对于未处理材，紅橡和奥克榄则随着处理温度的升高吸水率呈下降趋势。

2. 2 处理时间对木材尺寸稳定性的影响

将试材分为5组，在160 ℃下分别保温2、4、6、8 h，以未处理材作对照组，参照GB/T 1928，每组制备10个20 mm×20 mm×20 mm的试样，用于检测木材的线湿胀率和吸水性。

2. 2. 1 处理时间对木材吸湿性的影响

从图3可知，在相同处理条件下，处理2～6 h，木材的弦向湿胀率和径向湿胀率下降明显;处理6～8 h，湿胀率下降趋缓。落叶松和红橡的弦向湿胀率比径向湿胀率下降快，奥克榄弦向湿胀率和径向湿胀率下降基本一致。其中落叶松高温热处理8 h比处理2 h后弦向湿胀率降低23.8%，径向湿胀率降低23.2%;处理8 h后红橡的弦向湿胀率比处理2 h后降低51.6%，径向湿胀率降低49.2%;处理8 h后奥克榄的弦向湿胀率比处理2 h后降低40.9%，径向湿胀率降低44.1%。这说明随着高温热处理时间的延长，可以有效降低木材的线湿胀率，当到一定时间后，延长处理时间对提高木材尺寸稳定性效果减小。

试验结果表明，高温热处理可以有效提高木材的尺寸稳定性，降低变形几率。从化学成分方面分析，木材热处理后半纤维素成分，特别是多糖醛苷产生化学变化，变成吸湿性弱的单体;此外热处理能使纤维素分子链内羟基相互结合而构成氢键。从微观构造方面，木材细胞壁物质，在加热和蒸汽处理条件下，微纤丝之间相互靠拢，当微纤丝与微纤丝之间的距离小于一定距离时，羟基与羟基之间形成化学键，而减少羟基含量可以降低木材的吸湿能力[ 8 ]。

2. 2. 2 处理时间对木材吸水性的影响

从图4的曲线走势可知，随着浸水时间的延长，除了落叶松试材，热处理时间对其他2种木材的吸水率影响不明显。这与落叶松中的树脂有关，随着热处理时间的延长，木材中的松节油从木材内部向外迁移，随着水蒸气蒸发，原有空间释放，使木材的吸水率增加。

3 结 论

3. 1 常压蒸汽高温热处理可以有效的降低木材的吸湿性和吸水率。在140～200 ℃的范围内，随着温度的升高，木材的尺寸稳定性提高，当上升到一定温度时，木材尺寸稳定性提高的程度趋缓。

3. 2 落叶松、红橡和奥克榄3个树种的密度依次增加，在相同的热处理条件下，密度大的木材尺寸稳定性改善相对明显。生产中可以通过木材的密度和结构等物理特性来选择适宜的热处理温度。

3. 3 在相同热处理条件下，随着处理时间的延长，木材的尺寸稳定性有所提高，不同的树种抗吸湿能力不同，改善程度也不同。

参考文献

[1] 张宜生，  黄安民，  叶克林.  低碳经济视角下木材工业的发展展望[J].  木材工业，  2010，  24（2）：  17 - 20.

[2] 李涛，  蔡家斌，  周定国.  木材热处理技术的产业化现状[J].木材加工机械，  2013，  24（5）：  50 - 53.

[3] 顾炼百，  丁涛，  江宁.  木材热处理研究及产业化进展[J].  林业工程学报，  2019，  4（4）：  1 - 11.

[4] 朱玲静.  几种物理处理法对木材声学振动性能的改良及其机理研究[D].  哈尔滨：  东北林业大学，  2017.

[5] 曹永建，  吕建雄，  孙振鸢，  等.  国外木材热处理工艺进展及制品应用[J].  林业科学，  2007（2）：  104 - 110.

[6] 丁涛，  顾炼百，  蔡家斌.  热处理对木材吸湿特性及尺寸稳定性的影响[J].  南京林业大学学报（自然科学版），  2015，  39（2）：  143 - 147.

[7] 冯德君，  赵泾峰.  热处理木材吸湿性及尺寸稳定性研究[J].西北林学院学报，  2011，  26（2）：  200 - 202.

[8] 王喆.  真空热处理落叶松材性变化规律及其机理研究[D].北京：  中國林业科学研究院，  2017.

第1作者简介：  吕蕾（1978-），  女，  副研究员，  主要研究方向为木材干燥及物理改性、  生物质材料等。

收稿日期： 2020 - 01 - 20

（责任编辑：   张亚楠）

Abstract The wood of Larix spp.， Oak and Aucoumea klaineana were heat-treated at different atmospheric pressure steam heat treatment process conditions. The influence of heat treatment temperature and time on the dimension stability of wood was studied. The results showed that the temperature and time of heat treatment have significant influence on the dimensional stability of wood. The moisture absorption of wood decreased gradually with the increase of temperature. When the heat treatment temperature rises to a certain degree， the improvement of dimensional stability becomes slow. With the extension of heat treatment time， the dimension stability of wood was improved. The improvement of wood hygroscopicity and water absorption after high temperature heat treatment is related to the physical properties such as density and structure of wood.

Key words Heat treatment;  Dimensional stability;  Swell ratio; Red oak;  Water absorption rate