过热蒸汽压力对表层微压缩桦木地板坯料尺寸稳定性影响

何啸宇　王艳伟　黄荣凤　孔繁旭　李洪波　张子谷　叶家豪　罗俊其

摘 要：为研究过热蒸汽压力对表层微压缩桦木地板坯料尺寸稳定性的影响，以桦木地板坯料为研究对象，采用水热控制的方法对其进行表层微压缩处理。压缩后以过热蒸汽为介质进行热处理，过热蒸汽压力分别为常压、0.20、0.25、0.30、0.35 MPa，温度为180 ℃，时间为3 h，制得实验样品。对样品的尺寸稳定性进行检测，分析比较蒸汽压力对尺寸稳定性的影响。结果表明，与对照组相比，当压力达到0.3 MPa时，宽度方向上收缩率降低58.56%，膨胀率降低60%;长度方向上收缩率与膨胀率均降低50%;厚度方向回弹率降低了76.12%，说明增加过热蒸汽热处理压力能够显著提高表层微压缩桦木地板坯料尺寸稳定性。

关键词：桦木;过热蒸汽;表层微压缩;加压热处理;尺寸稳定性;压缩回弹率

中图分类号：TS612    文献标识码：A   文章编号：1006-8023（2020）06-0072-06

Study on the Effect of Steam Pressure on the Dimensional Stability

of the Light Surface Compression Birch Flooring Blank

HE Xiaoyu1， WANG Yanwei1*， HUANG Rongfeng2， KONG Fanxu1， LI Hongbo1， ZHANG Zigu1， YE Jiahao1， LUO Junqi1

（1.Treessun Flooring Co.， Ltd， Nanxun 313009， China;

2.Research Institute of Wood Industry， Chinese Academy of Forestry， Beijing 100091， China）

Abstract：For exploring the influence of superheated steam pressure on the dimensional stability of the light surface compression birch flooring  blank， experimental group take the birch flooring blank as the object to research. In the experiment the light surface compression treatment is carried out to it for compressing the flooring blank by hydrothermal control technology. After the birch flooring is compressed， each sample is separately be heat disposed with the superheated steam pressure of atmospheric pressure， 0.20， 0.25， 0.30 and 0.35 MPa， the temperature is 180 °C and the time is 3 h. Testing and analyzing the dimensional stability of the birch flooring blank， the effect of pressure conditions on the dimensional stability of flooring blank is analyzed and confirmed. Compared with the control group， the experimental results （0.3 MPa） in this study show that the contraction rate in the width direction is reduced by 58.56%， and the expansion rate is reduced by 60%; while the contraction rate in the length direction is reduced by 50%， and the expansion rate is reduced by 50%; the spring-back rate in thickness direction is reduced by 76.12%. The results show that： after the superheated steam heat treatment， the dimensional stability of the light surface compression birch flooring blank.

Keywords：Birch; superheated steam; light surface compression; pressurized steam treatment; dimension stability; deformation recovery

收稿日期：2020-06-15

基金項目：南太湖本土高层次人才特殊支持计划（JSRD1907）

第一作者简介：何啸宇，助理工程师。研究方向：木材科学与工程。E-mail： Hoxiaoyu@163.com

通信作者：王艳伟，硕士，高级工程师。研究方向：木制品新产品开发。E-mail： butterfly33333@126.com

引文格式：何啸宇，王艳伟，黄荣凤，等.过热蒸汽压力对表层微压缩桦木地板坯料尺寸稳定性影响[J].森林工程，2020，36（6）：72-77.

HE X Y， WANG Y W， HUANG R F， et al. Study on the effect of steam pressure on the dimensional stability of the light surface compression birch flooring blank[J]. Forest Engineering，2020，36（6）：72-77.

0 引言

桦木（Betula sp.）是一种具有良好视觉特性的木材，其材色呈白褐色或淡黄色，具有纹理美观、结构细腻等优点，但同时也存在材质软，密度、硬度低，易变形等特点[1]，致使桦木地板容易出现如漆膜开裂、表面凹痕和起拱扒缝等多种问题。通过优化桦木材性，可提高产品质量和产品附加值。

木材压缩密实化是一种可以优化木材材性的技术，常规木材压缩密实化工艺为：通过水热处理或化学药剂使木材发生整体软化，其后利用压力（机械作用）使木材整体压缩，最终实现提升木材密度、硬度及强度[2-4]，但该方法造成木材材积损失过大，大幅降低木材的利用率[5]。表层微压缩技术是一种新型木材压缩密实化技术，该技术通过水热预处理，大幅度提高板材表层含水率，使高含水率表层的软化程度较低含水率芯层更高。经预处理的板材在高温高压（机械作用）处理后，高度软化的表层将相对芯层更大程度地压缩。由于仅对木材表层进行压缩，该技术相对普通木材整体压缩具有材积损失小、压缩回弹率低等优点[6]。有研究表明，采用此类压缩密实化技术对木材进行处理，可至少减小25%的木材材积损失[7]。另一方面软质木材经过表层压缩处理后，软质木材的表层密度、硬度和强度等性能也明显提高[8-9]。但软质木材经表层微压缩后，其尺寸稳定性较压缩前更差，产生该现象的原因一方面是因为木材自身具有的黏弹性将使木材的被压缩部分出现弹性回复[10];而另一方面则是由于木材具有干缩湿胀的特性，其含水率变化将可能导致相应的尺寸变化。而根据前人研究表明，高温高压水蒸气处理可降低水分对压缩木材的影响，有效固定压缩部分变形，提高其尺寸稳定性[11]。

综上所述，本研究以表层微压缩处理的桦木木材为原料，通过以压力为单因素变量的过热蒸汽加压热处理实验，结合样品的尺寸稳定性、压缩回弹率检测结果，探究过热蒸汽压力大小对木材尺寸稳定性的影响，为压缩木技术产业化及软质木材的开发利用提供借鉴。

1 实验材料及方法

1.1 实验材料

桦木（Betula costata Trautv.）地板坯料，产地俄罗斯，试件尺寸930 mm×130 mm×20 mm，含水率12%，数量500片。

1.2 装置与设备

1.3  实验步骤

工艺流程如图1所示，分为表层微压缩处理与加压热处理两部分，每组实验所需试件数量为100个，共5组实验。

1.3.1 表层微压缩处理

（1）表层浸水处理。将桦木地板坯料浸没于自来水（水温20 ℃）中，保持1 h。

（2）热压处理。将处理后的桦木坯料取出，将坯料放在温度为130 ℃的多层热压机压板间，以间歇性压缩的方式压缩至所需厚度。

（3）降温。保持多层压机闭合状态直至压板冷却至所需温度后，取出地板坯料。

（4）冷压处理。将坯料置于冷压机中冷压一定时间后，取出地板坯料。

1.3.2 加压热处理

（1）坯料码垛。将坯料均匀放置在不锈钢钢板上码垛，坯料顶部根据情况设置配重。

（2）加压热处理。将坯料放入全自动碳化罐中，以过热蒸汽为处理介质，处理温度为180 ℃，蒸汽压力分别为常压（不通入过热蒸汽）和0.20、0.25、0.30、0.35 MPa，处理3 h。

1.4 性能测试

在每组实验的样品中，分别随机抽取10块样品，并按图2中的方法进行锯解，尺寸稳定性测试试件的尺寸为200 mm（L）×60 mm（W）（L为长度;W为宽度），厚度与地板坯料厚度一致;压缩回弹率测试试件尺寸为60 mm（L），其厚度、宽度与地板坯料的宽度、厚度保持一致。

1.4.1 尺寸稳定性

采用国家标准GB/T 35913—2018《地采暖用实木地板技术要求》中6.2所述方法检测。

1.4.2 压缩回弹率

将压缩回弹率测定试件放置在103 ℃的热风烘箱中进行干燥，至绝干，并测量计算每组实验所得试件的第一次绝干平均厚度dr。测量完成后，将压缩回弹率试件浸没于水中24 h。试件吸水完成后，将吸水后的试件放置在自然环境中干燥3 d，再置于60 ℃的热风烘箱中干燥3 d，最后置于103 ℃的热风烘箱内进行干燥，至绝干，测量每块样品4边中点位置的厚度，并计算每组试件的第二次绝干平均厚度dc。

另取10块未经任何处理的桦木地板坯料，并在每块桦木地板坯料中部位置截取3块长度为60 mm（长度沿纤维方向，宽度与厚度保持与坯料相同）的试件作为对照组。将对照组试件置于103 ℃的电热恒温鼓风干燥箱中进行干燥，至绝干。干燥完成后，测量其4边中点位置的厚度并計算其平均厚度d0。

计算公式为[12]：

R=DcDd=dc-drd0-dr×100%。（1）

Dc=dc-dr。（2）

Dd=d0-dr。（3）

式中：R为压缩变形回复率，%;Dc为平均压缩量，mm;Dd为平均压缩回弹量，mm;d0为未处理材的绝干平均厚度，mm;dr为处理材第一次绝干平均厚度，mm;dc为处理材第二次绝干平均厚度，mm。

2 实验结果及分析

2.1 过热蒸汽加压热处理压力对尺寸稳定性的影响

受到湿度与温度的双重影响[13]，木材及木制品的尺寸稳定性包括其基材耐热性及耐湿性两个方面。干缩会造成木材尺寸和体积缩小，最终产生开裂、翘曲和变形等问题，致使强度下降[14]，吸湿膨胀会造成木材尺寸增大，影响木材加工利用。由于实木（地暖）地板所处环境温湿度变化较大，如果尺寸稳定性达不到要求，容易产生质量问题[15]，因此尺寸稳定性可以说是木材开发利用的最重要参数。

由图3可知，在处理温度一定的情况下，随过热蒸汽压力的增加，各尺寸变化率均出现不同程度的下降。图3（a）表示在180 ℃下，经不同压力的过热蒸汽处理后，所得试件的宽度方向（横纹方向）尺寸稳定性变化。在压力达到0.30 MPa时，收缩率由1.81%降低至0.75%，降低了58.56%;膨胀率由0.2%降低至0.08%，降低了60%。图3（b）表示在180 ℃下，经不同压力的过热蒸汽处理后，试件的长度方向（顺纹方向）尺寸稳定性。在压力达到0.30 MPa时，收缩率由0.16%降低至0.08%，降低了50%;膨胀率由0.04%降低至0.02%，降低了50%。

图3表明，过热蒸汽压力与地板坯料的尺寸变化率呈负相关，采用SPSS软件对实验结果进行相关性分析，结果见表2。过热蒸汽压力与尺寸稳定性呈显著负相关，其影响程度由高到低顺序为：耐热宽度尺寸变化率、耐湿宽度尺寸变化率、耐湿长度变化率、耐热长度尺寸变化率。

综合上述分析表明，在处理温度、时间一定的条件下，过热蒸汽压力的增加可以显著提升表层微压缩桦木地板坯料的尺寸稳定性，其中过热蒸汽压力对表层微压缩桦木地板坯料长度方向尺寸变化影响远小于宽度方向。分析其可能原因为：木材的干缩湿胀现象是木材微纤丝上的游离羟基间所结合水层的厚度变化引起，而木材中的微纤丝多为轴向排列，其径向及弦向方向上存在的游离羟基较轴向更密集[16]，因此木材在环境温湿度变化时，其径向、弦向尺寸相对轴向受影响更大。经过热蒸汽加压热处理后，大量游离羟基因发生热解或脱水形成醚键而消失[17-18]，因此压缩桦木宽度方向较长度方向尺寸稳定性受到了更大的影响。此外，由图3可知，当过热蒸汽压力超过0.30 MPa后，再继续增大蒸汽压力对于木材的尺寸稳定性影响较小，若继续增加过热蒸汽压力虽可能进一步提升所得样品的尺寸稳定性，但是会影响处理成本、设备安全性以及性价比。

2.2 过热蒸汽加压热处理对回弹率的影响

地暖地板所处环境的温湿度变化较大，桦木压缩部分会相应产生不同程度回弹。由表3可知，在过热蒸汽压力为0.3 MPa时，平均回弹量从1.08 mm降低至0.26 mm;平均回弹率从25.88%降低至6.18%，相对常压下降了76.12%;回弹率的标准差从2.16%下降至0.43%，相对常压下降了83.33%，说明加压热处理能够有效降低回弹率，提高地板坯料稳定性。在高温高压环境下，过热蒸汽促使木材中的半纤维素与木质素成分转变为黏流态[19]，同时这些成分中的部分化学键受高温蒸汽压力影响发生断裂，释放了木材的内应力[20-21]，而部分处于无定形区的纤维素的游离羟基在高温下脱水结合，使该部分纤维素由原来的不定型区转变为排列规则的结晶区，减少了水分子进入纤维间造成压缩木材发生回弹形变的可能性[22]。

3  结论与建议

（1）过热蒸汽加压热处理压力与表层微压缩桦木地板坯料的尺寸稳定性呈正相关。在本实验研究条件下，过热蒸汽加压热处理对桦木宽度方向的尺寸稳定性相对长度方向有更显著的影响。0.30 MPa的过热蒸汽压力处理所得样品与对照组相比，宽度收缩率降低58.56%，膨胀率降低60%;而长度方向上收缩率与膨胀率均降低50%。

（2）本研究条件下，0.30 MPa的过热蒸汽压力处理所得样品与对照组相比，回弹率仅为6.18%，较对照样降低了76.12%，在热处理过程中通过增加过热蒸汽压力可以明显减少桦木表层微压缩地板坯料的回弹。

（3）本研究是在热处理温度、处理时间一定条件下，仅改变过热蒸汽压力的单因素变量研究实验，并没有探讨3种工艺参数（因素）的交互作用对表层微压缩木材尺寸稳定性和压缩回弹率的影响，这有待进一步研究。另外，关于过热蒸汽加压热处理对其他（如松木、朴木等）表层微压缩木材尺寸稳定性和压缩回弹率的多因子综合影响规律有待进一步探索。

【参 考 文 献】

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