不同含水率阶段木材高温热处理工艺与性能的研究∗

赵喜龙 李 超 李英洁 王 芳 王喜明

（1.内蒙古农业大学材料科学与艺术设计学院，内蒙古 呼和浩特 010018；2.国家林业和草原局产业发展规划院，北京 100010）

樟子松是我国三北地区主要优良造林树种之一。樟子松木材具有纹理通直，花纹清晰，材质轻且密度小、木质软等特点，可作为建筑、家具、地板、室内装饰用材[1-2]。高温热处理是木材改性的一种方法，国内外学者对高温热处理后木材的吸湿性、尺寸稳定性等作了系统研究[3-4]。本研究对樟子松木材进行高温热处理，研究含水率、处理温度、处理时间对其干缩性、湿胀性、吸水性和密度的影响，旨在为人工林樟子松的高效利用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料

樟子松（Pinus sylvestnisvar.mongolicaLitv.）采自内蒙古自治区乌兰察布市凉城县蛮汉山林场（北纬40.54°，东经112.51°）。在同一株樟子松树上取45个规格为200 mm(L)×20 mm(T)×20 mm(R)的试样，无开裂、无腐朽等缺陷；随机锯解20个规格为20 mm(L)×20 mm(T)×20 mm(R)的试件备用。

1.2 试验方法

1.2.1 正交试验设计

本试验重点考察木材含水率、热处理温度、时间三个因素对材性的影响。考察指标为木材的干缩性、湿胀性、吸水性和密度。每个因素选用三个水平，因素水平见表1。根据上述设定，进行三因素三水平试验设计，如表2～4 所示，并对试验数据进行极差分析[5]，探讨木材含水率、热处理温度、时间三因素对弦向干缩率、弦向湿胀率、吸水性和密度的影响。

表1 正交试验因素水平表Tab.1 Factor and Level table of orthogonal test

1.2.2 含水率调整

1）参照GB/T 1931—2009 《木材含水率测定方法》对规格为20 mm(L)×20 mm(T)×20 mm(R)的20 个试件进行含水率测定，准确至0.1%。

2）将规格为200 mm(L)×20 mm(T)×20 mm(R)的试件分成9 组，每组5 块。根据试验确定三个含水率水平（10%、20%、30%），将1、2、3 组试件干燥至含水率约为30%（±1%），4、5、6 组试件干燥至含水率20%（±1%），7、8、9 组试件干燥至含水率10%（±1%）。所有试材均用保鲜膜严密包裹后放置于冰箱中保存。

1.2.3 樟子松高温热处理

热处理工艺的主要参数包括热处理温度、时间、加热速率等。温度和时间是决定热处理材性质的两个重要影响因素，其中尤以温度最为重要。已有研究表明，当热处理时间为4 h时，处理材的各项材性指标均处在较理想的范围[6-9]。按照表1分别设置热处理温度和热处理时间，同时打开氮气保护装置，氮气流速为30 mL/min。为了避免试件直接放置于马弗炉中加热至目标热处理温度（180、200、220 ℃）导致受热不均或烧焦，在试验过程中在试件表面包上一层锡纸[10-14]。

1.3 高温热处理材性能测定

分别从经过热处理的9 组试件中随机锯制20 个规格为20 mm(L)×20 mm(T)×20 mm(R)的试件，参照GB/T 1932—2009《木材干缩性测定方法》、GB/T 1934.2—2009《木材湿胀性测定方法》、GB/T 1934.1—2009《木材吸水性测定方法》、GB/T 1933—2009《木材密度测定方法》，各选取5 个试件分别测其弦向干缩率、弦向湿胀率、吸水性和密度，计算精确至0.01%。

2 结果与分析

2.1 工艺因素对处理材弦向干缩率的影响

经不同的高温热处理条件处理后，樟子松木材弦向干缩率有不同程度的变化。表2 为弦向干缩率正交试验设计与检测结果。利用极差法进行各因素水平之间分析，分析结果见表2 与图1。

表2 高温热处理木材弦向干缩率极差分析表Tab.2 The range analysis of tangential shrinkage for the high temperature heat treated wood

图1 高温热处理材弦向干缩率极差分析图Fig. 1 The range analysis chart of tangential shrinkage for the high temperature heat treated wood

由表2 可知，当樟子松木材含水率为30%、热处理温度和时间分别为220 ℃和4 h时，获得最小弦向收缩率（3.59%），最优组合为A1B3C3，热处理温度对处理材弦向干缩有明显影响，而热处理时间与含水率对樟子松的弦向干缩影响相对较小，三因素对樟子松弦向干缩的影响程度依次为B（温度）＞C（时间）＞A（含水率）。由图1 可以看出，较高含水率、较高热处理温度和较长的热处理时间均可降低弦向干缩率，说明热处理是一种能有效改善木材尺寸稳定性的方法[10-12]。

2.2 工艺因素对处理材弦向湿胀性的影响

弦向湿胀性正交试验结果与极差分析见表3和图2。

表3 高温热处理材弦向湿胀性极差分析表Tab.3 The range analysis of tangential moisture-absorbing expansion for the high temperature heat treated wood

图2 高温热处理材弦向湿胀性极差分析图Fig. 2 The range analysis chart of tangential moistureabsorbing expansion for the high temperature heat treated wood

由表 3可知，三因素中，高温热处理时间对樟子松木材的弦向湿胀性影响最大，其次是热处理温度，含水率对热处理樟子松木材的弦向湿胀性影响最小。三者对樟子松湿胀性的影响程度依次为C（时间）＞B（温度）＞A（含水率），最优组出现在A1B3C3，即木材含水率为30%、热处理温度为220 ℃、时间为4 h，其最小弦向湿胀率为1.32%。试验结果表明：在试验范围内，随着高温热处理时间的增加以及温度的升高，处理材的弦向湿胀性表现出降低趋势，在20%含水率以下时，含水率的降低对湿胀率影响不明显，如图2所示。

2.3 工艺因素对处理材吸水性的影响

吸水性正交试验结果及工艺因素对处理材吸水特性的影响规律如表4 与图3 所示。

表4 高温热处理材吸水性极差分析表Tab.4 The range analysis of water absorption for the high temperature heat treated wood

图3 高温热处理材吸水率极差分析图Fig. 3 The range analysis chart of water absorption for the high temperature heat treated wood

由表4可知，高温热处理时间对樟子松木材的吸水性影响最大，其次是热处理材的含水率，热处理温度对樟子松的吸水性影响最小，三因素对樟子松吸水性的影响大小依次为C（时间）＞A（含水率）＞B（温度），最优组合为A2B3C2，其对应的吸水率为148.79%。由图3可知，与弦向干缩率和湿胀率相比，高温热处理材的吸水率并未表现出明显的线性变化规律，在预设的三个水平中，均在中间水平出现拐点，时间和含水率中间水平（分别为3 h和20%）表现出最低值，而温度中间水平（200 ℃）则表现出最高值。

2.4 工艺因素对处理材密度的影响

高温热处理会使木材中的部分组分发生降解而从固相体系脱离，因此经高温热处理后木材的密度有所降低[13-17]。对不同热处理条件获得的处理材密度进行计算，并利用极差法进行各影响因素分析，极差分析结果如表5、图4 所示。

表5 高温热处理材密度极差分析表Tab.5 The range analysis of density for the high temperature heat treated wood

图4 高温热处理材密度极差分析图Fig.4 The range analysis chart of density for the high temperature heat treated wood

由表 5、图4 可知，以密度为评价指标时，最优组合可能出现在A3B1C1或者A3B2C1，即含水率为10%，热处理温度为180 ℃或200 ℃，热处理时间为2 h。由图4可知，随着含水率、热处理温度和时间的提高，极差分析均值密度表现出降低的趋势，相对于热处理温度和时间对密度的影响，处理材的含水率对密度影响不大。但从表5 数据看，在热处理温度较低或时间较短的相对温和热处理条件下，含水率的变化对热处理材的密度并未产生规律性的影响。在温和的处理条件下，热处理材密度受木材化学组分降解、再缩聚的综合作用，密度呈现波动变化。木材主要由纤维素、半纤维素和木质素三大物质组成[18-20]，随着热处理温度的升高，纤维素和半纤维素会产生一定程度的降解[21-24]，木材密度因此降低；同时，随着半纤维素的降解，纤维素非结晶区间距减小，纤维素会发生重结晶，木质素也会在一定程度上再缩聚，导致木材密度短暂升高；此外，木材初含水率较高时，木材中自由水含量较高，对木材孔隙起到膨胀作用，在热动力的作用下，水对热的传导作用更易使木材组分发生降解，使木材密度降低。因此在较温和的热处理条件下，含水率、温度和时间的综合作用使得密度未表现出明显的变化规律。然而，随着热处理条件的加剧（在热处理温度为220 ℃或热处理时间为4 h时），木材初含水率对密度影响不大，剧烈的热处理条件导致木材化学组分降解而成为木材密度降低的主导因素，其对密度的影响程度明显高于木材组分再缩聚和传热对木材密度的影响。综合上述四个考察指标可知，干缩率和湿胀率在相同的热处理条件获得最优值，而吸水性和密度的最优热处理条件表现各异。热处理的条件越剧烈，会使木材组分降解越明显，处理后木材表面的亲水性基团也将越少[25-26]，在周围环境湿度发生变化时，木材的吸湿和解析特性随之改变，木材表面亲水基团位点减少，在宏观上表现为干缩率和湿胀率的降低；对于吸水性而言，热处理后的木材较长时间浸泡在水中，木材内外水的压力差会使更多水分渗透至木材内部，再结合木材初始含水率的差异，因此未在最剧烈的热处理条件下出现最小吸水率。同样，在初始含水率、热处理温度和时间的综合作用下，密度在较温和的热处理条件并未表现出规律性变化。初始状态木材中水分的多少会影响热处理木材的宏观性能，因此在实际热处理过程中应综合热处理木材的目标性能进行工艺的最优化选择。

3 结论

本文以樟子松为原料，采用正交试验法和极差分析法，研究含水率（10%、20%、30%）、处理温度（180、200、220℃）和处理时间（2、3、4 h)三个因素对樟子松热处理前后干缩性、湿胀性、吸水性、密度的影响，得到如下结论：1）较高初始含水率、较高热处理温度和较长高温处理时间可改善处理木材的干缩性和湿胀性，使木材尺寸稳定性更好；在较温和的热处理条件下，受初始含水率、热处理温度和时间的综合影响，处理材密度未呈现规律性变化趋势；在较剧烈的热处理条件下，初始含水率的大小不会影响热处理材密度降低的趋势；热处理温度、时间和含水率对吸水性的影响不呈线性关系。2）以不同评价指标进行极差分析，处理材的最优反应条件组合不尽相同，不能完全保证所有性能指标在某一最优条件下均达到最优值，因此若想确定合理的优化条件，需根据处理材不同的性能需求有侧重地进行选择性优化。