热处理对华北落叶松人工林木材力学性能和颜色的影响研究

王泽儒,马超,丁紫妍,鲍咏泽

(河北农业大学 林学院，河北 保定 071000)

华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtii)是塞罕坝地区的主要造林树种之一，具有成活率高、生长迅速、材质优良、抗寒性强等特点，其面积和蓄积分别占有林地总面积和总蓄积的52%和64%，在木材生产、环境维持、森林碳汇等方面发挥着不可替代的作用[1-3]。华北落叶松具有适应性强、生长快、干形直、强度大、耐腐性强等优良性质，但也存在干缩湿胀性高、构造不均匀、渗透性差、易开裂等缺陷[4-5]。

热处理是在高温条件下以水蒸汽、空气、惰性气体或热油等作为传热介质，对木材进行处理，使木材组分发生物理和化学变化从而提高木材的尺寸稳定性、增强木材的视觉环境特性，但也会导致木材力学强度降低以及重量减轻[6-8]。木材颜色是木材表面视觉物理量的重要特征之一，通过调控材色可使木材产品外表色彩优美、纹理清晰悦目，大幅度提高木材产品的附加值，对木材加工利用具有重要意义[9-10]。热处理能够将木材颜色由本色逐渐变为深褐色甚至黑色，有降低色差使素材颜色趋于统一的作用[11-13]。高温热处理在一定程度会影响木材的力学性能，随着热处理温度的升高，落叶松属木材的力学性能一般呈降低趋势，210 ℃处理温度下木材抗弯强度下降幅度最大，但顺纹抗压强度随着热处理温度的升高呈现先降低后升高再降低的趋势；抗弯弹性模量随着热处理程度的增加，下降率越来越大[14-15]。

热处理工艺中温度是重要影响因素之一，而半纤维素受温度影响最大。木材在高于150 ℃加热时，木材水分蒸发及干燥导致纤维素开始发生脱水反应，纤维素的化学反应开始；木质素只有在200 ℃以上时才开始发生热解[16]。本试验以热空气为传热介质，华北落叶松人工林木材为材料，测量不同温度下热处理材的力学强度和木材颜色，并与素材进行对比分析，探究空气热处理对木材抗弯弹性模量、抗弯强度、顺纹抗压强度和木材颜色的影响，为企业合理高效加工利用华北落叶松人工林木材，生产制造家具、地板及木制品提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

华北落叶松人工林木材采自河北省承德市塞罕坝机械林场，树龄30年，胸径为22～23 cm。采伐后，原木的长度截为2 m，加工锯解成尺寸为2 000 mm×120 mm×40 mm(长×宽×厚)的板材，堆垛后进行气干干燥，气干至含水率为10%～12%。

1.2 仪器设备

GZX-9240MBE电热鼓风干燥箱；HTC-250恒温恒湿箱；WDW-100E型微机控制电子式万能力学试验机；游标卡尺，精准至0.01 mm；MJ164A自动单片纵锯机，ADCI-60-C色差仪。

1.3 试验方法

1.3.1 木材热处理 热处理试验前按照国家标准将木材加工成标准力学试件并进行编号，尺寸规格为300 mm×20 mm×20 mm(轴向×径向×弦向)，分为5组，每组为15个，共75个。将试件放置高温干燥箱内，温度升高至100 ℃预热1 h使木材热透，然后继续升温至目标温度处理4 h。

1.3.2 木材力学性质 热处理结束后，所有试件在20 ℃/65% RH条件下进行平衡处理，处理结束后按照国家标准《木材弹性模量测定方法》GB/T1936.2-2009、《木材抗弯强度试验方法》GB/T1936.1-2009、《木材顺纹抗压强度试验方法》GB/T1935-2009测量木材力学性质，并将测量值转换为含水率为12%[17-19]。

δ12=δw[1+α(W-12)]

(1)

式中，δ12为试样含水率为12%时的抗弯弹性模量(GPa)，抗弯强度(MPa)，顺纹抗压强度(MPa)；α为常数，在抗弯弹性模量式中为0.015；在抗弯强度式中为0.04；在顺纹抗压强度式中为0.05；W为热处理木材的含水率,%。

1.3.3 颜色的检测 采用色差仪测量试样木材颜色并用CIE(1976)L*，a*，b*标准色度学系统表征颜色变化。每个热处理条件均有15个试件，每个试件固定选取3个测色点，记录试样红绿轴色品指数a*，黄蓝轴色品指数b*，明度值数值L*。测量前对热处理材表面进行磨削从而减小热处理后树脂从木材表面溢出对颜色测量造成的影响。根据表色系统公式(2)～(6)，分别计算出明度差(ΔL*)、色品指数差(Δa*、Δb*)、总体色差(ΔE*)、色饱和度差(ΔC*)和色相差(ΔH*)，作为对热处理木材颜色变化分析和讨论的主要指标。

(2)

(3)

(4)

ΔE*=[(ΔL*)2+(Δa*)2+(Δb*)2]1/2

(5)

ΔC*=[(a*)2+(b*)2]1/2-[(a0*)2+(b0*)2]1/2

(6)

ΔH*=[(ΔL*)2+(ΔE*)2+(ΔC*)2]1/2

(7)

式中：L*，a*，b*表示热处理后样品的颜色参数；L0*，a0*，b0*表示未处理的对照样颜色参数。

2 结果与分析

2.1 木材力学性能

热空气处理对华北落叶松人工林木材的抗弯弹性模量的影响，见图1。

图1 热空气处理后木材抗弯弹性模量的变化

由图1可知，木材的抗弯弹性模量呈下降趋势，未进行热处理的华北落叶松木材的抗弯弹性模量均值为12.20 GPa，在140～200 ℃华北落叶松的抗弯弹性模量均值分别为11.06 GPa、10.65 GPa、9.88 GPa、9.34 GPa。在不同的热处理温度条件下，华北落叶松的抗弯弹性模量分别下降了9.34%、12.70%、19.02%、23.44%。木材抗弯弹性模量代表木材的弹性和强度，而纤维素和木质素分别赋予木材的弹性和刚度。在本试验条件下，由于纤维素和木质素的热稳定性较好，但高温会发生部分分解，造成细胞壁组分发生局部变化。热处理过程中，木材的水分导致纤维素发生水解，纤维素分子链聚合度降低，导致热处理材的MOE有所降低[20-22]。

热空气处理对华北落叶松人工林木材的抗弯强度的影响，见图2。

图2 热空气处理后木材抗弯强度的变化

由图2可知，对照组的抗弯强度均值为91.26 MPa，热处理后华北落叶松在140～200 ℃时抗弯强度均值分别为75.81 MPa、71.88 MPa、56.44 MPa、48.13 MPa。由此可以看出，华北落叶松在不同热处理温度下抗弯强度分别下降了16.93%、21.24%、38.15%、47.26%。这主要是由于半纤维素的热稳定性较差且易重组降解，而在木材中起粘结作用的一般是半纤维素，随着热处理温度的升高，穿插在纤维素和木质素之间的半纤维素降解会更加剧烈，故木材内部的拉伸强度会受到一定影响使木材抗弯强度有所下降，同时木材中的结合水在高温条件下会造成纤维素水解，引起苷键断裂，聚合度降低，这也可能引起热处理后木材强度的下降[23]。

热空气处理对华北落叶松人工林木材的顺纹抗压强度的影响，见图3。

图3 热空气处理后木材顺纹抗压强度的变化

由图3可知，经热处理后木材的顺纹抗压强度均有不同程度的变化。处理前华北落叶松的顺纹抗压强度均值为39.55 MPa，在140～200 ℃热处理温度下顺纹抗压强度分别为45.23 MPa、43.16 MPa、38.82 MPa、38.64 MPa。由此得出，在不同热处理温度下，木材顺纹抗压强度分别下降了-14.36%、-9.13%、1.85%、2.30%。随着温度的升高，顺纹抗压强度先上升后降低，这主要是高温条件下半纤维素的热分解程度增大，使纤维素和木质素之间的连接作用变弱，引起纤丝和纤维素骨架一起发生滑移，纤维素的部分分解和木质素的软化导致木材内部强度削弱，顺纹抗压强度下降，同时抗弯弹性模量和抗弯强度也显著降低[24]。

2.2 木材颜色

华北落叶松人工林木材热处理前后的表面色度值，见表1。

表1 华北落叶松热处理后的表面色度值

由表1可知，木材L*随着温度的升高呈递减的趋势，在140～200 ℃热处理温度下降率分别为5.62%、15.44%、25.05%、39.83%，随着热处理温度的升高L*降低的幅度增加；而a*和b*有相同的变化规律，都表现为随着温度升高而下降的趋势，a*的下降率分别为5.45%、7.15%、14.54%、20.57%；b*的下降率分别为2.02%、7.28%、8.00%、15.53%；由于a*，b*值仍为正值范围，因此华北落叶松木材颜色仍在红黄方向。

不同温度处理下华北落叶松木材ΔL*，Δa*和Δb*变化，见图4。

图4 不同热处理温度下Δa*和Δb*、ΔL*的变化

由图4可知，随着热处理温度的升高，ΔL*依次递减，分别是-4.19、-11.52、-18.69、-29.72，表明热处理使得木材表面颜色更加深暗，且温度对木材明度变化影响较为明显；Δa*和Δb*都呈下降的趋势且均为负值，处理温度在140 ℃、160 ℃、180 ℃、200 ℃时，Δa*依次为-0.93、-1.22、-2.48、-3.50；Δb*分别为-0.60、-2.14、-2.35、-4.55，表明随着温度的升高，热处理后木材表面颜色更偏向于绿色和蓝色。

不同处理温度下ΔC*、ΔH*和ΔE*的变化，见图5。

图5 不同处理温度下ΔH*、ΔE*和ΔC*的变化

由图5可知，ΔC*随着处理温度的升高逐渐减小，在140～200 ℃范围内分别是-1.06、-1.83、-3.25和-4.92，表示温度越高木材表面颜色越深，偏离初始颜色程度越大，在160～200 ℃下降程度较大。ΔE*和ΔH*随着处理温度的升高逐渐增大，表明处理前后木材颜色的差别和色相变化逐渐增大，处理材颜色逐步变深，在140～200 ℃范围内ΔE*分别为11.13、16.76、20.74、31.69；ΔH*分别为14.26、22.09、28.81、44.11。从图中得出，热处理温度180 ℃是木材颜色变化的一个临界温度，即低于180 ℃时变化趋势较为缓慢，但高于180 ℃时ΔE*和ΔH*的变化趋势加快。

高温条件下木材颜色发生显著变化是由于木材内部的化学组分热降解反应、缩聚反应和氧化反应，导致发色基团和助色基团的数量发生改变[25]。这2种基团主要存在于木质素当中，木质素变色，木材颜色加深，而纤维素和半纤维素发生热分解反应，羟基被氧化为羰基和羧基，半纤维素热降解后形成的一些有颜色的产物如糠醛(含有发色基团)导致了木材颜色的变化[26]。

3 讨论与结论

3.1 讨论

经不同温度处理后，测试木材的抗弯弹性模量、抗弯强度和顺纹抗压强度均呈现下降趋势，这主要是因为华北落叶松在热空气处理作用下，细胞壁组分发生局部变化，其中纤维素发生水解，木质素软化，半纤维素重组降解，导致木材内部强度削弱，纤维素和木质素之间的连接作用变弱，半纤维素粘结作用降低，都会影响木材力学性能。木材颜色对木材的工艺价值有重要影响，由于木材的热处理，使发色基团和助色基团的数量改变，而这2种基团主要存在于木质素中，因此认为木质素是木材产生颜色的主要来源，热处理后木质素含量增加导致发色基团和助色基团的数量增加[27-28]。同时热空气与木质素发生氧化反应产生醌类化合物，使木质素变色，从而导致木材颜色发生变化。木材中的抽提物在热处理过程中发生剧烈变化，生成更多酚类和醌类物质，这2类物质中也含有发色基团和助色基团，造成木材明度降低，颜色进一步加深[29-30]。

3.2 结论

本研究采用热空气分别在140～200 ℃ 4个温度条件下对华北落叶松人工林木材进行热处理4 h，分析木材的力学强度和表面颜色的变化。研究结果表明，随着处理温度的升高，木材抗弯弹性模量和抗弯强度逐渐降低，温度越高降幅越大，顺纹抗压强度先增加后减小。相同的处理工艺条件下，热处理对抗弯强度影响比对抗弯弹性模量大。由于半纤维素热稳定性相较于纤维素和木质素较差且易重组降解，而抗弯强度的拉伸作用主要由半纤维素决定，故温度对抗弯弹性模量的影响较小而对抗弯强度的影响较大。木材的L*、a*和b*3个值随着温度的升高逐步降低。因此，不同温度的ΔL*、Δa*和Δb*均为负值，木材颜色进一步变暗而且向蓝色和绿色发展。热处理后木材的ΔH*和ΔE*均有所增加，随着处理温度的升高，增幅逐渐增大，ΔC*随处理温度升高逐步降低，木材表面颜色由明黄色向深褐色到黑色发生转变。