溫度對木材性能影響的研究概況

摘 要：在廣泛檢索文獻的基礎上，對近年來溫度對木材性能影響的研究概況進行總結，為后續的深入研究和探討提供參考。

關鍵詞：溫度；木材；性能；概述

中圖分類號 S781 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2013）16-109-03

木材主要是由纖維素、半纖維素和木質素以及少量抽提物組成的復雜天然高分子化合物。溫度的高低會改變木材的主要化學成分，不僅會對木材的外觀有一定的影響，還會影響到木材的力學性能。筆者總結近年來溫度對木材性能影響的研究概況，為后續的深入研究和探討提供參考。

1 溫度對木材顏色的影響

顏色是物體給人的一種最直接的視覺感受。木材的顏色是由于細胞內含有各種色素、樹脂、樹膠、單寧及油脂并可能滲透到細胞壁中，致使木材呈現不同的顏色。隨著人們不斷變化的欣賞品位和藝術追求，人們除對木材紋理、結構、花紋等特性特別注重外，對其顏色也十分注重，有時近于挑剔[1]。

隨著對木材處理溫度的升高以及處理時間的延長，木質素發生了降解、縮合反應，木材中的共軛體發色基團延長，發色基團數量增加[2]。同時纖維素和半纖維素多糖類物質降低，生成了更多的羰基和羧基，心邊材在可見光范圍內吸收峰增強，抽提物中含有多種多酚類物質，有機溶劑抽提物含量增加，抽提物發生氧化還原反應，帶有與芳環共軛的發色基團的物質濃度升高，導致木材顏色逐步向褐色至深褐色變化[3-4]。同時研究發現，和未處理木材相比較，高溫處理材顏色的耐光老化性和穩定性增強[3-6]。Katsuya等對木材進行高溫處理后再將其進行光照。結果表明，在溫度較低的情況下對正在進行熱處理的木材通過光照后的顏色變化明顯大于在溫度較高的情況下[7]。因此木材經過高溫處理后能增加其顏色的穩定性，同時使之耐光老化性更強。

2 溫度對木材力學性能的影響

冰點以下的溫度對木材力學性能的影響如下：木材中的自由水分在-2℃時便會結冰，隨著溫度的進一步下降，木材中的吸著水分也會開始結冰，冰凍的濕木材，除其塑性、沖擊韌性明顯下降外，其他力學強度相對于正溫度均有所略微增加，其中抗劈力和抗剪強度的增加較大。

在正溫度方面的研究，于海霞[8]等人通過模擬冬季和夏季環境條件，得到人造板經過夏季條件處理后的內結合強度和表面結合強度的測量值比經過冬季條件處理的測量值低得多。龔仁梅[9]等人探討不同的干燥溫度條件對木材的各種力學性能影響的變化規律。試驗結果表明，在中、低溫區域，隨著溫度的升高，橫紋抗壓強度、抗彎彈性模量均呈現下降趨勢；而在高溫區域，隨著溫度的升高，抗彎強度被明顯削弱，但橫紋抗壓強度卻得到增強。Oner U，Nadir A以桉樹為實驗對象，通過對其進行熱處理（溫度為120～180℃）2～10h，實驗結論顯示，隨著處理溫度和時間增加，木材的表面粗糙度、密度、順紋壓縮強度均呈現降低趨勢[10]。呂建熊[11]等研究了熱作用溫度與時間對木材黏彈性的影響，結果表明：溫度升高引起木材質量降低。在180℃和200℃下熱作用時間達550min時，由于熱降解引起的質量下降分別達到4%和9%，由此導致木材動態剛度降低達35%和85%。在25℃和40℃兩個恒溫條件中，木材的貯存模量值幾乎保持不變。然而當處理溫度高于60℃時，隨著處理溫度的升高以及時間的延長，木材的貯存模量值將會呈現降低的趨勢。處理溫度在25～50℃之間上升時，針葉樹抗拉強度降低10%～15%，抗壓強度降低20%～24%。當木材長期處于60～100℃下時，會引起水分和所含揮發物的蒸發而呈暗褐色，強度下降，變形增大。溫度超過140℃時，木材中的纖維素發生熱裂解，色漸變黑，強度明顯下降[12-14]。因此，長期處于高溫的建筑物不宜采用木結構。

3 影響機理

木材細胞壁的主要成分是纖維素、半纖維素和木素。纖維素約占木材組分的50%，是木材的主要組分，在木材細胞壁中起骨架作用[15]。纖維素具有結晶區和無定形區，結晶區多，結晶度大，木材的力學強度大。纖維素只有溫度超過150℃時才會發生化學反應，分子內的葡萄糖基才會開始發生脫水反應；半纖維素在木材細胞壁中起粘結作用，是非結晶、帶有各種短側鏈的多聚糖，在3種成分中其受溫度的影響最大，也是最早發生分解及降解的；木素在木材細胞壁中起硬固作用，是一種芳香族化合物，其只有在200℃以上時才發生熱解。

當處理溫度在冰點以下時，木材纖維素分子鏈運動頻率減弱，韌性降低，同時分子間隔發生變化，間接加固了纖維之間的連接。由于在冰點以下，細胞壁內的部分水分則逐漸以冰的形式向細胞腔移動，冰的彈性系數比木材的順紋抗壓彈性系數要高，此時冰會承受一定的壓力，所以木材的剛度、強度以及相對變形會增大。同時由于水分逐漸向細胞腔中移動，會導致細胞壁驟然收縮，產生“凍縮現象”，使得外層出現較大的拉應力，導致木材的靜曲強度下降，內應力增大，應變減小。

溫度在0～20℃時，對木材的影響并不明顯，當溫度從20℃升至120℃時，木材會產生熱膨脹，分子振動引起晶格間隔變化，同時內聚力減小，纖維素分子鏈產生滑移，纖維素、半纖維素和木素軟化，塑性變形增加，造成應力的不均勻分布，使得MOE降低。溫度從120℃逐漸上升到180℃時，高溫使得木材含水率急劇下降，從而使得木材的剛性增加，使飽水材形成了內高外低的含水率梯度，木材表面硬化即表層形成堅硬的殼狀層，從而提高了木材的MOE[16]。當溫度達到120℃時，半纖維素首先發生分解，游離羥基數量會大大減少，因而木材尺寸穩定性[13]會有所提高。當溫度超過180℃[17]，木材中果膠、抽提物、半纖維素等物質會部分或全部降解，大大降低了木材的強度，尤其是沖擊韌性和抗拉強度[18]。隨著處理溫度進一步升高（大于210℃），此時木素也開始降解，進一步降低了木材的力學強度。與此同時，減少了木素、半纖維素以及纖維素的聯結點數量[19]，導致胞間層劈裂，也會降低木材的力學強度。隨著木材半纖維素的進一步降解，產生的大量己酸不僅催化了纖維素的降解，還影響了木材的生物耐腐性及耐氣候性，使得纖維素的葡萄糖長鏈大分子結構上的糖苷發生斷裂，碳-碳鍵受到破壞，導致纖維素的聚合度和結晶度降低即木材的抗彎強度大大降低[20]，但木材的尺寸穩定性[21]相對提高。

4 結論

溫度對木材的性能影響應分階段性。一般而言，室溫條件范圍內，影響微小，而在高溫以及極端低溫的條件下影響較大。隨著處理溫度的升高和處理時間的延長，木材顏色逐步向褐色至深褐色變化，同時其耐光老化性和穩定性增強。在冰點以下的條件時，除了木材的靜曲強度、沖擊韌性有所下降，其他的力學性能相對于正溫度時有所增加。在低溫和短時間處理時，木材的力學強度有所增加，然后隨著熱處理溫度和時間的延長，其力學強度逐漸下降。溫度對力學性質的影響程度由大至小的順序為：壓縮強度、彎曲強度、彈性模量、抗拉強度。

5 展望

在今后的進一步研究中，應探索出木材處理的溫度以及處理時間的長短對木材顏色的變化產生怎樣的影響。研究建立木材顏色變化與其他物理力學性能之間的相關性，更方便直觀地觀察木材的物理力學性能的變化情況。進一步探索熱處理下木材強度變化規律，建立熱處理溫度和時間對強度影響的等效性。利用現代分析儀器進一步探討熱處理下木材化學成分變化過程，并能進行定量分析。

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（責編：徐世紅）