負(fù)壓輕炭化木材物理力學(xué)性能

薛紫蕎， 王雪花， 周亞琴， 陳夢(mèng)奇， 黃瓊濤

（1.南京林業(yè)大學(xué) 家居與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院，江蘇 南京210037；2.南京林業(yè)大學(xué) 江蘇省林業(yè)資源高效加工利用協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京210037；3.梅州市匯勝木制品有限公司,廣東 梅州514600）

炭化是一種常見的木材化學(xué)改性技術(shù)［1］，相對(duì)其他改性方法，炭化處理具有無(wú)毒性、環(huán)境污染小、工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。出于降低材料處理成本的考慮，炭化材主要用于戶外用材，室內(nèi)材應(yīng)用較少［2］。奧克欖Aucoumea klaineana，椴木Tilia europaea，單瓣豆Monopetalanthus sp.是如今市場(chǎng)上3種常見的家具用材，其色澤均勻、紋理美觀，但應(yīng)用過(guò)程中也存在易變形、易腐蝕等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了木材的實(shí)用價(jià)值和產(chǎn)品附加值。探究一種低成本、適于室內(nèi)家具用材的熱處理工藝，對(duì)于延長(zhǎng)家具使用壽命、提高產(chǎn)品附加值意義重大。炭化處理的實(shí)質(zhì)，是通過(guò)減少木材組分中吸水羥基的含量，降低木材的吸濕性，以提高其尺寸穩(wěn)定性［3］。常用的高溫炭化易出現(xiàn)使材色過(guò)深、大幅降低木材力學(xué)性能等問(wèn)題［4-5］。為了平衡這2方面的問(wèn)題，筆者提出 “負(fù)壓輕炭化”的工藝?yán)砟睿刺炕瘻囟炔怀^(guò)之前大部分炭化實(shí)驗(yàn)常用的最低溫度，炭化箱內(nèi)的氣壓低于1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。為了探究奧克欖、椴木、單瓣豆木材在使用過(guò)程中尺寸穩(wěn)定性并避免其材色和力學(xué)性能受太大影響，筆者以?shī)W克欖、椴木、單瓣豆木材為研究對(duì)象，在較低溫度、負(fù)壓條件下進(jìn)行處理，并研究該處理工藝對(duì)這3種木材物理力學(xué)性能的影響，以為室內(nèi)用材炭化工藝提供參考。

1 材料與方法

1.1 熱處理方法

先將試材在電鼓風(fēng)干燥箱中干燥至含水率穩(wěn)定，隨后進(jìn)行炭化，前期緩慢升溫，最終以炭化箱內(nèi)160℃，0 Mpa實(shí)驗(yàn)條件炭化3.0 h。

1.2 材性指標(biāo)及測(cè)定方法

炭化完成后用電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)（AG-IC/100KN）、擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)（JBS-300S）色差儀等測(cè)量木材的物理力學(xué)性能。本研究所測(cè)物理力學(xué)性質(zhì)包括全干密度，色差，沖擊韌性，抗彎強(qiáng)度，抗彎彈性模量，硬度（徑面硬度、弦面硬度、端面硬度），氣干濕脹率，吸水至尺寸穩(wěn)定的濕脹率，氣干干縮率，全干干縮率在內(nèi)的共11個(gè)性狀。

性能測(cè)試分別按照GBT 1933-2009《木材密度測(cè)定方法》、GBT1940-2009《木材沖擊韌性試驗(yàn)方法》、GBT1936.1-2009《木材抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)方法》、GBT1936.2-2009《木材抗彎彈性模量測(cè)定方法》、GBT1941-2009《木材硬度試驗(yàn)方法》、GBT1934.2-2009《木材濕脹性測(cè)定方法》、GBT1932-2009《木材干縮性測(cè)定方法》進(jìn)行。色差測(cè)量取得數(shù)值后使用亨特色差公式計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 物理性質(zhì)

從圖1可看出：3種試材炭化后的全干密度均有所降低，其中椴木和單瓣豆的全干密度變化不大，奧克欖的密度降低最為顯著，由0.489 g·cm-3下降至0.362 g·cm-3，降幅達(dá)26.00%。與之相比，通過(guò)3.0 h，160℃真空熱處理的日本落葉松Larix kaempferi全干密度達(dá)到0.667 g·cm-3，較未處理材下降了0.74%［4］；來(lái)自廣西的紅錐Castanopsis hystrix家系木材的全干密度為0.611 g·cm-3［6］。本研究處理后的試材全干密度相對(duì)較低。

纖維素、半纖維素、木質(zhì)素是構(gòu)成木材的主要成分，當(dāng)受到熱量作用，這三大成分產(chǎn)生不同程度的降解［7］，因此，炭化材的密度比素材均有所降低。木材質(zhì)量下降，但同時(shí)木材體積也在收縮，當(dāng)木材質(zhì)量下降的程度超過(guò)木材體積收縮的程度時(shí)，木材密度就會(huì)降低。

負(fù)壓輕炭化處理前后木材的色差如圖2所示。通過(guò)色差儀測(cè)得試材炭化前后的L，a，b值，后通過(guò)亨特色差公式 ΔE=［（ΔL）2＋（Δa）2＋（Δb）2］1/2 計(jì)算［8］。 由圖 2 可得： 3 種木材通過(guò) 3.0 h， 160 ℃， 0 Mpa 炭化處理材色均有較大變化。其中奧克欖的材色變化相對(duì)較小，椴木的材色變化最大。

當(dāng)木材的含水率低于纖維飽和點(diǎn)時(shí)，木材的尺寸隨含水率升降而增減［9］。木材的漲縮會(huì)造成木制品開裂、翹曲變形等缺陷，因此，木材的尺寸穩(wěn)定性是在利用木材時(shí)所需考慮的重要因素。本研究從干縮性和濕脹性2個(gè)方面的指標(biāo)來(lái)研究奧克欖、椴木和單瓣豆的尺寸穩(wěn)定性。首先，結(jié)合表1和表2可看出：炭化后椴木體積干縮系數(shù)達(dá)0.52，根據(jù)木材材性分級(jí)表［10］屬中級(jí)（0.46～0.55）；而奧克欖炭化后的體積干縮系數(shù)未改變，仍為0.35，屬小級(jí)（≤0.45）；同樣，單瓣豆炭化后的體積干縮系數(shù)由0.44降至0.37，但級(jí)別不變，屬小級(jí)。比較炭化前后木材干縮系數(shù)變化的程度，可以發(fā)現(xiàn)在相同炭化條件下，奧克欖的干縮系數(shù)無(wú)變化，椴木的干縮系數(shù)僅降低了1.00%，只有單瓣豆的干縮系數(shù)有明顯降低，降低比例為16.00%。以160℃，2.0 h熱處理的杉木氣干體積干縮率下降了29.76%、全體積干縮率下降了19.37%；以190℃，3.0 h熱處理的杉木氣干體積干縮率下降了35.61%，全干體積干縮率下降了24.18%［11］。本研究處理后的單瓣豆氣干體積干縮率下降了21.30%，全干體積干縮率下降了10.60%，降低幅度較之略小。

圖1 不同試材的素材與炭化材密度對(duì)比圖Figure 1 Density of treated and control samples

圖2 不同試材炭化前后色差統(tǒng)計(jì)圖Figure 2 Color deviation of treated and control samples

由表3和表4可以看出：炭化對(duì)于3種木材的濕脹率均有一定的改善。通過(guò)對(duì)干縮率和濕脹率變化的研究可以發(fā)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)設(shè)置的炭化條件下單瓣豆的尺寸穩(wěn)定性改善最為顯著。熱處理使木材細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)更加緊密，炭化后的木材細(xì)胞壁中纖維素與半纖維素?zé)o定型區(qū)域形成了不可逆的氫鍵，因此，之前一些用于吸水的部位在再次濕潤(rùn)時(shí)不能與水分子結(jié)合［12］。

表1 3種試材的氣干干縮率統(tǒng)計(jì)分析Table 1 Statistical figures of woods’air-dry shrinkage

表2 3種試材的全干干縮率統(tǒng)計(jì)分析Table 2 Statistical figures of woods’absolute-dry shrinkage

2.2 力學(xué)性質(zhì)

通過(guò)圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過(guò)炭化的奧克欖較未炭化的試材其抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量均略有減小，其中抗彎強(qiáng)度減小了6.00%，抗彎彈性模量減小了7.00%；而椴木和單瓣豆的抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量則均有增加，但椴木的抗彎強(qiáng)度僅增加4.00%，說(shuō)明炭化條件對(duì)其影響不顯著［13］；單瓣豆的抗彎強(qiáng)度增加了18.00%，彈性模量增加了9.00%。

表3 3種試材的氣干濕脹率統(tǒng)計(jì)分析Table 3 Statistical figures of woods’air-dry swelling

表4 3種試材吸水至尺寸穩(wěn)定時(shí)的濕脹率統(tǒng)計(jì)分析Table 4 Statistical figures of woods’absolute-dry swelling

在之前的多項(xiàng)研究中都曾提及這種現(xiàn)象，即木材的抗彎強(qiáng)度隨著炭化溫度的提升先升高后下降，因此，在相對(duì)較低的炭化溫度下木材的抗彎強(qiáng)度會(huì)有所提升。例如扁柏Platycladus orientalis木在100～150℃，2.0～100.0 h的熱處理?xiàng)l件下抗彎強(qiáng)度均較素材有所提高；北美云杉Picea sitchensis在空氣和氮?dú)庵幸?60℃，2.0 h或160℃，4.0 h的條件進(jìn)行熱處理，其抗彎強(qiáng)度均有所增加［14］；馬尾松Pinus masoniana通過(guò)170℃，2.0～6.0 h的蒸汽熱處理后靜態(tài)彎曲應(yīng)力均有所提升［15］。

圖3 不同試材素材與炭化材抗彎強(qiáng)度對(duì)比Figure 3 MOR of treated and control samples

圖4 不同試材的素材與炭化材抗彎彈性模量對(duì)比Figure 4 MOE of treated and control samples

由表5可知：奧克欖炭化材的徑面和弦面硬度略有減少，端面硬度有所增加；而椴木和單瓣豆的徑、弦、端向硬度均有所增大。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)榧?xì)胞壁中的纖維素和半纖維素的分子結(jié)構(gòu)在高溫的作用下發(fā)生改變，纖維素分子結(jié)晶度增加，使木材表面硬度變大［3］。

分析圖5可以看出：3種木材通過(guò)炭化沖擊韌性均有所降低，其中沖擊韌性損失最為嚴(yán)重的是奧克欖，損失率高達(dá)53.00%；單瓣豆次之，損失率達(dá)到24.00%；椴木損失率最低，僅12.00%。奧克欖炭化后沖擊韌性顯著降低和其密度大幅降低有直接的關(guān)系［16］。

熱處理的溫度較低時(shí)，木材細(xì)胞壁中的半纖維素由于熱穩(wěn)定性較差，發(fā)生部分的結(jié)構(gòu)重組或降解，分子鏈中的羥基脫落。纖維素?zé)o定型區(qū)域內(nèi)水分散失以及相鄰纖維素表面靠攏使纖維素分子鏈排列更加緊密，纖維素分子鏈之間的羥基發(fā)生 “架橋”反應(yīng)，使纖維素分子結(jié)晶度增加。從而使木材力學(xué)性能提升。隨著熱處理溫度升高，一方面木材細(xì)胞壁中半纖維素和木素非結(jié)晶性高聚物發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變，纖維素、半纖維素和木素之間的聯(lián)結(jié)被破壞，降低了木材的力學(xué)強(qiáng)度。另一方面，半纖維素劇烈降解產(chǎn)生大量己酸，催化了纖維素降解，纖維素結(jié)晶度與聚合度降低。纖維素、半纖維素和木素的大量降解使木材力學(xué)強(qiáng)度下降［17］。

表5 3種試材的硬度統(tǒng)計(jì)分析Table 5 Statistical figures of woods’hardness

3 結(jié)論

3.0 h，160℃，0 MPa的負(fù)壓熱處理降低了3種木材的全干密度，使材色變深，尺寸穩(wěn)定性有所提升，其中對(duì)于單瓣豆的尺寸穩(wěn)定性改善最大，使其體積干縮系數(shù)降低了16.00%。

實(shí)驗(yàn)設(shè)置的熱處理環(huán)境對(duì)于3種木材的沖擊韌性均有所降低，其中奧克欖均減弱最多。同時(shí)熱處理使奧克欖的抗彎強(qiáng)度有所降低，對(duì)椴木的抗彎強(qiáng)度無(wú)影響，使單瓣豆的抗彎強(qiáng)度有所提升，增加了18.00%。木材力學(xué)性能的變化與木材的密度有緊密關(guān)聯(lián)，其中奧克欖素材本身素材密度較椴木、單瓣豆偏低，這意味著木材內(nèi)部孔隙較多，多孔的結(jié)構(gòu)一方面影響木材的力學(xué)性能，另一方面使木材熱處理時(shí)直接受熱的面積增大，吸收熱量更為迅速，導(dǎo)致在相同炭化條件下的奧克欖力學(xué)性能降低更多。而熱處理可一定程度上增加木材的硬度，在3種試材中單瓣豆的端面硬度增加最為顯著，增幅達(dá)50.00%。

圖5 不同試材的素材與炭化材沖擊韌性對(duì)比圖Figure 5 Toughnessoftreated and control samples

綜合以上多種物理力學(xué)性能指標(biāo)分析，在實(shí)驗(yàn)設(shè)置的炭化條件下單瓣豆的尺寸穩(wěn)定性改善最多而力學(xué)性能損失較少。可以表明在3.0 h，160℃，0 MPa的炭化條件可以使木材的尺寸穩(wěn)定性提升，同時(shí)較小程度地?fù)p失其力學(xué)性能。