名貴硬木家具設計與尺寸穩定性改善

姜文靜 劉祎

摘 要：深色名貴硬木多為高檔木家具及制品材料，其尺寸穩定性嚴重影響著制品的質量和價值。本文闡明了深色名貴硬木的尺寸穩定性提高的方法并對家具設計時應該注意的問題進行了說明。

關鍵詞：深色名貴硬木;尺寸穩定性;木材改性;熱處理

隨著人們對生活質量要求的提高，實木家具和地板等產品深受消費者的喜愛。尤其是深色名貴硬木家具及制品，因其材色、紋理美觀，強度和硬度極高而深受廣大消費者的認可。但名貴硬木密度大，干燥困難，尺寸穩定性較差，在家具制造及使用的過程中常常出現離縫、開裂、變形等問題，造成客戶及企業的損失。因此，深色名貴硬木家具設計時要在考慮尺寸穩定性的前提下綜合其他因素來進行。

1 深色名貴硬木

深色名貴硬木是指QB/T 2385-2008《深色名貴硬木家具》中所述，產于熱帶、亞熱帶地區的一類商品木材的統稱。這類木材材質有光澤、具特殊香氣、硬重、細膩、強度高、密度大、花紋美麗，是制作家具、地板及木制工藝品的優良材料。

但木材具有吸濕性，其含水率隨著環境濕度的改變而增減，同時伴隨著木材的干縮與濕脹。木材的干縮與濕脹具各向異性，軸向的干縮濕脹小，弦向的干縮濕脹最大，因此經常會引起木材制品的尺寸變化。制作好的家具會出現變形，甚至產生離縫、開裂、翹曲等問題。

2 木材尺寸穩定性改善方法

隨著木材科學技術研究的發展，人們已經發明了多種物理、化學或生物的方法來改善木材的性質，提高其尺寸穩定性，延長使用壽命。具體方法包括真空浸漬處理、涂漆、化學改性和表面涂層處理等，[1]這些方法大多使用化學試劑，產品在生產和使用中會產生有毒物質，對環境和人體有害。而木材熱處理工藝簡單，處理后木材不會對人體和環境產生危害，是一種綠色、環保的木材改性技術。

2.1 木材穩定性的影響因素

木材的干縮濕脹是由于水分滲到微纖絲間使其間隙膨脹，從而影響了木材的尺寸變化。因此，通過向木材細胞間隙內添加某種物質，使其在水分降低時不能完全恢復到原來的狀態，這樣可以提高其尺寸穩定性。此外，減少或除去木材中的親水羥基，降低木材的吸濕能力，同樣可以提高木材的尺寸穩定性。[2]

2.2 干燥處理提高尺寸穩定性

木材經過干燥可以提高其加工質量和尺寸穩定性。木材干燥方法很多，按照木材中水分排出的方式分為熱力干燥、機械干燥和化學干燥等。熱力干燥包括常規窯干[3]和其他特種干燥。[4，5，6，7，8]木材高頻真空干燥在低溫條件下干燥木材，干燥效率高、質量好。[4，5，6，7]此外，冷凍干燥過程木材中的水由固態冰直接升華為氣態，能夠較好地保持木材的微觀構造。[8，9，10]生產中針對不同材性、加工工藝及質量要求，木材的干燥方法和工藝也不相同。

2.3 熱處理提高尺寸穩定性

木材高溫熱處理又稱木材炭化。處理溫度通常為160℃～250℃，導熱介質有蒸汽、氮氣或導熱油。經高溫熱處理一段時間后，木材的組成成分發生各種物理化學變化，緩解木材內部生長應力和干燥應力。[11]

木材熱處理始于20世紀早期。芬蘭最早采用蒸汽熱處理木材，發展至今，其木材熱處理生產技術已經比較成熟，市場上應用也最為廣泛。德國的熱處理技術的介質為熱油，這樣可以避免空氣中的氧氣與木材發生接觸，且傳熱效率較高。熱油處理的缺陷是處理過程中木材吸走了大量的熱油，不利于其后續機械加工。此外，成本高及廢油循環利用環保處理等問題也有待解決。[12]

法國研發了“Torrefaction”和“Retification”兩種工藝。“Torrefaction”技術利用蒸汽來直接處理生材。“Retification”技術以氮氣為保護介質，在含氧量低于2%的氮氣處理容器內將木材加熱至210℃～240℃。但是這項技術對溫度的控制要求較高，處理后木材顏色變深，MOR降低約40%，且脆性增加。[13]

日本最早研究了木材熏煙熱處理技術。該技術是燃燒廢棄木材，利用在不完全燃燒的狀況下釋放出來的煙氣所攜帶的熱能和多種熱分解生成物對木材進行熱處理。熏煙熱處理工藝可以提高木材的尺寸穩定性、耐久性及其他物理力學性能，且處理材顏色變化相對均勻。[14]

荷蘭的Shell研究開發了“Plato”處理技術，該工藝分為三個階段：水熱解階段、調整含水率階段、熱處理階段。處理后木材弦向脹縮率可降低15%～40%，抗彎強度降低5%～18%。其缺點是工藝復雜，處理周期長。[15]

綜合上述熱處理技術可知，水蒸氣為傳熱介質最為方便，被廣泛應用;而油作為傳熱介質能達到較高的熱處理溫度;氮氣熱處理則要求能夠精確地控制熱處理溫度。這些熱處理技術的不利之處是處理后木材強度損失及材色變化較大，處理材的應用受到一定限制。

2.4 化學處理提高尺寸穩定

木材化學改性總體上分為細胞壁非反應型和細胞壁反應型兩種。細胞壁非反應型改性是在一定條件下，存在于細胞腔和細胞壁內的改性劑自身發生縮合反應，反應物填充細胞間隙。其中石蠟改性、熱固性樹脂改性和有機單體改性屬于這類。細胞壁反應型改性是改性劑與木材細胞壁的組成成分發生化學反應并形成化學鍵，從而改善提高木材的各項性能。包括乙酰化、糠醇化和氮羥甲基酰胺類化合物改性等。[16]化學處理提高尺寸穩定性需要添加各種化學試劑，對人體和環境都具有一定的危害。

2.5 其他處理方式

木材注蠟改性自古就有，在故宮的史料中也有記載。木材注蠟就是將木材放入蠟中熬煮，被煮的木材要全浸泡在蠟里面，在熬煮的過程中，蠟將木材中的水分和部分油脂置換出來后逐步滲透到木材內部。處理后的木材不僅能達到烘干的效果，還能將木材定型。注蠟技術可以顯著提高木材的尺寸穩定性，延長時間可以獲得較好的處理效果。

3 家具設計與木材尺寸穩定性

木材的干縮濕脹是影響家具變形、開裂的主要因素。因此，在開展家具設計時要充分考慮材料的自身性質，特別是在家具結構尤其是實木家具結構設計時要重點考慮。針對嵌板、大斷面腿足等較寬、較厚的實木零件設計時不僅要在結構設計上限制其收縮，同時要在設計說明里要求采用熱處理木材來加工。此外，在家具受力結構處的材料選用上也應該考慮變形和開裂的問題，適當采用改性木材來加工。深色名貴硬木價值高、密度大、因此，這類家具設計時更要注意材料選用和材料的高其尺寸穩定性。

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作者簡介：姜文靜（1997—），女，本科生，主要從事木材干燥預處理研究。

通訊作者：劉祎，男，講師，主要從事生命周期評價方面的研究。