熱處理對三種木材尺寸穩定性的影響

呂蕾 周亞菲 劉珊杉

摘要： ?以落葉松、紅橡和奧克欖為研究對象，采用不同的常壓蒸汽熱處理工藝條件，對照未處理材，研究熱處理溫度和時間對木材尺寸穩定性的影響。結果表明：熱處理溫度和時間對木材的尺寸穩定性有顯著影響;木材吸濕性隨溫度提高逐漸降低，當熱處理溫度上升到一定程度時，尺寸穩定性改善趨緩;隨著熱處理時間延長，木材尺寸穩定性提高;木材高溫熱處理后吸濕性和吸水性的改善與木材的密度、結構等物理性能相關。

關鍵詞： ?熱處理; ?尺寸穩定性; ?膨脹率; ?紅橡; ?吸水率

中圖分類號： ? S 781. 61 ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： ? A ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1001 - 9499（2020）02 - 0051 - 04

木材是一種多孔結構的有機高分子材料，當周圍環境的溫濕度發生變化時，木材會吸收或釋放水分，對環境有一定的調節作用，因此實木家具得到了廣大消費者的喜愛。但木材吸收或釋放水分會引起木材變形，從而影響木制品的尺寸穩定性。吸濕性與尺寸穩定的“平衡點”一直以來都是木材加工領域研究的重要課題。高溫熱處理技術的出現解決了木材的尺寸穩定性問題，通過幾十年的探索和驗證，從戶外棧道、景觀建筑建設到裝飾、家具用材，此項技術在木材改性中的應用范圍不斷擴展和深入[ 1 - 5 ]。本文以落葉松、紅橡、奧克欖3種木材為研究對象，采用常壓過熱蒸汽對其進行高溫熱處理，以弦向、徑向濕脹率和吸水率為檢測指標，研究熱處理溫度和時間對木材尺寸穩定性的影響。以期為木制品生產企業解決實木組件變形問題提供理論指導。

1 材料與方法

1. 1 試驗材料

落葉松、紅橡、奧克欖鋸材采購于遼寧省大連市木材市場，常規干燥至含水率9%～10%，四面刨光，加工成規格為1 500 mm×150 mm×22 mm的刨光材。

1. 2 設 備

常壓蒸汽碳化窯、電熱鼓風干燥箱、恒溫恒濕箱（精度0.1 ℃）、電子天平（精度0.001 g）、游標卡尺（精度0.01 mm）等。

1. 3 熱處理工藝

熱處理過程分為升溫、保溫、降溫3個階段，升溫速度為10 ℃/h，降溫階段進行調濕處理。保溫階段溫度分別為140、160、180、200 ℃，處理時間分別為2、4、6、8 h。

1. 4 吸濕性和吸水性檢測

參照GB/T 1934.2-2009制備吸濕性試樣，放入溫度為（103±2）℃的電熱鼓風干燥箱中烘至絕干，檢測試樣的弦向、徑向尺寸，精確至0.01 mm。再將試樣放置于溫度（20±2）℃，濕度（65±3）%的恒溫恒濕箱中，檢測木材吸濕至尺寸穩定時的弦向和徑向尺寸，根據公式計算氣干狀態下的線濕脹率，即弦向濕脹率和徑向濕脹率。

根據GB/T 1934.1-2009木材吸水性測定方法制作試樣，將試件浸入蒸餾水中，保持水溫處于（20±2）℃，浸泡至試樣重量不再改變時，記錄重量，按公式計算各組試樣的吸水率。

2 結果與分析

2. 1 處理溫度對木材尺寸穩定性的影響

將試材分成5組，分別以140、160、180、200 ℃的熱處理溫度對木材保溫6 h，以未處理材作對照組，參照GB/T 1928，每組制備10個20 mm×20 mm×20 mm的試樣，用于檢測木材的線濕脹率和吸水性。

2. 1. 1 處理溫度對木材吸濕性的影響

從圖1可知，在140～160 ℃的溫度范圍內，隨著處理溫度的升高，木材的弦向和徑向濕脹率呈明顯下降趨勢，3種木材由于構造不同，下降程度不同。相對于未處理材，高溫熱處理后落葉松的弦向濕脹率降低15%～47%，徑向濕脹率下降18%～45%;高溫熱處理前后紅橡的弦向濕脹率降低19%～51%，徑向濕脹率下降25%～54%;高溫熱處理前后奧克欖的弦向濕脹率下降24%～65%，徑向濕脹率下降32%～57%。由此可見，高溫熱處理可以明顯降低木材的吸濕性，而且徑向濕脹率比弦向濕脹率下降快，有利于提高木材尺寸穩定性。丁濤等[ 6 ]在研究常壓熱處理對樟子松和柞木尺寸穩定性影響中也得到了同樣的結論。此外，從3種木材熱處理前后線濕脹率的變化，可推斷密度越大的木材在高溫熱處理后，線濕脹率下降越大，尺寸穩定性越好。

隨著熱處理溫度的升高，木材的弦向濕脹率和縱向濕脹率的下降程度趨緩。落葉松在140 ℃下處理6 h，弦向濕脹率為3.17%;在160 ℃下處理6 h，弦向濕脹率為2.28%;在200 ℃下處理6 h，弦向濕脹率為1.98%，可見熱處理溫度上升到160 ℃以后，隨著溫度的提升，落葉松的線濕脹率下降趨緩，即尺寸穩定性提高幅度減小。紅橡在180℃以后尺寸穩定性變化趨緩，可見，并非溫度越高木材的尺寸穩定性越好，當溫度提高時，隨著半纖維素和纖維素的降解，木材的強度和韌性也隨之下降，加工和涂飾性能降低。

2. 1. 2 處理溫度對木材吸水性的影響

從圖2可以看出，木材的吸水性與時間呈拋物線關系，落葉松的吸水率由高到低依次是180 ℃處理材、對照組、160 ℃處理材和200 ℃處理材。分析原因，高溫熱處理減少了木材中的親水性基團[ 7 ]，從而降低了木材的吸水性。但落葉松富含樹脂，樹脂具有拒水性，在高溫高濕環境中，落葉松中的松節油隨著水分從木材中向外遷移，其所在空間清空，從而增加了木材的吸水空間，當降低木材親水性基團和樹脂遷移引起的結構變化兩相作用時，出現了高溫熱處理后吸水性反而增加的現象。相對于未處理材，紅橡和奧克欖則隨著處理溫度的升高吸水率呈下降趨勢。

2. 2 處理時間對木材尺寸穩定性的影響

將試材分為5組，在160 ℃下分別保溫2、4、6、8 h，以未處理材作對照組，參照GB/T 1928，每組制備10個20 mm×20 mm×20 mm的試樣，用于檢測木材的線濕脹率和吸水性。

2. 2. 1 處理時間對木材吸濕性的影響

從圖3可知，在相同處理條件下，處理2～6 h，木材的弦向濕脹率和徑向濕脹率下降明顯;處理6～8 h，濕脹率下降趨緩。落葉松和紅橡的弦向濕脹率比徑向濕脹率下降快，奧克欖弦向濕脹率和徑向濕脹率下降基本一致。其中落葉松高溫熱處理8 h比處理2 h后弦向濕脹率降低23.8%，徑向濕脹率降低23.2%;處理8 h后紅橡的弦向濕脹率比處理2 h后降低51.6%，徑向濕脹率降低49.2%;處理8 h后奧克欖的弦向濕脹率比處理2 h后降低40.9%，徑向濕脹率降低44.1%。這說明隨著高溫熱處理時間的延長，可以有效降低木材的線濕脹率，當到一定時間后，延長處理時間對提高木材尺寸穩定性效果減小。

試驗結果表明，高溫熱處理可以有效提高木材的尺寸穩定性，降低變形幾率。從化學成分方面分析，木材熱處理后半纖維素成分，特別是多糖醛苷產生化學變化，變成吸濕性弱的單體;此外熱處理能使纖維素分子鏈內羥基相互結合而構成氫鍵。從微觀構造方面，木材細胞壁物質，在加熱和蒸汽處理條件下，微纖絲之間相互靠攏，當微纖絲與微纖絲之間的距離小于一定距離時，羥基與羥基之間形成化學鍵，而減少羥基含量可以降低木材的吸濕能力[ 8 ]。

2. 2. 2 處理時間對木材吸水性的影響

從圖4的曲線走勢可知，隨著浸水時間的延長，除了落葉松試材，熱處理時間對其他2種木材的吸水率影響不明顯。這與落葉松中的樹脂有關，隨著熱處理時間的延長，木材中的松節油從木材內部向外遷移，隨著水蒸氣蒸發，原有空間釋放，使木材的吸水率增加。

3 結 論

3. 1 常壓蒸汽高溫熱處理可以有效的降低木材的吸濕性和吸水率。在140～200 ℃的范圍內，隨著溫度的升高，木材的尺寸穩定性提高，當上升到一定溫度時，木材尺寸穩定性提高的程度趨緩。

3. 2 落葉松、紅橡和奧克欖3個樹種的密度依次增加，在相同的熱處理條件下，密度大的木材尺寸穩定性改善相對明顯。生產中可以通過木材的密度和結構等物理特性來選擇適宜的熱處理溫度。

3. 3 在相同熱處理條件下，隨著處理時間的延長，木材的尺寸穩定性有所提高，不同的樹種抗吸濕能力不同，改善程度也不同。

參考文獻

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第1作者簡介： ?呂蕾（1978-）， ?女， ?副研究員， ?主要研究方向為木材干燥及物理改性、 ?生物質材料等。

收稿日期： 2020 - 01 - 20

（責任編輯： ? 張亞楠）

Abstract The wood of Larix spp.， Oak and Aucoumea klaineana were heat-treated at different atmospheric pressure steam heat treatment process conditions. The influence of heat treatment temperature and time on the dimension stability of wood was studied. The results showed that the temperature and time of heat treatment have significant influence on the dimensional stability of wood. The moisture absorption of wood decreased gradually with the increase of temperature. When the heat treatment temperature rises to a certain degree， the improvement of dimensional stability becomes slow. With the extension of heat treatment time， the dimension stability of wood was improved. The improvement of wood hygroscopicity and water absorption after high temperature heat treatment is related to the physical properties such as density and structure of wood.

Key words Heat treatment; ?Dimensional stability; ?Swell ratio; Red oak; ?Water absorption rate