熱處理對(duì)圓盤豆木材性能影響及其機(jī)理研究.pdf

1、木材是一種具有眾多優(yōu)點(diǎn)的可再生的生物質(zhì)材料，但也有一些影響其利用的缺點(diǎn)。現(xiàn)有多種克服其缺點(diǎn)、改善其性能的物理或化學(xué)改性方法，但是這些方法都或多或少地使用了化學(xué)物質(zhì)，在木材改性以后的使用過(guò)程中對(duì)人體產(chǎn)生危害。本研究采用一種綠色、無(wú)污染、不使用任何化學(xué)物質(zhì)的高溫?zé)崽幚矸椒?，以近年引進(jìn)國(guó)內(nèi)的非洲熱帶樹(shù)種圓盤豆（Cylicodiscus spp）木材為實(shí)驗(yàn)材料，研究熱處理對(duì)圓盤豆木材物理、力學(xué)性能的影響，揭示其性能變化的機(jī)理，確定圓盤豆木材的最

2、佳熱處理工藝，提高圓盤豆木材尺寸穩(wěn)定性，改善圓盤豆木材顏色和光穩(wěn)定性，保證圓盤豆木材力學(xué)強(qiáng)度下降在許用范圍之內(nèi)。這對(duì)拓寬圓盤豆木材實(shí)木加工利用的應(yīng)用范圍，提高圓盤豆木材的附加值，進(jìn)一步深化木材熱處理研究，開(kāi)拓?zé)崽幚聿膽?yīng)用領(lǐng)域，豐富木材科學(xué)的內(nèi)涵等，都具有重要意義。
　　木研究采用全因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，熱處理溫度為160℃、180℃、200℃、220℃，熱處理時(shí)間為2h、4h、6h、8h。在氧氣含量低于2％的高溫干燥箱內(nèi)，對(duì)尺寸規(guī)格

3、為500mm（縱向）×125mm（徑向）×25mm（弦向）的試材分心材和邊材2組試材進(jìn)行高溫、低氧含量的熱處理。通過(guò)測(cè)量心、邊材對(duì)照材及心、邊材熱處理材的顏色、物理性能、力學(xué)性能、光穩(wěn)定性等各項(xiàng)性能，研究熱處理對(duì)圓盤豆木材性能的影響規(guī)律，確定圓盤豆木材的最佳熱處理工藝，并綜合采用紅外光譜、熱重分析和差熱分析、X射線衍射、光電子能譜、核磁共振波譜、紫外光譜、氣-質(zhì)聯(lián)用等多種方法對(duì)熱處理前后的圓盤豆木材及其木粉抽提物進(jìn)行分析檢測(cè)，探明熱處理

4、圓盤豆木材尺寸穩(wěn)定性提高、顏色變深，力學(xué)強(qiáng)度變化的內(nèi)在機(jī)理，得出了如下結(jié)論：
　　1.最佳熱處理工藝嚴(yán)格地說(shuō)有兩類，一類是根據(jù)熱處理材用途所確定的，有針對(duì)性的、確切的熱處理工藝，一類是根據(jù)尺寸穩(wěn)定性提高度和強(qiáng)度下降度所確定的一般性的熱處理工藝，此處所指的是后一種。根據(jù)熱處理實(shí)驗(yàn)和性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，確定了溫度和時(shí)間2個(gè)處理因子中，溫度為主要因子。最佳熱處理工藝，溫度為200℃、時(shí)間為6小時(shí)。在此熱處理?xiàng)l件下，尺寸穩(wěn)定性達(dá)到穩(wěn)定提高，體積

5、抗干縮率和體積抗?jié)衩浡势骄岣?5%以上，而抗彎強(qiáng)度下降在許用范圍之內(nèi)，心材、邊材平均下降率約為25%。
　　2.熱處理顯著降低了圓盤豆木材的吸濕性和吸水性。心材對(duì)照材的平衡含水率為10.39%，熱處理后心材平衡含水率為4.36%～8.06%，熱處理后阻濕率為22.43%～58.04%；邊材對(duì)照材的平衡含水率為10.57%，熱處理后邊材平衡含水率為4.53%～8.38%，熱處理后阻濕率為20.72%～57.14%。心材對(duì)照材的吸水

6、率為51.43%，熱處理后心材吸水率降低為36.7%～52.85%，熱處理后吸水率最大降低率為30.04%；邊材對(duì)照材的吸水率為54.95%，熱處理后邊材吸水率為36.7%～52.85%，熱處理后吸水率最大降低率為33.21%。
　　3.熱處理顯著提高了圓盤豆木材的尺寸穩(wěn)定性。在熱處理過(guò)程中，隨著熱處理溫度的升高和熱處理時(shí)間的延長(zhǎng)，熱處理材的尺寸穩(wěn)定性明顯提高。心材對(duì)照材氣干體積干縮率為10.93%，熱處理后心材氣干體積干縮率為6

7、.18%～10.55%，熱處理心材最大氣干體積抗干縮率為43.66%；邊材對(duì)照材氣干體積干縮率為11.23%，熱處理后邊材氣干體積干縮率為6.78%～11.01%，熱處理后邊材最大氣干體積抗干縮率為39.63%。心材對(duì)照材全干體積干縮率為14.35%，熱處理后心材全干體積干縮率為9.31%～13.94%，熱處理心材最大全干體積抗干縮率為35.67%；邊材對(duì)照材全干體積干縮率為14.69%，熱處理后邊材全干體積干縮率為9.88%～14.0

8、6%，邊材最大全干體積抗干縮率為39.19%。心材對(duì)照材氣干體積濕脹率為11.05%，熱處理后心材氣干體積濕脹率為6.37%～10.98%，熱處理心材最大氣干體積抗?jié)衩浡蕿?2.35%；邊材對(duì)照材氣干體積濕脹率為11.27%，熱處理后邊材氣干體積濕脹率為6.86%～10.96%，熱處理后邊材最大氣干體積抗?jié)衩浡蕿?9.13%。心材對(duì)照材飽水體積濕脹率為13.53%，熱處理后心材飽水體積濕脹率為9.56%～13.06%，熱處理后心材最大飽

9、水體積抗?jié)衩浡蕿?0.35%；邊材對(duì)照材飽水體積濕脹率為14.28%，熱處理后邊材飽水體積濕脹率為9.74%～13.86%，熱處理后邊材最大飽水體積抗?jié)衩浡蕿?0.17%。
　　4.熱處理圓盤豆木材顏色加深。同一試件熱處理前后相比，熱處理后心、邊材：明度L*值降低，紅綠色品指數(shù)a*值先升高后降低，黃藍(lán)色品指數(shù)b*值降低，色飽和度C*降低，表面光澤度Ag*稍微降低，總體色差值△E升高，心材總體色差值△E為4.7～35.52，邊材總體

10、色差值△E為10.59～39.04。隨著熱處理溫度的升高（160℃～220℃）和熱處理時(shí)間（2h～8h）的延長(zhǎng)，與熱處理前相比，熱處理心、邊材的顏色越來(lái)越暗深，而且邊材顏色變化比心材顏色變化更加明顯。
　　5.熱處理增強(qiáng)了圓盤豆木材的光穩(wěn)定性。經(jīng)氙燈照射100小時(shí)后，同一試件氙燈照射前后比較，光照后的心、邊材：心材對(duì)照材總體色差△E為3.15～20.15，熱處理心材總體色差△E為0.97～15.58，心材熱處理材的總體色差小于心材

11、對(duì)照材的總體色差，說(shuō)明熱處理使心材的光穩(wěn)定性增強(qiáng)；邊材對(duì)照材的總體色差值△E為5.6～23.79，熱處理邊材的總體色差值為△E為2.28～14.45，邊材熱處理材的總體色差小于邊材對(duì)照材的總體色差，說(shuō)明熱處理使邊材的光穩(wěn)定性增強(qiáng)。
　　6.熱處理圓盤豆木材的全干密度略有降低。熱處理后，圓盤豆心邊材全干密度稍有下降。心材對(duì)照材全干密度為0.867g/cm3，熱處理后心材全干密度為0.865 g/cm3～0.765 g/cm3，降低范

12、圍為0.23%～11.76%。邊材對(duì)照材全干密度為0.872 g/cm3，熱處理后邊材全干密度為0.868 g/cm3～0.775 g/cm3，降低范圍為0.46%～11.12%。
　　7.熱處理圓盤豆木材力學(xué)強(qiáng)度降低。低溫并且短時(shí)間的熱處理對(duì)木材的抗彎強(qiáng)度影響不大，但是隨著熱處理溫度的升高（160℃～220℃）和處理時(shí)間（2h～8h）的延長(zhǎng)，木材的抗彎強(qiáng)度降低。心材對(duì)照材抗彎強(qiáng)度為168MPa，熱處理后心材抗彎強(qiáng)度為87～156

13、 MPa，降低了7.14%～48.21%，邊材對(duì)照材抗彎強(qiáng)度為165 MPa，熱處理后邊材抗彎強(qiáng)度為95～148 MPa，降低了10.33%～42.42%。在低溫（160℃）條件下，熱處理能提高木材的抗彎彈性模量，但隨著熱處理溫度的升高，木材的抗彎彈性模量降低。心材對(duì)照材抗彎彈性模量為17.1 GPa，熱處理心材抗彎彈性模量變化率為-6.43%～5.26%；邊材對(duì)照材抗彎彈性模量為16.85GPa，熱處理邊材抗彎彈性模量變化率為-11.

14、04%～9.61%。心材對(duì)照材表面硬度為0.36KN/mm2，邊熱處理心材表面硬度最大升高率為8.33%，最大降低率為25%；邊材對(duì)照材表面硬度為0.31 KN/mm2，熱處理邊材表面硬度最大升高率為12.9%，最大降低率為16.13%。
　　8.熱處理材尺寸穩(wěn)定性提高的機(jī)理。熱處理使木材纖維素分子中的羥基基團(tuán)數(shù)量減少，纖維的相對(duì)結(jié)晶度升高14.16%～26.02%；半纖維素分子中的羥基基團(tuán)、乙?；鶊F(tuán)數(shù)量減少，半纖維素發(fā)生降解反應(yīng)

15、；木質(zhì)素發(fā)生降解、綜合反應(yīng)，使木材尺寸穩(wěn)定性增加。
　　9.熱處理材顏色變深的機(jī)理。熱處理后木質(zhì)素發(fā)生了降解、縮合反應(yīng)，共軛體系延長(zhǎng)，發(fā)色基團(tuán)數(shù)量增加，心邊材在可見(jiàn)光范圍內(nèi)吸收峰增強(qiáng)，抽提物中含有多種多酚類物質(zhì)，熱處理后帶有與芳環(huán)共軛的發(fā)色基團(tuán)的物質(zhì)濃度升高，熱處理后木材中有大量多酚類低分子物質(zhì)產(chǎn)生，有機(jī)溶劑抽提物含量增加，抽提物發(fā)生氧化還原反應(yīng)，使木材顏色加深。
　　10.熱處理材力學(xué)強(qiáng)度降低的機(jī)理。熱處理使木材中的半纖維