蒸汽介質(zhì)熱處理木材性質(zhì)及其強(qiáng)度損失控制原理.pdf

1、蒸汽介質(zhì)熱處理是改善木材尺寸穩(wěn)定性和耐久性的有效方法之一。熱處理后木材的顏色變深，尺寸穩(wěn)定性和耐久性得到顯著提高，但是力學(xué)強(qiáng)度降低，這一缺陷嚴(yán)重阻礙了熱處理木材的廣泛應(yīng)用。因此研究熱處理材的性能變化規(guī)律及其力學(xué)強(qiáng)度損失機(jī)理，對進(jìn)一步拓寬熱處理材的應(yīng)用領(lǐng)域具有非常重要的意義。
　　本研究采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)方法，以蒸汽為介質(zhì)兼作保護(hù)氣體，在氧氣含量低于2％的密閉干燥箱內(nèi)分別對杉木心材、杉木邊材、毛白楊木材進(jìn)行處理，處理?xiàng)l件為溫度17

2、0℃～230℃、時(shí)間1h～5hrs。采用方差分析、多元回歸分析等數(shù)據(jù)處理方法對熱處理木材的性質(zhì)及其力學(xué)性能進(jìn)行分析，重點(diǎn)考察了溫度和時(shí)間兩個(gè)工藝因子對木材性質(zhì)變化的影響，通過對熱處理木材物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的研究，揭示了熱處理過程中木材性質(zhì)變化規(guī)律及其力學(xué)強(qiáng)度損失的機(jī)理，分別建立了熱處理材抗彎強(qiáng)度損失率和彈性模量損失率與其他性能之間的數(shù)學(xué)回歸模型以及溫度和時(shí)間與熱處理材各個(gè)性質(zhì)變化率之間的數(shù)學(xué)回歸模型。依據(jù)相關(guān)回歸模型，可以分別預(yù)測出在不

3、同熱處理?xiàng)l件下木材各個(gè)性能的變化程度。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了控制熱處理材力學(xué)強(qiáng)度損失的方法。本論文的研究意義在于將蒸汽介質(zhì)熱處理方法推廣應(yīng)用到我國人工林木材的加工利用領(lǐng)域，為更好地利用我國人工林資源提供理論依據(jù)。
　　本論文的主要研究結(jié)論如下：
　　1、溫度和時(shí)間是決定熱處理材性能的兩個(gè)重要因子，其中尤以溫度更為重要。熱處理材性能發(fā)生顯著變化的臨界溫度為200℃，時(shí)間為2h。在溫度低于200℃時(shí)，熱處理材的全干密度、綜纖維素

4、和α-纖維素的含量、體積干縮率和濕脹率、木材顏色等均有不同程度的緩慢降低，而失重率、耐腐性能、硬度、抗彎強(qiáng)度和彈性模量等均有不同程度的緩慢提高；在溫度高于200℃時(shí)，除了耐腐性能急劇增強(qiáng)之外，以上其他性能均開始急劇下降。
　　2、傅立葉變換紅外光譜分析表明，熱處理材中表征木材纖維素和半纖維素的官能團(tuán)的特征吸收峰的強(qiáng)度減弱，而表征木素的官能團(tuán)的特征吸收峰的強(qiáng)度增加，證實(shí)了熱處理過程中綜纖維素和α-纖維素的含量降低，而木質(zhì)素含量升高的

5、變化規(guī)律。本試驗(yàn)條件下，杉木心材綜纖維素、α-纖維素的含量損失率分別為2.87%～21.40%、0.33%～35.30%，木素含量的提高率為0.53%～22.63%；杉木邊材綜纖維素、α-纖維素的含量損失率分別為2.91%～22.71%、0.34%～50.32%，木素含量的提高率為0.47%～37.09%；毛白楊木材綜纖維素、α-纖維素的含量損失率分別為2.52%～23.72%、0.94%～41.44%，木素含量的提高率為9.06%～1

6、23.64%。方差分析表明，在α=0.01水平上，溫度和時(shí)間對木材化學(xué)組分含量變化的影響極顯著。熱處理過程中，纖維素和半纖維素的熱降解反應(yīng)可能是造成熱處理材綜纖維素和α-纖維素的含量降低的主要原因，縮聚反應(yīng)可能是造成木質(zhì)素含量升高的主要原因。
　　3、木質(zhì)素是木材產(chǎn)生顏色的主要來源，熱處理過程中木材中木質(zhì)素含量的增加是造成木材顏色加深的主要原因。熱處理后，木材的顏色變深，逐漸變?yōu)楹稚辽詈稚?。本試?yàn)條件下，杉木心材的色飽和度差值△

7、C*、總體色差△E*和色相差△H*的變化范圍分別為3.67～－7.73、6.61～43.46、0.60～6.02；杉木邊材的△C*、△E*和△H*的變化范圍分別為4.46～－8.31、11.18～57.49、1.76～7.11；毛白楊的△C*、△E*和△H*的變化范圍分別為6.87～－5.14、13.98～62.00、3.63～10.46。表明熱處理能夠顯著改善木材的顏色。實(shí)際生產(chǎn)中，可根據(jù)不同顏色的需求來設(shè)置溫度和時(shí)間，將木材顏色調(diào)控

8、至預(yù)期的顏色。
　　4、熱處理過程中，木材化學(xué)組分綜纖維素和α-纖維素的熱降解反應(yīng)和木材內(nèi)無機(jī)物質(zhì)以及可揮發(fā)性物質(zhì)的流失，可能是導(dǎo)致了木材全干密度降低的主要原因。本試驗(yàn)條件下，杉木心材、杉木邊材、毛白楊木材的全干密度損失率分別為0.62%～15.07%、0.77%～15.80%、0.52%～13.63%。方差分析表明，在α=0.01水平上，溫度和時(shí)間對熱處理材全干密度變化的影響極顯著。
　　5、熱處理顯著提高了木材的尺寸穩(wěn)定

9、性。熱處理過程中，隨著溫度的升高和時(shí)間的延長，木材的尺寸穩(wěn)定性穩(wěn)步提高。本試驗(yàn)條件下，杉木心材、杉木邊材、毛白楊的尺寸穩(wěn)定性最大提高率分別為72.63%、67.21%、70.71%。方差分析表明，在α=0.01水平上，溫度和時(shí)間對熱處理材體積變化的影響極顯著。熱處理可能造成了木材中大量的親水性基團(tuán)羥基(-OH)流失，同時(shí)生成了憎水性新物質(zhì)，因此大大減少了木材的吸濕性，提高了木材的尺寸穩(wěn)定性。
　　6、在溫度200℃左右，時(shí)間少于3

10、h的熱處理可以提高木材的硬度，這是由于低溫時(shí)木材的熱降解反應(yīng)并未占據(jù)主導(dǎo)地位，而此時(shí)無定形區(qū)內(nèi)水分的流失導(dǎo)致相鄰纖維素之間形成了新的氫鍵，結(jié)果導(dǎo)致木材的硬度有所提高。其中，杉木心材、杉木邊材、毛白楊木材的硬度最大提高率分別為12.67%(200℃，1h)、26.82%(200℃，2h)、15.82%(200℃，3h)。當(dāng)溫度高于200℃后，熱降解反應(yīng)逐漸占據(jù)了主導(dǎo)地位，導(dǎo)致木材硬度開始急劇下降。在溫度230℃，5h時(shí)，杉木心材、杉木邊材

11、、毛白楊木材的硬度的損失率分別為26.07%、24.36%、22.09%。方差分析表明，在α=0.01水平上，溫度和時(shí)間對熱處理材硬度變化的影響極顯著。
　　7、熱處理能夠顯著提高毛白楊木材的耐腐性能，即從不耐腐等級提高至強(qiáng)耐腐等級。未處理毛白楊木材的失重率為55.746%，其耐腐性為不耐腐等級；在溫度230℃、5h的熱處理?xiàng)l件下，其失重率僅為2.052%，其耐腐性已為強(qiáng)耐腐等級。這可能是由于在熱處理過程中，木材中可供木腐菌食用的

12、營養(yǎng)物質(zhì)如多糖類物質(zhì)和無機(jī)類物質(zhì)等大量流失，導(dǎo)致木腐菌無法存活，從而使得熱處理材少受或免于腐朽。杉木心材和杉木邊材的耐腐性能在熱處理前后均為強(qiáng)耐腐等級，因此對杉木進(jìn)行熱處理的意義在于提高其尺寸穩(wěn)定性以及改善其其他性能。
　　8、在溫度200℃以下時(shí)，2h左右的熱處理可以增加杉木邊材、毛白楊木材的抗彎強(qiáng)度和彈性模量，這可能是由于木材內(nèi)無定形區(qū)內(nèi)水分的流失導(dǎo)致相鄰纖維素之間形成了新的氫鍵，使得纖維排列更加緊密，而此時(shí)熱降解反應(yīng)并未占據(jù)

13、主導(dǎo)地位，因此熱處理材的抗彎強(qiáng)度和彈性模量有所增加。其中，杉木邊材抗彎強(qiáng)度和彈性模量的最大提高率分別為6.36%和2.84%；毛白楊抗彎強(qiáng)度和彈性模量的最大提高率分別為11.28%和15.80%。當(dāng)溫度等于或高于200℃時(shí)，熱降解反應(yīng)開始占據(jù)主導(dǎo)地位，致使纖維素大分子鏈斷裂形成小分子，嚴(yán)重破壞了木材的骨架結(jié)構(gòu)，因此降低了木材的力學(xué)強(qiáng)度。本試驗(yàn)條件下，在230℃、5h時(shí)，杉木心材、杉木邊材、毛白楊的抗彎強(qiáng)度和彈性模量的損失率均達(dá)到最大值，

14、分別為49.39%和21.93%；49.72%和22.42%；54.20%和－2.73%。方差分析表明，在α=0.01水平上，溫度和時(shí)間對熱處理材抗彎強(qiáng)度和彈性模量的變化影響均為極顯著。
　　9、以?代表抗彎強(qiáng)度損失率，x1為處理溫度、x2為處理時(shí)間。那么，杉木心材、杉木邊材、毛白楊木材的抗彎強(qiáng)度損失率的回歸模型分別為?=0.558x1＋2.806x2－99.975(R2=0.943)、?=0.693x1＋5.566x2－137.

15、897(R2=0.909)、?=0.961x1＋4.218x2－183.832(R2=0.953)。以?代表彈性模量損失率，則回歸模型分別為?=0.247x1＋1.235x2－44.865(R2=0.874)、?=0.222x1＋3.512x2－47.676(R2=0.927)、?=0.089x1＋1.544x2－32.172(R2=0.777)。根據(jù)上述模型，可分別推測出不同熱處理?xiàng)l件下木材抗彎強(qiáng)度或彈性模量的損失率。
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