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蒸汽介质热处理木材性质及其强度损失控制原理

曹永建  
【摘要】: 蒸汽介质热处理是改善木材尺寸稳定性和耐久性的有效方法之一。热处理后木材的颜色变深,尺寸稳定性和耐久性得到显著提高,但是力学强度降低,这一缺陷严重阻碍了热处理木材的广泛应用。因此研究热处理材的性能变化规律及其力学强度损失机理,对进一步拓宽热处理材的应用领域具有非常重要的意义。本研究采用完全随机区组设计方法,以蒸汽为介质兼作保护气体,在氧气含量低于2%的密闭干燥箱内分别对杉木心材、杉木边材、毛白杨木材进行处理,处理条件为温度170℃~230℃、时间1h~5hrs。采用方差分析、多元回归分析等数据处理方法对热处理木材的性质及其力学性能进行分析,重点考察了温度和时间两个工艺因子对木材性质变化的影响,通过对热处理木材物理性质和化学性质的研究,揭示了热处理过程中木材性质变化规律及其力学强度损失的机理,分别建立了热处理材抗弯强度损失率和弹性模量损失率与其他性能之间的数学回归模型以及温度和时间与热处理材各个性质变化率之间的数学回归模型。依据相关回归模型,可以分别预测出在不同热处理条件下木材各个性能的变化程度。在此基础上进一步提出了控制热处理材力学强度损失的方法。本论文的研究意义在于将蒸汽介质热处理方法推广应用到我国人工林木材的加工利用领域,为更好地利用我国人工林资源提供理论依据。 本论文的主要研究结论如下: 1、温度和时间是决定热处理材性能的两个重要因子,其中尤以温度更为重要。热处理材性能发生显著变化的临界温度为200℃,时间为2h。在温度低于200℃时,热处理材的全干密度、综纤维素和α-纤维素的含量、体积干缩率和湿胀率、木材颜色等均有不同程度的缓慢降低,而失重率、耐腐性能、硬度、抗弯强度和弹性模量等均有不同程度的缓慢提高;在温度高于200℃时,除了耐腐性能急剧增强之外,以上其他性能均开始急剧下降。 2、傅立叶变换红外光谱分析表明,热处理材中表征木材纤维素和半纤维素的官能团的特征吸收峰的强度减弱,而表征木素的官能团的特征吸收峰的强度增加,证实了热处理过程中综纤维素和α-纤维素的含量降低,而木质素含量升高的变化规律。本试验条件下,杉木心材综纤维素、α-纤维素的含量损失率分别为2.87%~21.40%、0.33%~35.30%,木素含量的提高率为0.53%~22.63%;杉木边材综纤维素、α-纤维素的含量损失率分别为2.91%~22.71%、0.34%~50.32%,木素含量的提高率为0.47%~37.09%;毛白杨木材综纤维素、α-纤维素的含量损失率分别为2.52%~23.72%、0.94%~41.44%,木素含量的提高率为9.06%~123.64%。方差分析表明,在α=0.01水平上,温度和时间对木材化学组分含量变化的影响极显著。热处理过程中,纤维素和半纤维素的热降解反应可能是造成热处理材综纤维素和α-纤维素的含量降低的主要原因,缩聚反应可能是造成木质素含量升高的主要原因。 3、木质素是木材产生颜色的主要来源,热处理过程中木材中木质素含量的增加是造成木材颜色加深的主要原因。热处理后,木材的颜色变深,逐渐变为褐色至深褐色。本试验条件下,杉木心材的色饱和度差值△C*、总体色差△E*和色相差△H*的变化范围分别为3.67~-7.73、6.61~43.46、0.60~6.02;杉木边材的△C*、△E*和△H*的变化范围分别为4.46~-8.31、11.18~57.49、1.76~7.11;毛白杨的△C*、△E*和△H*的变化范围分别为6.87~-5.14、13.98~62.00、3.63~10.46。表明热处理能够显著改善木材的颜色。实际生产中,可根据不同颜色的需求来设置温度和时间,将木材颜色调控至预期的颜色。 4、热处理过程中,木材化学组分综纤维素和α-纤维素的热降解反应和木材内无机物质以及可挥发性物质的流失,可能是导致了木材全干密度降低的主要原因。本试验条件下,杉木心材、杉木边材、毛白杨木材的全干密度损失率分别为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,温度和时间对热处理材全干密度变化的影响极显著。 5、热处理显著提高了木材的尺寸稳定性。热处理过程中,随着温度的升高和时间的延长,木材的尺寸稳定性稳步提高。本试验条件下,杉木心材、杉木边材、毛白杨的尺寸稳定性最大提高率分别为72.63%、67.21%、70.71%。方差分析表明,在α=0.01水平上,温度和时间对热处理材体积变化的影响极显著。热处理可能造成了木材中大量的亲水性基团羟基(-OH)流失,同时生成了憎水性新物质,因此大大减少了木材的吸湿性,提高了木材的尺寸稳定性。 6、在温度200℃左右,时间少于3h的热处理可以提高木材的硬度,这是由于低温时木材的热降解反应并未占据主导地位,而此时无定形区内水分的流失导致相邻纤维素之间形成了新的氢键,结果导致木材的硬度有所提高。其中,杉木心材、杉木边材、毛白杨木材的硬度最大提高率分别为12.67% (200℃,1h)、26.82% (200℃,2h)、15.82% (200℃,3h)。当温度高于200℃后,热降解反应逐渐占据了主导地位,导致木材硬度开始急剧下降。在温度230℃,5h时,杉木心材、杉木边材、毛白杨木材的硬度的损失率分别为26.07%、24.36%、22.09%。方差分析表明,在α=0.01水平上,温度和时间对热处理材硬度变化的影响极显著。 7、热处理能够显著提高毛白杨木材的耐腐性能,即从不耐腐等级提高至强耐腐等级。未处理毛白杨木材的失重率为55.746%,其耐腐性为不耐腐等级;在温度230℃、5h的热处理条件下,其失重率仅为2.052%,其耐腐性已为强耐腐等级。这可能是由于在热处理过程中,木材中可供木腐菌食用的营养物质如多糖类物质和无机类物质等大量流失,导致木腐菌无法存活,从而使得热处理材少受或免于腐朽。杉木心材和杉木边材的耐腐性能在热处理前后均为强耐腐等级,因此对杉木进行热处理的意义在于提高其尺寸稳定性以及改善其其他性能。 8、在温度200℃以下时,2h左右的热处理可以增加杉木边材、毛白杨木材的抗弯强度和弹性模量,这可能是由于木材内无定形区内水分的流失导致相邻纤维素之间形成了新的氢键,使得纤维排列更加紧密,而此时热降解反应并未占据主导地位,因此热处理材的抗弯强度和弹性模量有所增加。其中,杉木边材抗弯强度和弹性模量的最大提高率分别为6.36%和2.84%;毛白杨抗弯强度和弹性模量的最大提高率分别为11.28%和15.80%。当温度等于或高于200℃时,热降解反应开始占据主导地位,致使纤维素大分子链断裂形成小分子,严重破坏了木材的骨架结构,因此降低了木材的力学强度。本试验条件下,在230℃、5h时,杉木心材、杉木边材、毛白杨的抗弯强度和弹性模量的损失率均达到最大值,分别为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,温度和时间对热处理材抗弯强度和弹性模量的变化影响均为极显著。 9、以y代表抗弯强度损失率,x_1为处理温度、x_2为处理时间。那么,杉木心材、杉木边材、毛白杨木材的抗弯强度损失率的回归模型分别为y = 0.558x_1+2.806x_2-99.975 (R~2=0.943)、y = 0.693x_1+5.566x_2-137.897 (R~2=0.909)、y =0.961x_1+4.218x_2-183.832 (R~2=0.953)。以y代表弹性模量损失率,则回归模型分别为y = 0.247x_1+1.235x_2-44.865 (R~2=0.874)、y = 0.222x_1+3.512x_2-47.676 (R~2=0.927)、y =0.089x_1+1.544x_2-32.172 (R~2=0.777)。根据上述模型,可分别推测出不同热处理条件下木材抗弯强度或弹性模量的损失率。 10、控制木材力学强度损失的根本方法是控制热处理温度。本试验中,将温度控制在临界温度即200℃以下,能够保证木材的抗弯强度和弹性模量基本上没有或仅有轻微的损失,甚至短时间的热处理还能够增强木材的抗弯强度和弹性模量。依据相关数学回归模型,实际生产中应根据热处理材的最终用途来选择合适的处理温度和时间。


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