热处理对毛白杨木材力学性能的影响机理1)

范文俊 涂登云 彭冲 韩宇豪 蔡家斌

(华南农业大学，广州，510642) (南京林业大学)

责任编辑:戴芳天。

毛白杨是我国北方主要人工林树种，具有生长快、蓄积量大等优点;但毛白杨木材稳定性差、易腐烂的缺点，使其在实木制品中的应用还不够广泛。因此，通过有效的木材改性，提高毛白杨木材稳定性，是毛白杨木材实现实木化利用的关键。高温热处理可以使木材的半纤维素降解，木材细胞壁中的羟基减少，结晶区和结晶度增加，木材的吸湿性和吸水性降低，尺寸稳定性、生物耐腐性和耐气候性提高［1］。木材超高温热处理技术在我国已被广泛应用于木地板、户外园林景观、家具等领域［2］。因此，利用高温热处理改性毛白杨木材，将是一种行之有效的方法。

目前，我国生产上常用的木材热处理工艺分为窑式常压和罐式带压两种，国内外学者对超高温热处理材的研究主要集中在生产工艺、耐久性、吸湿性、尺寸稳定性、材色、物理力学性能等方面［3-4］，木材的力学性能直接影响着木制品的质量和使用寿命，国内学者对此也进行了有效的研究。廖立等［5］研究了185 ℃的高温热处理对尾赤桉木材物理力学性能的影响。Obataya，Yildi 相继对热处理材的吸湿性、力学性能及化学成分变化进行了分析［6-7］。Tu Dengyun 等［8］研究了180、190、200、210 ℃的高温热处理对尾赤桉木材的机械加工性能的影响。李涛等［9］研究了185 ℃高温热处理对水曲柳木材力学性能的影响。木材力学强度与木材纤维和纤维之间的横向联结强度有关，它主要靠半纤维素与纤维素的联结来实现。随着热处理温度升高，木材细胞壁组成成分的半纤维素和木质素非结晶型高聚物发生玻璃化转变，木质素软化和半纤维素的大量降解破坏了半纤维素、木质素与纤维素的联结，减少了半纤维素与纤维素的联结点数量。断点数量增加，导致胞间层劈裂，降低了木材力学强度［10］。热处理可以改善木材的尺寸稳定性和耐腐性，这对扩大木材在建筑领域以及户外的应用范围至关重要。但热处理会降低木材力学性能［11-12］，限制了热处理木材在力学强度要求较高场所的应用［13-14］。

笔者以毛白杨木材为研究对象，采用120～200℃常压过热蒸汽对木材进行热处理，利用X 射线衍射仪(XRD)对毛白杨木材结晶学特性的变化规律进行表征分析。研究木材力学性能、木材内部结晶度与热处理过程中木材质量损失率之间的关系，揭示热处理后木材各力学性能变化的原理;探明热处理对木材各力学性能影响的原因，为生产上选择适合某一特定力学性能的热处理工艺提供依据。

1 材料与方法

1.1 试材

毛白杨，采自河南省驻马店市，树龄10 a，胸径26 cm，经常规干燥四面刨光后试材规格为:450 mm(纵)×140 mm(弦)×25 mm(径)，含水率10%～15%，数量为30 块，用于力学性能测试实验。其中25 块用于5 组工艺的热处理，5 块用作对比材。

从每个试材上锯制规格为20 mm ×20 mm ×20 mm 的小试件5 块，共150 块，用于质量损失率测定实验。

1.2 仪器和设备

常压过热蒸汽热处理设备(容积0.064 m3，最高温度220 ℃);电子天平(精度0.001 g);BPS-100CL 型恒温恒湿箱，控温范围-1～100 ℃，控湿范围:35%～95%;101-1 型电热鼓风机干燥箱，温度范围:5～250 ℃;电子万能试验机CMT5504;XRD 射线粉末衍射仪，扫描范围:10°～50°，扫描步距为0.02°，扫描速度为4°/min 等。

1.3 热处理方法

将含水率为10%左右的试件，在T干(干球温度)=95 ℃，T湿(湿球温度)=65 ℃条件下干燥至含水率为5%以下。

以15～20 ℃/h 的升温速度，将干球温度升至目标温度(120、140、160、180、200 ℃)，同时，在升温过程中保持湿球温度100 ℃。干球温度升至目标温度后，保温处理3 h，保温过程中窑内压力为0.1 MPa。

热处理结束，关闭加热器，保持T湿=100 ℃，将T干降到110 ℃以下，关闭风机、加湿器，闷窑降温至室温，实验结束。

1.4 热处理试件的质量损失率计算

用于质量损失率实验的试件，在热处理前先按GB 1931—1991 烘到绝干并称其质量，准确到0.001 g。试件经热处理后再按要求烘至绝干，称其质量。热处理后试件的质量损失率按下式计算:

式中:W 为试件的质量损失率(%);m0为热处理前试件的绝干质量(g);m1为热处理后试件的绝干质量(g)。

1.5 木材试件力学性能的测试方法

木材顺纹抗弯强度以及抗弯弹性模量的测定依据国家标准GB/T 1936.1—2009 及GB 1936.2—2009 的要求进行，冲击韧性的测定依据国家标准GB/T 1940—2009 要求进行，试件规格:300 mm(纵)×20 mm(弦)×20 mm(径);木材硬度的测定依据国家标准GB/T 1941—2009 要求进行，试件规格:70 mm(纵)×50 mm(弦)×50 mm(径);木材握钉力测定依据国家标准GB/T 14018—2009 要求进行，试件规格:150 mm(纵)×50 mm(弦)×50 mm(径)。木材硬度和握钉力所需的试件通过胶合得到。每组力学性能的测试要求处理材与素材试样各10 块。

1.6 XRD 射线粉末衍射图

选取无节子无明显缺陷的处理材和素材试样，将其劈碎、打粉筛选出80～100 目的木粉烘至绝干。采用X 射线衍射仪研究热处理对毛白杨木材002晶面衍射峰的位置和结晶度的影响。

在扫描曲线2θ =22°附近有(002)衍射的极大峰值，2θ=18°附近有一极小峰值。结晶度的计算公式为:

其中:Cr为结晶度(%);Ⅰ002为(002)晶格衍射角的极大强度，即结晶区的衍射强度;Ⅰam为2θ =18°时非结晶背景衍射的散射强度。

2 结果与分析

2.1 热处理对力学性能的影响

经不同工艺处理后木材各力学强度如表1所示。毛白杨木材抗弯强度、冲击韧性、表面硬度、握钉力均随处理温度的升高而逐渐降低，热处理对木材的抗弯强度和冲击韧性的影响大于对木材表面硬度和握钉力的影响。木材的抗弯弹性模量随热处理温度的升高呈现先上升后下降的趋势。

表1 素材和热处理材力学强度

120 ℃和140 ℃的热处理温度对毛白杨木材的抗弯强度影响较小，热处理温度由160 ℃升高至200 ℃时，木材的抗弯强度降低明显，且经200 ℃热处理后的毛白杨木材抗弯强度降低急剧。与未处理材相比，160、180、200 ℃分别使毛白杨木材的抗弯强度降低12.27%、16.93%和51.21%。木材抗弯强度与木材纤维和纤维之间横向联结强度有关，它主要靠纤维素与半纤维素的联结来实现。高温热处理破坏了半纤维素、木质素与纤维素的联结，减少了半纤维素与纤维素的联结点数量，导致胞间层劈裂。

热处理温度由120 ℃升高至200 ℃，毛白杨木材的冲击韧性分别降低了2.59%、6.56%、13.29%、65.83%和68.24%;表面硬度分别降低了8.93%、11.05%、18.02%、30.60%和32.23%;握钉力分别降低了-0.49%、8.08%、6.89%、16.94%和37.22%。

热处理对毛白杨木材的抗弯弹性模量影响总变化规律呈现先增大后减小的趋势。素材的抗弯弹性模量为8 830 MPa，经180 ℃热处理后木材的抗弯弹性模量达到最大值9 331.67 MPa，较素材增大了5.68%;而经200 ℃热处理后，木材的抗弯弹性模量急剧下降，达到最小值8 804.77 MPa，较素材降低了0.28%。

2.2 热处理对质量损失率的影响

经120、140、160、180、200 ℃的热处理后，毛白杨木材的质量损失率如表2所示。随处理温度的升高，毛白杨木材的质量损失率逐渐增大，120～180℃处理后毛白杨木材的质量损失率仅为0.004%～1.119%;但当热处理温度升高至200 ℃时，处理材的质量损失率急剧增大到4.802%。这是由于随着热处理温度的升高，木材中木质素软化，半纤维素发生降解，造成木材质量损失率增大。

表2 不同温度热处理材的质量损失率

2.3 XRD 衍射谱图

素材及处理材结晶区的位置及结晶度如图1和表3所示。可以看出，与素材相比，经过不同温度的热处理后，木材纤维素002 晶面衍射峰的位置都在22.40°附近(介于21.98°～22.72°)。这表明热处理对木材的结晶区没有形成明显影响，即没有改变晶层的距离。但热处理对毛白杨木材结晶度的影响较明显，当热处理温度从120 ℃升高至200 ℃时，处理材的结晶度分别为58.09%、59.07%、58.14%、61.33%和58.18%，与素材结晶度(55.11%)相比，其结晶度分别提高了5.4%、7.19%、5.5%、11.29%和5.57%。

当热处理温度升高到180 ℃时，木材中的结晶度达到最大值为61.33%，与素材相比提高了11.28%。其原因是:在热处理过程中，纤维素准结晶无定形区域内纤维素分子链之间的羟基发生“架桥”反应，脱出水分，产生醚键，使得无定形区内微纤丝的排列更加有序，向结晶区靠拢并取向，从而使得木材结晶度增加［15］。当热处理温度升高至200 ℃时，木材纤维素结晶度显著降低，这是因为，当热处理温度达到200 ℃时，木材半纤维素开始大量水解产生乙酸，乙酸对纤维素无定形区甚至是定形区域的微纤丝起到降解作用，将葡萄糖单元水解为短链结构，从而使得毛白杨木材纤维素的结晶度降低。

图1 XRD 衍射图

表3 素材及热处理材的结晶特性

2.4 质量损失率、结晶度与各力学性能间的关系

毛白杨木材的质量损失率、结晶度与各力学性能之间的相关关系见表4—表6。毛白杨木材的抗弯强度、握钉力与质量损失率的相关系数分别为-0.983和-0.937，均在0.01 水平上显著相关。由此可见，热处理木材抗弯强度和握钉力的降低主要是在热处理过程中木材的质量发生了损失而引起的。

表4 力学强度与质量损失率和结晶度间的相关性

毛白杨木材的质量损失率与冲击韧性和表面硬度的相关关系分别为-0.788 和-0.756，即中度相关关系。木材质量损失是引起冲击韧性和表面硬度降低的一部分原因。木材的质量损失率与抗弯弹性模量的相关系数仅为-0.399，可以认为二者没有必然联系，抗弯弹性模量的变化并非由热处理过程中木材质量损失而引起的。

表5 力学强度与质量损失率之间的关系

表6 力学强度与结晶度之间的关系

木材的结晶度与抗弯强度和握钉力的相关性极弱，热处理使毛白杨木材的抗弯强度和握钉力降低，与处理过程中木材结晶度的变化没有必然的联系。木材结晶度与冲击韧性、表面硬度和抗弯弹性模量的相关系数分别为-0.594、-0.713 和0.750，呈现中度相关关系，所以，结晶度的改变是引起木材冲击韧性、表面硬度和抗弯弹性模量变化的一部分原因。

此外，热处理毛白杨木材的冲击韧性和表面硬度显现出了极高的正相关性，二者的相关系数达到0.942，并在0.01 水平上显著相关。

3 结论

热处理没有改变结晶区的位置，但热处理对毛白杨木材结晶度的影响较明显，当热处理温度从120 ℃升高至200 ℃时，其结晶度分别提高了5.4%、7.19%、5.5%、11.29%和5.57%。

热处理过程中木材质量损失率的增大与木材抗弯强度和握钉力的降低直接相关(高度相关关系)，与冲击韧性和表面硬度之间有中度相关关系，与顺纹抗弯弹性模量几乎无关。热处理过程中木材结晶度的变化与木材表面硬度、冲击韧性和抗弯弹性模量之间有中度相关关系，与抗弯强度和握钉力几乎无关。

在热处理过程中，降低木材的质量损失率，可以改善木材的抗弯强度、握钉力;降低质量损失率的同时增加结晶度，可以增加木材冲击韧性和表面硬度值;增加结晶度，可以使木材抗弯弹性模量值增大。

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