负压轻炭化木材物理力学性能

薛紫荞， 王雪花， 周亚琴， 陈梦奇， 黄琼涛

（1.南京林业大学 家居与工业设计学院，江苏 南京210037；2.南京林业大学 江苏省林业资源高效加工利用协同创新中心,江苏 南京210037；3.梅州市汇胜木制品有限公司,广东 梅州514600）

炭化是一种常见的木材化学改性技术［1］，相对其他改性方法，炭化处理具有无毒性、环境污染小、工艺简单等优点。出于降低材料处理成本的考虑，炭化材主要用于户外用材，室内材应用较少［2］。奥克榄Aucoumea klaineana，椴木Tilia europaea，单瓣豆Monopetalanthus sp.是如今市场上3种常见的家具用材，其色泽均匀、纹理美观，但应用过程中也存在易变形、易腐蚀等问题，严重影响了木材的实用价值和产品附加值。探究一种低成本、适于室内家具用材的热处理工艺，对于延长家具使用寿命、提高产品附加值意义重大。炭化处理的实质，是通过减少木材组分中吸水羟基的含量，降低木材的吸湿性，以提高其尺寸稳定性［3］。常用的高温炭化易出现使材色过深、大幅降低木材力学性能等问题［4-5］。为了平衡这2方面的问题，笔者提出 “负压轻炭化”的工艺理念，即炭化温度不超过之前大部分炭化实验常用的最低温度，炭化箱内的气压低于1个标准大气压。为了探究奥克榄、椴木、单瓣豆木材在使用过程中尺寸稳定性并避免其材色和力学性能受太大影响，笔者以奥克榄、椴木、单瓣豆木材为研究对象，在较低温度、负压条件下进行处理，并研究该处理工艺对这3种木材物理力学性能的影响，以为室内用材炭化工艺提供参考。

1 材料与方法

1.1 热处理方法

先将试材在电鼓风干燥箱中干燥至含水率稳定，随后进行炭化，前期缓慢升温，最终以炭化箱内160℃，0 Mpa实验条件炭化3.0 h。

1.2 材性指标及测定方法

炭化完成后用电子万能材料试验机（AG-IC/100KN）、摆锤式冲击试验机（JBS-300S）色差仪等测量木材的物理力学性能。本研究所测物理力学性质包括全干密度，色差，冲击韧性，抗弯强度，抗弯弹性模量，硬度（径面硬度、弦面硬度、端面硬度），气干湿胀率，吸水至尺寸稳定的湿胀率，气干干缩率，全干干缩率在内的共11个性状。

性能测试分别按照GBT 1933-2009《木材密度测定方法》、GBT1940-2009《木材冲击韧性试验方法》、GBT1936.1-2009《木材抗弯强度试验方法》、GBT1936.2-2009《木材抗弯弹性模量测定方法》、GBT1941-2009《木材硬度试验方法》、GBT1934.2-2009《木材湿胀性测定方法》、GBT1932-2009《木材干缩性测定方法》进行。色差测量取得数值后使用亨特色差公式计算。

2 结果与分析

2.1 物理性质

从图1可看出：3种试材炭化后的全干密度均有所降低，其中椴木和单瓣豆的全干密度变化不大，奥克榄的密度降低最为显著，由0.489 g·cm-3下降至0.362 g·cm-3，降幅达26.00%。与之相比，通过3.0 h，160℃真空热处理的日本落叶松Larix kaempferi全干密度达到0.667 g·cm-3，较未处理材下降了0.74%［4］；来自广西的红锥Castanopsis hystrix家系木材的全干密度为0.611 g·cm-3［6］。本研究处理后的试材全干密度相对较低。

纤维素、半纤维素、木质素是构成木材的主要成分，当受到热量作用，这三大成分产生不同程度的降解［7］，因此，炭化材的密度比素材均有所降低。木材质量下降，但同时木材体积也在收缩，当木材质量下降的程度超过木材体积收缩的程度时，木材密度就会降低。

负压轻炭化处理前后木材的色差如图2所示。通过色差仪测得试材炭化前后的L，a，b值，后通过亨特色差公式 ΔE=［（ΔL）2＋（Δa）2＋（Δb）2］1/2 计算［8］。 由图 2 可得： 3 种木材通过 3.0 h， 160 ℃， 0 Mpa 炭化处理材色均有较大变化。其中奥克榄的材色变化相对较小，椴木的材色变化最大。

当木材的含水率低于纤维饱和点时，木材的尺寸随含水率升降而增减［9］。木材的涨缩会造成木制品开裂、翘曲变形等缺陷，因此，木材的尺寸稳定性是在利用木材时所需考虑的重要因素。本研究从干缩性和湿胀性2个方面的指标来研究奥克榄、椴木和单瓣豆的尺寸稳定性。首先，结合表1和表2可看出：炭化后椴木体积干缩系数达0.52，根据木材材性分级表［10］属中级（0.46～0.55）；而奥克榄炭化后的体积干缩系数未改变，仍为0.35，属小级（≤0.45）；同样，单瓣豆炭化后的体积干缩系数由0.44降至0.37，但级别不变，属小级。比较炭化前后木材干缩系数变化的程度，可以发现在相同炭化条件下，奥克榄的干缩系数无变化，椴木的干缩系数仅降低了1.00%，只有单瓣豆的干缩系数有明显降低，降低比例为16.00%。以160℃，2.0 h热处理的杉木气干体积干缩率下降了29.76%、全体积干缩率下降了19.37%；以190℃，3.0 h热处理的杉木气干体积干缩率下降了35.61%，全干体积干缩率下降了24.18%［11］。本研究处理后的单瓣豆气干体积干缩率下降了21.30%，全干体积干缩率下降了10.60%，降低幅度较之略小。

图1 不同试材的素材与炭化材密度对比图Figure 1 Density of treated and control samples

图2 不同试材炭化前后色差统计图Figure 2 Color deviation of treated and control samples

由表3和表4可以看出：炭化对于3种木材的湿胀率均有一定的改善。通过对干缩率和湿胀率变化的研究可以发现，在实验设置的炭化条件下单瓣豆的尺寸稳定性改善最为显著。热处理使木材细胞壁的结构更加紧密，炭化后的木材细胞壁中纤维素与半纤维素无定型区域形成了不可逆的氢键，因此，之前一些用于吸水的部位在再次湿润时不能与水分子结合［12］。

表1 3种试材的气干干缩率统计分析Table 1 Statistical figures of woods’air-dry shrinkage

表2 3种试材的全干干缩率统计分析Table 2 Statistical figures of woods’absolute-dry shrinkage

2.2 力学性质

通过图3和图4可以发现：经过炭化的奥克榄较未炭化的试材其抗弯强度和抗弯弹性模量均略有减小，其中抗弯强度减小了6.00%，抗弯弹性模量减小了7.00%；而椴木和单瓣豆的抗弯强度和抗弯弹性模量则均有增加，但椴木的抗弯强度仅增加4.00%，说明炭化条件对其影响不显著［13］；单瓣豆的抗弯强度增加了18.00%，弹性模量增加了9.00%。

表3 3种试材的气干湿胀率统计分析Table 3 Statistical figures of woods’air-dry swelling

表4 3种试材吸水至尺寸稳定时的湿胀率统计分析Table 4 Statistical figures of woods’absolute-dry swelling

在之前的多项研究中都曾提及这种现象，即木材的抗弯强度随着炭化温度的提升先升高后下降，因此，在相对较低的炭化温度下木材的抗弯强度会有所提升。例如扁柏Platycladus orientalis木在100～150℃，2.0～100.0 h的热处理条件下抗弯强度均较素材有所提高；北美云杉Picea sitchensis在空气和氮气中以160℃，2.0 h或160℃，4.0 h的条件进行热处理，其抗弯强度均有所增加［14］；马尾松Pinus masoniana通过170℃，2.0～6.0 h的蒸汽热处理后静态弯曲应力均有所提升［15］。

图3 不同试材素材与炭化材抗弯强度对比Figure 3 MOR of treated and control samples

图4 不同试材的素材与炭化材抗弯弹性模量对比Figure 4 MOE of treated and control samples

由表5可知：奥克榄炭化材的径面和弦面硬度略有减少，端面硬度有所增加；而椴木和单瓣豆的径、弦、端向硬度均有所增大。出现这种现象是因为细胞壁中的纤维素和半纤维素的分子结构在高温的作用下发生改变，纤维素分子结晶度增加，使木材表面硬度变大［3］。

分析图5可以看出：3种木材通过炭化冲击韧性均有所降低，其中冲击韧性损失最为严重的是奥克榄，损失率高达53.00%；单瓣豆次之，损失率达到24.00%；椴木损失率最低，仅12.00%。奥克榄炭化后冲击韧性显著降低和其密度大幅降低有直接的关系［16］。

热处理的温度较低时，木材细胞壁中的半纤维素由于热稳定性较差，发生部分的结构重组或降解，分子链中的羟基脱落。纤维素无定型区域内水分散失以及相邻纤维素表面靠拢使纤维素分子链排列更加紧密，纤维素分子链之间的羟基发生 “架桥”反应，使纤维素分子结晶度增加。从而使木材力学性能提升。随着热处理温度升高，一方面木材细胞壁中半纤维素和木素非结晶性高聚物发生玻璃化转变，纤维素、半纤维素和木素之间的联结被破坏，降低了木材的力学强度。另一方面，半纤维素剧烈降解产生大量己酸，催化了纤维素降解，纤维素结晶度与聚合度降低。纤维素、半纤维素和木素的大量降解使木材力学强度下降［17］。

表5 3种试材的硬度统计分析Table 5 Statistical figures of woods’hardness

3 结论

3.0 h，160℃，0 MPa的负压热处理降低了3种木材的全干密度，使材色变深，尺寸稳定性有所提升，其中对于单瓣豆的尺寸稳定性改善最大，使其体积干缩系数降低了16.00%。

实验设置的热处理环境对于3种木材的冲击韧性均有所降低，其中奥克榄均减弱最多。同时热处理使奥克榄的抗弯强度有所降低，对椴木的抗弯强度无影响，使单瓣豆的抗弯强度有所提升，增加了18.00%。木材力学性能的变化与木材的密度有紧密关联，其中奥克榄素材本身素材密度较椴木、单瓣豆偏低，这意味着木材内部孔隙较多，多孔的结构一方面影响木材的力学性能，另一方面使木材热处理时直接受热的面积增大，吸收热量更为迅速，导致在相同炭化条件下的奥克榄力学性能降低更多。而热处理可一定程度上增加木材的硬度，在3种试材中单瓣豆的端面硬度增加最为显著，增幅达50.00%。

图5 不同试材的素材与炭化材冲击韧性对比图Figure 5 Toughnessoftreated and control samples

综合以上多种物理力学性能指标分析，在实验设置的炭化条件下单瓣豆的尺寸稳定性改善最多而力学性能损失较少。可以表明在3.0 h，160℃，0 MPa的炭化条件可以使木材的尺寸稳定性提升，同时较小程度地损失其力学性能。