高温热处理低龄桉树木材力学性能分析

卢翠香，邓紫宇，郭东强，唐庆兰，陆敏，任世奇，李昌荣，陈健波

高温热处理低龄桉树木材力学性能分析

卢翠香，邓紫宇，郭东强，唐庆兰，陆敏，任世奇，李昌荣，陈健波＊

(广西林业科学研究院/国家林业局中南速生材繁育实验室/广西优良用材林资源培育重点实验室，广西南宁 530002)

在水蒸气保护下，经不同温度(170、190、210℃)、不同恒温时间(2、3、4 h)、不同升温速度(10、15、20℃·h-1)、对低龄桉树木材进行高温热处理改性，按照GB/T1935-GB/T1936国家标准检测处理木材力学性能。结果表明：处理温度对桉树木材、和有极显著影响，恒温时间对影响显著。随着处理温度的升高，、先增加后减小，逐渐减小；随着恒温时间延长，、逐渐增大，先减小后增加；随着升温速度增加，、和逐渐增大。处理材高于对照样，和略低于对照样。

桉树木材；高温热处理；顺纹抗压强度()；抗弯弹性模量()；抗弯强度()

桉树()是我国南方重要的速生树种之一，具有生长迅速、适应性强、木材产量高等优点。我国桉树人工林的栽培面积546万公顷，约占我国森林面积的2.5%，年产木材超过3 000万立方米，超过全国商品材总产量1/3，桉树人工林发展迅速[1]。由于桉树生长应力大，易变形、开裂、收缩，严重制约了其实木利用和产品附加值的提高。

木材高温热处理是一种不添加任何化学药剂的物理改性方法，经过热处理后的木材颜色变深[2-3]，尺寸稳定性增强[4]、力学强度降低[5-6]、耐腐性和耐候性增强[7]、光稳定性增强[8]。在芬兰、法国和荷兰等国已开展木材高温热处理技术的系统研究，形成了比较成熟的处理工艺[9-12]。有学者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[13-15]。我国对木材高温热处理技术的研究始于最近10 a，处于起步阶段。阳财喜[16]用真空热处理法对粗皮桉()木材表面性能进行表征。李贤军等[17]研究了处理温度和时间对木材颜色和湿润性的影响规律，发现热处理能使木材厚度颜色均匀加深，装饰效果增强，随着处理温度和时间的增加，木材明度显著降低。巫国富等[18]研究发现处理温度对平衡含水率影响显著，高温热处理对速生人工林桉树木材的改性效果显著，能够显著提高其尺寸稳定性。廖立等[19]采用185℃对尾赤桉()进行热处理，发现热处理提高了木材的尺寸稳定性，顺纹抗压强度和抗弯强度降低，端面硬度和弹性模量提高。

为解决低龄桉树木材在使用过程中尺寸稳定性差的缺点，本研究以桉树木材为对象，采用高温热处理方法对其进行功能性改良，并研究热处理对桉树木材物理力学性能的影响，以期为解决桉树木材在实木利用过程中易变形的关键难题提供理论基础和参考，对提高桉树木材实木加工利用率及产品附加值具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 材料

试材采用7 a生的尾巨桉(×)木材，原木检尺径>16 cm，锯解成规格为800 mm × 25 mm(厚) × 自然宽的弦切板。三因素分别设定为处理温度、恒温时间、升温速度。

1.2 仪器设备

包括木材干燥炭化一体控制设备(XN-Q10)，温度范围0 ~ 280℃，微机控制电子万能试验机(深圳三思 UTM5504)和智能恒温恒湿箱(宁波江南HWS-100)。

1.3 方法

1.3.1 高温热处理试验

板材先进行常规窑干干燥至含水率为12%左右。按三因素三水平的正交试验设计方法(L934)进行热处理，共9个处理，每个处理90块弦切板(即每个处理重复3次)，另取90块未处理弦切板作为对照。采用水蒸气作为保护气体，处理温度分别为170、190、210 ℃，恒温时间2、3、4 h，升温速度10、15、20 ℃·h-1。试验过程分4个阶段，第1阶段为预热过程，快速升温至80 ~ 90℃，恒温2 h；第2阶段升温过程，升温至130℃后，快速升温至设定温度；第3阶段炭化过程，当温度升至设定温度时，恒温2 h；第4阶段降温和调节过程，关闭电源，放置12 h，使其温度降至常温，取出。

1.3.2 试件加工和调湿处理

热处理后板材及对照样经四面刨光后，按要求加工成标准力学试件，每一个处理顺纹抗压强度()试样26个，抗弯强度()试样62个，抗弯弹性模量()试样62个。将标准试件置于温度20℃，相对湿度65%的恒温恒湿箱进行调湿处理，当试样重量两次测量差值小于0.02 g时，调湿处理完成。

1.3.3 力学性质测试

木材顺纹抗压强度()、抗弯强度()、抗弯弹性模量 ()按照国家标准《木材抗弯强度试验方法》GB/T1936.1-2009[20]、《木材弹性模量测定方法》GB/T1936.2-2009[21]、《木材顺纹抗压强度试验方法》GB/T1935-2009[22]要求进行。

1.4 数据处理

采用正交试验设计的极差分析法对数据进行处理，采用SPSS19.0软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 热处理对CS的影响

经高温热处理后，桉树木材的均有不同程度的变化，除处理2、处理9和处理10外，其余处理材的均高于对照样。对照样值为47.96 Mpa，处理7(190℃，4 h，10 ℃·h-1)的最高，值为61.48 Mpa，比对照样高28.19%。由表1可知，随着处理温度的升高，处理材的先增加后减小；随着恒温时间增加，处理材的先减小后增加；随着升温速度的增加，处理材的呈增加趋势。热处理试验的目的是提高木材尺寸稳定性的同时保持或提高木材的力学性能，所以力学性能指标数值高则性能优。由表1还可知，A因素列：K>K>K，B因素列：K>K>K，C因素列：K>K>K，最优方案的确定需要区分因素的主次，因素的主次由极差看出，因为R>R>R，因素从主到次的顺序为处理温度、升温速度、恒温时间。因此，提高的最优方案为A2C3B1，即处理温度190℃，恒温时间为2 h，升温速度为20℃·h-1。

表1 热处理材CS测试结果及极差分析

处理材的方差分析见表2。由表2可知，处理温度对处理材的的影响极显著；恒温时间、升温速度对其影响不显著。三因素对桉树木材的影响程度依次为：处理温度>升温速度>恒温时间。

表2 热处理材的CS方差分析

2.2 热处理对MOR的影响

经高温热处理后，桉树木材的均有不同程度的降低。对照样值为78.36 Mpa，处理3(170 ℃，3 h，15 ℃·h-1)的最大，值为60.54 Mpa，比对照降低22.74%。由表3可知，随着处理温度的升高，处理材的逐渐降低；随着恒温时间的增加，R呈增加趋势；随着升温速度的加快，处理材的先增加后减小。由表3还可知，A因素列：K>K>K，B因素列：K>K>K，C因素列：K>K>K，因为R>R>R，因素从主到次的顺序为处理温度、升温速度、恒温时间。因此，的最优方案为A1C2B3，即温度为170℃，恒温时间为4 h，升温速度为15 ℃·h-1。

由表4可知，处理温度对处理材的的影响极显著；恒温时间、升温速度对其影响不显著；三因素对桉树木材的影响程度依次为：处理温度>恒温时间>升温速度。

表4 热处理材的MOR方差分析　　

2.3 热处理对MOE的影响

经高温热处理后，桉树木材的均有不同程度的提高。对照均值为7 004.30 Mpa，处理4(170℃,4 h，20 ℃·h-1)的最高，均值为16 538.53 Mpa，比对照高136.12%。由表5可知，随着处理温度的升高，处理材的先增加后略减小。随着恒温时间延长和升温速度的加快，处理材的逐渐增加。由表5还可知，A因素列：K>K>K，B因素列：K>K>K，C因素列：K>K>K，因为R>R>R，因素从主到次的顺序为处理温度、恒温时间、升温速度。因此，的最优方案为A2B3C3，即温度为170℃，恒温时间为4 h，升温速度为20 min。

表5 热处理材MOE测试结果及极差分析

由表6可知，处理温度对处理材的的影响极显著；恒温时间对其影响显著；升温速度对其影响不显著。三因素对桉树木材的影响程度依次为：处理温度>恒温时间>升温速度。

表6 热处理材的MOE方差分析

3 结论与讨论

(1) 处理温度及恒温时间是影响热处理材、及的两个重要因素，这与尾赤桉[19]、杨树[23]()、马尾松[5]()、杉木[24]()研究结果一致。处理温度对热处理材的、和有极显著影响；恒温时间对热处理材的影响显著；升温速度对热处理材、和影响不显著。

(2) 热处理使、降低，提高。随处理温度的升高，、先增加后减小，逐渐减小；随着恒温时间延长，、逐渐增大，先减小后增加；随着升温速度提高，、和均逐渐增大。热处理导致、的下降，这可能是由于热处理使木材中基团发生变化，分子链的有序排列受到破坏，木材的结晶区减少，从而使其力学强度降低[25]。

(3) 本研究将热处理材试件置于温度为20℃，相对湿度为65%的恒温恒湿箱中调节含水率再进行力学测试，即对热处理材在使用条件下进行的力学比较，其强度值增加，主要原因是热处理材的平衡含水率低于对照样，热处理后木材变脆。

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Effects of Heat Treatment on Physical-mechanical Properties ofWood

LU Cuixiang, DENG Ziyu, GUO Dongqiang, TANG Qinglan, LU Min, REN Shiqi, LI Changrong, CHEN Jianbo

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Samples ofwood were treated under three different temperatures (170, 190, 210 ℃), three heating rates (10, 15, 20 ℃·h-1) and three different durations of constant temperature (2, 3, 4 h). The results showed that treatment temperature had a significant effect on,andand treatment time had a significant effect on. With the increase of treatment temperature,andincreased and then decreased whilstdecreased. With the extension of treatment time,andincreased but CS decreased at first and then increased. With increased heating rates,andincreased. Under the same heat treatment temperature and constant temperature time,was higher compared to before treatment whilstandwere lower.

eucalyptus wood; high temperature heat treatment; compression strength parallel to grain();bending modulus of elasticity(); bending strength()

S781.2

A

10.13987/j.cnki.askj.2019.04.003

广西科技重大专项(桂科AA17204087-6)；广西林业科技项目(桂林科字〔2014〕第20号)；广西重点研发计划(桂科AB16380036)

卢翠香(1982― )，女，高级工程师，主要从事木材科学研究，E-mail: 48002809@qq.com

陈健波(1964― )，男，教授级高工，主要从事森林培育研究，E-mail: 2283764019@qq.com