高温热处理对低龄桉树木材密度的影响

卢翠香，周 维，刘 媛，林家纯，李桂兰，覃引鸾，陈健波

（1.广西壮族自治区林业科学研究院 国家林业和草原局中南速生材繁育重点实验室广西优良用材林资源培育重点实验室，南宁 530002；2.广西壮族自治区产品质量检验研究院，南宁 530007；3.广西生态工程职业技术学院，柳州 545004）

桉树（Eucalyptusspp.）属桃金娘科（Myrtaceae）常绿乔木，树高可达100 m，直径可达5.4 m，原产澳洲大陆，极少数产于邻近的新几内亚岛、印度尼西亚和菲律宾群岛[1]，现已引种到65个国家与地区，成为世界人工林3大造林树种之一。桉树木材花纹漂亮、材质优良、结构均匀、光泽度优良，广泛用于家具、门窗、地板、单板、胶合板、层积材、木片与制浆造纸等[2]。结构材和家具用材对木材硬度、尺寸稳定性等要求较高。桉树木材生长快，轮伐期短，致使木材含幼龄材比例高，生长应力大，易开裂变形，常规干燥后存在尺寸稳定性差等问题[3]。为解决这一问题，很多企业采取高温热处理方法，减少或避免开裂变形。

高温热处理是在温度160～250℃下对木材进行短期热解处理，是较为环保的改性方法。高温热处理具有众多优点的同时也存在一些缺点，如处理材的材色加深，木材密度、抗弯强度、抗弯弹性模量等物理力学性能有所降低。近十几年来，芬兰、法国和荷兰等国开展了木材热处理技术的系统研究，对处理材的吸湿性、力学性能及化学成分变化开展了大量研究[4-6]，并形成了较成熟的处理工艺[7-9]。国内的研究主要集中于处理材材色[10]、尺寸稳定性[11]、表面性能[12]及力学性能[13]等方面，有关热处理材密度研究方面的资料较少。木材作为一种承重构件，其品质主要取决于密度，实际上木材的力学性质大多与密度有着显著的相关性[14]，密度对木材的干缩与湿胀也有一定影响，测定木材密度可以简便、直观地了解木材的基本性质。

1 材料与方法

1.1 材料

采用7年生的尾巨桉（Eucalyptus urophylla×E.grandis）速生林木材，原木检尺径＞16 cm，锯解成规格为800 mm（长）× 25 mm（厚）× 自然宽的弦切板。

1.2 仪器设备

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）；智能恒温恒湿箱（宁波江南HWS-100）。

1.3 试验方法

1.3.1 常规窑干

按照常规窑干干燥方法进行木材干燥，至板材含水率为12%左右。

1.3.2 高温热处理

按照3 因素3 水平正交试验设计方法（L934）进行热处理，共9个处理（表1）。其中3 因素设定为热处理温度(A)、恒温时间(B)、升温速度(C)；3水平分别设定为170、190、210℃；2、3、4 h；10、15、20℃/h。每个处理至少180块弦切板。以未处理材作为对照（CK）。

表1 3因素3水平正交试验设计Tab.1 Three factors and three levels orthogonal test

1.3.3 试件调湿

将未处理材和热处理材置于温度20℃、相对湿度65%的恒温恒湿箱内进行调湿处理，当试件重量2次测量差值小于0.02 g时，调湿处理完成。

1.3.4 木材密度测试

依照国家标准《木材密度测定方法》GB/T1933-2009[15]要求进行，计算公式如下：

ρ＝M/V

式中，ρ为木材密度（g/cm3）；M为木材质量（g）；V为木材体积（cm3）。

2 结果与分析

2.1 木材全干密度

高温热处理后桉树木材全干密度均有不同程度降低，处理8的全干密度最低（0.432 g/cm3），比CK降低了20.73%（表2）。随着处理温度升高和恒温时间延长，处理材的全干密度先减小后增加；随着升温速度加快，处理材的全干密度逐渐增加。A 因素列K1＞K3＞K2，B 因素列K1＞K3＞K2，C 因素列K3＞K2＞K1。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RC＞RA＞RB，因素由主到次的顺序为升温速度、处理温度、恒温时间。其极差分析对应的直观趋势图，见图1。

图1 各因素水平与全干密度的直观趋势图Fig.1 Intuitive trend between three factors and oven-dry density

表2 热处理材全干密度测试结果与极差分析Tab.2 Results and range analysis of oven-dry density

升温速度对热处理材全干密度的影响极显著（P＜0.01），处理温度和恒温时间影响不显著；3 因素对木材全干密度影响程度为升温速度＞处理温度＞恒温时间（表3）。

表3 热处理材的全干密度方差分析Tab.3 Variance analysis of oven-dry density

2.2 木材气干密度

经高温热处理后桉树木材的气干密度均有不同程度的降低，但降幅不大（表4）。处理8的气干密度最低（0.462 g/cm3），比CK降低了20.21%。随着处理温度升高，热处理材的气干密度逐渐减小；随着恒温时间增加和升温速度加快，热处理材的气干密度先减小后增加。A 因素列K1＞K2＞K3，B 因素列K3＞K1＞K2，C因素列K3＞K2＞K1。极差RC＞RA＞RB，因素由主到次的顺序为升温速度、处理温度、恒温时间。其极差分析对应的直观趋势图，见图2。

表4 热处理材气干密度测试结果及极差分析Tab.4 Results and range analysis of air-dry density

图2 各因素水平与气干密度的直观趋势图Fig.2 Intuitive trend between three factors and air-dry density

处理温度、升温速度对热处理材气干密度的影响显著（P＜0.05），恒温时间影响不显著；3因素对木材气干密度影响程度为升温速度＞处理温度＞恒温时间（表5）。

表5 热处理材的气干密度方差分析Tab.5 Variance analysis of air-dry density

2.3 木材基本密度

经高温热处理后桉树木材的基本密度均有不同程度的变化，除处理1和处理9 低于CK 外，其余均高于CK（表6）。处理5 的基本密度最高（0.460 g/cm3），比CK 高6.98%。随着处理温度升高和恒温时间延长，热处理材的基本密度先增加后减小。随着升温速度加快，热处理材的基本密度呈增加趋势。A 因素列K2＞K3＞K1，B 因素列K2＞K3＞K1，C 因素列K3＞K2＞K1。极差RC＞RA＞RB，因素由主到次的顺序为升温速度、处理温度、恒温时间。其极差分析对应的直观趋势图，见图3。

表6 热处理材基本密度测试结果及极差分析Tab.6 Results and range analysis of basic density

图3 各因素水平与基本密度的直观趋势图Fig.3 Intuitive trend between three factors and basic density

升温速度、处理温度对热处理木材基本密度的影响显著（P＜0.05），恒温时间影响不显著；3因素对木材基本密度影响程度为升温速度＞处理温度＞恒温时间（表7）。

表7 热处理材的基本密度方差分析Tab.7 Variance analysis of basic density

3 结论与讨论

高温热处理导致木材质量损失，体积缩小[16]，木材密度随处理温度升高和处理时间延长而降低[16-17]。木材受热，其细胞壁中的纤维素、半纤维素和木素发生热降解和聚缩反应，产生甲醛、乙酸等挥发性物质，这些物质会从木材中散失，从而降低木材密度[18]。低龄桉树木材经170、190和210℃高温处理后，其全干密度、气干密度均有不同程度的下降，基本密度则有增大趋势；除基本密度外，全干密度与气干密度的变化规律均与前人研究[16-18]基本一致。

升温速度对热处理桉树木材的密度有显著或极显著影响，处理温度对气干密度和基本密度有显著影响，恒温时间影响不显著。3因素对木材密度影响程度为升温速度＞处理温度＞恒温时间。因此，在对低龄桉树木材进行热处理时，要准确把握升温速度与热处理温度，才能有效控制处理材密度降低。