油棕木密实化及其尺寸稳定性研究

陆全济 李家宁 曾宪海 蒋汇川 李晓文 刘钊 李民

摘  要  为提高油棕木材的密度和尺寸稳定性，本研究以油棕木为研究对象，采用软化后热压密实方法进行试验，研究初含水率和压缩温度对油棕压缩木密度和尺寸稳定性的影响。结果表明：不同初含水率（20%、35%、50%）和压缩温度（160、180、200 ℃）条件下，油棕压缩木压缩率为47.2%～48.8%，密度为0.79～0.88 g/cm3，回弹率和压缩回弹恢复率均随着初含水率和压缩温度的增大而降低，24 h吸水率和平衡含水率同样随着初含水率和压缩温度的增大而降低，相比较于初含水率，压缩温度对压缩木尺寸稳定性的改善更明显。

关键词  油棕木;压缩;尺寸稳定性;温度;含水率

中图分类号  TS65      文献标识码  A

Abstract  In order to increase the density of oil palm trunk and improve the dimensional stability， the study presents the effect of initial moisture content and compressed temperature on some properties of compressed oil palm trunk. Oil palm trunk was thermo-mechanically densified in the laboratory scale at 160， 180 and 200 ℃ for the initial moisture content of 20%， 35% and 50%. The results showed that the density of the compressed samples was 0.79–0.88 g/cm3 at the compression-set of 47.2%–48.8%. The dimensional stability including spring-back， compression-set recovery， water absorption and equilibrium moisture content were improved with increasing hot compressed temperature and initial moisture content. The hot compressed temperature had a more significant effect than that of the initial moisture content.

Keywords  oil palm trunk; compression; dimensional stability; temperature; moisture content

DOI  10.3969/j.issn.1000-2561.2019.11.016

油棕（Elaeis guineensis Jacq.）是熱带木本油料作物，属高大乔木，经济寿命长达25～30 a，目前主要栽培于东南亚的马来西亚、印度尼西亚等国家，我国海南、广东、广西、云南和福建等省区均有零散分布[1]。目前，油棕园更新后砍伐的油棕木材直接利用的很少，大部分丢弃在地里腐烂或焚烧处理，原因是油棕木材的整体密度偏低，而且不同部位密度差异较大，木材的均一性和物理力学强度达不到商业用材的要求[2]。油棕木材作为一种可再生的农业剩余物资源，通过物理改性技术改善油棕木材的密度和力学性能使其替代现有木材，对增加油棕产业的附加值和保护森林资源具有重要的战略意义。

木材密实化技术是将木材进行软化处理后压缩变形，以减少木材细胞的空腔体积，增加木材的密度，并对压缩变形进行永久固定的木材改性处理技术，是提高木材密度和物理力学强度的重要手段[3]。密实化木材分为两种，一种是胶压木，木材先浸注化学药剂再压缩成型;另一种是木材直接压缩成型。木材直接压缩成型技术属于环保的物理改性技术，具有成本低、环保、工艺易控制等优点，具有更广阔的应用前景，国外的研究表明，通过密实化处理可以改善软轻质木材的强度、尺寸稳定性及表面的加工性能[4-7]。

Lamaming等[8]研究表明，油棕木材富含淀粉和糖分，有利于木材的压缩自粘接，可以用于制备压缩胶合板和压缩木，但关于油棕压缩木的研究较少。Saari等[9]研究不同压缩率对油棕无胶胶合板性能的影响，结果表明，压缩率越大木材的抗弯强度越高，木材的尺寸稳定性与压缩率具有相关性。Salim等[10]研究蒸煮处理对油棕压缩木的影响，结果表明，经过130 ℃和2 h的蒸煮软化后再压缩，油棕木材的力学强度和尺寸稳定性均获得明显的改善。水分和热量是影响木材软化和压缩变形的2个重要因素，木材中水分的存在有利于其被加热软化，研究表明，木材中半纤维素和木质素的软化温度随着含水率的增加显著降低[3]，油棕无胶板材制备过程内部水分的存在同样有利于木材软化定型，但关于初含水率对压缩木材性能的研究甚少，而且压缩木尺寸稳定性是衡量其品质的重要指标，因此，初含水率和压缩温度联合对油棕压缩木性能的影响需进一步研究，本研究采用软化压缩的密实化处理方法，分析不同的初含水率和热压温度对油棕压缩木尺寸稳定性的影响，以期获得油棕压缩木的工艺及性能，为油棕压缩木的工业化制备提供技术支持。

1  材料与方法

1.1  材料

3  讨论

木材是一种多孔性天然高分子黏弹性材料，主要由纤维素、半纤维素和木质素等物质组成，在一定的外力下会发生挤压变形[11]。研究表明，增加木材的含水率可降低半纤维素和木质素的玻璃化转变，从而加快细胞壁物的软化，有利于木材的压缩和永久性变形[12-13]。油棕木材富含淀粉和糖类物质，热压过程在湿热作用下，有利于木材细胞壁物质的软化压缩及自粘接，本研究中油棕压缩木的压缩率在47.2%～48.8%之间，与实验设计的理论压缩率50%接近，说明油棕木材具有良好的压缩性能。压缩后油棕木材内部孔隙减小，变得密实，在不同工艺条件下，油棕压缩木的压缩率差异不大，但其压缩后密度差异较大，这是由木材结构中密度从内到外逐渐增大的差异性造成[2]。变形是压缩木形成前提，木材压缩产生的变形可以分为塑性变形、瞬时弹性变形和延迟弹性变形三类，初含水率和压缩温度对木材回弹率的影响较大[14-15]。本研究中油棕压缩木的回弹率随着压缩温度和含水率的增大而减小，在温度较低阶段，初含水率对其回弹率影响明显，而在高温阶段初含水率影响较小。在压缩温度为200 ℃时，初含水率为50%的回弹率高于其他的初含水率，这可能是水分过高，产生的蒸气压过大，卸压时蒸汽破坏木材的部分塑性变形。

在相同的温度条件下，增大压前的含水率可以降低木质素和半纤维素的玻璃化转变温度，研究表明通过提高温度和延长压缩时间可以使木质素在纤维之间充分的流动，交联强度增加，消除内部应力从而减低压缩恢复率[12]。本研究中油棕压缩木的塑性变形并不是永久固定，其在吸水环境下被打破，发生变形恢復，其压缩恢复率均随着压缩温度和水分的增大而降低（温度200 ℃，水分50%除外）。在较低的初含水率条件下，提高压缩温度可有效的减小压缩木的压缩恢复率，而在较低的压缩温度条件下，提高木材的初含水率可减小其恢复率。

研究表明，提高木材的压缩温度可增加压缩木材的交联性能，增加半纤维素的水解和木质素的降解，从而改善其尺寸稳定性[12]。本研究中油棕压缩木的24 h吸水率和厚度膨胀率均随着压缩温度的增大而降低，尤其是压缩的温度为200 ℃时，其吸水率明显降低，原因是温度越高，压缩过程木材中的半纤维素和木质素越容易分解，亲水性基团减少，同时木材的交联度增加以及压缩后残留的内部应力减小。虽然提高压前初含水率和热压温度可以降低压缩木的吸水厚度膨胀率，但其远高于素材4.9%的吸水厚度膨胀率，这一结果与陈太安等[16]的研究一致，原因是半纤维素和木素遇水重新软化，造成应力回弹，储存能量释放，从而厚度增大。因此，在变形状态下，采用高温高湿的条件能促使木材化学组分之间形成共价键交联，减少亲水性基团数量同时释放储存的能量。压缩温度对油棕压缩木平衡含水率的影响较明显，温度越高，平衡含水率越低，这可能是超过160 ℃的压缩温度之后，压缩温度对油棕木材的降解起主导作用，水分对半纤维素降解的作用极小。

本研究中的油棕压缩木具有良好的压缩性和尺寸稳定性，但其吸水恢复率大及压缩均匀性的问题仍有待进一步的研究和解决。

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