中温炭化木材的化学组分及物理力学性能变化∗

张晓燕 尹梦婷 孙照斌 陈凤义

（1.河北农业大学，河北 保定 071000；2. 廊坊华日家具股份有限公司，河北 廊坊 065001）

美国白蜡木（Fraxinus americana）属木犀科白蜡树属，产于美国和加拿大，其木材纹理通直，材质坚韧，木纹明显，可作为家具用材。一些家具企业在使用过程中发现，美国白蜡木干燥性能差，容易出现开裂和变形，因此如何解决这一问题已成为企业面临的挑战。

在各种介质中加热处理木材，可使其表面炭化，吸湿性降低[1-5]，缓解开裂和变形，而且处理过程不会产生污染。木材在加热炭化过程中，部分半纤维素发生降解[6-10]，纤维素无定形区羟基之间由于水分蒸发形成氢键结合，水分吸附点减少，吸湿性降低，是使木材尺寸稳定性提高的原因[10-14]。由于木材在炭化过程中发生了大量的化学反应，其物理力学性能也会随其内部构造和化学成分的变化而有所改变[15-26]。Awoyemi等[4]研究发现，西部红雪松（Thuja plicata）经220 ℃高温处理，管胞壁和薄壁组织遭到破坏，木材内空隙增加。周建斌等[15]研究表明，对人工林杉木（Cunninghamia lanceolata）在220 ℃下进行2 h炭化处理，处理材的抗弯强度降低25%，冲击韧性降低42%。Kavyashree等[20]发现，橡胶木（Hevea brasiliensis）和银橡木（Grevillea robusta）在210～240 ℃下以真空为介质炭化处理8 h，其抗弯强度和抗弯弹性模量降低。

目前有关木材炭化研究的温度，多数在160～220 ℃之间，在120～160 ℃中等温度的炭化研究较少[22]。高温炭化使木材吸湿性降低，开裂变形减少，可以满足装饰用材的需求[12]，但高温炭化使木材强度损失较大，对家具用材不利。而美国白蜡木多用于家具的面板和框架，对强度要求高。因此，本研究选用125 ℃的炭化温度，研究美国白蜡木炭化后的化学组分含量及物理力学性能变化，以期为家具生产企业提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 材料

美国白蜡木（Fraxinus americana）气干材，尺寸800 mm（顺纹）× 150 mm（弦向）× 50 mm（径向），由廊坊华日家具股份有限公司提供。

1.2 炭化工艺

炭化过程使用箱式炭化窑，每次装料30～40 m3，导热油加热，以水蒸汽为加热介质，炭化工艺包括预热、升温、保温和降温四个阶段。预热阶段升至50～55℃（升温速度4 ℃/h），保温1 h；之后继续缓慢升温至125 ℃（升温速度4.5 ℃/h），保温10 h；最后缓慢降温至45 ℃。

1.3 试验方法

1.3.1 木粉制备

距锯材端部200 mm取适量木材，粉碎后取40～60目的木粉用以测定化学组分。

1.3.2 试样制作

素材和炭化材均在距离锯材端部200 mm处锯取试件，用于密度、干缩性、吸湿性、平衡含水率等物理性能测定，每组试样为20个，尺寸为20 mm (L) × 20 mm(R) × 20 mm(T) 。用于力学性能测定的试样为20个，其中顺纹抗压强度、横纹全部抗压强度的试件尺寸为20(R) × 20 (T) × 30 (L) mm，抗弯强度、抗弯弹性模量的试件尺寸为20 mm(R) × 20 mm(T) × 300 mm(L)，横纹局部抗压强度的试件尺寸为20 mm (R) × 20 mm(T)×60 mm(L)。

1.3.3 测定方法

综纤维素、木质素含量测定依据GB/T 35818—2018《林业生物质原料分析方法多糖及木质素含量的测定》规定的方法进行，纤维素含量采用硝酸-乙醇法测定，苯醇抽提物含量测定依据GB/T 35816—2018《林业生物质原料分析方法抽提物含量的测定》规定的方法进行。

木材密度、干缩性分别按照GB/T 1933—2009《木材密度测定方法》、GB/T 1932—2009《木材干缩性测定方法》规定的方法进行测定。

吸湿性、平衡含水率测定：用分析纯的碳酸钾、硝酸铵、氯化钠饱和盐溶液，在温度20 ℃分别提供44%、65%和76%的相对湿度。试验前先将试样烘至绝干，然后放入盛有碳酸钾、硝酸铵、氯化钠饱和盐溶液的干燥器中，再将干燥器放于（20±2）℃的恒温箱中，至吸湿恒定，计算每个平衡状态下的平衡含水率和阻湿率及65%相对湿度下的吸湿膨胀率和抗吸湿膨胀率。

木材顺纹抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量和横纹抗压强度等力学性能的测定分别按照GB/T1935—2009《木材顺纹抗压强度试验方法》、GB/T1936.1—2009《木材抗弯强度试验方法》、GB/T1936.2—2009《木材抗弯弹性模量测定方法》、GB/T1939—2009《木材横纹抗压试验方法》进行。

1.3.4 抗吸湿膨胀率和阻湿率计算

试样的抗吸湿膨胀率（ASE）和阻湿率（MEE）计算方法如下：

式中：SC为素材的吸湿膨胀率，%；ST为炭化材的吸湿膨胀率，%；MC为素材的吸湿平衡含水率，%；MT为炭化材的吸湿平衡含水率，%。

1.4 设备

木工台锯，CS50EB-Set，德国费斯托（FESTO）公司；电子天平，JCS-A1，凯丰集团公司，精确到0.001 g；干燥箱，101-3AB，北京辰泰克公司；微控电子万能力学试验机，WDW-100E，济南试金集团有限公司。

2 结果与分析

2.1 炭化材化学组分含量的变化

美国白蜡木炭化材与素材的化学组分含量如表1所示。由表中数据可知，相比于未处理材，炭化材的纤维素和综纤维素含量降低，综纤维素含量降低更明显，木质素和苯醇抽提物含量增加。综纤维素是构成木材细胞壁的多糖成分，其含量的降低主要归因于半纤维素的降解，因为半纤维素的热稳定性差，降解产生乙酰基和糖醛酸基使木材呈现酸性，进一步加剧了木材细胞壁其它组分的降解，如纤维素和木质素。苯醇抽提物含量的增加是源于木材细胞壁主化学成分降解产生的小分子物质增加所致。这与周建斌对人工林杉木炭化材化学组分含量变化的研究结果一致[9]。

表1 炭化材与素材的化学组分含量Tab.1 Contents of chemical components of carbonized wood and untreated wood/%

2.2 炭化材密度、干缩性能的变化

美国白蜡木炭化材与素材的密度和干缩率如表2所示。炭化材的气干密度和基本密度均低于素材，分别降低14.0%和9.79%。炭化材从饱水状态到气干及全干的干缩率比素材降低27.9%～34.1%，表明木材的尺寸稳定性得到改善。

表2 炭化材与素材的密度和干缩率对比Tab.2 Density and shrinkage of carbonized wood and untreated wood

炭化处理会导致木材细胞壁中半纤维素的降解，产生挥发性物质从木材中流失。同时，木材中的抽提物在炭化过程中也会从表面溢出，部分转化为挥发性物质而流失，从而导致木材密度降低[8]。Awoyemi等[4]对西部红雪松进行220 ℃高温处理，发现管胞壁和薄壁组织遭到爆炸性破坏，导致木材尺寸增加，这也是导致炭化材密度降低的原因。半纤维素是木材细胞壁中吸湿性最强的组分，其含量的减少会使木材的吸湿性、吸水性降低[7,10]，从而导致炭化材干缩率降低，尺寸稳定性改善。

2.3 炭化材平衡含水率、吸湿膨胀性能的变化

炭化材和素材在不同相对湿度下的平衡含水率和炭化材的阻湿率如表3所示。由表中数据可知，在44%、65%和76%相对湿度下，对照素材的平衡含水率分别为10.3%、11.7%和12.4%，炭化材的平衡含水率分别为7.7%、8.6%和9.2%，阻湿率分别为25.2%、26.5%和25.8%。结果表明：炭化材在不同相对湿度下的平衡含水率均低于素材，随环境湿度增加，炭化材与素材在同一相对湿度下的平衡含水率差值增大，并且炭化材在不同相对湿度下的平衡含水率增加也低于素材。

表3 炭化材与素材在不同相对湿度下的平衡含水率和炭化材的阻湿率Tab.3 Equilibrium moisture contents of carbonized wood and untreated wood,and moisture resistance of carbonized wood in different relative humidity/%

其形成原因主要在于吸湿性强的半纤维素发生降解，同时半纤维素中的一些聚糖受热形成结晶，导致炭化材半纤维素吸湿能力降低。另外，加热使木材细胞壁中的吸着水蒸发，纤维素无定形区的分子链之间距离靠近，游离羟基相互之间形成新的氢键结合，游离羟基浓度降低，从而使炭化材的吸湿性及吸湿膨胀率降低，平衡含水率随之降低[1,5]。Inari等[6]研究了热处理木材化学组分的红外光谱，发现综纤维素在1 730 cm-1处的吸收峰增强，具有酯形成的特征，说明半纤维素降解产生的乙酰基导致全纤维素中活性羟基的减少。

如表4所示，在20 ℃，相对湿度65%的条件下，炭化材的径向、弦向和体积的吸湿膨胀率均低于素材，抗吸湿膨胀率分别为31.7%、35.8%和30.8%。美国白蜡木炭化材的阻湿率和抗吸湿膨胀率低于高温炭化的木材[2,14]，表明125 ℃中温炭化处理的美国白蜡木尺寸稳定性低于高温炭化的效果。

表4 炭化材与素材的吸湿膨胀率和炭化材的抗吸湿膨胀率（20 ℃， 65%相对湿度）Tab.4 Hygroscopic expansion of carbonized wood and untreated wood, and anti-hygroscopic expansion of carbonized wood (20 ℃,65% relative humidity)/%

2.4 炭化材力学性能的变化

美国白蜡木炭化材与素材的力学性能测试结果如表5所示。对比可知，在测定的几个力学指标中，炭化材的力学强度均低于对照素材，降低7.0%～14.6%，其中横纹抗压强度降低最多，其次是顺纹抗压强度，抗弯强度和抗弯弹性模量降低最少。

表5 炭化材与素材的力学性能对比Tab.5 Mechanical properties of carbonized wood and untreated wood

在木材三大组分中，半纤维素穿插于纤维素骨架物质之间，起粘结作用，赋予木材剪切强度。而木材顺纹抗压强度测试过程中发生的破坏多数是剪切破坏。因此，半纤维素含量降低，结构发生改变是炭化材顺纹抗压强度降低的主要原因[19-20,23,26]。由于半纤维素、木质素在炭化过程中的降解还导致木材变脆，木材细胞壁弹性降低，横纹抗压强度也随之降低[17,26]。美国白蜡木炭化材的横纹抗压强度降低11.8%～14.6%，比其他强度降低得多，说明炭化处理对木材横纹抗压强度的影响最大。另外，脆性与弯曲变形能力有关，炭化后的木材脆性大，内部拉伸强度降低[18,24]，弯曲能力小，抗弯弹性模量和抗弯强度随之降低。

木材炭化导致强度的降低是必然的，但本研究炭化材强度降低的范围在7.0%～14.6%，不影响家具用材的使用。

3 结论

1）与素材相比，炭化材的纤维素和综纤维素含量降低，综纤维素降低更明显；密度、干缩率、吸湿膨胀率及平衡含水率降低，尺寸稳定性改善；

2）炭化材的平衡含水率低于素材，尺寸稳定性好，然而其力学强度降低，横纹抗压强度降低最多，其次是顺纹抗压强度；

3）美国白蜡木经125 ℃炭化处理10 h后，炭化材的尺寸稳定性得以改善，虽然其强度有所降低，但不影响作为家具材使用。