水热预处理软质材内部水分移动及压缩剖面形态的响应规律∗

孔繁旭 王艳伟 何啸宇 张子谷 孙龙祥

（久盛地板有限公司，浙江 湖州 313009）

我国人工林速生软质木材资源丰富，但由于其生长快、成材早、轮伐期短等原因，普遍存在材质软、密度及硬度低、强度低、变异性大等缺陷[1-2]。同样，进口木材如朴木（Celtissp.）、番龙眼（Pometiasp.）、桦木（Betulasp.）等也相对软质，密度较低。因此，在对木材密度要求较高的地板加工领域[3]，这两类木材都存在使用限制。

木材压缩密实化技术是指对木材进行湿热处理提高其塑性，在外力作用下将其沿横纹方向压缩致密，减小其胞腔的空隙体积，从而改变木材微观、宏观结构，以达到提高软质木材密度、硬度、强度、耐磨等物理力学性能及装饰性的目的。木材压缩密实化有利于实现劣质木材资源的高效利用，能够提高产品附加值并拓宽其应用领域[4-5]。然而，压缩后木材体积有较大损失，制造成本显著增加[6]。与木材整体压缩不同，层状压缩技术以湿、热、力协同作用控制木材弹塑性转化过程，形成具有高稳定性和疏密相间层状结构的新木材[7]。黄荣凤团队通过湿热软化、预热及压缩过程控制木材的含水率分布，进而实现压缩位置、厚度可控的木材水热软化压缩工艺[8-10]。

番龙眼、朴木、桦木等是实木地板生产中常见的阔叶材树种，与其他地板用材相比，密度相对偏低，在使用过程中易磕碰损坏，表面产生凹陷；且朴木、桦木吸湿性强，尺寸稳定性较差。而地板加工领域对木材表面硬度、耐磨、强度等性能要求较高，因而对密度相对较低的软质材进行表面密实化处理十分必要[11-12]。同时在木材压缩塑性变形固定处理中，还能提高尺寸稳定性[13-14]。实木地暖地板近些年得到快速推广[15]，在其使用过程中，锁扣是改善地板扒缝问题、提高地板间结合力的重要手段[16]。然而，软质材加工锁扣强度较低，当地板发生干缩湿胀时，锁扣部分区域易产生应力集中，发生损坏。因此，可以将木材压缩层分布在锁扣区域，使其能够承受较大应力，以避免上述情况的发生[16]。

综上，本研究以工厂现有的番龙眼、朴木、桦木3种进口树种地板坯料为研究对象，进行定向压缩密实化处理，考察浸水温度、浸水时间、（热压）预热温度、（热压）预热时间等工艺参数对木材处理效果的影响，优化其层状压缩工艺。

1 材料与方法

1.1 材料

3 种实木地板坯料：番龙眼（Pometiasp.），产自东南亚；桦木（Betulasp.），产自俄罗斯；朴木（Celtissp.），产自美国。木材无翘曲，表面刨光平整，无开裂、虫眼、变色等可见缺陷，含水率约12%。

随机选取上述树种弦切板、径切板或介于两者之间的板材，分别将其锯解成6块试材。番龙眼、桦木试材尺寸均为200 mm（长）×120 mm（宽）×18 mm（厚），朴木试材尺寸为200 mm（长）×90 mm（宽）×18 mm（厚）。

1.2 设备

热压机（XLB-D 500×500），浙江湖州东方机械有限公司；数显恒温水浴锅（HH-6），上海力辰邦西仪器科技有限公司；X射线剖面密度检测仪（DENSE-LAB mark 3），电子木材系统有限公司（德国）；电子天平，精度0.001 g，常熟市双杰测试仪器厂；电热恒温鼓风干燥箱，上海锦屏仪器仪表有限公司；恒温恒湿箱，南京泰斯特试验设备有限公司；微型单反相机（X-T10），富士胶片（中国）投资有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 工艺设定

木材层状压缩工艺的具体步骤包括封端、浸水、储存、预热、压制、保压冷却及变形固定。在“浸水”及“预热”工序中，通过改变浸水温度、时间及热压预热时间3个因素，研究其对木材内部水分移动规律及其压缩剖面形态的影响。

水热预处理的浸水工艺设定：浸水温度分别设置为20、40 ℃和60 ℃；浸水时间为0～9 h，每隔0.5 h检测试验所需指标1 次。相同工艺条件进行2 次重复试验，每组试验3 个重复试件。

结合水热预处理的热压工艺设定：分别设定水热预处理浸水时间为2、8 h和20 h，设置浸水温度为20 ℃、木材浸水后储存（平衡）时间为18 h；固定压缩工艺的热压（预热）温度为175 ℃，设定预热时间为20、200 s和600 s，厚度规为15 mm、实际热压压强为6 MPa、保压时间为15 min、冷却温度为90 ℃。相同工艺条件进行2次重复试验，每组试验3个重复试件。

1.3.2 检测指标

1）密度。木材绝干密度和气干密度依据GB/T 1933—2009《木材密度测定方法》测定，气干密度（含水率12%）由当时含水率的气干密度（W%）和测算的绝干密度导出。木材绝干密度可换算孔隙率，但其内部水分渗透依赖于有效孔隙率，即孔隙间是否连通对水分迁移有着直接影响[17]。本文仅通过密度佐证分析3 个树种浸水状态的吸水能力。

2）单位面积进水量。进水量为木材经一定温度、时间内浸泡处理后，水分进入木材内部的质量。朴木表面积（宽度90 mm）低于其他2 个树种（宽度120 mm），引入指标“单位面积进水量”以消除表面积差异导致的结果误差。木材表面积远大于侧端面，且端头封胶，因此假设水分仅从木材上下两表面渗入。

3）进水速率。进水速率通过以下公式计算：

式中：v为进水速率，g/（m2·h）；ΔG为后一次浸水时间下木材的质量减去前一次进水时间的质量，g；A为试材上或下表面积，m2；Δt为浸水间隔时间（0.5 h），h；L为试材长度，m；W为试材宽度，m。

4）水分进入深度。结合试材浸水后的密度分布与其初始状态的密度分布计算水分进入深度[18]。将试材在相对湿度65%、温度20 ℃的环境中平衡，测定试材质量，浸泡后测量剖面密度分布；浸泡试材气干2 d后，再次放入相对湿度65%、温度20 ℃的环境中平衡，使其质量与浸泡前接近，测量其横断面剖面密度分布。

5）木材压缩剖面形态。试材压缩前后，靠近端部横切。使用相机拍摄获得试材的剖面图像，并分析压缩层的位置与形态。

2 结果与分析

2.1 不同浸水工艺3 种木材的单位面积进水量

图1 为不同浸水工艺下3 个树种木材的单位面积进水量。树种不同、温度不同，相同进水时间下的进水量存在明显差异。温度越高，木材的进水量越大；温度相同时，3 种木材的进水量也存在较大区别，这与木材的渗透性有关[19]。

由图1可知，当浸水温度为20 ℃时，木材的进水量依次为：朴木≥桦木>番龙眼，其中桦木、朴木两者差异较小。随着温度的升高，在不同浸水时间下，两者的进水量分别为：桦木≤朴木（20 ℃）、桦木<朴木（40 ℃）、桦木>朴木（60 ℃）。产生该现象的原因为，40 ℃下朴木内部水分迁移能力（扩散系数、渗透率）提升程度要大于桦木；温度升高到60 ℃时，桦木吸水能力高于朴木，说明温度对桦木影响较大。可见，不同树种的水分迁移能力与温度呈正比，但具体影响程度和过程还有待探讨[20]。所有温度条件下，番龙眼进水量曲线均位于桦木、朴木进水量曲线下方，具有统计学意义的显著差异。在实际生产中，常温20 ℃浸水工艺有利于降低压缩木水热预处理能耗。若对生产效率有较高要求，可适当升高温度改善木材的吸水能力，但也应匹配具体层状压缩工艺。当温度过高时（超过60 ℃），进水量、水分进入深度不易控制。

图1 3 种木材不同温度下的单位面积进水量变化Fig.1 Changes in water inflow per unit area of three types of wood at different temperatures

2.2 不同浸水工艺3 种木材的进水速率

图2和图3分别为3个树种木材在不同温度水平下的进水速率和平均进水速率。可以看出，木材初始浸水时，进水速率最高；浸水时间1 h内，进水速率迅速降低；之后，进水速率曲线趋近平缓，并逐渐降低。降低拐点可代表不同树种木材在不同温度水平的吸水能力。

图2 3 种木材不同温度下的进水速率变化Fig.2 The change of water inflow rate of three kinds of wood at different temperatures

由图可知，同种木材3个温度水平进水速率20 ℃<40 ℃<60 ℃，温度越高，木材中水分的渗透率和扩散系数越大，水分子运动速度越快，木材的进水速率越快。随着浸水时间的延长，木材中的进水量增加，含水率梯度减小，3种木材进水速率逐渐趋于一致。当温度为20 ℃时，朴木和桦木的进水速率接近，番龙眼则明显较低；当温度为40 ℃时，三者进水速率有明显差异，进水速率表现为朴木≥桦木>番龙眼；当温度为60 ℃时，朴木和桦木的进水速率大小关系逆转，这与上述分析吻合。由图3和表1也可看出，桦木在60 ℃时平均进水速率提升较大。同时，番龙眼在此温度下，平均浸水速率也有很大提升，为20 ℃时的2.13倍。在实际生产中，应根据不同树种的吸水特性调整浸水工艺。

图3 3 种木材不同温度下的平均进水速率Fig.3 The average water ingress rate of the three types of wood at different temperatures

表1 同种木材在浸水温度40、 60 ℃与20 ℃时的平均进水速率倍比关系Tab.1 The ratio of the average water ingress rate of the same kind of wood at 40, 60 ℃ and 20 ℃

2.3 不同浸水工艺3 种木材的水分进入深度

图4～6为3种木材在不同工艺下浸水前厚度方向气干密度分布及浸水后密度曲线。表2为3种木材的绝干密度和气干密度。表3为3种木材在不同浸水时间（2、4、8 h）和不同浸水温度（20、40、60 ℃）下，水分进入木材的深度，由图4～6中2种密度曲线近坐标原点（厚度方向一侧）的分离点测算得出。

从表2 可看出，朴木的平均气干密度值略低于桦木，但差异不显著，因此两者相同浸水工艺密度分布差异相对较小，水分进入深度接近。番龙眼的密度显著高于两者，水分进入深度小于朴木和桦木。木材浸水过程中，其表层含水率高于心层，在含水率梯度的作用下，近表层水分沿木材内部水分迁移通道向心层迁移，表层水分则由外界水分及时补充，浸水时间延长，木材水分进入量大。中心层距表层距离远，邻近区域含水率梯度小，水分迁移难，因此木材厚度方向呈近表面密度高、近心层密度低的剖面密度分布。

表2 桦木、朴木、番龙眼3 种木材的绝干密度和气干密度Tab.2 The absolute dry density and air dry density of the three types of birch, hackberry, and taun

由表3、图4 可知，对于这3 种木材，当浸水温度为20 ℃，浸水时间为8 h时，水分均未到达木材的中心层。然而，这不代表木材压缩时强化压缩层不能位于中心位置。热压板预热时会传递热量，让木材近表层水分瞬间汽化，木材内孔隙通道会形成由表及里、较高的蒸汽压力梯度，使表层水分迅速向中心层迁移。与此同时，木材内部进水量仍需达到一定程度，才能使中心层具有足够的含水率，使之在高温条件（本文热压温度设为175℃）下迅速软化，从而实现中心层的选择性压缩[21-22]。由数据可知，浸水温度越高，水分扩散系数越大，水分迁移速度越快，含水率梯度越大，则水分更易进入木材中心层。当浸水温度为60 ℃，浸水时间为8 h时（图6），朴木、桦木和番龙眼试材的水分进入深度分别为中心（浸透）、中心（浸透）和4.64 mm（表3），番龙眼具有相对较高密度，水分较难进入中心位置。

表3 3 种木材不同浸水工艺下的水分进入深度Tab.3 The depth of water penetration of the wood of three tree species under different soaking processes

图4 3 个树种木材在浸水温度20 ℃、不同浸水时间下厚度方向的剖面密度分布Fig.4 The profile density distribution of the wood of three tree species in the thickness direction under the water immersion temperature of 20 ℃ and different water immersion time

图6 3 个树种木材在浸水温度60 ℃、不同浸水时间下厚度方向的剖面密度分布Fig.6 The profile density distribution of the wood of three tree species in the thickness direction under the water immersion temperature of 60 ℃ and different water immersion time

表4 为树种、浸水温度、浸水时间对水分进入深度影响的相关性分析结果（SPSS软件计算）。由表中结果可知，3 种因素对水分进入木材深度的影响大小为树种>浸水温度>浸水时间。因此，压缩木实际生产应综合考虑三者的影响程度，匹配合适层状压缩工艺。

表4 3 种木材水分进入深度与浸水工艺中因素的相关性Tab.4 Correlation between the depth of water penetration of the three types of wood and the factors in the water soaking process

图5 3 个树种木材在浸水温度40 ℃、不同浸水时间下厚度方向的剖面密度分布Fig.5 The profile density distribution of the wood of three tree species in the thickness direction under the immersion temperature of 40 ℃ and different immersion time

2.4 不同压缩工艺3 种木材的剖面形态

由前文分析结果可知，浸水时间8 h，番龙眼试材中的水分进入深度较浅，尽管热压预热可使水分迁移至中心，但若水分不足，可能导致中心层软化而压缩效果较差。因此，压缩工艺研究阶段，浸水时间水平之一延长至20 h，考察浸水时间和预热时间对3 种木材压缩形态的影响。

图7为3种试材在预热温度175 ℃，浸水温度20 ℃，浸水时间2、8、20 h，预热时间20、200、600 s，不同处理工艺下的横断面剖面压缩形态照片。由图可知，预热温度175 ℃，基本可实现木材表层、中间层、中心层选择性压缩。表层压缩在预热20 s时便可实现；预热200 s时，有中间层压缩效果，图中近表层可见清晰的压缩边界。预热时试材上、下表层因水分蒸发迅速向内部迁移，表层水分迅速干燥，其软化程度较低，压缩层表现为中间层；预热600 s时，表层未压缩，压缩层更近中心。由于预热时间延长，（近）表层蒸发水分多，内部水分继续向内移动，（近）中心层水分多，高温下软化程度提高，压缩层向中心层移动。

图7 3 个树种木材不同压缩工艺下的剖面形态Fig.7 The cross-sectional morphology of the three wood species under different compression processes

中心层压缩时，水分进入量和预热时间应合理匹配，中心层形态才可更规则。以桦木、预热时间200 s为例，其20 h中心层形态明显优于2、8 h。这是因为水分充足，填充了木材内部较多孔隙，软化压缩更均匀。但因材性因素，木材不同区域密度不一，水分迁移难度不同。预热20 s，水分进入深度较浅，剖面密度分布差异对压缩层边界影响体现并不明显；预热时间延长（200、600 s），水分进入深度深，迁移路径远，密度差异影响加剧，压缩层边界不规则。为了获得均匀、通直的压缩层边界，除了有充分的水分进入量、合适的预热时间，木材压缩的纹理方向也需要考虑。目前大多数研究集中在横纹径向压缩[9]。考虑到水分扩散系数的影响因素较复杂[23]，影响预热及压缩阶段水分扩散的深度、软化的边界一致性，且弦、径向及半弦向的微观层面压缩机制也有所不同[24-25]，因此有待进一步研究压缩层规则边界的影响因素，以提高压缩木生产中规则压缩层的产生率。

3 结论

1）桦木、朴木、番龙眼3 种木材在不同浸水工艺下单位面积进水量有差异。温度越高，进水量越大。桦木和朴木的进水量显著高于番龙眼，而在不同浸水时间下，两者存在明显差异，具体为桦木≤朴木（20 ℃）、桦木<朴木（40 ℃）、桦木>朴木（60 ℃）。

2）不同温度下，3种木材的进水速率表现为20 ℃<40 ℃<60 ℃；随着浸水时间的延长，木材水分增加，进水速率减小。

3）朴木的平均气干密度值略低于桦木，相同浸水工艺下，两者的密度分布差异小、水分进入深度接近；番龙眼密度显著高于两者，水分进入深度较小。木材浸水后，厚度方向呈近表面密度高、近心层低的分布规律；影响水分进入深度的因素按作用大小依次为树种>浸水温度>浸水时间。

4）热压预热过程可实现木材表层与中心层选择性压缩。表层压缩在预热20 s时便可实现；预热200 s，有中间层压缩效果；预热600 s，压缩层向中心层移动；中心层压缩时，水分进入量和预热时间合理匹配，中心层形态更规则。今后需进一步研究规则压缩层影响因素及其准确控制。