热处理温度对麻栎木材尺寸稳定性的影响1)

刘元初 刘莹莹 魏庆健 梁博楠 赵景尧

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

麻栎(Quercusacutissima)是我国温带、亚热带地区典型阔叶林的主要组成和优势树种，也是我国重要的国家战略储备林树种。该种木材材质坚硬、强度高、耐腐朽、纹理美观，主要用于枕木、桥梁、地板、家具制造等领域。但由于麻栎木材密度较大，木材吸湿和解吸过程中容易变形，尤其是木材干燥过程极易发生开裂，因此其尺寸稳定性有待进一步提高。木材高温热处理是应用较为广泛的改善木材尺寸稳定性的物理改性方法，其主要优点是改性过程中无需添加任何化学药剂，保持了木材的环境友好性。高温热处理可以使木材半纤维发生降解，细胞壁中羟基减少，结晶区和结晶度增加，从而使得木材吸湿性和吸水性降低[1-4]。热处理可使木材材色加深、木材尺寸稳定性提高、平衡含水率降低，还可以提高木材的生物耐久性，使木材在户外的应用成为可能。

热处理是工业化最成功、经济效益最显著的木材改性方法[5]。关于热处理对木材尺寸稳定性影响方面的研究，已有较多研究成果[6-11]，主要集中于热处理方法、热处理工艺等方面，并且多数集中于针叶材树种，而对阔叶材树种的热处理研究则相对较少[12-13]。为此，本研究以麻栎木材为试材，在高温热处理窑设置160、180、200 ℃进行高温热处理试验；采用恒温恒湿试验箱，设置“温度20 ℃-相对湿度65%”、“温度40 ℃-相对湿度90%”2种环境，对高温处理试样进行含水率平衡处理，测定试样质量和3个方向尺寸(轴向、弦向、径向)；采用电热鼓风干燥箱，将含水率平衡处理后的试样在103 ℃烘至绝干状态，测定试样质量和3个方向尺寸；依据相关国家标准，以木材平衡含水率、湿胀率(弦向、径向、体积)、阻湿率、抗胀率为评价指标，分析热处理温度对麻栎木材尺寸稳定性的影响。旨在为确定较适宜的麻栎木材热处理温度、改善麻栎木材的尺寸稳定性、实现其高效加工利用提供参考。

1 材料与方法

试验材料：试材为麻栎(Quercusacutissima)木材(产地：河南省信阳南湾林场)，平均胸径40 cm，气干密度为0.902 g/cm3。试材气干后平均含水率为12%，将栎木板材加工成(长×宽×厚)500 mm×120 mm×25 mm的规格板材若干，并4面刨光。挑选无可见缺陷的试样32块进行高温热处理试验；高温热处理结束后，将板材锯为(轴向×弦向×径向)20 mm×20 mm×20 mm的标准尺寸稳定性测试试样80块。

仪器设备：高温热处理窑，温度范围为室温～240 ℃；电热鼓风干燥箱(DHG-9070A)，温度范围为10～200 ℃，温度波动度为±1 ℃，温度均匀度为±2.5 ℃；恒温恒湿试验箱(LRHS-101-LH)，温度范围为0～150 ℃，湿度范围为20%～98%，温度波动±0.5 ℃，湿度波动±2%。

木材高温热处理试验：高温热处理在高温蒸汽热处理设备中进行，以水蒸气作为保护介质。将试样平均分为4组，其中1组作为对照组，其余3组分别进行160、180、200 ℃的热处理，有效热处理时间均设定为4 h。

热处理木材尺寸稳定性测试：木材尺寸稳定性试样尺寸(轴向×弦向×径向)为20 mm×20 mm×20 mm，每组20块。采用电热鼓风干燥箱将试样在103 ℃烘至绝干状态，对试样质量和3个方向尺寸进行测试；之后，采用恒温恒湿箱进行平衡处理，温、湿度环境分别设定为“温度20 ℃-相对湿度65%”、“温度40 ℃-相对湿度90%”2种环境，待试样含水率达到上述温、湿度环境对应的平衡含水率时，将试样取出进行质量和3个方向(轴向×弦向×径向)尺寸的测量。根据国家标准GB/T 1931—2009《木材含水率测定方法》、GB/T 1934.2—2009《木材湿胀性测定方法》计算木材的平衡含水率、湿胀率(弦向、径向、体积)、阻湿率(EME)、抗胀率(EAS)。

Mc,e=[(me-m0)/m0]×100%；式中的Mc,e为木材的平衡含水率、me为试样平衡时的质量(单位为g)、m0为试样绝干时的质量(单位为g)。

αw=[(lw-l0)/l0]×100%；式中的αw为弦向(或径向)的线湿胀率、lw为试样平衡时弦向(或径向)的尺寸(单位为mm)、l0为试样绝干时弦向(或径向)的尺寸(单位为mm)。

αVw=[(Vw-V0)/V0]×100%；式中的αVw为体积湿胀率、Vw为试样吸湿至平衡时的体积(单位为mm3)、V0为试样绝干时的体积(单位为mm3)。

EME=[(Mc-Mt)/Mc]×100%；式中的EME为木材的阻湿率、Mc为对照材平衡时的含水率、Mt为热处理材平衡时的含水率。

EAS=[(αVc-αVt)/αVc]×100%；式中的EAS为木材的抗胀率、αVc为对照材的体积湿胀率、αVt为热处理材的体积湿胀率。

2 结果与分析

2.1 热处理温度对木材平衡含水率和阻湿率的影响

由表1可见：2种温湿度环境中，热处理材的平衡含水率明显小于对照材，而随热处理温度的升高木材平衡含水率降低幅度明显增大。“温度20 ℃-相对湿度65%”的环境中，与对照材相比，160 ℃热处理材平衡含水率降低了3.13%，而200 ℃热处理材平衡含水率降低了4.55%。“温度40 ℃-相对湿度90%”的环境中，热处理材平衡含水率比对照材降低幅度较小，160 ℃热处理材平衡含水率降低了1.88%，而200 ℃热处理材平衡含水率降低了3.27%。

表1 2种温湿度环境中不同热处理温度的木材平衡含水率

试验结果表明：2种温、湿度环境中，随着热处理温度的升高，木材的阻湿率均呈增大趋势。“温度20 ℃-相对湿度65%”环境中，160、180、200 ℃时的阻湿率，分别为27.51%、35.48%、40.03%。“温度40 ℃-相对湿度90%”环境中，160、180 ℃时的木材阻湿率，分别为9.49%、11.43%，而200 ℃时的阻湿率为15.44%。热处理材在“温度20 ℃-相对湿度65%”环境中的阻湿率，明显优于“温度40 ℃-相对湿度90%”环境中的阻湿率，说明热处理木材对高温高湿环境的阻湿效果不明显。

从试验结果中热处理对木材平衡含水率和阻湿率的影响可看出，热处理明显降低了木材的吸湿性。这主要是由于经过热处理后木材部分半纤维素发生热解，强亲水性的羟基自由基数量减少；以及木材半纤维素的多聚糖分子链上的乙酰在高温高湿的条件下容易发生水解而生产乙酸，从而导致木材细胞中亲水基团羰基数量减少。此外，在半纤维素水解产生的乙酸催化作用下，木材细胞壁中木质素成分发生酯化反应，使得强亲水基团羟基转化为亲水性较弱的羰基[14-15]。

2.2 热处理温度对木材湿胀率和抗胀率的影响

由表2可见：2个温湿度环境中，随热处理温度的升高，木材湿胀率均呈现不同程度的降低。“温度20 ℃-相对湿度65%”环境中，与对照组相比较，160、180、200 ℃热处理时，弦向湿胀率分别降低了0.36%、0.82%、1.32%，径向湿胀率分别降低了0.11%、0.37%、0.48%，体积湿胀率分别降低了0.31%、1.14%、1.74%。“温度40 ℃-相对湿度90%”环境中，与对照组相比较，160、180、200 ℃热处理时，弦向湿胀率分别降低了1.12%、2.59%、3.48%，径向湿胀率分别降低了0.28%、0.70%、1.37%，体积湿胀率分别降低了0.56%、3.01%、4.72%。试验结果表明，160 ℃热处理对麻栎木材湿胀率的影响较小；热处理对径向湿胀率的影响较小，主要影响弦向湿胀率，进而影响体积湿胀率。

表2 经不同热处理温度处理的麻栎木材在2种温湿环境时的的湿胀率

表3可见：①“温度20 ℃-相对湿度65%”环境中，弦向、径向、体积抗胀率均随热处理温度的升高而增大。其中，体积抗胀率增幅最大，由热处理温度160 ℃时的5.34%增加至200 ℃时的30.28%，增幅高达24.94%；热处理温度为180 ℃时，弦向、径向、体积抗胀率差别不大，而其他两个温度时均为弦向抗胀率大于径向、体积抗胀率。②“温度40 ℃-相对湿度90%”环境中，热处理温度对木材抗胀率的影响，与“温度20 ℃-相对湿度65%”环境的相类似，弦向、径向、体积抗胀率同样随热处理温度的升高而增大；与弦向、径向抗胀率相比，体积湿胀率增幅更为明显。热处理温度为180、200 ℃时，弦向抗胀率最大，体积抗胀率次之，而径向抗胀率最小。试验结果表明，高温热处理可有效提高木材的抗胀率，热处理温度越高，抗胀率越大。对于麻栎木材而言，热处理材弦向抗胀率高于径向，说明热处理对弦向尺寸稳定性的提高效果更为明显。付宗营等[10]研究了辐射松(Pinupsradiata)热处理材在“温度40 ℃-相对湿度90%”环境中的抗胀率，认为径向抗胀率最大，体积抗胀率次之，而弦向抗胀率最小；得出的结论与本研究试验结果相反，说明热处理对针叶材和阔叶材抗胀率的影响存在差异。

表3 经不同温度热处理的木材在2种温湿环境时的抗胀率

3 结论

热处理麻栎木材所达到的平衡含水率明显小于对照材；随热处理温度的升高，木材平衡含水率降低，阻湿率增大，说明热处理降低了木材的吸湿性。

热处理材在“温度20 ℃-相对湿度65%”环境的阻湿率，明显优于“温度40 ℃-相对湿度90%”环境的阻湿率，说明热处理木材对高温高湿条件的阻湿效果不明显。

160 ℃热处理对麻栎木材湿胀率的影响较小；热处理对径向湿胀率的影响较小，主要影响弦向湿胀率，进而影响体积湿胀率。

高温热处理可有效提高木材的抗胀率，热处理温度越高，抗胀率越大；对于麻栎木材，热处理材弦向抗胀率高于径向抗胀率，热处理对弦向尺寸稳定性的提高效果更为明显。