全 文 ：杉木间伐材压缩密化利用的研究*
陈瑞英* * 魏 萍 刘景宏
(福建农林大学林料工程学院, 福州 350002)
摘要 以杉木间伐材为原料, 通过对压缩密化处理材的物理力学性能指标测定、处理材的微观结构的变
化和红外光谱分析, 得到了本试验条件下的杉木间伐材压缩密化处理的优化工艺. 结果表明, 采用 CH 蒸
煮添加剂软化效果好, 具有环保性;最佳工艺条件为压缩率 50% ~ 60%、压缩后的厚度 20 mm、压缩前的
含水率 50%、压缩时间 20~ 30 min、热压温度 180~ 200 ! ;处理材厚度吸湿回复率为 2. 68% ,尺寸稳定性
好,物理力学性能明显提高,可以与优良硬杂木(光皮桦)相媲美. 处理材的微观结构只是细胞被挤压, 细胞
腔变小细胞壁未受到破坏.
关键词 杉木间伐材 压缩密化 物理力学性能 微观结构
文章编号 1001- 9332( 2005) 12- 2306- 05 中图分类号 S783 文献标识码 A
Utilization of compressed Chinese fir thinning wood. CHEN Ruiying, WEI Ping, LIU Jinghong ( Fuj ian Agr i
cultur e and For estry Univer sity , Fuzhou 350002, China) . Chin. J . A pp l . Ecol . , 2005, 16( 12) : 2306~ 2310.
With Chinese fir thinnings as raw mater ial, and through measuring the physical mechanical indices of its com
pressed w ood, observing the var iation of its microstr ucture and using IR analysis, an optimized technique of com
pressing Chinese fir thinnings was established. The technique w as: compression ratio 50% ~ 60% , thickness after
compression 20 mm, moisture content befo re compression 50% , compressing time 20~ 30 minutes, and hot com
pressing temperature 180~ 200 ! . CH, an env ironmentally friendly cooking addit ive, had positiv e effects on soft
ening the wood. During compressing, only the cells of fastgrowing Chinese fir were ex truded, their cavity became
smaller , while the cell wall w as not destroyed. The thickness reversion ratio of compressed wood was 2. 68% , and
its size stability and mechanical quality w ere as good as hardwoods ( Betula luminif er a) .
Key words Chinese fir thinning w ood, Compression, Physical mechanical quality, M icr ostructur e.
* 国家自然科学基金资助项目( 30271057) .
* * 通讯联系人.
2005- 08- 12收稿, 2005- 10- 11接受.
1 引 言
人类对森林的要求从最初以木材供给为主向生
态型不断发展, 生态型林业成为林业向人类作贡献
的主流.保护天然林资源和发展林业是加大生态环
境建设的必然选择. 因此,今后林业工作须在强化生
态环境建设的前提下发展林业产业,木材工业势必
要处理好保护生态环境和满足市场需求的矛盾关
系.国家启动的天然林保护工程加剧了我国木材供
需的结构性矛盾,为在较短时间内提高木材的供给
能力,以速生丰产林替代天然林是一项主要的措施.
杉木( Cunningham ia lanceolata)作为南方的主要用
材树种,是主要的工业林木,生长快,来源广泛,加工
性能好, 耐腐、耐虫害,纹理色泽美,价格低廉, 广泛
用于建筑、家具等行业.杉木速生林生长过程需要适
时进行间伐以促进林木生长, 仅福建省每年约有杉
木间伐材(简称杉间材) 20 ∀ 106 m3以上.但是杉间
材材质差、不耐磨、易吸湿, 实用价值低, 利用受限.
传统的木材加工和综合利用的方法已经不能满足人
们克服木材缺点以提高木材使用价值的要求.因此,
如何改善杉间材的性能, 开拓利用木材资源是木材
工业面临的一个亟待解决的课题.目前,国内外研究
木材压缩密化主要集中在利用低分子 PF、MF 等树
脂处理或通过交联化反应等处理, 来提高木材的密
度、强度和变定的永久固定[ 1, 3, 10, 15] . 这不仅破坏了
木材本身天然的优良属性, 而且化学处理成本高,工
艺操作复杂,存在游离甲醛等有害化学物质,严重污
染环境.由于人们对环境保护的重视,非化学处理方
法倍受关注.国内外一些学者曾对杉木、柳杉和白杨
木材压缩变定的机理进行定性研究, 探讨固定压缩
木变定的机理[ 4, 7, 11, 12] .而在软化工序加入添加剂,
采用特殊压缩密化工艺处理杉间材, 探讨压缩变定
的机理还未见报道.
木材是一种粘弹性材料,主要组分为纤维素、半
纤维素和木质素, 其中木质素具有玻璃化转变特性,
当木材含水率较大时, 其玻璃化转变温度下降, 因而
可在相对低的温度下具有暂时的柔软性, 在机械力
作用下纤维素产生弹性变形,便于压缩密化.当温度
和含水率降低时, 木材又回到玻璃态,弹性变形被固
应 用 生 态 学 报 2005 年 12 月 第 16 卷 第 12 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Dec. 2005, 16( 12)#2306~ 2310
定. 但是, 木质 素在潮湿状态下又回到 粘弹
态[ 8, 9, 13, 14] ,使弹性回复力被释放, 产生回复现象.
本研究在不破坏杉间材结构、保持木材天然优良属
性的前提下,用添加剂 CH 蒸煮软化处理, 对其材质
松、强度低、不耐磨等缺点进行压缩密化改良处理,
其突出优点在于:在提高木材密度、强度和硬度等性
能的同时,控制回复现象, 提高尺寸稳定性, 做到真
正意义的扬长避短; 其特色之处在于自行研制的
CH无毒无味, 有利于环境保护, 堪称∃ 绿色改性%,
是高效利用低质木材的重要手段和有效途径, 将产
生良好的社会、经济和生态效益.
2 材料与方法
21 供试材料
杉间材取自福建农林大学南平西芹教学林场,原木径级
为 80~ 120 mm,树龄在 8~ 12年之间. 将杉间材按树干高度
方向横截断,平均分为上中下 3 个部分, 上部为原木的稍部,
下部和中部以胸高 1 3 m 处为界.将每一原木段纵剖锯解成
板材并加工成试材 . 试材为弦切板, 规格为 410 mm ∀ 100
mm(长∀ 宽) , 厚度以正交试验要求而定, 正交试验&的压后
厚度分别为 13 mm(测磨耗量)、20 mm.每部分试材各 8 块,
每组实验条件的试材数目为 24 块, 共 792 块(其中正交试验
∋384 块, 正交试验&216块, 用优化工艺测定处理材的性能
为 192块) .试样选取制作、数量和物理力学性质测定均按照
GB1927194391(木材物理力学性质实验方法) 和 GB/
T 1503694(实木地板块检验及试验方法)进行.
22 研究方法
221 正交试验 蒸煮工序采用前期预实验研制的添加剂
CH 加入进行蒸煮软化, 温度控制在 90 ! 左右, 时间为 5~ 7
d.在保证实现研究目标的前提下, 尽可能减少试验量, 首先
应检验压缩密化后处理材的回复率, 故正交试验分两组进
行.以压前含水率、热压温度、压后厚度、热压时间、压缩率为
影响因子,分别采用 L16 ( 45 )、L 9 ( 34)正交试验方案, 各因素
水平安排见表 1.正交试验∋ : 对压缩密化后回复率的讨论
分析,得出处理材尺寸稳定的工艺参数; 正交试验& : 测定处
理材的回复率、硬度、耐磨性和顺压强度,得出各指标的最佳
工艺参数.根据两次的正交试验寻找压缩密化的最佳工艺条
件.采用最佳工艺条件进行压缩密化杉间材, 测定处理材物
理力学性质,观察微观结构, 分析红外吸收光谱图.
根据正交试验方案, 软化后试样必须干燥至压前含水
率;把试样分别固定在模具上, 试样之间用厚度规隔开. 压缩
密化的工艺流程为预热∗加压∗保压∗冷却∗卸压. 热压时
应分段加压,使木材内应力尽量均匀, 有利于压缩密化[ 5] . 热
压压力以上压板接触模具为准,一般为 3 0~ 4 0 MPa. 冷却
至常温卸压 ,防止瞬间回弹. 回复率主要测定试样在空气中
放置一年后的吸湿回复率和在水中浸泡 30 d 的吸水回复
率.
表 1 正交试验
Table 1 Orthogonal experiment
组别
Groups
水平
Levels
压前含水率
Moisture
content
(% )
热压温度
Hot press
temperature
( ! )
压后厚度
Thickness
(mm)
压缩率
Compression
ratio
(% )
热压时间
Hot press
t ime
(min)
∋ 1 12 130 3 40 -
L16( 4
5) 2 30 160 8 50 -
3 50 190 13 60 -
4 100 220 20 70 -
& 1 40 160 - 40 10
L9( 3
4) 2 50 180 - 50 20
3 60 200 - 60 30
2 2 2 显微结构观察 素材和处理材分别切片、制片, 利用
数码显微镜进行观察, 放大倍数为 400 倍.
2 2 3 红外吸收光谱测定 将素材和处理材试样分别切片
粉碎, 制成通过 40 目的木粉, 于 103+ 2 ! 下烘至绝干,用于
F T 1R 测定. 称取相同质量的各种木粉样品, 采用 KB r 压
片法, 用尼高力 360智能型美国产红外光谱仪测定红外吸收
光谱.
3 结果与分析
31 杉木间伐材压缩密化工艺分析
311 正交试验 ∋ 采用 L16( 45)正交试验方案实
验可得回复率和极差分析结果[ 6] , 处理材在宽度方
向对吸湿和吸水回复率影响: 压前含水率> 压缩率
> 压后厚度> 热压温度; 厚度方向吸湿和吸水回复
率影响:压前含水率> 压缩率> 热压温度> 压后厚
度.处理材宽度吸湿和吸水回复率分别小于 5%和
7% ,说明处理材宽度方向尺寸比较稳定[ 2] .压缩密
化在厚度方向,因此,处理材的尺寸稳定性取厚度方
向的回复率作为衡量指标.厚度吸水回复率在浸泡
1~ 8 d明显增加, 9~ 17 d增加微小, 17 d以后回复
率几乎不变, 说明产生了一定的不可回复的塑性变
形.各因素对回复率影响不同:压前含水率> 压缩率
> 热压温度> 压后厚度. 吸湿和吸水回复率最小的
工艺参数:压前含水率为 40%, 热压温度为 220 ! ,
压缩率为 70% ,压后厚度为 13 mm.
312 正交试验 & 采用 L9 ( 34)正交试验,测定物
理力学性质和极差分析(表 2、3) .结果表明, 各因素
对回复率的影响: 热压时间> 压前含水率> 压缩率
> 热压温度;对硬度的影响:压缩率> 压前含水率>
热压时间> 热压温度; 对磨耗量的影响:热压温度>
压缩率> 热压时间> 压前含水率; 对顺压强度的影
响:压缩率> 压前含水率> 热压温度> 热压时间.综
合分析得出杉间材压缩密化的最佳工艺条件:压缩
率为 50% ~ 60%、压缩后厚度为 20 mm、压缩前含
水率为 50%、压缩时间20~ 30 min、热压温度为 180
~ 200 ! .
230712 期 陈瑞英等: 杉木间伐材压缩密化利用的研究
表 2 L9( 34)正交试验结果
Table 2 Result of L9( 3
4) orthogonal experiment
压前含水率
Moisture
content
( % )
热压温度
Hot press
temperature
( ! )
压缩率
Compression
ratio
( % )
热压时间
Hot press
t ime
( min)
厚度回复率
T hickness
revert
rat io
( % )
硬 度
Hardness
( MPa)
磨耗量
Wear aw ay
puant ity
(mm )
顺纹抗压强度
Compressive st rengh
parallel
to grain
(M Pa)
40( 1) 160( 1) 40( 1) 10( 1) 2732 3128 0254 3305
40( 1) 180( 2) 50( 2) 20( 2) 1573 4231 0139 3896
40( 1) 200( 3) 60( 3) 30( 3) 875 6417 0134 4037
50( 2) 160( 1) 50( 2) 30( 3) 773 5084 0229 4763
50( 2) 180( 2) 60( 3) 10( 1) 2070 6993 0128 5611
50( 2) 200( 3) 40( 1) 20( 2) 1163 4876 0202 3713
60( 3) 160( 1) 60( 3) 20( 2) 1768 6711 0195 5772
60( 3) 180( 2) 40( 1) 30( 3) 1360 4095 0142 3934
60( 3) 200( 3) 50( 2) 10( 1) 2746 4630 0223 4868
表 3 极差分析表
Table 3 Analysis of extreme difference
指 标
Guideline
项目
I tem
压前含水率
M oisture
content
热压温度
Ho t press
temperature
压缩率
Compression
ratio
热压时间
Ho t press
time
厚度回复率 K1 15 27 1524 1552 2316
T hickness K2 11 02 1468 1464 1301
revert ratio K3 17 58 1395 1371 7 69
R 656 1 29 1 81 1547
B 2 3 3 3
硬 度 K1 45 92 4974 4033 4917
Hardness K2 56 51 5106 4648 5273
K3 51 45 5308 6707 5199
R 547 3 34 6 74 3 56
B 2 32
磨耗量 K1 0176 0226 0199 0202
Wear away K2 0186 0136 0197 0179
puantity K3 0187 0186 0152 0168
R 0011 0090 0047 0034
B 1 2 3 3
顺纹抗压强度 K1 37 46 4613 3651 4595
Compressive K2 46 96 4480 4509 4460
streng th parallel K3 48 58 4206 5140 4245
to g rain R 11 12 4 07 1489 3 50
B 3 1 3 1
R: 极差Ext reme difference; B:较优水平 Best lev el.
313蒸煮软化 实验发现, 没有添加 CH 回复率
较大且板面凹凸不平, 添加了 CH 回复率明显降低
(表 4) . CH 处理材宽度吸湿、吸水回复率分别降低
了 117%、150%; 厚度吸湿、吸水回复率分别降低了
203%、319%.厚度(压缩方向)回复率比宽度方向降
低得多,说明 CH 的加入使处理材的内应力大大降
低,内含物抽提干净, 细胞壁变得柔韧, 便于压缩密
化而不被破坏, 且表面平整光滑、色泽亮丽. 杉间材
节疤多影响压缩密化, 添加了 CH, 使节疤既软化又
能脱脂.试验证明,经过 CH 处理的活节压缩密化效
表 4 CH处理材和水处理材回复率比较
Table 4 Compare of reversion ratio
处理材
Disposal
wood
回复率 Revert ratio( % )
硬 度
Hardness
( MPa)
含水率压后
Moisture
content
宽度吸湿
Width
absorption
宽度吸水
Width
sop
厚度吸湿
Thickness
absorption
厚度吸水
Thickness
sop
CH 548 205 141 260 310 7 91
水 Water 539 253 306 651 940 2523
果好,对增强处理材的强硬度起到积极的作用. 软化
添加剂为无机混合物, 显弱碱性, 具有渗透性、抽提
性强,不损坏细胞壁,无毒无味, 对人体无害,对环境
没有污染.
32 杉木间伐材压缩密化材物理力学性能
经过压缩密化处理的杉间材物理力学性质明显
优于未处理材(表 5) . 选用硬杂阔叶材光皮桦作为
对比材[ 14] .处理材的含水率在 13% ~ 18% ,略高于
平衡含水率,少量的解吸干缩与压缩回弹相抵消,降
低回复率,有利于处理材的尺寸稳定;厚度吸湿回复
率为 268% , 比素材的全干缩率( 299% )略小, 说
明压缩变定效果好;处理材密度是素材的 191倍、
光皮桦的 117倍.处理材密度增加, 空隙率减少,吸
湿吸水性降低,尺寸稳定性提高.处理材的各项力学
性质与素材相比, 顺压强度提高 554%, 抗弯强度
提高 854%,抗弯弹性模量提高 1523% ,横纹局部
抗压(径向、弦向)分别提高 12倍和 115倍,横纹全
部抗压(径向、弦向)分别提高 118倍和 85倍,硬
度(径面、弦面)提高 311%和 174%, 冲击韧性提高
125%, 表面磨耗量降低 155%, 即耐磨性提高
155%. 因此,经过压缩密化处理的杉木间伐材, 物理
力学性能可以与优良硬杂木(光皮桦)相媲美.
33 杉木间伐材压缩密化材微观结构
由图 1可见, 素材管胞腔大壁薄,晚材率低, 径
面壁上纹孔多为圆形. 当木材承受径向压缩时, 由于
早材细胞壁厚度明显比晚材薄, 强度低,早材部位的
细胞首先被压缩, 变形较大, 在较宽的变形范围内,
反映的是早材被压缩的结果.由于湿热状态下木材
的可塑性增加,木质素的玻璃化转变温度降低, 软化
压缩材质所须的功率降低,大大减少了木材微观破
坏的可能性,所以木材压缩密化后只是细胞腔变小,
细胞壁没有受到破坏, 保持原有的完整性.
2308 应 用 生 态 学 报 16 卷
表 5 处理材物理力学性质的均值及变数统计
Table 5 Physic and mechanics quality of worked fir
测定项目
T ested item
样本数
Swatch
number
处理材均值
Mean of
disposal
wood
素材均值
Mean of non
disposal
wood
光皮桦
Betula
luminif era
均方差
Standard
deviat ion
标准误差
Standard
error
变异系数
Coefficient
of variability
( %)
准确指数
Index of
accuracy
(% )
气干密度 Airdry density ( g,cm- 3) 20 0692 0362 0590 0051 0011 733 328
厚度回复率 T hickness revert rat io( % ) 30 268 - - 0352 0069 1312 479
顺纹抗压强度 Compressive st rength
parallel to grain ( MPa)
30 5083 327 414 4705 0859 926 338
抗弯强度 MOR( MPa) 30 1372 743 948 8454 1544 616 225
抗弯弹性模量 MOE ( GPa) 30 2066 8189 11400 22182 40499 1074 392
横压强度(局部) Radial ( MPa) 38 4719 362 96 7083 1149 1479 487
Compression
perpendicular to grain Tangent ial ( MPa)
on the part surface
38 3927 315 75 5217 0846 1328 431
横压强度(全部) Radial ( MPa) 38 2745 215 63 3088 0501 1125 365
Compression
perpendicular to grain Tangential ( MPa)
on the w hole surface
38 2078 244 50 3094 0502 1489 483
硬 度 Radial section( MPa) 32 4585 1117 353 4902 0867 1069 378
Hardness Tangential section( MPa) 32 3678 1341 364 4265 0754 1160 410
冲击韧性 Impact toughn ess ( KJ,m- 2) 30 5520 245 587 6359 1161 1117 408
表面磨耗量 Wear aw ay puant ity ( mm) 36 0142 0362 0140 0018 0003 1304 422
图 1 微观结构
Fig. 1 Microst ructure of wood.
a)素材横切面和径切面 Cross sect ion and radial sect ion of nondisposal
w ood; b)处理材横切面和径切面 Cross sect ion and radial sect ion of
disposal w ood.
由于径面壁上纹孔数多, 木材在径向压缩时, 纹
孔被压缩呈椭圆形, 纹孔上的纹孔膜产生破裂,使纹
孔膜上的通道增加, 从而增加纹孔的渗透性.
34 杉木间伐材压缩密化材红外光谱
在波数 400~ 4 000 cm- 1范围内是杉间材素材
(无处理材)、水热处理和 CH 处理材的红外吸收光
谱(图 2) ,在波数3 400 cm- 1附近,处理材的 OH 吸
收峰比素材明显增强,并且发生了一定的位移.这是
由于氢键缔合的作用,使得 OH 的振动加强. CH 软
化处理的 OH 吸收峰比水热处理的强, 说明前者的
氢键效应比后者更强,使得结晶度提高,内部结构更
图 2 红外吸收光谱图
Fig. 2 Infrared spectrum of the samples.
a)素材 Not process; b)水热处理Cook process; c) CH 处理 CH process.
致密,回复率也更低.从羟基峰的变化趋势可以说明
杉间材在处理过程中纤维素、半纤维素和木素发生
了化学变化. 在波数2 917 cm- 1和2 850 cm- 1附近
的 CH 峰为纤维素的特征吸收峰, 变化趋势比较明
显;波数1 060 cm- 1附近的 CO伸缩振动吸收峰和
波数1 736 cm- 1附近的乙酰基和羧基上的羰基( C=
O)的伸缩振动吸收峰变化趋势也明显, CH、CO和
C= O峰变化趋势均是从素材到 CH 处理材明显减
230912 期 陈瑞英等: 杉木间伐材压缩密化利用的研究
弱;波数1 507 cm - 1附近的吸收峰为木质素苯环骨
架振动,该吸收峰也有所变化.这说明杉间材在处理
过程中纤维素、半纤维素和木质素发生了化学反应.
同时, 波数在2 917 cm- 1和2 850 cm - 1附近吸
收峰是木材中脂肪酸类物质的特征吸收, 两个吸收
峰明显减弱: 素材比较强, 水热处理明显减弱; CH
软化处理的减弱更多,吸收峰几乎完全消失. 说明处
理材中的脂肪酸类抽提物大部分被排除, 对木质素
的流动和充分压缩起到积极作用.这是因为 CH 与
脂肪酸及其酯类发生皂化反应而生成脂肪酸盐, 促
进木材中的非极性抽提物排除.因此 CH 软化处理
能更有效地排除木材中的脂肪酸类抽提物.
分析表明, 试材在软化和热压过程中,特别是采
用 CH 软化的处理材内部的纤维素、半纤维素和木
质素发生了化学变化, 木材中的脂肪酸类抽提物大
部分被排除,使得处理材压缩密化性能好,吸湿回复
率最小.同时, CH 软化的处理材在红外吸收光谱图
上未见有害物质吸收峰, 证明 CH 为环保型蒸煮添
加剂.
4 结 论
41 杉间材压缩密化的最佳工艺条件: 压缩率为
50%~ 60% ,压缩后厚度为 20 mm, 压缩前的含水
率为 50% ,压缩时间在 20~ 30 m in,热压温度为180
~ 200 ! 之间.
42 处理材回复率明显降低,宽度吸湿、吸水回复
率分别降低 117%和 150%; 厚度吸湿、吸水回复率
分别降低 203%和 319% ,大大提高尺寸稳定性. CH
能使节疤软化脱脂,渗透性、抽提性强, 不损坏细胞
壁,在红外光谱图上未见有害物质吸收峰,对人体无
害,对环境没有污染,为环保型蒸煮添加剂.
43 经过压缩密化处理的杉间材物理力学性质明
显优于素材, 厚度吸湿回复率为 268% ,比素材略
小,说明压缩变定效果好;处理材的密度为0692 g,
cm- 3,是素材的 191倍、光皮桦的 117倍.顺压强
度提高 554%;抗弯强度提高 854%; 抗弯弹性模
量提高 1523% ; 硬度 (径面、弦面) 提高 311%、
174% ; 冲击韧性提高 125%; 表面磨耗量降低
155% .物理力学性能可与优良硬杂木(光皮桦)相媲
美.
44 压缩木的细胞壁被挤压,细胞腔变小, 纹孔被
压缩成椭圆形, 结构未受到破坏. 通过处理的杉间
材,细胞壁各成分的羟基数量减少以及结晶化、交
联、热降解等反应的综合作用,使杉间材变定得到固定.本研究的实施是高效利用低质木材的重要手段
和有效途径, 必将带来良好的社会、经济和生态效
益.
参考文献
1 Chen RY(陈瑞英) , Deng SP (邓邵平) . 2000. Th e modif icat ion
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作者简介 陈瑞英, 女, 1957 年生,副教授. 主要从事木材科
学与技术的研究, 发表论文 20 余篇. T el: 059187178599; E
mail: fcry56490@ 163. com
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