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Responses of Main Wood Mechanical Properties in Chinese Fir Plantation to Different Heat Treatment Process

人工林杉木木材力学性质对高温热处理条件变化的响应


以人工林杉木为试材,分别用空气和菜子油为介质,在温度为180,200 和220 ℃对其分别热处理1,3和5 h,研究试材的抗弯强度(MOR)、抗弯弹性模量(MOE)、顺纹抗压强度、表面硬度对高温热处理条件变化的响应,同时对处理材的主要化学成分进行分析,用扫描电镜对处理材横切面微观结构进行观察。结果表明: 人工林杉木试材的4种主要力学性质对不同条件热处理的响应程度不同。无论是空气热处理还是油热处理,试材的MOR,MOE,顺纹抗压强度与对照比有不同程度的降低,且随处理温度升高、时间延长,下降幅度增大,相比于时间,温度的影响更显著; 180 ℃热处理1,3和5 h时,试材的MOR,MOE与对照比未发生明显变化(降幅在3%以内),而顺纹抗压强度则明显低于对照,两介质中降低幅度分别在3.29%~9.58%和3.89%~7.18%; 200 ℃以上处理时,不同时间处理的3种主要力学性质不仅显著或极显著低于对照,且各性质间的差异也达显著或极显著水平; 对硬度的测试结果表明: 180 ℃热处理时,试件的径面硬度和弦面硬度均随时间的延长而增大; 200 ℃热处理3 h时,试件的硬度达最大,与对照差异达显著水平; 随后热处理试件的硬度开始降低,220 ℃热处理5 h后试件的硬度又明显低于对照。在隔氧的油介质中进行热处理,4种主要力学性质的变化程度低于空气介质处理材,当温度高于200 ℃时,两介质处理间的差异达显著水平。而热处理过程中木材主要化学组成与横切面微观结构变化的差异,反映了4种主要力学性质对不同条件热处理时表现出的响应差异。

This paper focuses on the response of main wood mechanical properties of the Cunninghamia lanceolata plantation wood treated in hot air and hot vegetable oil respectively for different processing temperatures and times, so the MOR(modulus of rupture), MOE(modulus of elasticity), compression strength parallel to grain and hardness of wood were studied, also, the differences of main chemical components of heat treated samples were analyzed, and the cross section of treated samples were observed by scanning electron microscope to acquire information on changes of heat treated wood internal structure. The results showed that the MOR, MOE, compression strength parallel to grain and hardness of wood had different responses to different heat treatment process, the MOR, MOE, compression strength parallel to grain of samples which was treated in hot oil or hot air all had a decreasing trend compared to reference samples, and their difference vary much when processing temperature was increased and times was lengthened during the heat treatment, in comparison with processing times,the processing temperatures showed remarkable effects. When samples were heated for 1,3 and 5 h at a temperature of 180 ℃ in air or oil, the changes of MOR and MOE were both within the scope of 3% and compression strength parallel to grain of samples decreased by 3.29%~9.58% and 3.89%~7.18% respectively, there were obvious differences in the compression strength parallel to grain but no obvious ones in the MOR and MOE, while samples were treated at 200 ℃ or above for 1,3 and 5 h, they all were significantly lower than those of the control, however, the differences were significant. The results of hardness showed that both of the hardness in the tangential direction and in the radial direction of treated samples tended to increase when the heating treatment time from 1 to 5 h at the temperature of 180 ℃, when samples were treated at 200 ℃ for 3 h, the hardness were the highest, while samples were treated at 200 ℃ for 5 h or above 200 ℃, the hardness tended to decrease, the hardness of samples treated at 220 ℃ for 5 h were significantly lower than those of the control. In addition, the effect of heat medium on the main wood mechanical properties of treated samples were significant, the variations of the main wood mechanical properties of the samples when the treatment of hot oil appeared to be slightly lower than that of samples when the treatment of hot air under the same condition. The differences in main chemical components and the cross section of samples in responses to the different processing condition reflected the response difference of main wood mechanical properties in Chinese Fir plantation.


全 文 :第 !"卷 第 #$期
$ % % &年 #$ 月
林 业 科 学
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人工林杉木木材力学性质对高温
热处理条件变化的响应
邓邵平 杨文斌 陈瑞英 林金春
(福建农林大学材料工程学院 福州 7"%%%$)
摘 要: 以人工林杉木为试材,分别用空气和菜子油为介质,在温度为 #8%,$%% 和 $$% 9对其分别热处理 #,7和
" :,研究试材的抗弯强度(;<=)、抗弯弹性模量(;<*)、顺纹抗压强度、表面硬度对高温热处理条件变化的响应,同
时对处理材的主要化学成分进行分析,用扫描电镜对处理材横切面微观结构进行观察。结果表明:人工林杉木试
材的 !种主要力学性质对不同条件热处理的响应程度不同。无论是空气热处理还是油热处理,试材的 ;<=,;<*,
顺纹抗压强度与对照比有不同程度的降低,且随处理温度升高、时间延长,下降幅度增大,相比于时间,温度的影响
更显著;#8% 9热处理 #,7和 " :时,试材的 ;<=,;<*与对照比未发生明显变化(降幅在 7>以内),而顺纹抗压强
度则明显低于对照,两介质中降低幅度分别在 72$&> ? &2"8>和 728&> ? @2#8>;$%% 9以上处理时,不同时间处
理的 7种主要力学性质不仅显著或极显著低于对照,且各性质间的差异也达显著或极显著水平;对硬度的测试结
果表明:#8% 9热处理时,试件的径面硬度和弦面硬度均随时间的延长而增大;$%% 9热处理 7 :时,试件的硬度达
最大,与对照差异达显著水平;随后热处理试件的硬度开始降低,$$% 9热处理 " :后试件的硬度又明显低于对照。
在隔氧的油介质中进行热处理,!种主要力学性质的变化程度低于空气介质处理材,当温度高于 $%% 9时,两介质
处理间的差异达显著水平。而热处理过程中木材主要化学组成与横切面微观结构变化的差异,反映了 !种主要力
学性质对不同条件热处理时表现出的响应差异。
关键词: 人工林杉木;热处理;力学性质;加热介质;响应
中图分类号:’@8#2@ 文献标识码:- 文章编号:#%%# A @!88($%%&)#$ A %#%" A %@
收稿日期:$%%& A %" A 7%。
基金项目:福建省科技平台建设项目($%%8B$%%$)、福建省教育厅科学基金资助项目(C-%8%"@)。
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0KN4OU4T KM N5FDDHDE 4145QO0D RH5O0N50G4 Q0 F5WLHO4 HDP0ORFQH0D 0D 5:FDE4N 0P :4FQ QO4FQ4T S00T HDQ4ODF1 NQOL5QLO42 ,:4 O4NL1QN
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近年来,随着人们环境保护意识的不断增强,高
温热处理改性木材技术由于不采用化学药剂,有很
强的环保优势而倍受人们的关注,国外在高温热处
理木材的理论与技术方面进行了广泛的研究
(@*"!#4$6/#/ !" #$ <,&’’A; @$2%#2 !" #$ <,&’’&;
B**/0!"$ !" #$ <,&’’A;B*""#7$ !" #$ <,&’’C)。目前,国
内对高温热处理木材的研究与应用尚属探索阶段
(龙超等,&’’C),工作重点由以往研究不同热处理对
压缩木材的固定与蠕变以及使实木地板尺寸稳定化
的影响(李坚等,&’’’;王洁瑛等,&’’&;杨小军,
&’’D;顾炼百等,&’’E)向高温热处理对木材的耐腐
性(程大莉等,&’’C)和物理力学性能的影响(李贤军
等,&’’F;李惠明等,&’’F)等方面转变;邓邵平等
(&’’F$)分别以空气和菜子油为介质,对杉木
(%&’’(’)*#+(# $#’,!-$#"#)间伐材在 GC’,&’’ 和
&&’ (分别热处理 &和 D ,后的化学组成进行测定
和分析。
热处理能改善木材的尺寸稳定性、耐久性(邓邵
平等,&’’C;&’’F-;@*"!#4$6/#/ !" #$ <,&’’A;B**/0!"$
!" #$ <,&’’E),但热处理过程中伴随着木材化学成分
的变化而使其力学性能降低,降低程度与树种、处理
条件有关(@;-*H62$ !" #$ <,&’’’;曹永建等,&’’E;龙
超等,&’’C)。近几年,国外已有学者对其本国的主
要商业用材热处理工艺的适应性进行了研究,取得
了较好的结果(I*/10JK !" #$ <,&’’A;L,6 !" #$ <,
&’’E),但国内的相关报道较少,尚未见到有关我国
主要用材树种如南方的人工林杉木木材力学性质对
高温热处理条件变化的响应的研究报道。
由于木材的力学性能与木材的加工利用息息相
关,因而迫切需要深入研究不同条件热处理后木材
力学性质的差异性,对于探明木材热处理与其力学
性质的关系,并在尺寸稳定性能及耐久性能改善与
力学性能降低之间优化适合其应用领域的处理工艺
具有重要意义。本文以福建省重要的人工林树种速
生杉木为试材,对分别以空气和菜子油为介质,在温
度为 GC’,&’’和 &&’ (时分别热处理 G,M和 + ,后
试材的抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗压强度、表
面硬度进行了测定,同时为说明其响应的原因,还对
不同条件处理材的主要化学成分进行初步分析,应
用扫描电镜对处理材横切面的微观结构进行观察,
以研究高温热处理条件对人工林杉木木材主要力学
性质的影响,旨在为制定适用于人工林杉木热处理
的合理工艺条件提供依据。
G 材料与方法
)*) 材料
试材为人工林杉木,采自福建农林大学西芹教
学林场,样本株数 +株,原木直径 GD’ N GA’ 22,树龄
GA N GC年。
为保证试件尺寸和无瑕疵,试件较集中取自晚
材率高的部位。试材气干后,按 OB GF&F其分别加工成 &’ 22 Q &’ 22 Q M’ 22(顺纹抗压强
度、质量损失率、化学组成等测试件)、&’ 22 Q
&’ 22 Q M’’ 22(抗弯强度、抗弯弹性模量测试件)、
+’ 22 Q +’ 22 Q E’ 22(硬度测试件)M种规格,将它
们分别依次编号,试件的含水率为 G&R左右。
)*+ 试验设计
为全因子试验设计,第 G个因子是处理温度,第
&个因子是处理时间,第 M个因子是处理介质。
处理温度与时间水平的确定以前期的试验结果
为依据,即对空气介质中在 GA’ N &M’ (范围内热处
理 + ,后试材的耐腐性和 STU进行测定。结果发
现 GA’ (热处理后试件的 STU基本未降低,耐腐性
仅为稍耐腐;&M’ (热处理后试件的耐腐性为强耐
腐,但 STU降低约 D+R。综合温度与时间的影响,
本研究拟处理温度为 GC’,&’’和 &&’ (,时间为 G,M
和 + ,各 M水平。而菜子油具有耐腐性、耐高温(方
建华等,&’’D)、价格适中等特点,本研究选它为加热
介质之一。
)*, 试验方法
G试件依试验条件分为相应的小组,每一规格均留 G
组试件不热处理作为对照用。顺纹抗压强度、抗弯
强度、抗弯弹性模量测试每组含试件 &’块,表面硬
A’G 林 业 科 学 D+卷
度测试每组含试件 !"块,质量损失率等测试每组含
试件 !#块,将处理条件相同的各小组试件分为一大
组。分别以空气和菜子油为介质,使各组试件分批
在 !$",%""和 %%" &时分别热处理 !,’和 ( )。处理
时,试件均于室温时放入电热恒温干燥箱或没入油
浴中,然后开始升温到目标温度,按要求保温相应的
时间后取出。
!*’*% 木材试件力学性能的测试方法 各热处理
试件和未处理试件抗弯弹性模量的测定采用 +,
!-’#*% . -!方法,抗弯强度的测定采用 +, !-’#*! .
-!方法,顺纹抗压强度的测定采用 +, !-’( . -!方
法,硬度的测定采用 +, !-/! . -!方法进行。
!*’*’ 热处理试件的质量损失率计算 试件在热
处理前先按 +, !-’! . -! 烘到绝干并称其质量为
!",准确到 "*""! 0,试件经热处理后再按要求烘到
绝干后称其质量为 !!,每一条件测 $块试件。热处
理后试件的质量损失率按下式计算:" 1[(!" .
!!)2!"]3 !""4,取平均值作为计算结果。
!*’*/ 木材试件的主要化学组成分析 将规格为
%" 55 3 %" 55 3 ’" 55各组热处理试件和未处理试
件(各 # 块)用植物粉碎机粉碎、过筛,取 "*#’" 6
"*%/( 55之间的粉末。除纤维素含量用硝酸 . 乙
醇法测定外,其他指标按照 +,27 %#88*$ 6 - . !--/
(石淑兰等,%""#)进行,每次平行测定 ’ 次,取平均
值作为测定结果。
!*’*( 木材试件的扫描电子显微镜观察 选取空
气介质和油介质中分别经 !$",%""和 %%" &热处理
( )的试件及未处理试件(%" 55 3 %" 55 3 ’" 55),
用单面刀片切下体积约为 ’ 55’ 的横切面,经脱水、
放在喷镀仪中进行导电处理后,在日本产的 9:;
(’!"<=型扫描电子显微镜下观察,放大倍数为
! """倍。
!"# 数据处理
试验数据采用 >?@AB %""’ 进行计算和分析,采
用 CD9进行差异显著性检验,用 CE@FG法进行多重
比较,并用字母法标记。
% 结果与分析
$"! 不同条件热处理对人工林杉木木材主要力学
性质的影响
%*!*! 不同条件热处理对人工林杉木木材抗弯强
度的影响 试件分别在空气和油介质中,经 !$",%""
和 %%" &分别热处理 !,’和 ( ),其 :HI的测定结
果(表 !)表明,与未处理对照比,无论是空气热处理
还是油热处理,试件的 :HI总体呈降低的趋势,且
随处理温度升高、时间延长降低幅度明显增大。空
气介质中 !$" &热处理 !,’和 ( )后试件的 :HI分
别为 8(*’,8’*8和 8%*- :DF,热处理 ’和 ( )后试件
的 :HI 分别较对照降低了 !*--4和 ’*"#4,与对
照比降低幅度不明显;%"" &热处理相应时间后试
件的 :HI则分别降低了 /*!%4,8*-$4和 !/*/-4,
与对照差异达到显著水平( # J "*"(,下同);而
%%" &各热处理试件的 :HI 分别降低了 !(*-#4,
%(*/"4和 ’#*’"4,与对照差异达到极显著水平
(# J "*"!,下同)。这表明若处理介质相同,试件
:HI的变化主要取决于处理温度和时间,相比而
言,温度的影响更显著,各温度处理间的差异达到显
著水平。油介质热处理试件 :HI具有相似的变化
规律,但在处理温度和时间相同时,油介质热处理试
件的 :HI 的降低幅度低于热空气处理的试件。
%%" &时,随时间延长,两介质处理的差异达到了显
著水平。
%*!*% 不同条件热处理对人工林杉木木材抗弯弹
性模量的影响 由表 !可见,人工林杉木试件 :H>
也随处理温度升高、时间延长而降低。当温度为
!$" &时,空气介质中热处理 !,’ 和 ( ) 后试件的
:H>分别较对照下降 !*$%4,%*(/4和 %*-(4,油
介质中各时间热处理试件的 :H> 则分别下降了
!*%$4,!*"!4和 %*##4,两介质中各热处理试件的
:H>均未明显低于对照;%"" &时,空气介质中热
处理 !,’和 ( )后试件的 :H>与对照比分别下降了
’*-%4,$*/%4和 !!*//4,油介质中各处理试件的
:H>则分别下降了 %*(84,#*#-4和 !"*--4,可见
随处理时间的延长,两介质中处理试件的 :H>明显
低于对照;%%" &时,空气介质中热处理相应时间后
试件的 :H>分别较对照下降了 !%*!(4,!#*--4和
%%*’"4,油介质中热处理后各试件的 :H>则分别
下降了 !!*"!4,!/*884和 %"*/"4。%%" &热处理
( )后试件的 :H>与对照差异达到极显著水平;与
:HI相比,温度和时间对 :H>的影响稍小。
%*!*’ 不同条件热处理对人工林杉木木材顺纹抗
压强度的影响 由表 !可以看出,经不同热处理后
人工林杉木试件顺纹抗压强度的变化与 :HI 和
:H>的变化相似,但其受温度和时间的影响较两者
明显。!$" &时,空气介质中热处理 !,’和 ( ),试件
的顺纹抗压强度分别较对照下降 ’*%-4,(*#-4和
-*($4,而油介质中热处理相应时间后该强度下降
幅度总体略低,分别较对照下降 ’*$-4,/*8-4和
8*!$4,该温度下两介质中处理的顺纹抗压强度明
显低于对照;%"" &热处理 !,’和 ( )后,空气介质
8"!第 !%期 邓邵平等:人工林杉木木材力学性质对高温热处理条件变化的响应
与油介质中处理试件的顺纹抗压强度分别较对照降
低了 !"!#$,%&"’!$,%#"#($与 (")*$,%%"+!$,
%&"##$;,,’ -时,在两介质中热处理 ) .后试件的
顺纹抗压强度分别比对照降低了 +#"+,$ 和
+&"&+$,极显著低于对照。经检验,各温度热处理
后的差异已达极显著水平,且两介质间处理的差异
也达到了显著水平。
,"%"& 不同条件热处理对人工林杉木木材硬度的
影响 不同条件热处理后试件的径面硬度和弦面硬
度的变化与 /01,/02和顺纹抗压强度的变化不同
(表 %)。空气介质中 %#’ -热处理时,随时间延长
试件的径面硬度和弦面硬度均增加,热处理 +和 ) .
后试件的径面硬度较对照平均增加 )",+$ 和
#"%&$,弦面硬度则平均增加 +"&)$和 !"*&$,与
对照差异达到显著水平;,’’ -热处理 + .后试件
的硬度达最大,径面硬度和弦面硬度分别为 %&"%(
和 %(",% /34,与对照比分别增加了 %!"(%$ 和
%*"%’$;随后热处理时试件的硬度开始降低,
,,’ -热处理 ) .后试件的径面硬度和弦面硬度分
别较对照降低 #"&!$和 %’")#$,与对照差异达到
显著水平。油介质热处理试件的径面硬度和弦面硬
度具有类似的变化,但变化程度略低于热空气处理
的试件。试件的径面硬度和弦面硬度随处理条件的
变化情况与文献(356789: !" #$ ",,’’()相似。
表 ! 不同条件热处理后木材的主要力学性质测定结果!
"#$%! &’()*+( ,- ./&,./0,1,234’((5,6 (+4’67+8 3#4#**’* +, 74#56 #69 8#496’(( ,- (#23*’( ()$:’1+’9 +, ;#45,)( 8’#+ +4’#+2’6+(
处理温度
;<=>-
处理时间
;C=.
空气介质 D5@ 4C? 48 .<4@ @?468E/01B
/34
/02B
/34
顺纹抗
压强度
H5=>?<88I
C56 8@?<6J@.
>4?4GGJ?4C6B/34
径面硬度
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.4?F6<88
5E ?4FC4G
8<7@C56B
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弦面硬度
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弦面硬度
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!表中数据为平均数,括号内的数据为标准误差。N4@4 4?< =<468 46F O4GA<8 C6 @.< K?47:<@8 4?< 8@46F4?F NCEE<=< 空气介质热处理试件质量损失率的变化
由图 % 可见,空气介质中经不同温度、时间热处
理后人工林杉木试件的质量损失率随处理温度的升
高和时间的延长而增加。%#’ -热处理 %,+ 和 ) .
时,试件的质量损失率差异不明显,分别为 ,"&)$,
+",%$和 &"%,$;,’’ -热处理相应的时间后,质量
#’% 林 业 科 学 &)卷
损失率明显增大,分别为 !"#$%,&"’(%和 (")#%;
’’* +时,随处理时间的延长,试件的质量损失率快速
增大,该温度下热处理 & , 后试件的质量损失率达
’!"&-%,说明该温度下木材的化学组分已发生了较
明显的变化,这些变化预示着热处理温度、时间的不
同对处理材的主要力学性质产生不同的影响(油热处
理试件中因含有介质油,其质量损失率未测定)。
图 . 空气介质热处理试件的质量损失率
/012 . 3455 6755 89:;9<=419 7> 54?8695 =:94=9@ 0< ,7= 40:
!"# 热处理试件主要化学组成的变化
不同条件热处理试件和未处理试件主要化学组
成见表 ’。可以看出,经热处理后,试件的聚戊糖含
量有不同程度的降低,纤维素含量总体呈降低趋势,
相应的 A6457<木质素含量则不同程度的增加,且随
处理温度升高、时间延长,组成的变化程度增大;空
气介质中 .(* +热处理时,试件的聚戊糖含量有少
量降低,说明此时半纤维素已开始分解,而纤维素基
本未发生变化;’** +热处理时随时间的延长,聚戊
糖含量明显下降,与对照差异达到显著水平,同时纤
维素也开始发生变化,热处理 . B & ,时,空气介质
中热处理试件的纤维素含量降低幅度在 .".!% B
&"$(%之间,油介质中热处理时降低幅度则在
*"!(% B !"*)%之间,该温度下处理时纤维素含量
未明显低于对照;’’* +较长时间处理时,试件各组
分含量发生了较明显的变化,与对照差异达到显著
或极显著水平。由图 .和表 ’的变化可以看出,空
气介质中不同条件热处理试件主要化学组成的变化
与其质量损失率的变化是一致的。
表 ! 热处理试样与未处理试样的主要化学组成
$%&’! ()*+,-%. -/+0/1,2,/3 /4 )*%2526*%2*7 1%+0.*1 %37 8326*%2*7 1%+0.*1
处理温度
C9?89:4=D:9E+
处理时间
C0?9E,
空气介质 F7= 40: 45 ,94= =:4<5>9: ?9@0D? 油介质 F7= 706 45 ,94= =:4<5>9: ?9@0D?
纤维素
G966D66759E%
A6457<木质素
A6457< 601<0聚戊糖
H9<=754纤维素
G966D6759E%
A6457<木质素
A6457< 601<0< E%
聚戊糖
H9<=754. )!"$(4 !’"-(4 #")(I ))"*!4 !!"*’4 #"(.4
.(* ! ))"..4 !)"&)I ("--; ))")-4 !)"($I ("($I
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’** ! )’"#’4 !-"--; -"&)@ )’"#$I !-"’.; -"$#;
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GA ))"!$4 !."#)4 .*"*-4 ))"!$4 !."#)4 .*"*-4
!"9 试件横切面的扫描电子显微镜观察
图 ’是未处理试件和分别在两介质中经 .(*,
’**和 ’’* +热处理 & ,试件横切面的扫描电子显
微镜照片。可以看出,在处理时间相同时,无论是空
气热处理还是油热处理,分别经 !个目标温度热处
理后试件的细胞形态与未处理试件比未发生明显变
化,但随处理温度升高,细胞壁结构变疏松的程度增
加。.(* +热处理时,未观察到试件的细胞壁结构
有明显的变松;而与 ’** +热处理相比,’’* +热处
理后其细胞壁结构明显更疏松,说明温度对试材细
胞壁微观结构的影响显著,这与木材细胞壁中的纤
维素、半纤维素尤其是后者随处理温度升高降解剧
烈有关(表 ’)。当处理温度和时间相同时,热油处
理试件细胞壁结构变疏松的程度小于热空气处理的
试件。其原因是油热处理过程中有少量的油进入到
木材内(图 ’ J K,/ 与 L 的细胞壁上附有一层油
膜),而油的进入对高温下木材细胞壁主要组分的分
解具有一定的保护作用,使得油介质热处理试件细
胞壁结构的变化总体较小。可见,热处理过程中,试
件横切面微观结构的变化与其细胞壁主要化学组成
的变化是一致的。
由于木材的化学成分是木材材性的一个重要方
面,影响着木材的物理力学性质(成俊卿,.#(&),因
此,热处理过程中木材细胞壁各组分所发生的变化
就与热处理材力学性质的变化有关,而木材化学组
成中各主要成分对木材主要力学性质赋予的作用不
#*.第 .’期 邓邵平等:人工林杉木木材力学性质对高温热处理条件变化的响应
图 ! 热处理试件与未处理试件(早材)横切面的扫描电镜照片
"#$% ! &’( )#*+,-./ /012#3$ +0. +-43/5.-/. /.*+#13 16 +0. /47)8./ +-.4+.9 #3 4#- 439 1#8 4+ 9#66.-.3+ +.7).-4+,-./ 61- : 0 439 ,3+-.4+.9 /47)8.
;< 未处理材 =3+-.4+.9 /47)8.;>< 空气介质中 ?@A B热处理 &47)8. 0.4+.9 #3 4#- 4+ ?@A B;C< 空气介质中 !AA B热处理 &47)8. 0.4+.9
#3 4#- 4+ !AA B;D< 空气介质中 !!A B热处理 &47)8. 0.4+.9 #3 4#- 4+ !!A B;’< 油介质中 ?@A B热处理 &47)8. 0.4+.9 #3 1#8 4+ ?@A B;"<
油介质中 !AA B热处理 &47)8. 0.4+.9 #3 1#8 4+ !AA B;E< 油介质中 !!A B热处理 &47)8. 0.4+.9 #3 1#8 4+ !!A B <
同,纤维素分子链在细胞壁中形成的微纤丝沿细胞
的轴向排列,赋予了木材较高的顺纹抗拉强度和弹
性,半纤维素和木质素粘结在一起,起着支持纤维素
骨架的作用而使木材具有很高的抗压强度,木素赋
予木材硬度和刚性(徐有明,!AAF)。本研究发现,由
于 ?@A B热处理时,较热不稳定的半纤维素先行发
生分解,对应有木材的顺纹抗压强度先发生较明显
低于对照的变化,而 (GH,(G’变化较小;!AA B以
上热处理时,半纤维素的热分解程度增大,使纤维素
和木质素之间的连接作用变弱,引起纤丝相对地和
纤维素骨架一起发生滑移,再加之纤维素也开始分
解而使木材的内部强度被削弱,导致试件的顺纹抗
压强度下降明显,(GH 和 (G’ 也显著降低。而热
处理试件的表面硬度随温度升高表现出的变化并不
能从本试验测定的 I84/13木质素相对含量的变化得
到解释,其原因还有待后续的试验进行更加深入的
探讨。加热介质对 J 种主要力学性质的影响也较
大,与隔氧的油介质中相比,由于有氧条件促进了木
材纤维素和半纤维素的分解,因此,在处理温度和时
间相同时,空气介质中热处理时会导致木材力学性
质的下降幅度更大;同时试验结果预示了热处理时
温度不仅是影响木材力学性质变化的重要因素,而
且在较高温度处理时还需十分注意把握处理时间,
否则容易使处理材最终性能劣化。
K 结论与讨论
分别以空气和菜子油为介质,在温度为 ?@A,!AA
和 !!A B时分别热处理 ?,K和 : 0后人工林杉木木
材的 (GH,(G’,顺纹抗压强度的变化相似,与对照
试件比,(GH,(G’和顺纹抗压强度总体有不同程
度的降低,且随处理温度升高、时间延长,降低幅度
增大,但以温度的影响更显著;?@A B时,随处理时
间的延长,试件的 (GH,(G’与对照比未发生明显
变化(降低幅度在 KL以内),但顺纹抗压强度则明
显低于对照,两介质中降低幅度分别在 KM<:@L和 K<@ML N O时间处理的 K种主要力学性质不仅显著或极显著低
于对照,且各性质间的差异也达到显著或极显著
水平。
不同条件热处理人工林杉木试件的径面硬度和
弦面硬度的变化与 K种主要力学性质的变化不同。
?@A B热处理时,试件的径面硬度和弦面硬度均随
时间的延长而增大;!AA B热处理 K 0时试件的硬
度达最大,随后处理时,由于木材细胞壁结构的进一
步降解而使试件的硬度又开始降低,!!A B热处理
: 0后试件的径面硬度和弦面硬度均显著低于未处
理对照件。
加热介质对热处理试件力学性质的影响程度不
同,在处理温度和时间相同时,与隔氧的油介质中热
处理相比,由于空气介质中的有氧环境促进了木材
主要组分的分解,使木材力学性质的变化幅度更大。
热处理过程中各力学性质的变化与试件主要化
学组成的变化是一致的;而分别在两介质中经 ?@A,
!AA和 !!A B热处理 : 0的试件其横切面细胞壁结
A?? 林 业 科 学 J:卷
构疏松程度的变化也在一定程度上反映出了热处理
材力学性质的变化。
随着我国大径级天然林资源的日益短缺,越来
越多的工业用材依赖于人工林资源。但人工林木材
存在径级小、材质差、易腐朽、尺寸稳定性差等问题,
而高温热处理有望改善木材的耐腐性和尺寸稳定
性。因此采用高温热处理技术对人工林木材进行处
理,无论是从环境保护考虑,还是对于扩大人工林木
材的应用范围,实现人工林木材的高效利用,以缓解
我国木材供需矛盾,都具有重要的意义。但木材在
热处理过程中伴随着细胞壁主要成分发生不同程度
的降解而导致其力学性能降低,降低程度取决于树
种和热处理工艺条件。因此,今后研究的重点是针
对产品的使用场合所需要的力学性质、耐腐性和尺
寸稳定性要求确定处理工艺,并对相关工艺参数进
行优化,以建立并形成适合我国人工林杉木树种、产
品性质和不同应用领域的热处理工艺,为人工林杉
木的科学利用开拓新的天地。
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(责任编辑 石红青)
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