全 文 ：第 v|卷 第 t期
u s s v年 t 月
林 业 科 学
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¤±qou s s v
高温水蒸气处理固定大青杨木材
横纹压缩变形的研究
刘君良
k中国林业科学研究院木材工业研究所 北京 tsss|tl
李 坚 刘一星
k东北林业大学 哈尔滨 txsswsl
杨 霞
k长春工业大学艺术设计学院 长春 tvsstul
摘 要 } 采用高温水蒸气处理和加热处理固定大青杨木材压缩变形 o并对两种处理结果进行比较 ∀测定了
木材的抗胀k缩l率k ΑΣΕl !阻湿率k ΜΕΕl !质量损失率k ΩΛl !压缩率 !压缩变形恢复率等各项指标 ∀结果表
明 }无论是高温加热处理还是高温水蒸气处理 o木材的尺寸稳定性明显得到提高 ∀在相同温度条件下 o当 ΑΣΕ
的值超过 xs h时 o高温水蒸气处理所需要的时间远远小于高温加热处理所需要的时间 o当温度为 t{s ε 时加
热处理需要 tx ∗ us «o而水蒸气处理仅需要 { °¬±o压缩变形被固定 ∀
关键词 } 大青杨 o木材横纹压缩 o水蒸气处理 o尺寸稳定性
收稿日期 }usss p sw p ut ∀
ΣΤΥ∆Ψ ΟΝ ΤΗΕ ΦΙΞΑΤΙΟΝ ΧΟΜΠΡΕΣΣΙς Ε ∆ΕΦΟΡ ΜΑΤΙΟΝ ΟΦ ΠΟΠΥΛΥΣ
ΥΣΣΥΡΙΕΝΣΙΣ ΙΝ ΤΗΕ ΤΡΑΝΣς ΕΡΣΕ ∆ΙΡΕΧΤΙΟΝ ΒΨ
ΗΙΓΗ ΤΕΜΠΕΡΑΤΥΡΕ ΣΤΕΑΜ ΤΡΕΑΤΜΕΝΤ
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k Ρεσεαρχη Ινστιτυτε οφ Ωοοδ ΙνδυστρψoΧΑΦ Βειϕινγtsss|tl
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k Νορτηεαστ Φορεστρψ Υνιϖερσιτψ Ηαρβινtxsswsl
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kΑρτιστιχ ∆εσιγν Χολλεγε oΧηανγ χηυν Ινδυστρψ Υνιϖερσιτψ Χηανγχηυνtvsstul
Αβστραχτ} ׫¨ º²²§²©³²³¯¤µ¬¶¦²°³µ¨¶¶¨§o·«¨ ±·«¨ ¦²°³µ¨¶¶¬²± §¨©²µ°¤·¬²±¬¶©¬¬¨ §¥¼ «¬ª«·¨°³¨µ¤·∏µ¨ ¶·¨¤° ¤±§
«¨¤·¬±ªq׫¬¶³¤³¨µ§¬¶¦∏¶¶²±·«¨ µ²¯¨²©©¬¬¤·¬²± º²²§¦²°³µ¨¶¶¬²± §¨©²µ°¤·¬²±¬±·«¨ ·µ¤±¶√¨ µ¶¨ §¬µ¨¦·¬²±qŒ·¬¶°¨ ¤¶∏µ¨§
©²µ·«¨ ¬±§¨¬²©¤±·¬2¶º¨ ¯¯¬±ª ©¨©¬¦¬¨±¦¼kΑΣΕl o°²¬¶·∏µ¨ ¬¨¦¯∏§¬±ª ©¨©¬¦¬¨±¦¼k ΜΕΕl oº¨ ¬ª«·¯²¶¶k ΩΛl o¦²°³µ¨¶¶¬²±¶¨·¤±§
µ¨¦²√¨ µ¼ ¶¨·²©¦²°³µ¨¶¶¬√¨ §¨©²µ°¤·¬²±¤±§¶²²±q׫¨ µ¨¶∏¯·¶«²º·«¤··«¨ §¬°¨ ±¶¬²±¤¯ ¶·¤¥¬¯¬·¼¦¤± ¥¨ ¬°³µ²√¨ §¤³³¤µ¨±·¯¼
¥¼ ¬¨·«¨µ«¬ª«·¨°³¨µ¤·∏µ¨ ¶·¨¤° ²µ«¨¤·¬±ªq„··«¨ ¶¤°¨ ·¨°³¨µ¤·∏µ¨ ¦²±§¬·¬²±oº«¨ ±·«¨ √¤¯∏¨ ²© ΑΣΕ ª²¥¨¼²±§·«¨ ¶¦²³¨
xs h o·«¨ ·¬°¨ ²©«¬ª«·¨°³¨µ¤·∏µ¨ ¶·¨¤°·µ¨¤·°¨ ±·¬¶¶«²µ·¦¯¨ ¤µ¯¼¦²°³¤µ¨§º¬·««¨¤·¨§q≤²°³µ¨¶¶¬√¨ §¨©²µ°¤·¬²±²©³²³¯¤µ
·¬°¥¨µ¬¶±¨ ¤µ¯¼©¬¬¨ §¦²°³¯ ·¨¯¨¼ º«¬¯¨ ·«¨ ·¨°³¨µ¤·∏µ¨ ¬¶t{s ε oº«¬¦««¨¤·¬±ª·µ¨¤·°¨ ±·±¨ §¨·²tx ∗ us «²∏µ¶o¥∏·¶·¨¤°
·µ¨¤·°¨ ±·²±¯¼ ±¨ §¨·²{ °¬±∏·¨¶q
Κεψ ωορδσ} Ποπυλυσ υσσυριενσισo≤²°³µ¨¶¶¬²±¬±·«¨ ·µ¤±¶√¨ µ¶¨ §¬µ¨¦·¬²±o≥·¨¤°·µ¨¤·°¨ ±·o⁄¬°¨ ±¶¬²±¤¯ ¶·¤¥¬¯¬·¼
随着大径级天然林资源日渐短缺 o取而代之的是小径木 !间伐材和速生丰产人工林 ∀由于这些木材
径级小 !材质差 o传统的木材加工和木材综合利用的方法已不再适应 ∀通过木材压密技术可以使材质轻
软 !密度较低 !加工工艺性能差的木材得到改善 ~但是 o木材是粘弹性材料 o在外力作用下产生变形 o当外
力撤除后变形可以部分或全部恢复 ∀因此 o探讨永久固定木材压缩变形是压缩木制造技术的关键 ∀国
内外学者针对永久固定木材压缩变形的方法进行了多种尝试 o包括树脂含浸硬化处理 !化学处理 !加热
处理 !水蒸气处理等 ∀最近 o由于人们对环境保护的重视 o非化学处理方法将倍受人们的关注k李坚 o
t||t ~方桂珍等 ot||z ~刘君良等 ot||{ ~• ¤«¼∏ ετ αλqot||z ~则元京 ot||w ~Ž²¶∏®¨ ετ αλqot||z ~≠∏∏½²∏ ετ
αλqot||{l ∀
t 实验材料和方法
111 实验材料
所用材料为大青杨k Ποπυλυσ υσσυριενσισl ot||y年采自吉林省蛟河市吉林林学院蛟河实验林场 ∀采集
和试样制作按照国家标准kŠ…t|u| p ws p |tl进行 ∀样木株数为 x株 o平均树龄 uv¤o平均树高 tt1w ° o平
均胸径 t{1w ¦°o气干密度 v|u ®ª#°pv o平均年轮宽度 v1wz °°∀用于测定抗胀k缩l率k ΑΣΕl !阻湿率
k ΜΕΕl !质量损失率k ΩΛl和压缩变形恢复率的试件尺寸为 us °° ≅ us °° ≅ vs °°k• ≅ × ≅ l o每项指标
的试件数量为 vs个 ∀
112 实验方法
t1u1t 抗胀k缩l率kΑΣΕl !阻湿率k ΜΕΕl !质量损失率k ΩΛl 首先按 Š…t|vt p |t测出试件处理前的绝
干尺寸k径向 !弦向 !纵向l和质量 o尺寸精确至 s1ssu °° o质量精确至 s1sst ®ª∀然后将试件放置于温度
kus ? ul ε !相对湿度k ΡΗlyx h的容器中进行吸湿处理 o吸湿 tx §之后测量尺寸k径向 !弦向 !纵向l和质
量 o得到素材的吸湿率和湿胀率 ∀试件气干k含水率约为 tu h ∗ tx h l后放入自制的带有约束装置的夹
具中 o在力学实验机上沿径向被压缩 xs h o试件固定在夹具中 o保持压缩状态不变 o取下夹具k从实验机
上l ∀分两种情况 }一是把试件连同夹具一起放到烘箱中 o进行加热定型处理 ∀先用 xs ε 烘 w «o再用
tsx ε 烘 { «o然后分别在 tys !t{s和 uss ε 进行加热定型处理kvs个试件l ∀二是把试件连同夹具一起放
到高温水蒸气处理罐中 o水蒸气压力为 ts °¤o在 tys !t{s和 uss ε 进行高温水蒸气定型处理kvs个试
件l ∀两种方法处理后的试件再进行常规的烘干 !称重 !测量各向尺寸k径向 !弦向 !纵向l ∀然后再吸湿 !
称重 !测量各向尺寸k径向 !弦向 !纵向l o得处理材的吸湿率和湿胀率 o最后按下式计算各值 ∀
吸湿率k Ξl € Μ p ΜsΜs ≅ tss h ktl
式中 }Μ为试件吸湿后质量 oΜs 为试件绝干质量 ∀
试件从绝干到吸湿平衡时的体积膨胀率 }
体积膨胀率k Σl € ς p ςsςs ≅ tss h kul
式中 }ς为试件吸湿后的体积 oςs 为试件绝干后的体积 ∀
抗胀k缩l率kΑΣΕl € Σs p ΣtΣs ≅ tss h kvl
式中 }Σ为未处理材的体积膨胀率 oΣt 为处理材的体积膨胀k收缩l率 ∀
阻湿率k ΜΕΕl € Ξs p ΞtΞs ≅ tss h kwl
式中 }Ξs 为未处理材的吸湿率 oΞt 为处理材的吸湿率 ∀
质量损失率k ΩΛl € Ω p ΩsΩs ≅ tss h kxl
式中 }Ωs 为处理前试件绝干质量 oΩ为处理后试件绝干质量 ∀
t1u1u 木材横纹压缩循环膨胀实验 木材横纹压缩率和压缩变形恢复率按下式计算 }
横纹压缩率k Χl € Τs p Τ¦Τs ≅ tss h kyl
式中 }Τs 为压缩前气干试件径向厚度k一般为径向l oΤ¦为压缩后气干试件径向厚度 ∀
压缩变形恢复率k Ρl € Τµ p ΤsΤs p Τ¦ ≅ tss h kzl
式中 }Τµ为回弹后试件厚度 oΤ¦为压缩后试件厚度 oΤs 为压缩前试件厚度 ∀
常温kus ε l循环膨胀 木材横向压缩经过加热处理和高温水蒸气处理定型后 o打开夹具测量压缩
zut 第 t期 刘君良等 }高温水蒸气处理固定大青杨木材横纹压缩变形的研究
面厚度 o计算压缩率 ∀以试件的压缩率作为初始变形恢复率k ∆sl ∀将不同条件处理后的试件减压处理
vs °¬±k抽真空l o然后注入水 o常温下浸泡 uts °¬±o取出试件测量径向厚度 o此时变形恢复率为湿变形恢
复率k Ωtl ~将该试件放入烘箱中 o于 xs ε 时干燥 us «o再于 tsx ε 烘至绝干 o测量其径向厚度 o计算干状
态变形恢复率k ∆tl o对上述实验过程重复 {次 ∀水煮沸循环膨胀 经 {次常温循环膨胀实验后的试件放
于水中煮沸 u«o取出测量其径向厚度 o计算变形恢复率为煮沸变形恢复率 ~再将试件放于烘箱中 oxs ε 干燥
us«otsx ε 烘至绝干 o测量其径向厚度 o计算的变形恢复率为干状态变形恢复率 o上述实验过程重复 w次 ∀
温度变化膨胀 将横向压缩后的试件浸入 us ε 水中 o每 ws °¬±水温升高 ts ε o到水温达到 |{ ε 后 o保持
vs oys o|s otus ot{s ouws ovss °¬±o在每一时间间隔点测量试件的径向厚度 o计算变形恢复率 ∀
u 实验结果与讨论
211 木材的抗胀(缩)率 !阻湿率 !质量损失率
为了解析高温加热和水蒸气处理对木材尺寸稳定性作用的差异 o做了对比实验 o并测定了木材的抗
胀率kΑΣΕl !阻湿率k ΜΕΕl和质量损失率k ΩΛl o其结果如图 t !u !v ∀
图 t 加热或蒸气处理时间与抗胀k缩l率k ΑΣΕl之间的关系
ƒ¬ªqt ׫¨ µ¨ ¤¯·¬²±¶«¬³¥¨·º¨ ±¨ ΑΣΕ ¤±§«¨¤·¬±ª²µ¶·¨¤°·µ¨¤·°¨ ±··¬°¨
图 u 加热处理或蒸气处理时间与阻湿率k ΜΕΕl之间的关系
ƒ¬ªqu ׫¨ µ¨¯ ¤·¬²±¶«¬³¥¨·º¨ ±¨ ΜΕΕ ¤±§«¨¤·¬±ª²µ¶·¨¤°·µ¨¤·°¨ ±··¬°¨
图 v 加热处理或蒸气处理时间与重量损失率k ΩΛl之间的关系
ƒ¬ªqv ׫¨ µ¨ ¤¯·¬²±¶«¬³¥¨·º¨ ±¨ ΩΛ¤±§«¨¤·¬±ª²µ¶·¨¤°·µ¨¤·°¨ ±··¬°¨
{ut 林 业 科 学 v|卷
从图 t中可以看出 o随着处理时间的延长 o抗胀k缩l率kΑΣΕl逐渐增加 ~当处理时间相同时 o随着处
理温度的升高 o抗胀k缩l率增加 ∀对加热处理来说 o当处理时间为 x «o温度为 tys !t{s !uss ε 时 o抗胀
k缩l率kΑΣΕl分别为 z1{ h !tu1t h !yu1w h ∀当处理时间为 us«o温度为 tys ε 和 t{s ε 时 o抗胀k缩l率分
别为 wu1v h和 yu1t h ∀对蒸气处理来说 o当处理时间为 u °¬±o温度为 tys !t{s和 uss ε 时 o抗胀k缩l率
kΑΣΕl分别为 t{1w h !vt1z h和 xz1{ h ∀当温度为 t{s ε 时 o加热处理时间超过 us «oΑΣΕ的值趋于稳
定 ~而蒸气处理时间只需 { °¬±oΑΣΕ的值就趋于稳定并且达到 zs h以上 ∀
从图 u中可以看出 o相同的处理时间 o随着温度的升高 o阻湿率k ΜΕΕl明显增大 ∀当温度为 uss ε
时 o加热处理超过 x «!蒸气处理超过 v °¬±o阻湿率k ΜΕΕl趋于稳定 o其数值达到 zs h左右 ∀当温度为
t{s ε 时 o加热处理超过 us «!蒸气处理超过 { °¬±o其数值达到 zs h以上 ∀当温度为 tys ε 时 o加热处理
超过 ux «!蒸气处理超过 ts °¬±o阻湿率趋于稳定 o其数值为 ys h左右 ∀实验结果表明 o随着阻湿率的增
高 o经过处理后的木材从潮湿的空气中吸收水分的能力明显下降 ∀
图 v表明 o在相同处理条件下 o随着温度的升高 o质量损失率k ΩΛl明显增大 ∀当温度为 uss ε 时 o加
热处理超过 ts «o蒸气处理超过 x °¬±o质量损失率趋于稳定 o其数值为 y h以上 ∀当温度为 t{s ε 时 o加
热处理超过 tx «o蒸气处理超过 { °¬±o质量损失率趋于稳定 o其数值在 x h ∗ y h之间 ∀当温度为 tys ε
时 o无论是加热处理还是蒸气处理 o其质量损失率不超过 v h ∀
212 压缩恢复率
为了探讨高温加热处理和高温水蒸气处理固定木材横纹压缩变形的作用 o以径向压缩率 xs h的试
件做实验样本 o进行各种压缩变形恢复率检测 ∀其结果如图 w ∗ z所示 ∀
图 w 加热处理或蒸气处理时间与恢复率之间的关系
ƒ¬ªqw ׫¨ µ¨ ¤¯·¬²±¶«¬³¥¨·º¨ ±¨ µ¨¦²√¨ µ¼ ²©¶¨·¤±§«¨¤·¬±ª²µ¶·¨¤°·µ¨¤·°¨ ±··¬°¨
图 x 加热或蒸气处理压缩样本在干 !湿和煮沸循环实验后的压缩变形恢复率
ƒ¬ªqx • ¦¨²√¨ µ¼ ²©¶¨·©²µ«¨¤·¬±ª²µ¶·¨¤°·µ¨¤·°¨ ±·¦²°³µ¨¶¶¨§¶³¨¦¬°¨ ±¶¤©·¨µ§µ¼¬±ª!º¨ ·¬±ª¤±§¥²¬¯¬±ª¦¼¦¯¨ ¶
|ut 第 t期 刘君良等 }高温水蒸气处理固定大青杨木材横纹压缩变形的研究
从图 w可以看出 o相同的处理时间 o随着处理温度的升高 o压缩变形恢复率明显减小 ∀当温度为
uss ε 时 o高温加热处理 x «!高温高压水蒸气处理 w °¬±o压缩变形几乎完全被固定了 ∀当温度为 t{s ε
时热处理 tx ∗ us«o蒸气处理 { ∗ ts °¬±o压缩变形恢复率接近于零 ∀当温度为 tys ε 时 o随着处理时间的
延长 o压缩变形恢复率逐渐减小 o但是 o要达到压缩变形的完全固定花费的时间很长 o加热处理需 vs «
以上 ∀
图 x是以处理温度 t{s ε 为例说明经过不同定型时间 o压缩率为 xs h时的变形恢复率循环实验 ∀
从图中可以看出 o没经过定型处理的素材在第一次干湿循环过程中压缩变形恢复率接近 ys h ov次循环
实验后 o变形恢复达到 {s h左右 o经过 w次水煮循环后变形恢复率接近 tss h ∀随着加热或蒸气处理时
间的延长 o压缩变形恢复率明显减小 ∀当加热处理时间为 ts «或蒸气处理时间为 w °¬±时 o第一次干湿
图 y 加热或蒸气处理木材压缩变形恢复率与
浸泡温度和煮沸时间的关系
ƒ¬ªqy ׫¨ µ¨ ¤¯·¬²±¶«¬³¥¨·º¨ ±¨ µ¨¦²√¨ µ¼ ²©¶¨·©²µ«¨¤·¬±ª²µ¶·¨¤°·µ¨¤·°¨ ±·¦²°³µ¨¶¶¨§
º²²§¤±§¶²¤®¬±ª·¨°³¨µ¤·∏µ¨ ¤±§¥²¬¯¬±ª·¬°¨
循环过程中 o压缩变形恢复
率分别为 u{1z h和 ty1w h ~{
次干湿循环后 o压缩变形恢
复 率 分 别 为 xv1u h 和
uw1| h ∀当加热处理时间为
us «或蒸气处理时间为 { °¬±
时 o第一次干湿循环过程中 o
压缩变形恢复率分别为
y1v h和 w1t h ~{次干湿循环
膨胀后 o压缩变形恢复率分
别为 z1x h和 x1z h ∀因此可
以得出加热或者高温水蒸气
处理是固定木材压缩变形的
一种有效方法 ∀
图 y是增加水温实验检
测压缩变形恢复率 ∀本实验
是以处理温度为 t{s ε o压缩
率为 xs h作为处理条件的木
材试样 o进行不同处理方法 !
不同处理时间的压缩变形恢
复率检测 ∀从图中看出 o没
经过定型处理的木材试样 o
随着水温的上升变形恢复很
图 z 质量损失率k ΩΛl和压缩变形恢复率之间的关系
ƒ¬ªqz ׫¨ µ¨ ¤¯·¬²±¶«¬³¥¨·º¨ ±¨ ΩΛ¤±§µ¨¦²√¨ µ¼ ²©¶¨·
快 ∀us ε 时 o变形恢复率为 tt1{ h ovs ε 时为
wz1y h o在 xs ∗ |s ε 之间变形恢复率趋于稳
定 o其数值为 z{1w h o水煮沸时 o变形几乎达到
tss h恢复 ∀随着加热或蒸气处理时间的延
长 o压缩变形恢复率明显减小 ∀当加热处理时
间为 ts «或蒸气处理时间为 w °¬±o温度为
us ε 时 o变形恢复率分别为 y1z h 和 x1u h ~
vs ε 时 o变形恢复率分别为 tu1w h和 tt1z h ~
|s ε 时 o变形恢复率分别为 wx1{ h和 vw1y h ~
煮沸 vss °¬±后 o其变形恢复率分别为 xy1u h和 wt1z h ∀当加热时间为 us «或蒸气处理 { °¬±o温度为
|s ε 时 o变形恢复率分别为 u1| h和 u1u h ~煮沸 vss °¬±后 o其变形恢复率分别为 |1z h和 w1y h ∀这些
svt 林 业 科 学 v|卷
测试结果进一步说明加热或者高温水蒸气处理是固定木材压缩变形的一种有效方法 ∀
图 z是质量损失率和压缩变形恢复率之间的关系 ∀为了把质量损失率和压缩变形恢复率之间的关
系更加直观地表达出来 o首先选定处理温度 t{s ε 为中间量 o以不同加热时间的加热质量损失率和蒸气
处理质量损失率为一组数据 o然后再找出对应 t{s ε 时的不同处理时间的压缩变形恢复率为另一组数
据 o从而绘制成图 ∀从图 z中可以看出 o随着质量损失率的增加 o压缩变形恢复率减小 ∀当质量损失率
超过 x h时 o压缩变形恢复率小于 u h ∀
v 小结
通过上述研究我们可以得出 o当 ΑΣΕ的值达到 xs h时 o无论是加热处理还是蒸气处理 o木材的尺寸
稳定性明显得到提高 o压缩变形恢复率趋近于零 ∀在处理温度 t{s ε 的条件下 o由高温水蒸气处理固定
木材压缩变形所需要的时间仅为 { °¬±o而高温加热处理则需要 tx «∀通过阻湿率测量可知 o无论是加
热处理还是蒸气处理 o木材从潮湿的空气中吸收水分的能力明显下降 o产生这一现象的主要原因是木材
细胞壁物质 o在加热或蒸气处理条件下 o微纤丝之间相互靠拢 o当微纤丝与微纤丝之间的距离小于一定
距离时 o羟基与羟基之间形成化学键 ∀木材再吸湿时 o形成化学键的羟基不再还原 o从而使得羟基数量
减小 o吸着点降低 ∀
在相同处理条件下 o随着温度升高 o质量损失率k ΩΛl明显增大 ∀随着质量损失率增加 o压缩变形恢
复率减小 ∀这一测试结果说明无论是加热处理还是高温水蒸气处理 o木材中的某些化学成分在水分的
作用下 o发生了降解 o导致质量损失 o同时还伴随着物理 !化学变化 ∀
参 考 文 献
李 坚编著 q木材科学新篇 q哈尔滨 }东北林业大学出版社 ot||t
刘君良 o刘一星 q杨木 !柳杉表面压密材的研究 q吉林林学院学报 ot||{ otwkul }ut ∗ uw
则元京 q木材的高温蒸气处理 q木材工业 ot||w ow|kul }x{{ ∗ x|u
Ž²¶∏®¨ ’ o¬¶¤·² ‘q⁄¬° ±¨¶¬²±¤¯ ≤«¤±ª¨ ²© º²²§¥¼ ≤«¨ °¬¦¤¯ ×µ¨¤·° ±¨·q• ³¨µ¬±·¨§©²µ• ²²§ • ¶¨¨¤µ¦«ot||z o{w }wu ∗ wx
• ¤«¼∏⁄o¤¶¤©∏°¬Œo ¬¶¤·² ‘qƒ¬¬¤·¬²± ²© ≤²°³µ¨¶¶¬√¨ ⁄¨©²µ°¤·¬²± ²© • ²²§¥¼ ‹ ¤¨·×µ¨¤·°¨ ±·q²®∏½¤¬Š¤®®¤¬¶«¬ot||z owvkwl }vsv ∗ vs|
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tvt 第 t期 刘君良等 }高温水蒸气处理固定大青杨木材横纹压缩变形的研究