速生巨尾桉木材熱壓處理的研究

黃廣華

(漳州職業技術學院建筑工程學院 福建漳州 363000)

木材的熱壓處理是對木材進行軟化處理、然后在一定的溫度、壓力下對其進行壓縮，在不破壞木材細胞結構的基礎上，使其密度、強度和尺寸穩定性等物理力學性能得以提高，從而達到木材強化目的的方法[1-2]。隨著天然林資源日漸減少，木材供應越來越緊張，提高人工林木材資源的有效利用已經成為一種共識。通過密實化處理提高速生材的物理力學強度，改善其加工性能，拓寬其應用領域，已成為當前國內外學者研究的一個重要課題。眾多專家學者對木材的蠕變、壓縮木制造等熱壓處理技術，以及變形的回彈與固定等相關課題進行了廣泛深入的研究，并取得了顯著的進展，以期改良速生材的性能，提高在實木生產中的利用[3-10]。

桉樹是桃金娘科(Mgrtaceae)桉屬(Eucalyptus)植物的統稱，是世界著名的三類速生用材之一，生長速度快如巨尾桉(Eucalyptus grandis × Eucalyptus urophylla)，樹種較佳采伐期為6 a左右[11]。由于天然林的減少，木材供需矛盾日益突出，對速生桉樹木材的需求越來越大。但由于桉樹木材生長應力大、干縮性變異大、容易變形，尺寸不穩定以及物理力學性能差等缺點，其實木利用受到限制。因此，桉樹木材壓縮技術的研究對于速生材實木加工和提高其經濟效益有著重要的意義。該研究采用正交試驗，按不同工藝參數對巨尾桉木材進行熱壓處理，對比分析素材與處理材的細胞結構、物理性質和力學性質變化，通過選優，得出巨尾桉木材熱壓工藝的最佳參數。以期為速生木材的性能改良和加工利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

漳州市漳浦縣國有林場提供本試驗試驗材料，巨尾桉樹齡為4-7年之間；原木直徑為150mm左右，按照國家標準GB1927-1943-91[12]進行樹種的采集和試樣的制作。木材上部為原木的梢部，下部和中部以胸高1.3 m處為界，將木材按樹高方向平均分為上中下3個部分，每部分12塊，每組實驗條件的試樣數為24塊，共288塊。用于壓縮處理試驗材料規格為：長200 mm，寬100mm，厚度根據正交試驗的要求，由壓縮率和壓后厚度換算而定。密度和回復率測定的試驗材料為20mm3的小正方體；力學性能測定的試驗材料尺寸為長300mm，寬20mm，厚20mm。

1.2 試驗方法

(1) 熱壓工藝試驗。 壓縮木的制造要防止其壓縮后的回彈，所以壓縮變形的永久固定顯得尤為重要，回復率的控制是其中的關鍵指標，而影響回復率的主要工藝參數有：熱壓時間、熱壓溫度、壓縮率、壓后厚度、壓前含水率等相關參數[13-15]。該試驗采取L16(45)正交試驗方法，按要求對巨尾桉木材熱壓處理。對不同工藝條件下的試驗材料進行吸水、吸濕回復率(RS)試驗測定，通過分析比較，得出巨尾桉木材熱壓處理的最佳工藝參數。正交試驗安排見表1。

表1 L16(45)正交試驗

熱壓過程先預熱、再逐步分段加壓至預定壓力，即當上壓板接觸到模具時，停止加壓，進入到保壓狀態。壓縮率越大，單位面積的壓力也越大，一般為5-10 MP。冷卻后再進行卸壓，取出試樣，進行吸水、吸濕回復率(RS)測定：按要求每隔8 h、1 d、4 d、12 d各測量一次吸水回彈尺寸，共4次，用于計算吸水回復率，每隔1 d、2 d、4 d、8 d、12 d、20 d、30 d、40 d吸濕回彈尺寸，共8次，用于計算吸濕回復率。

吸濕、吸水回復率按照徐永吉著[13]《木材改性》計算，其計算公式如下：

(1)

式中： RS(%)—回復率；Lr(mm)—吸濕或吸水處理后的厚度；L0(mm)— 熱壓前的厚度；Lc(mm)— 熱壓后的厚度。

(2) 物理力學性能試驗。 試驗材料的氣干、絕干密度等物理性質和抗壓、抗彎、抗剪、硬度、沖擊韌性等力學強度的測試按照《木材物理力學性質試驗方法》(GB1927-1943-91)[12]進行。

(3) 微觀結構觀察。 利用數碼顯微鏡(DMB-223P-5)對試驗材料放大400倍進行觀察測定。

2 結果與分析

2.1 熱壓工藝試驗結果

按照正交試驗的要求，對不同工藝參數條件下的試驗材料分組編碼，分別測定和計算其吸水、吸濕回復率。試驗材料吸水、吸濕回復率正交試驗結果見表2，試驗材料的極差分析見表3，試驗材料的方差分析見表4。

表2 L16(45)正交試驗結果

表3 回復率極差分析表

表4 回復率方差分析

注：吸水 F0.01(3，48)= 4.25，F0.05(3，48)=2.70，F0.10(3，48)=2.23；吸濕 F0.01(3，112)=3.97，F0.05(3，112)=2.74，F0.10(3，112)=2.15；當 F>F0.01(3，112)時，***表示p<0.001。

由表2、表3、表4可知，熱壓過程各因素對試驗材料的吸水、吸濕回復率影響均高度顯著。對吸水回復率的影響大小依次是：熱壓前含水率-壓縮率-熱壓溫度-熱壓后厚度-熱壓時間。各因素對吸濕回復率的影響大小依次是：熱壓前含水率-熱壓溫度-壓縮率-熱壓后厚度-熱壓時間。綜合分析各工藝條件對試驗材料吸濕、吸水回復率的影響，得出速生巨尾桉木材熱壓處理(即RS最小時)的最佳工藝參數為：熱壓前含水率為60%，壓縮率為50 %，熱壓后厚度為13-20mm，熱壓溫度為190℃，熱壓時間為25-30 min。

2.2 物理力學性質

巨尾桉木材經過熱壓處理，其氣干、絕干密度見表5，物理力學性質測定結果見表6和圖2。為了進行比較研究，將它們的氣干、絕干密度，力學性質均換算成含水率12%的值。

表5 巨尾桉木材壓縮率與密度的關系

從表5可知，隨著壓縮率的增加，氣干、絕干密度逐漸增加，素材氣干密度為0.51 g/cm3、絕干密度為0.44 g/cm3，當壓縮率為50 %時，處理材的氣干密度為0.81 g/cm3，絕干密度為0.78 g/cm3；與素材比較，壓縮率為50 %處理材氣干密度、絕干密度分別提高58.82 %和77.27 %。

表6 巨尾桉木材壓縮率與強度的關系

圖1 巨尾桉木材壓縮率與強度的關系

由表6和圖1可知，速生巨尾桉木材經過熱壓處理后，結構更加密實，隨著壓縮率的增加，其各種強度也逐漸增加，具有相同的趨勢。具體如下：

(1)對于木材順紋抗壓強度、橫紋(弦面)抗壓強度、順紋抗剪(弦面)強度，素材分別為72.70 MPa、13.00 MPa、16.40 Mpa；當壓縮率為50%時，處理材分別為87.15 MPa、20.37 MPa、31.50 Mpa；分別提高了19.88 %、56.69 %和92.07 %。

(2)對于木材抗彎強度和抗彎彈性模量，素材分別為238.33 MPa、24.26 GPa；當壓縮率為50%時，處理材分別為408.61 MPa、28.39 GPa；分別提高了71.45 %、和17.02 %。

(3)對于木材硬度，素材的端面硬度和弦面硬度分別為95.40 Mpa、77.00 Mpa；當壓縮率為50 %時，試驗材料的端面硬度和弦面硬度分別為178.86 Mpa、135.56 Mpa；分別提高了87.48 %和76.05 %。

(4)對于木材沖擊韌性，素材為78.00 kJ/m2，當壓縮率為50 %時，試驗材料的沖擊韌性為123.25 kJ/m2，提高了58.01 %。

通過熱壓處理，木材的力學性能得到大幅提高，其中幅度最大的是木材剪切強度，提高了92.07 %，其次是端面硬度，提高了87.48 %。

2.3 巨尾桉木材的微觀結構

通過數碼顯微鏡(DMB-223P-5)對巨尾桉木材素材和處理材放大400倍進行觀察，得到掃描圖片如圖2。

圖2 巨尾桉木材微觀結構圖(400X)

從圖2 中的碼顯微鏡顯微鏡圖片可知，木材熱壓處理后，細胞壁結構完好，細胞實質沒有受到壓潰，導管等細胞腔被擠壓，木材孔隙率變小，從而產生了較大的變形，整體結構仍然保持原有的完整性[14]，熱壓后處理材的物理力學性質明顯提高。這是由于在一定的水分下給予木材較高的溫度，在濕熱狀態下木材的可塑性增加，玻璃化轉變過程的時間縮短，使處理材在軟化、可塑狀態下得以壓縮。木材細胞壁內部受到破壞的可能性大大減少，保持了木材結構的完整性。熱壓過程，隨著吸附水的不斷逸出，木材細胞壁中羥基(-OH)和羧基(-COOH)被重新釋放出來，當細胞壁的纖維素、半纖維素和木質素的羥基和羧基之間靠近至極小距離時，就形成了纖維素、半纖維素以及木質素分子之間的氫鍵結合，組成更為復雜的立體網狀結構，提高了結晶度，使得木材內部的結構更加致密[15]。同時，伴隨著熱壓過程中細胞壁羥基數量的減少，碳水化合物結晶化、交聯反應以及熱降解等多種反應的綜合作用，使處理材的物理力學性能大幅提高、變定得到固定[4，15]。

3 結論

通過熱壓處理后的回復率試驗，巨尾桉木材熱壓處理的最佳工藝為：熱壓前含水率為60%，壓縮率為50 %，熱壓后厚度為13-20mm，熱壓溫度為190 ℃，熱壓時間為25-30 min。

經過熱壓處理，巨尾桉木材的物理力學性能有很大變化，各性能指標均大幅提高：當壓縮率為50%時，其氣干密度以及絕干密度分別提高了58.82 %和77.27 %。通過熱壓處理，木材的力學性能得到大幅提高，木材順紋抗壓強度、橫紋(弦向)抗壓強度、順紋抗剪(弦面)強度，分別提高了19.88 %、56.69 %和92.07 %?？箯潖姸群涂箯潖椥阅Ａ糠謩e提高了71.45 %和17.02 %。 端面硬度和弦面硬度87.48 %和76.05 %。沖擊韌性提高了58.01 %。

對素材和處理材微觀結構的進行觀察比較，可知：經過熱壓處理，雖然木材細胞腔受到擠壓，但是細胞壁結構仍然保持完整。對人工林巨尾桉木材進行熱壓處理，伴隨著處理材內部組織構造的變化，其物理力學性能隨之改變，氣干、絕干密度提高，各項力學性質均增強，耐久性變好[10]，促進了速生材的高效利用。

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