陸全濟(jì) 李家寧 曾憲海 蔣匯川 李曉文 劉釗 李民

摘 ?要 ?為提高油棕木材的密度和尺寸穩(wěn)定性，本研究以油棕木為研究對(duì)象，采用軟化后熱壓密實(shí)方法進(jìn)行試驗(yàn)，研究初含水率和壓縮溫度對(duì)油棕壓縮木密度和尺寸穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：不同初含水率（20%、35%、50%）和壓縮溫度（160、180、200 ℃）條件下，油棕壓縮木壓縮率為47.2%～48.8%，密度為0.79～0.88 g/cm3，回彈率和壓縮回彈恢復(fù)率均隨著初含水率和壓縮溫度的增大而降低，24 h吸水率和平衡含水率同樣隨著初含水率和壓縮溫度的增大而降低，相比較于初含水率，壓縮溫度對(duì)壓縮木尺寸穩(wěn)定性的改善更明顯。

關(guān)鍵詞 ?油棕木;壓縮;尺寸穩(wěn)定性;溫度;含水率

中圖分類(lèi)號(hào) ?TS65 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ?A

Abstract ?In order to increase the density of oil palm trunk and improve the dimensional stability， the study presents the effect of initial moisture content and compressed temperature on some properties of compressed oil palm trunk. Oil palm trunk was thermo-mechanically densified in the laboratory scale at 160， 180 and 200 ℃ for the initial moisture content of 20%， 35% and 50%. The results showed that the density of the compressed samples was 0.79–0.88 g/cm3 at the compression-set of 47.2%–48.8%. The dimensional stability including spring-back， compression-set recovery， water absorption and equilibrium moisture content were improved with increasing hot compressed temperature and initial moisture content. The hot compressed temperature had a more significant effect than that of the initial moisture content.

Keywords ?oil palm trunk; compression; dimensional stability; temperature; moisture content

DOI ?10.3969/j.issn.1000-2561.2019.11.016

油棕（Elaeis guineensis Jacq.）是熱帶木本油料作物，屬高大喬木，經(jīng)濟(jì)壽命長(zhǎng)達(dá)25～30 a，目前主要栽培于東南亞的馬來(lái)西亞、印度尼西亞等國(guó)家，我國(guó)海南、廣東、廣西、云南和福建等省區(qū)均有零散分布[1]。目前，油棕園更新后砍伐的油棕木材直接利用的很少，大部分丟棄在地里腐爛或焚燒處理，原因是油棕木材的整體密度偏低，而且不同部位密度差異較大，木材的均一性和物理力學(xué)強(qiáng)度達(dá)不到商業(yè)用材的要求[2]。油棕木材作為一種可再生的農(nóng)業(yè)剩余物資源，通過(guò)物理改性技術(shù)改善油棕木材的密度和力學(xué)性能使其替代現(xiàn)有木材，對(duì)增加油棕產(chǎn)業(yè)的附加值和保護(hù)森林資源具有重要的戰(zhàn)略意義。

木材密實(shí)化技術(shù)是將木材進(jìn)行軟化處理后壓縮變形，以減少木材細(xì)胞的空腔體積，增加木材的密度，并對(duì)壓縮變形進(jìn)行永久固定的木材改性處理技術(shù)，是提高木材密度和物理力學(xué)強(qiáng)度的重要手段[3]。密實(shí)化木材分為兩種，一種是膠壓木，木材先浸注化學(xué)藥劑再壓縮成型;另一種是木材直接壓縮成型。木材直接壓縮成型技術(shù)屬于環(huán)保的物理改性技術(shù)，具有成本低、環(huán)保、工藝易控制等優(yōu)點(diǎn)，具有更廣闊的應(yīng)用前景，國(guó)外的研究表明，通過(guò)密實(shí)化處理可以改善軟輕質(zhì)木材的強(qiáng)度、尺寸穩(wěn)定性及表面的加工性能[4-7]。

Lamaming等[8]研究表明，油棕木材富含淀粉和糖分，有利于木材的壓縮自粘接，可以用于制備壓縮膠合板和壓縮木，但關(guān)于油棕壓縮木的研究較少。Saari等[9]研究不同壓縮率對(duì)油棕?zé)o膠膠合板性能的影響，結(jié)果表明，壓縮率越大木材的抗彎強(qiáng)度越高，木材的尺寸穩(wěn)定性與壓縮率具有相關(guān)性。Salim等[10]研究蒸煮處理對(duì)油棕壓縮木的影響，結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)130 ℃和2 h的蒸煮軟化后再壓縮，油棕木材的力學(xué)強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性均獲得明顯的改善。水分和熱量是影響木材軟化和壓縮變形的2個(gè)重要因素，木材中水分的存在有利于其被加熱軟化，研究表明，木材中半纖維素和木質(zhì)素的軟化溫度隨著含水率的增加顯著降低[3]，油棕?zé)o膠板材制備過(guò)程內(nèi)部水分的存在同樣有利于木材軟化定型，但關(guān)于初含水率對(duì)壓縮木材性能的研究甚少，而且壓縮木尺寸穩(wěn)定性是衡量其品質(zhì)的重要指標(biāo)，因此，初含水率和壓縮溫度聯(lián)合對(duì)油棕壓縮木性能的影響需進(jìn)一步研究，本研究采用軟化壓縮的密實(shí)化處理方法，分析不同的初含水率和熱壓溫度對(duì)油棕壓縮木尺寸穩(wěn)定性的影響，以期獲得油棕壓縮木的工藝及性能，為油棕壓縮木的工業(yè)化制備提供技術(shù)支持。

1 ?材料與方法

1.1 ?材料

3 ?討論

木材是一種多孔性天然高分子黏彈性材料，主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等物質(zhì)組成，在一定的外力下會(huì)發(fā)生擠壓變形[11]。研究表明，增加木材的含水率可降低半纖維素和木質(zhì)素的玻璃化轉(zhuǎn)變，從而加快細(xì)胞壁物的軟化，有利于木材的壓縮和永久性變形[12-13]。油棕木材富含淀粉和糖類(lèi)物質(zhì)，熱壓過(guò)程在濕熱作用下，有利于木材細(xì)胞壁物質(zhì)的軟化壓縮及自粘接，本研究中油棕壓縮木的壓縮率在47.2%～48.8%之間，與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的理論壓縮率50%接近，說(shuō)明油棕木材具有良好的壓縮性能。壓縮后油棕木材內(nèi)部孔隙減小，變得密實(shí)，在不同工藝條件下，油棕壓縮木的壓縮率差異不大，但其壓縮后密度差異較大，這是由木材結(jié)構(gòu)中密度從內(nèi)到外逐漸增大的差異性造成[2]。變形是壓縮木形成前提，木材壓縮產(chǎn)生的變形可以分為塑性變形、瞬時(shí)彈性變形和延遲彈性變形三類(lèi)，初含水率和壓縮溫度對(duì)木材回彈率的影響較大[14-15]。本研究中油棕壓縮木的回彈率隨著壓縮溫度和含水率的增大而減小，在溫度較低階段，初含水率對(duì)其回彈率影響明顯，而在高溫階段初含水率影響較小。在壓縮溫度為200 ℃時(shí)，初含水率為50%的回彈率高于其他的初含水率，這可能是水分過(guò)高，產(chǎn)生的蒸氣壓過(guò)大，卸壓時(shí)蒸汽破壞木材的部分塑性變形。

在相同的溫度條件下，增大壓前的含水率可以降低木質(zhì)素和半纖維素的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，研究表明通過(guò)提高溫度和延長(zhǎng)壓縮時(shí)間可以使木質(zhì)素在纖維之間充分的流動(dòng)，交聯(lián)強(qiáng)度增加，消除內(nèi)部應(yīng)力從而減低壓縮恢復(fù)率[12]。本研究中油棕壓縮木的塑性變形并不是永久固定，其在吸水環(huán)境下被打破，發(fā)生變形恢復(fù)，其壓縮恢復(fù)率均隨著壓縮溫度和水分的增大而降低（溫度200 ℃，水分50%除外）。在較低的初含水率條件下，提高壓縮溫度可有效的減小壓縮木的壓縮恢復(fù)率，而在較低的壓縮溫度條件下，提高木材的初含水率可減小其恢復(fù)率。

研究表明，提高木材的壓縮溫度可增加壓縮木材的交聯(lián)性能，增加半纖維素的水解和木質(zhì)素的降解，從而改善其尺寸穩(wěn)定性[12]。本研究中油棕壓縮木的24 h吸水率和厚度膨脹率均隨著壓縮溫度的增大而降低，尤其是壓縮的溫度為200 ℃時(shí)，其吸水率明顯降低，原因是溫度越高，壓縮過(guò)程木材中的半纖維素和木質(zhì)素越容易分解，親水性基團(tuán)減少，同時(shí)木材的交聯(lián)度增加以及壓縮后殘留的內(nèi)部應(yīng)力減小。雖然提高壓前初含水率和熱壓溫度可以降低壓縮木的吸水厚度膨脹率，但其遠(yuǎn)高于素材4.9%的吸水厚度膨脹率，這一結(jié)果與陳太安等[16]的研究一致，原因是半纖維素和木素遇水重新軟化，造成應(yīng)力回彈，儲(chǔ)存能量釋放，從而厚度增大。因此，在變形狀態(tài)下，采用高溫高濕的條件能促使木材化學(xué)組分之間形成共價(jià)鍵交聯(lián)，減少親水性基團(tuán)數(shù)量同時(shí)釋放儲(chǔ)存的能量。壓縮溫度對(duì)油棕壓縮木平衡含水率的影響較明顯，溫度越高，平衡含水率越低，這可能是超過(guò)160 ℃的壓縮溫度之后，壓縮溫度對(duì)油棕木材的降解起主導(dǎo)作用，水分對(duì)半纖維素降解的作用極小。

本研究中的油棕壓縮木具有良好的壓縮性和尺寸穩(wěn)定性，但其吸水恢復(fù)率大及壓縮均勻性的問(wèn)題仍有待進(jìn)一步的研究和解決。

參考文獻(xiàn)

[1] 曾憲海， 張希財(cái)， 鄒積鑫. 中國(guó)熱帶北緣油棕種植生產(chǎn)潛力研究[M]. 北京： 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社， 2015： 12.

[2] Ooi Z X， Teoh Y P， Kunasundari B， et al. Oil palm frond as a sustainable and promising biomass source in Malaysia： A review[J]. Environmental Progress & Sustainable Energy， 2017， 36（6）： 1864-1874.

[3] 黃榮鳳， 高志強(qiáng)， 呂建雄. 木材濕熱軟化壓縮技術(shù)及其機(jī)制研究進(jìn)展[J]. 林業(yè)科學(xué)， 2018， 54（1）： 154-161.

[4] Fang C H， Mariotti N， Cloutier A， et al. Densification of wood veneers by compression combined with heat and steam[J]. European Journal of Wood & Wood Products， 2012， 70（1-3）： 155-163.

[5] Candan Z， Hiziroglu S， Mcdonald A G. Surface quality of thermally compressed Douglas fir veneer[J]. Materials & Design， 2010， 31（7）： 3574-3577.

[6] Blomberg J， Persson B， Blomberg A. Effects of semi-isostatic densification of wood on the variation in strength properties with density[J]. Wood Science and Technology， 2005， 39（5）： 339-350.

[7] 蔡家斌， 董會(huì)軍. 木材壓縮處理技術(shù)研究的現(xiàn)狀[J]. 木材工業(yè)， 2014， 28（6）： 28-31， 34.

[8] Lamaming J， Sulaiman O， Sugimoto T， et al. Influence of chemical components of oil palm on properties of binderless particleboard[J]. BioResources， 2013， 8（3）： 3358-3371.

[9] Saari N， Hashim R， Sulaiman O， et al. The influenced of compression on properties of binderless compressed veneer made from oil palm trunk[J]. International Journal on Advanced Science， Engineering and Information Technology， 2015， 5（5）： 280-283.

[10] Salim N， Hashim R， Sulaiman O， et al. Effect of steaming on some properties of compressed oil palm trunk lumber[J]. Bioresources， 2013， 8（2）： 2310-2324.

[11] 趙鐘聲. 木材橫紋壓縮變形恢復(fù)率的變化規(guī)律與影響機(jī)制[D]. 哈爾濱： 東北林業(yè)大學(xué)， 2003.

[12] Sulaiman O， Salim N， Nordin N A， et al. The potential of oil palm trunk biomass as an alternative source for compressed wood[J]. Bioresources， 2012， 7（2）： 2688-2706.

[13] Nim H H. Wood-chemistry， ultrastructure， reactions[J]. Holz als Roh- und Werkstoff， 1984， 42（8）： 314.

[14] Blomberg J， Persson B， Blomberg A. Effects of semi-isostatic densification of wood on the variation in strength properties with density[J]. Wood Science & Technology， 2005， 39（5）： 339-350.

[15] Tabarasa T， Chui Y H. Effects of hot-pressing on properties of white spruce[J]. Forest Products Journal， 1997， 47（5）： 71-76.

[16] 陳太安， 蔣 ?明， 王昌命， 等. 后期熱處理對(duì)壓縮木尺寸穩(wěn)定性的影響[J]. 西南林學(xué)院學(xué)報(bào)， 2011， 31（4）： 77-79.