張曉燕 尹夢婷 孫照斌 陳鳳義

（1.河北農(nóng)業(yè)大學，河北 保定 071000；2. 廊坊華日家具股份有限公司，河北 廊坊 065001）

美國白蠟木（Fraxinus americana）屬木犀科白蠟樹屬，產(chǎn)于美國和加拿大，其木材紋理通直，材質堅韌，木紋明顯，可作為家具用材。一些家具企業(yè)在使用過程中發(fā)現(xiàn)，美國白蠟木干燥性能差，容易出現(xiàn)開裂和變形，因此如何解決這一問題已成為企業(yè)面臨的挑戰(zhàn)。

在各種介質中加熱處理木材，可使其表面炭化，吸濕性降低[1-5]，緩解開裂和變形，而且處理過程不會產(chǎn)生污染。木材在加熱炭化過程中，部分半纖維素發(fā)生降解[6-10]，纖維素無定形區(qū)羥基之間由于水分蒸發(fā)形成氫鍵結合，水分吸附點減少，吸濕性降低，是使木材尺寸穩(wěn)定性提高的原因[10-14]。由于木材在炭化過程中發(fā)生了大量的化學反應，其物理力學性能也會隨其內(nèi)部構造和化學成分的變化而有所改變[15-26]。Awoyemi等[4]研究發(fā)現(xiàn)，西部紅雪松（Thuja plicata）經(jīng)220 ℃高溫處理，管胞壁和薄壁組織遭到破壞，木材內(nèi)空隙增加。周建斌等[15]研究表明，對人工林杉木（Cunninghamia lanceolata）在220 ℃下進行2 h炭化處理，處理材的抗彎強度降低25%，沖擊韌性降低42%。Kavyashree等[20]發(fā)現(xiàn)，橡膠木（Hevea brasiliensis）和銀橡木（Grevillea robusta）在210～240 ℃下以真空為介質炭化處理8 h，其抗彎強度和抗彎彈性模量降低。

目前有關木材炭化研究的溫度，多數(shù)在160～220 ℃之間，在120～160 ℃中等溫度的炭化研究較少[22]。高溫炭化使木材吸濕性降低，開裂變形減少，可以滿足裝飾用材的需求[12]，但高溫炭化使木材強度損失較大，對家具用材不利。而美國白蠟木多用于家具的面板和框架，對強度要求高。因此，本研究選用125 ℃的炭化溫度，研究美國白蠟木炭化后的化學組分含量及物理力學性能變化，以期為家具生產(chǎn)企業(yè)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

美國白蠟木（Fraxinus americana）氣干材，尺寸800 mm（順紋）× 150 mm（弦向）× 50 mm（徑向），由廊坊華日家具股份有限公司提供。

1.2 炭化工藝

炭化過程使用箱式炭化窯，每次裝料30～40 m3，導熱油加熱，以水蒸汽為加熱介質，炭化工藝包括預熱、升溫、保溫和降溫四個階段。預熱階段升至50～55℃（升溫速度4 ℃/h），保溫1 h；之后繼續(xù)緩慢升溫至125 ℃（升溫速度4.5 ℃/h），保溫10 h；最后緩慢降溫至45 ℃。

1.3 試驗方法

1.3.1 木粉制備

距鋸材端部200 mm取適量木材，粉碎后取40～60目的木粉用以測定化學組分。

1.3.2 試樣制作

素材和炭化材均在距離鋸材端部200 mm處鋸取試件，用于密度、干縮性、吸濕性、平衡含水率等物理性能測定，每組試樣為20個，尺寸為20 mm (L) × 20 mm(R) × 20 mm(T) 。用于力學性能測定的試樣為20個，其中順紋抗壓強度、橫紋全部抗壓強度的試件尺寸為20(R) × 20 (T) × 30 (L) mm，抗彎強度、抗彎彈性模量的試件尺寸為20 mm(R) × 20 mm(T) × 300 mm(L)，橫紋局部抗壓強度的試件尺寸為20 mm (R) × 20 mm(T)×60 mm(L)。

1.3.3 測定方法

綜纖維素、木質素含量測定依據(jù)GB/T 35818—2018《林業(yè)生物質原料分析方法多糖及木質素含量的測定》規(guī)定的方法進行，纖維素含量采用硝酸-乙醇法測定，苯醇抽提物含量測定依據(jù)GB/T 35816—2018《林業(yè)生物質原料分析方法抽提物含量的測定》規(guī)定的方法進行。

木材密度、干縮性分別按照GB/T 1933—2009《木材密度測定方法》、GB/T 1932—2009《木材干縮性測定方法》規(guī)定的方法進行測定。

吸濕性、平衡含水率測定：用分析純的碳酸鉀、硝酸銨、氯化鈉飽和鹽溶液，在溫度20 ℃分別提供44%、65%和76%的相對濕度。試驗前先將試樣烘至絕干，然后放入盛有碳酸鉀、硝酸銨、氯化鈉飽和鹽溶液的干燥器中，再將干燥器放于（20±2）℃的恒溫箱中，至吸濕恒定，計算每個平衡狀態(tài)下的平衡含水率和阻濕率及65%相對濕度下的吸濕膨脹率和抗吸濕膨脹率。

木材順紋抗壓強度、抗彎強度、抗彎彈性模量和橫紋抗壓強度等力學性能的測定分別按照GB/T1935—2009《木材順紋抗壓強度試驗方法》、GB/T1936.1—2009《木材抗彎強度試驗方法》、GB/T1936.2—2009《木材抗彎彈性模量測定方法》、GB/T1939—2009《木材橫紋抗壓試驗方法》進行。

1.3.4 抗吸濕膨脹率和阻濕率計算

試樣的抗吸濕膨脹率（ASE）和阻濕率（MEE）計算方法如下：

式中：SC為素材的吸濕膨脹率，%；ST為炭化材的吸濕膨脹率，%；MC為素材的吸濕平衡含水率，%；MT為炭化材的吸濕平衡含水率，%。

1.4 設備

木工臺鋸，CS50EB-Set，德國費斯托（FESTO）公司；電子天平，JCS-A1，凱豐集團公司，精確到0.001 g；干燥箱，101-3AB，北京辰泰克公司；微控電子萬能力學試驗機，WDW-100E，濟南試金集團有限公司。

2 結果與分析

2.1 炭化材化學組分含量的變化

美國白蠟木炭化材與素材的化學組分含量如表1所示。由表中數(shù)據(jù)可知，相比于未處理材，炭化材的纖維素和綜纖維素含量降低，綜纖維素含量降低更明顯，木質素和苯醇抽提物含量增加。綜纖維素是構成木材細胞壁的多糖成分，其含量的降低主要歸因于半纖維素的降解，因為半纖維素的熱穩(wěn)定性差，降解產(chǎn)生乙?；吞侨┧峄鼓静某尸F(xiàn)酸性，進一步加劇了木材細胞壁其它組分的降解，如纖維素和木質素。苯醇抽提物含量的增加是源于木材細胞壁主化學成分降解產(chǎn)生的小分子物質增加所致。這與周建斌對人工林杉木炭化材化學組分含量變化的研究結果一致[9]。

表1 炭化材與素材的化學組分含量Tab.1 Contents of chemical components of carbonized wood and untreated wood/%

2.2 炭化材密度、干縮性能的變化

美國白蠟木炭化材與素材的密度和干縮率如表2所示。炭化材的氣干密度和基本密度均低于素材，分別降低14.0%和9.79%。炭化材從飽水狀態(tài)到氣干及全干的干縮率比素材降低27.9%～34.1%，表明木材的尺寸穩(wěn)定性得到改善。

表2 炭化材與素材的密度和干縮率對比Tab.2 Density and shrinkage of carbonized wood and untreated wood

炭化處理會導致木材細胞壁中半纖維素的降解，產(chǎn)生揮發(fā)性物質從木材中流失。同時，木材中的抽提物在炭化過程中也會從表面溢出，部分轉化為揮發(fā)性物質而流失，從而導致木材密度降低[8]。Awoyemi等[4]對西部紅雪松進行220 ℃高溫處理，發(fā)現(xiàn)管胞壁和薄壁組織遭到爆炸性破壞，導致木材尺寸增加，這也是導致炭化材密度降低的原因。半纖維素是木材細胞壁中吸濕性最強的組分，其含量的減少會使木材的吸濕性、吸水性降低[7,10]，從而導致炭化材干縮率降低，尺寸穩(wěn)定性改善。

2.3 炭化材平衡含水率、吸濕膨脹性能的變化

炭化材和素材在不同相對濕度下的平衡含水率和炭化材的阻濕率如表3所示。由表中數(shù)據(jù)可知，在44%、65%和76%相對濕度下，對照素材的平衡含水率分別為10.3%、11.7%和12.4%，炭化材的平衡含水率分別為7.7%、8.6%和9.2%，阻濕率分別為25.2%、26.5%和25.8%。結果表明：炭化材在不同相對濕度下的平衡含水率均低于素材，隨環(huán)境濕度增加，炭化材與素材在同一相對濕度下的平衡含水率差值增大，并且炭化材在不同相對濕度下的平衡含水率增加也低于素材。

表3 炭化材與素材在不同相對濕度下的平衡含水率和炭化材的阻濕率Tab.3 Equilibrium moisture contents of carbonized wood and untreated wood,and moisture resistance of carbonized wood in different relative humidity/%

其形成原因主要在于吸濕性強的半纖維素發(fā)生降解，同時半纖維素中的一些聚糖受熱形成結晶，導致炭化材半纖維素吸濕能力降低。另外，加熱使木材細胞壁中的吸著水蒸發(fā)，纖維素無定形區(qū)的分子鏈之間距離靠近，游離羥基相互之間形成新的氫鍵結合，游離羥基濃度降低，從而使炭化材的吸濕性及吸濕膨脹率降低，平衡含水率隨之降低[1,5]。Inari等[6]研究了熱處理木材化學組分的紅外光譜，發(fā)現(xiàn)綜纖維素在1 730 cm-1處的吸收峰增強，具有酯形成的特征，說明半纖維素降解產(chǎn)生的乙?；鶎е氯w維素中活性羥基的減少。

如表4所示，在20 ℃，相對濕度65%的條件下，炭化材的徑向、弦向和體積的吸濕膨脹率均低于素材，抗吸濕膨脹率分別為31.7%、35.8%和30.8%。美國白蠟木炭化材的阻濕率和抗吸濕膨脹率低于高溫炭化的木材[2,14]，表明125 ℃中溫炭化處理的美國白蠟木尺寸穩(wěn)定性低于高溫炭化的效果。

表4 炭化材與素材的吸濕膨脹率和炭化材的抗吸濕膨脹率（20 ℃， 65%相對濕度）Tab.4 Hygroscopic expansion of carbonized wood and untreated wood, and anti-hygroscopic expansion of carbonized wood (20 ℃,65% relative humidity)/%

2.4 炭化材力學性能的變化

美國白蠟木炭化材與素材的力學性能測試結果如表5所示。對比可知，在測定的幾個力學指標中，炭化材的力學強度均低于對照素材，降低7.0%～14.6%，其中橫紋抗壓強度降低最多，其次是順紋抗壓強度，抗彎強度和抗彎彈性模量降低最少。

表5 炭化材與素材的力學性能對比Tab.5 Mechanical properties of carbonized wood and untreated wood

在木材三大組分中，半纖維素穿插于纖維素骨架物質之間，起粘結作用，賦予木材剪切強度。而木材順紋抗壓強度測試過程中發(fā)生的破壞多數(shù)是剪切破壞。因此，半纖維素含量降低，結構發(fā)生改變是炭化材順紋抗壓強度降低的主要原因[19-20,23,26]。由于半纖維素、木質素在炭化過程中的降解還導致木材變脆，木材細胞壁彈性降低，橫紋抗壓強度也隨之降低[17,26]。美國白蠟木炭化材的橫紋抗壓強度降低11.8%～14.6%，比其他強度降低得多，說明炭化處理對木材橫紋抗壓強度的影響最大。另外，脆性與彎曲變形能力有關，炭化后的木材脆性大，內(nèi)部拉伸強度降低[18,24]，彎曲能力小，抗彎彈性模量和抗彎強度隨之降低。

木材炭化導致強度的降低是必然的，但本研究炭化材強度降低的范圍在7.0%～14.6%，不影響家具用材的使用。

3 結論

1）與素材相比，炭化材的纖維素和綜纖維素含量降低，綜纖維素降低更明顯；密度、干縮率、吸濕膨脹率及平衡含水率降低，尺寸穩(wěn)定性改善；

2）炭化材的平衡含水率低于素材，尺寸穩(wěn)定性好，然而其力學強度降低，橫紋抗壓強度降低最多，其次是順紋抗壓強度；

3）美國白蠟木經(jīng)125 ℃炭化處理10 h后，炭化材的尺寸穩(wěn)定性得以改善，雖然其強度有所降低，但不影響作為家具材使用。