王澤儒,馬超,丁紫妍,鮑詠澤

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，河北 保定 071000)

華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)是塞罕壩地區(qū)的主要造林樹種之一，具有成活率高、生長迅速、材質(zhì)優(yōu)良、抗寒性強等特點，其面積和蓄積分別占有林地總面積和總蓄積的52%和64%，在木材生產(chǎn)、環(huán)境維持、森林碳匯等方面發(fā)揮著不可替代的作用[1-3]。華北落葉松具有適應(yīng)性強、生長快、干形直、強度大、耐腐性強等優(yōu)良性質(zhì)，但也存在干縮濕脹性高、構(gòu)造不均勻、滲透性差、易開裂等缺陷[4-5]。

熱處理是在高溫條件下以水蒸汽、空氣、惰性氣體或熱油等作為傳熱介質(zhì)，對木材進行處理，使木材組分發(fā)生物理和化學(xué)變化從而提高木材的尺寸穩(wěn)定性、增強木材的視覺環(huán)境特性，但也會導(dǎo)致木材力學(xué)強度降低以及重量減輕[6-8]。木材顏色是木材表面視覺物理量的重要特征之一，通過調(diào)控材色可使木材產(chǎn)品外表色彩優(yōu)美、紋理清晰悅目，大幅度提高木材產(chǎn)品的附加值，對木材加工利用具有重要意義[9-10]。熱處理能夠?qū)⒛静念伾杀旧饾u變?yōu)樯詈稚踔梁谏?，有降低色差使素材顏色趨于統(tǒng)一的作用[11-13]。高溫?zé)崽幚碓谝欢ǔ潭葧绊懩静牡牧W(xué)性能，隨著熱處理溫度的升高，落葉松屬木材的力學(xué)性能一般呈降低趨勢，210 ℃處理溫度下木材抗彎強度下降幅度最大，但順紋抗壓強度隨著熱處理溫度的升高呈現(xiàn)先降低后升高再降低的趨勢；抗彎彈性模量隨著熱處理程度的增加，下降率越來越大[14-15]。

熱處理工藝中溫度是重要影響因素之一，而半纖維素受溫度影響最大。木材在高于150 ℃加熱時，木材水分蒸發(fā)及干燥導(dǎo)致纖維素開始發(fā)生脫水反應(yīng)，纖維素的化學(xué)反應(yīng)開始；木質(zhì)素只有在200 ℃以上時才開始發(fā)生熱解[16]。本試驗以熱空氣為傳熱介質(zhì)，華北落葉松人工林木材為材料，測量不同溫度下熱處理材的力學(xué)強度和木材顏色，并與素材進行對比分析，探究空氣熱處理對木材抗彎彈性模量、抗彎強度、順紋抗壓強度和木材顏色的影響，為企業(yè)合理高效加工利用華北落葉松人工林木材，生產(chǎn)制造家具、地板及木制品提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

華北落葉松人工林木材采自河北省承德市塞罕壩機械林場，樹齡30年，胸徑為22～23 cm。采伐后，原木的長度截為2 m，加工鋸解成尺寸為2 000 mm×120 mm×40 mm(長×寬×厚)的板材，堆垛后進行氣干干燥，氣干至含水率為10%～12%。

1.2 儀器設(shè)備

GZX-9240MBE電熱鼓風(fēng)干燥箱；HTC-250恒溫恒濕箱；WDW-100E型微機控制電子式萬能力學(xué)試驗機；游標(biāo)卡尺，精準(zhǔn)至0.01 mm；MJ164A自動單片縱鋸機，ADCI-60-C色差儀。

1.3 試驗方法

1.3.1 木材熱處理 熱處理試驗前按照國家標(biāo)準(zhǔn)將木材加工成標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)試件并進行編號，尺寸規(guī)格為300 mm×20 mm×20 mm(軸向×徑向×弦向)，分為5組，每組為15個，共75個。將試件放置高溫干燥箱內(nèi)，溫度升高至100 ℃預(yù)熱1 h使木材熱透，然后繼續(xù)升溫至目標(biāo)溫度處理4 h。

1.3.2 木材力學(xué)性質(zhì) 熱處理結(jié)束后，所有試件在20 ℃/65% RH條件下進行平衡處理，處理結(jié)束后按照國家標(biāo)準(zhǔn)《木材彈性模量測定方法》GB/T1936.2-2009、《木材抗彎強度試驗方法》GB/T1936.1-2009、《木材順紋抗壓強度試驗方法》GB/T1935-2009測量木材力學(xué)性質(zhì)，并將測量值轉(zhuǎn)換為含水率為12%[17-19]。

δ12=δw[1+α(W-12)]

(1)

式中，δ12為試樣含水率為12%時的抗彎彈性模量(GPa)，抗彎強度(MPa)，順紋抗壓強度(MPa)；α為常數(shù)，在抗彎彈性模量式中為0.015；在抗彎強度式中為0.04；在順紋抗壓強度式中為0.05；W為熱處理木材的含水率,%。

1.3.3 顏色的檢測 采用色差儀測量試樣木材顏色并用CIE(1976)L*，a*，b*標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)表征顏色變化。每個熱處理條件均有15個試件，每個試件固定選取3個測色點，記錄試樣紅綠軸色品指數(shù)a*，黃藍軸色品指數(shù)b*，明度值數(shù)值L*。測量前對熱處理材表面進行磨削從而減小熱處理后樹脂從木材表面溢出對顏色測量造成的影響。根據(jù)表色系統(tǒng)公式(2)～(6)，分別計算出明度差(ΔL*)、色品指數(shù)差(Δa*、Δb*)、總體色差(ΔE*)、色飽和度差(ΔC*)和色相差(ΔH*)，作為對熱處理木材顏色變化分析和討論的主要指標(biāo)。

(2)

(3)

(4)

ΔE*=[(ΔL*)2+(Δa*)2+(Δb*)2]1/2

(5)

ΔC*=[(a*)2+(b*)2]1/2-[(a0*)2+(b0*)2]1/2

(6)

ΔH*=[(ΔL*)2+(ΔE*)2+(ΔC*)2]1/2

(7)

式中：L*，a*，b*表示熱處理后樣品的顏色參數(shù)；L0*，a0*，b0*表示未處理的對照樣顏色參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 木材力學(xué)性能

熱空氣處理對華北落葉松人工林木材的抗彎彈性模量的影響，見圖1。

圖1 熱空氣處理后木材抗彎彈性模量的變化

由圖1可知，木材的抗彎彈性模量呈下降趨勢，未進行熱處理的華北落葉松木材的抗彎彈性模量均值為12.20 GPa，在140～200 ℃華北落葉松的抗彎彈性模量均值分別為11.06 GPa、10.65 GPa、9.88 GPa、9.34 GPa。在不同的熱處理溫度條件下，華北落葉松的抗彎彈性模量分別下降了9.34%、12.70%、19.02%、23.44%。木材抗彎彈性模量代表木材的彈性和強度，而纖維素和木質(zhì)素分別賦予木材的彈性和剛度。在本試驗條件下，由于纖維素和木質(zhì)素的熱穩(wěn)定性較好，但高溫會發(fā)生部分分解，造成細胞壁組分發(fā)生局部變化。熱處理過程中，木材的水分導(dǎo)致纖維素發(fā)生水解，纖維素分子鏈聚合度降低，導(dǎo)致熱處理材的MOE有所降低[20-22]。

熱空氣處理對華北落葉松人工林木材的抗彎強度的影響，見圖2。

圖2 熱空氣處理后木材抗彎強度的變化

由圖2可知，對照組的抗彎強度均值為91.26 MPa，熱處理后華北落葉松在140～200 ℃時抗彎強度均值分別為75.81 MPa、71.88 MPa、56.44 MPa、48.13 MPa。由此可以看出，華北落葉松在不同熱處理溫度下抗彎強度分別下降了16.93%、21.24%、38.15%、47.26%。這主要是由于半纖維素的熱穩(wěn)定性較差且易重組降解，而在木材中起粘結(jié)作用的一般是半纖維素，隨著熱處理溫度的升高，穿插在纖維素和木質(zhì)素之間的半纖維素降解會更加劇烈，故木材內(nèi)部的拉伸強度會受到一定影響使木材抗彎強度有所下降，同時木材中的結(jié)合水在高溫條件下會造成纖維素水解，引起苷鍵斷裂，聚合度降低，這也可能引起熱處理后木材強度的下降[23]。

熱空氣處理對華北落葉松人工林木材的順紋抗壓強度的影響，見圖3。

圖3 熱空氣處理后木材順紋抗壓強度的變化

由圖3可知，經(jīng)熱處理后木材的順紋抗壓強度均有不同程度的變化。處理前華北落葉松的順紋抗壓強度均值為39.55 MPa，在140～200 ℃熱處理溫度下順紋抗壓強度分別為45.23 MPa、43.16 MPa、38.82 MPa、38.64 MPa。由此得出，在不同熱處理溫度下，木材順紋抗壓強度分別下降了-14.36%、-9.13%、1.85%、2.30%。隨著溫度的升高，順紋抗壓強度先上升后降低，這主要是高溫條件下半纖維素的熱分解程度增大，使纖維素和木質(zhì)素之間的連接作用變?nèi)?，引起纖絲和纖維素骨架一起發(fā)生滑移，纖維素的部分分解和木質(zhì)素的軟化導(dǎo)致木材內(nèi)部強度削弱，順紋抗壓強度下降，同時抗彎彈性模量和抗彎強度也顯著降低[24]。

2.2 木材顏色

華北落葉松人工林木材熱處理前后的表面色度值，見表1。

表1 華北落葉松熱處理后的表面色度值

由表1可知，木材L*隨著溫度的升高呈遞減的趨勢，在140～200 ℃熱處理溫度下降率分別為5.62%、15.44%、25.05%、39.83%，隨著熱處理溫度的升高L*降低的幅度增加；而a*和b*有相同的變化規(guī)律，都表現(xiàn)為隨著溫度升高而下降的趨勢，a*的下降率分別為5.45%、7.15%、14.54%、20.57%；b*的下降率分別為2.02%、7.28%、8.00%、15.53%；由于a*，b*值仍為正值范圍，因此華北落葉松木材顏色仍在紅黃方向。

不同溫度處理下華北落葉松木材ΔL*，Δa*和Δb*變化，見圖4。

圖4 不同熱處理溫度下Δa*和Δb*、ΔL*的變化

由圖4可知，隨著熱處理溫度的升高，ΔL*依次遞減，分別是-4.19、-11.52、-18.69、-29.72，表明熱處理使得木材表面顏色更加深暗，且溫度對木材明度變化影響較為明顯；Δa*和Δb*都呈下降的趨勢且均為負值，處理溫度在140 ℃、160 ℃、180 ℃、200 ℃時，Δa*依次為-0.93、-1.22、-2.48、-3.50；Δb*分別為-0.60、-2.14、-2.35、-4.55，表明隨著溫度的升高，熱處理后木材表面顏色更偏向于綠色和藍色。

不同處理溫度下ΔC*、ΔH*和ΔE*的變化，見圖5。

圖5 不同處理溫度下ΔH*、ΔE*和ΔC*的變化

由圖5可知，ΔC*隨著處理溫度的升高逐漸減小，在140～200 ℃范圍內(nèi)分別是-1.06、-1.83、-3.25和-4.92，表示溫度越高木材表面顏色越深，偏離初始顏色程度越大，在160～200 ℃下降程度較大。ΔE*和ΔH*隨著處理溫度的升高逐漸增大，表明處理前后木材顏色的差別和色相變化逐漸增大，處理材顏色逐步變深，在140～200 ℃范圍內(nèi)ΔE*分別為11.13、16.76、20.74、31.69；ΔH*分別為14.26、22.09、28.81、44.11。從圖中得出，熱處理溫度180 ℃是木材顏色變化的一個臨界溫度，即低于180 ℃時變化趨勢較為緩慢，但高于180 ℃時ΔE*和ΔH*的變化趨勢加快。

高溫條件下木材顏色發(fā)生顯著變化是由于木材內(nèi)部的化學(xué)組分熱降解反應(yīng)、縮聚反應(yīng)和氧化反應(yīng)，導(dǎo)致發(fā)色基團和助色基團的數(shù)量發(fā)生改變[25]。這2種基團主要存在于木質(zhì)素當(dāng)中，木質(zhì)素變色，木材顏色加深，而纖維素和半纖維素發(fā)生熱分解反應(yīng)，羥基被氧化為羰基和羧基，半纖維素?zé)峤到夂笮纬傻囊恍┯蓄伾漠a(chǎn)物如糠醛(含有發(fā)色基團)導(dǎo)致了木材顏色的變化[26]。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

經(jīng)不同溫度處理后，測試木材的抗彎彈性模量、抗彎強度和順紋抗壓強度均呈現(xiàn)下降趨勢，這主要是因為華北落葉松在熱空氣處理作用下，細胞壁組分發(fā)生局部變化，其中纖維素發(fā)生水解，木質(zhì)素軟化，半纖維素重組降解，導(dǎo)致木材內(nèi)部強度削弱，纖維素和木質(zhì)素之間的連接作用變?nèi)?，半纖維素粘結(jié)作用降低，都會影響木材力學(xué)性能。木材顏色對木材的工藝價值有重要影響，由于木材的熱處理，使發(fā)色基團和助色基團的數(shù)量改變，而這2種基團主要存在于木質(zhì)素中，因此認為木質(zhì)素是木材產(chǎn)生顏色的主要來源，熱處理后木質(zhì)素含量增加導(dǎo)致發(fā)色基團和助色基團的數(shù)量增加[27-28]。同時熱空氣與木質(zhì)素發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生醌類化合物，使木質(zhì)素變色，從而導(dǎo)致木材顏色發(fā)生變化。木材中的抽提物在熱處理過程中發(fā)生劇烈變化，生成更多酚類和醌類物質(zhì)，這2類物質(zhì)中也含有發(fā)色基團和助色基團，造成木材明度降低，顏色進一步加深[29-30]。

3.2 結(jié)論

本研究采用熱空氣分別在140～200 ℃ 4個溫度條件下對華北落葉松人工林木材進行熱處理4 h，分析木材的力學(xué)強度和表面顏色的變化。研究結(jié)果表明，隨著處理溫度的升高，木材抗彎彈性模量和抗彎強度逐漸降低，溫度越高降幅越大，順紋抗壓強度先增加后減小。相同的處理工藝條件下，熱處理對抗彎強度影響比對抗彎彈性模量大。由于半纖維素?zé)岱€(wěn)定性相較于纖維素和木質(zhì)素較差且易重組降解，而抗彎強度的拉伸作用主要由半纖維素決定，故溫度對抗彎彈性模量的影響較小而對抗彎強度的影響較大。木材的L*、a*和b*3個值隨著溫度的升高逐步降低。因此，不同溫度的ΔL*、Δa*和Δb*均為負值，木材顏色進一步變暗而且向藍色和綠色發(fā)展。熱處理后木材的ΔH*和ΔE*均有所增加，隨著處理溫度的升高，增幅逐漸增大，ΔC*隨處理溫度升高逐步降低，木材表面顏色由明黃色向深褐色到黑色發(fā)生轉(zhuǎn)變。