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(zhǎng)迅速、材質(zhì)優(yōu)良、抗寒性強(qiáng)等特點(diǎn)，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(qiáng)、生長(zhǎng)快、干形直、強(qiáng)度大、耐腐性強(qiáng)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(duì)木材進(jìn)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(qiáng)木材的視覺環(huán)境特性，但也會(huì)導(dǎo)致木材力學(xué)強(qiáng)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(duì)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薪档蜕钍顾夭念伾呌诮y(tǒng)一的作用[11-13]。高溫?zé)崽幚碓谝欢ǔ潭葧?huì)影響木材的力學(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(shì)，210 ℃處理溫度下木材抗彎強(qiáng)度下降幅度最大，但順紋抗壓強(qiáng)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(shì)；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(shí)，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(shí)才開始發(fā)生熱解[16]。本試驗(yàn)以熱空氣為傳熱介質(zhì)，華北落葉松人工林木材為材料，測(cè)量不同溫度下熱處理材的力學(xué)強(qiáng)度和木材顏色，并與素材進(jìn)行對(duì)比分析，探究空氣熱處理對(duì)木材抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)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(yàn)材料

華北落葉松人工林木材采自河北省承德市塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)，樹齡30年，胸徑為22～23 cm。采伐后，原木的長(zhǎng)度截為2 m，加工鋸解成尺寸為2 000 mm×120 mm×40 mm(長(zhǎng)×寬×厚)的板材，堆垛后進(jìn)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(jī)控制電子式萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)；游標(biāo)卡尺，精準(zhǔn)至0.01 mm；MJ164A自動(dòng)單片縱鋸機(jī)，ADCI-60-C色差儀。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 木材熱處理 熱處理試驗(yàn)前按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)將木材加工成標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)試件并進(jìn)行編號(hào)，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(gè)，共75個(gè)。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(jìn)行平衡處理，處理結(jié)束后按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《木材彈性模量測(cè)定方法》GB/T1936.2-2009、《木材抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)方法》GB/T1936.1-2009、《木材順紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法》GB/T1935-2009測(cè)量木材力學(xué)性質(zhì)，并將測(cè)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(shí)的抗彎彈性模量(GPa)，抗彎強(qiáng)度(MPa)，順紋抗壓強(qiáng)度(MPa)；α為常數(shù)，在抗彎彈性模量式中為0.015；在抗彎強(qiáng)度式中為0.04；在順紋抗壓強(qiáng)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(cè) 采用色差儀測(cè)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(gè)熱處理?xiàng)l件均有15個(gè)試件，每個(gè)試件固定選取3個(gè)測(cè)色點(diǎn)，記錄試樣紅綠軸色品指數(shù)a*，黃藍(lán)軸色品指數(shù)b*，明度值數(shù)值L*。測(cè)量前對(duì)熱處理材表面進(jìn)行磨削從而減小熱處理后樹脂從木材表面溢出對(duì)顏色測(cè)量造成的影響。根據(jù)表色系統(tǒng)公式(2)～(6)，分別計(jì)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(duì)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(duì)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(duì)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(shì)，未進(jìn)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(qiáng)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(yàn)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(huì)發(fā)生部分分解，造成細(xì)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(duì)華北落葉松人工林木材的抗彎強(qiáng)度的影響，見圖2。

圖2 熱空氣處理后木材抗彎強(qiáng)度的變化

由圖2可知，對(duì)照組的抗彎強(qiáng)度均值為91.26 MPa，熱處理后華北落葉松在140～200 ℃時(shí)抗彎強(qiáng)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(qiáng)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(huì)更加劇烈，故木材內(nèi)部的拉伸強(qiáng)度會(huì)受到一定影響使木材抗彎強(qiáng)度有所下降，同時(shí)木材中的結(jié)合水在高溫條件下會(huì)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(qiáng)度的下降[23]。

熱空氣處理對(duì)華北落葉松人工林木材的順紋抗壓強(qiáng)度的影響，見圖3。

圖3 熱空氣處理后木材順紋抗壓強(qiáng)度的變化

由圖3可知，經(jīng)熱處理后木材的順紋抗壓強(qiáng)度均有不同程度的變化。處理前華北落葉松的順紋抗壓強(qiáng)度均值為39.55 MPa，在140～200 ℃熱處理溫度下順紋抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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)酰鹄w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(qiáng)度削弱，順紋抗壓強(qiáng)度下降，同時(shí)抗彎彈性模量和抗彎強(qiáng)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(shì)，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(shì)，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(duì)木材明度變化影響較為明顯；Δa*和Δb*都呈下降的趨勢(shì)且均為負(fù)值，處理溫度在140 ℃、160 ℃、180 ℃、200 ℃時(shí)，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(lán)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(gè)臨界溫度，即低于180 ℃時(shí)變化趨勢(shì)較為緩慢，但高于180 ℃時(shí)ΔE*和ΔH*的變化趨勢(shì)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(tuán)和助色基團(tuán)的數(shù)量發(fā)生改變[25]。這2種基團(tuán)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(tuán))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(cè)試木材的抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度和順紋抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這主要是因?yàn)槿A北落葉松在熱空氣處理作用下，細(xì)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(qiáng)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(huì)影響木材力學(xué)性能。木材顏色對(duì)木材的工藝價(jià)值有重要影響，由于木材的熱處理，使發(fā)色基團(tuán)和助色基團(tuán)的數(shù)量改變，而這2種基團(tuán)主要存在于木質(zhì)素中，因此認(rèn)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(tuán)和助色基團(tuán)的數(shù)量增加[27-28]。同時(shí)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(tuán)和助色基團(tuán)，造成木材明度降低，顏色進(jìn)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(gè)溫度條件下對(duì)華北落葉松人工林木材進(jìn)行熱處理4 h，分析木材的力學(xué)強(qiáng)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(qiáng)度逐漸降低，溫度越高降幅越大，順紋抗壓強(qiáng)度先增加后減小。相同的處理工藝條件下，熱處理對(duì)抗彎強(qiáng)度影響比對(duì)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(qiáng)度的拉伸作用主要由半纖維素決定，故溫度對(duì)抗彎彈性模量的影響較小而對(duì)抗彎強(qiáng)度的影響較大。木材的L*、a*和b*3個(gè)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(fù)值，木材顏色進(jìn)一步變暗而且向藍(lán)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。