王婷歡 高晶晶 何正斌 伊松林

(北京林業(yè)大學(xué)，北京，100083)

楊樹生長周期短、成材速度快、價(jià)格低且容易生產(chǎn)加工，在我國造林項(xiàng)目中得到了大力推廣[1]；速生楊(PopulustomentosaCarr)木材家具性價(jià)比較高[2]。但是，由于速生楊樹生長周期短，存在尺寸穩(wěn)定性較差、易干縮變形等缺陷，極大地限制了速生楊木材在家具及相關(guān)制品上的應(yīng)用[3]。

速生楊木材的尺寸穩(wěn)定性可以通過單一改性和復(fù)合改性方法得到提高。木材干燥是一種單一的非填充改性方法，綠色無毒無污染，能夠顯著提高木材的尺寸穩(wěn)定性[4]。高溫?zé)崽幚砑夹g(shù)是木材干燥中一種常用的技術(shù)，處理過程中，半纖維素發(fā)生降解，木材中的親水基團(tuán)(如羥基等)減少；因而木材吸濕性降低，尺寸穩(wěn)定性得到提高[5]。但經(jīng)過高溫?zé)崽幚砗?，木材顏色?huì)由原來的淺木色變成深色系[6]。已有研究表明，通過升高熱處理溫度和增加熱處理時(shí)長，木材的顏色將會(huì)變深。升高熱處理溫度對(duì)木材顏色的影響大于增加熱處理時(shí)長對(duì)木材顏色的影響，并且同一樹種的心材和邊材，通過同一處理工藝的處理效果可能會(huì)有所不同[7-9]。木材尺寸穩(wěn)定性直接影響木制品的質(zhì)量，木材顏色間接影響市場需求，兩者對(duì)于木材的加工和使用起著不可或缺的參考作用[10-11]。

為此，本研究采用長時(shí)低溫處理方式代替短時(shí)高溫?zé)崽幚矸绞?，?duì)速生楊木材進(jìn)行長時(shí)低溫處理試驗(yàn)研究，使木材盡量保持原有的淺色效果，又盡可能地提高木材的尺寸穩(wěn)定性，滿足市場及加工需求。試驗(yàn)選擇熱處理溫度(130、140、150 ℃)、熱處理時(shí)間(6、12、18、24 h)2個(gè)對(duì)木材性能的影響因素，按照不同熱處理溫度與不同熱處理時(shí)間組合設(shè)計(jì)12種熱處理工藝，對(duì)速生楊弦向板材進(jìn)行長時(shí)低溫處理試驗(yàn)；以處理前試件(未處理的素材)為對(duì)照，以木材顏色值、木材濕脹性為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析不同熱處理工藝對(duì)速生楊木材心材、邊材的顏色及尺寸穩(wěn)定性的影響，遴選在試驗(yàn)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的最佳熱處理工藝。旨在為提高速生楊木材性能、拓展速生楊木材應(yīng)用途徑提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

試驗(yàn)材料：試材為廣東聯(lián)邦家私集團(tuán)有限公司提供的速生楊(PopulustomentosaCarr)弦向板材，區(qū)分心、邊材。試材寬度64～65 mm(用于拼板)，厚度約20 mm，初始含水率7%～10%，材色均勻，呈黃白色，無明顯缺陷(熱處理時(shí)的試樣尺寸，濕脹性測(cè)試的試樣尺寸，均為該尺寸)。

主要儀器：NR200 高品質(zhì)便攜式電腦色差計(jì)、高溫鼓風(fēng)干燥箱、恒溫恒濕試驗(yàn)箱、游標(biāo)卡尺(精度0.01 mm)等。

熱處理?xiàng)l件：根據(jù)木材三大組分在不同溫度環(huán)境中的變化與木材尺寸穩(wěn)定性之間的關(guān)系[12]，本研究在120～180 ℃范圍內(nèi)設(shè)置3個(gè)熱處理溫度(130、140、150 ℃)、4個(gè)熱處理時(shí)長(6、12、18、24 h)，按照不同熱處理溫度與不同熱處理時(shí)長組合，設(shè)計(jì)12種熱處理工藝。試驗(yàn)從高溫鼓風(fēng)干燥箱達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)(允許±2 ℃的誤差)開始計(jì)算熱處理時(shí)長。

木材顏色值的測(cè)定及計(jì)算：本研究參照國際照明委員會(huì)推薦的L*a*b*(1976年)標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)對(duì)木材的顏色進(jìn)行檢測(cè)?？偣?2次試驗(yàn)，區(qū)分速生楊木材的心、邊材，有2種試件，每次同類試件取3塊。試驗(yàn)步驟——熱處理前后，分別在每個(gè)試件上隨機(jī)選取3個(gè)點(diǎn)測(cè)色，記錄試件的L*、a*、b*數(shù)值，每個(gè)點(diǎn)測(cè)5次，分別取其平均值作為測(cè)量結(jié)果。計(jì)算公式[6]：

ΔE*=[(ΔL*)2+(Δa*)2+(Δb*)2]1/2；

木材濕脹性測(cè)試方法：本研究應(yīng)用濕脹率對(duì)試件的尺寸穩(wěn)定性進(jìn)行檢驗(yàn)，按照GB/T 1934.2—2009《木材濕脹性測(cè)定方法》的試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)步驟——將處理材與對(duì)照組放置于溫度為(103±2)℃的電熱鼓風(fēng)干燥箱中烘至絕干，取出樣品，選擇3個(gè)位置，利用游標(biāo)卡尺測(cè)量其弦向尺寸(l0)；然后，放置于溫度(20±2)℃、相對(duì)濕度(65±3)%的恒溫恒濕箱中吸濕；吸濕過程中，每隔6 h取工藝1(130 ℃-6 h)下的心、邊材處理材以及對(duì)照組試件各1塊，測(cè)量1次弦向尺寸，計(jì)算前后差值，至2次結(jié)果之差不超過0.2 mm時(shí)，認(rèn)為尺寸達(dá)到穩(wěn)定，可以測(cè)量所有試件的弦向尺寸(lw)，計(jì)算試件的弦向濕脹率及弦向上的濕脹率下降率，進(jìn)行比較。對(duì)于每種處理?xiàng)l件下的每種類型的試件，弦向濕脹率是在該處理?xiàng)l件下測(cè)得結(jié)果的平均值。

試樣從全干到氣干時(shí)的弦向濕脹率(αw)計(jì)算公式(精確至0.01%)：αw=[(lw-l0)/l0]×100%；lw為試材氣干時(shí)弦向上的長度(單位為mm)、l0為試材絕干時(shí)弦向上的長度(單位為mm)。

經(jīng)12種熱處理工藝處理后，試樣心材、邊材與對(duì)照組相比，弦向上的濕脹率下降率(D)計(jì)算公式(精確至0.01%)：D=[(αw2-αw1)/αw1]×100%；αw1為楊木心、邊材對(duì)照組試樣從全干到氣干時(shí)弦向上的濕脹率，αw2為楊木心、邊材熱處理試樣從全干到氣干時(shí)弦向上的濕脹率。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱處理對(duì)木材顏色的影響

由圖1、圖2可見：楊木心、邊材經(jīng)12種不同熱處理工藝處理前后的宏觀顏色；熱處理后，速生楊木材邊材從淺白色變?yōu)辄S白色，心材從淺黃白色變成黃色?？傮w呈現(xiàn)出，木材的顏色隨著熱處理溫度的升高和熱處理時(shí)間的增加而變深的規(guī)律。

就磷銨供應(yīng)來看，隨著湖北企業(yè)開始向東北陸續(xù)供貨，磷銨供應(yīng)緊張的局面也在緩解。二銨的東北到站價(jià)始終難以突破3000元/噸這一關(guān)卡，也說明了二銨后市上揚(yáng)的可能性不大。

工藝1為130 ℃-6 h；工藝2為130 ℃-12 h；工藝3為130 ℃-18 h；工藝4為130 ℃-24 h；工藝5為140 ℃-6 h；工藝6為140 ℃-12 h；工藝7為140 ℃-18 h；工藝8為140 ℃-24 h；工藝9為150 ℃-6 h；工藝10為150 ℃-12 h；工藝11為150 ℃-18 h；工藝12為150 ℃-24 h。

工藝1為130 ℃-6 h；工藝2為130 ℃-12 h；工藝3為130 ℃-18 h；工藝4為130 ℃-24 h；工藝5為140 ℃-6 h；工藝6為140 ℃-12 h；工藝7為140 ℃-18 h；工藝8為140 ℃-24 h；工藝9為150 ℃-6 h；工藝10為150 ℃-12 h；工藝11為150 ℃-18 h；工藝12為150 ℃-24 h。

本研究應(yīng)用3個(gè)基本顏色指標(biāo)——紅綠軸色品指數(shù)差(Δa*)、黃藍(lán)軸色品指數(shù)差(Δb*)、明度差(ΔL*)及總體色差(ΔE*)對(duì)熱處理前后試樣顏色變化進(jìn)行測(cè)定。

紅綠軸色品指數(shù)差(Δa*)，正值越大表示木材熱處理后越偏向紅色。由見表1可見：對(duì)楊木心材而言，木材顏色受不同熱處理工藝條件的影響較小，Δa*不超過1；對(duì)楊木邊材而言，通過不同的熱處理工藝進(jìn)行熱處理，楊木顏色出現(xiàn)了明顯差異，Δa*均高于1。整體看，升高熱處理溫度和增加熱處理時(shí)間，楊木的紅綠軸色品指數(shù)(a*)呈現(xiàn)升高趨勢(shì)。心材Δa*在0.16～3.61之間，邊材Δa*在1.53～6.08之間，說明楊木顏色越來越紅，且邊材變化較心材更顯著。

黃藍(lán)軸色品指數(shù)差(Δb*)，正值越大表示木材熱處理后顏色越偏向黃色。由表1可見：不同的熱處理工藝對(duì)大部分楊木的黃藍(lán)軸色品指數(shù)(b*)影響顯著，除工藝1(130 ℃-6 h)處理?xiàng)l件的楊木邊材外，其他工藝處理的楊木邊材Δb*均高于2。整體看，升高熱處理溫度和增加熱處理時(shí)間，楊木的b*都呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，心材Δb*在2.11～7.84范圍之間，邊材Δb*在0.08～6.72之間，說明楊木顏色越來越黃，且心材變化較邊材更顯著。

明度差(ΔL*)負(fù)值表示熱處理后木材變暗。由表1可見：楊木心材明度(L*)的降低值在2.48～11.40之間，楊木邊材明度(L*)降低值在2.52～13.39之間，表明速生楊木材經(jīng)過熱處理后顏色整體都變暗、變深。工藝方面，升高熱處理溫度和增加熱處理時(shí)間，楊木心、邊材的明度差在負(fù)值方向越來越大，說明熱處理后的木材比處理前的木材顏色暗，其中，熱處理溫度的影響大于熱處理時(shí)間，特別是當(dāng)熱處理溫度達(dá)到150 ℃時(shí)，ΔL*變化顯著。

總體色差(ΔE*)反映處理前后木材總體顏色差別，數(shù)值越大表示處理試件前后顏色差別越大。由表1可見：楊木心材ΔE*在3.81～13.97之間，楊木邊材ΔE*在3.68～16.12之間，楊木經(jīng)過熱處理后顏色變化較大，ΔE*均大于3，肉眼均能分辨出變化。且當(dāng)熱處理工藝相同時(shí)，多數(shù)楊木邊材的ΔE*大于楊木心材的ΔE*，說明熱處理對(duì)楊木邊材的顏色影響更大。

木材顏色變化歸因于木材中含有的發(fā)色基團(tuán)及助色基團(tuán)[13]。熱處理過程中，木材生成大量醌類結(jié)構(gòu)，黃色和紅色是木材產(chǎn)生醌類結(jié)構(gòu)的特征顏色，這也是木材熱處理后顏色比較深的主要原因，其他新形成的發(fā)色基團(tuán)也會(huì)使得木材表面顏色變深[14]。依據(jù)測(cè)試值及實(shí)際觀測(cè)，將ΔE*=6作為肉眼識(shí)別的極限值，篩選得出工藝1(130 ℃-6 h)、工藝2(130 ℃-12 h)符合顏色變化較小且最終顏色較淺的需求。

2.2 熱處理對(duì)木材尺寸穩(wěn)定性的影響

木材的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使其表現(xiàn)出明顯的各向異性，弦向的濕脹率普遍大于徑向的濕脹率[15-17]。本研究試驗(yàn)所選木材為弦向板材拼板料，為探究不同熱處理工藝對(duì)速生楊木材尺寸穩(wěn)定性的影響，分別測(cè)量了試驗(yàn)組與對(duì)照組試件弦向上由全干至氣干的濕脹率、計(jì)算得出試驗(yàn)組較對(duì)照組弦向上的濕脹率下降率(見表2)。整體看，經(jīng)過熱處理的楊木心、邊材濕脹率均有下降，說明楊木通過設(shè)定的熱處理工藝處理后吸濕性降低，尺寸穩(wěn)定性提高。熱處理木材尺寸穩(wěn)定性提升的重要原因，是半纖維素?zé)峤鈱?dǎo)致游離羥基的數(shù)量大量減少，纖維素降解自由度降低結(jié)晶度升高[6]。隨著熱處理溫度的升高，脫乙?；磻?yīng)程度減弱，半纖維素的熱解程度降低，游離羥基的含量升高，尺寸穩(wěn)定性也在一定范圍內(nèi)降低。說明木材的尺寸穩(wěn)定性在一定溫度范圍內(nèi)的處理工藝下影響較小，細(xì)微處出現(xiàn)先升高后降低的情況。

表2 楊木心、邊材經(jīng)不同工藝處理后的弦向濕脹率和弦向濕脹率下降率

從心、邊材比較看，楊木心材經(jīng)過不同熱處理工藝后的弦向濕脹率為1.94%～2.29%，下降了35.06%～47.84%；楊木邊材經(jīng)過不同熱處理工藝后的弦向濕脹率為2.36%～2.94%，下降了6.79%～23.45%；說明在同一處理工藝下，楊木心材處理效果明顯優(yōu)于楊木邊材。當(dāng)熱處理工藝為工藝2(130 ℃-12 h)時(shí)，楊木心材的濕脹率最小(1.94%)，比對(duì)照組的弦向濕脹率下降了47.84%。當(dāng)熱處理工藝為工藝1(130 ℃-6 h)時(shí)，楊木邊材的濕脹率最小(2.36%)，比對(duì)照組的弦向濕脹率下降了23.25%。

3 結(jié)論

速生楊木材的熱處理工藝能顯著改變木材的材色，提高木材的尺寸穩(wěn)定性，可根據(jù)實(shí)際需要選擇適宜的熱處理工藝，在尺寸穩(wěn)定性提高的前提下控制木材材色的變化程度。

隨著熱處理溫度的升高和熱處理時(shí)長的增加，木材總體色差逐漸增大，且邊材比心材更明顯，熱處理溫度的影響比熱處理時(shí)長的影響更明顯。

熱處理后，楊木弦向的尺寸變化明顯降低。楊木心材處理材弦向的濕脹率平均降低39.211%，邊材處理材弦向的濕脹率平均降低16.086%，說明楊木心、邊材處理效果差異較大。

在本試驗(yàn)條件下，工藝2(130 ℃-12 h)為同時(shí)滿足速生楊木材熱處理前后色差較小且尺寸穩(wěn)定性提高的適宜條件。