王軍鋒 宋戀環(huán) 黃騰華 湯正捷

（1.廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院，廣西 南寧 530002；2.廣西木材資源培育質(zhì)量控制工程技術(shù)研究中心，廣西 南寧 530002；3.廣西優(yōu)良用材林資源培育重點實驗室，廣西 南寧 530002；4.西南林業(yè)大學(xué)，云南 昆明 650224）

杉木（Cunninghamia lanceolata）是我國人工林培育的主要樹種，具有樹干通直、生長速度快、經(jīng)濟(jì)價值高等優(yōu)點，但也存在木材密度低、材質(zhì)軟、力學(xué)強(qiáng)度差、材性變異大、表面加工性能差、尺寸穩(wěn)定性差等缺點，加工應(yīng)用受到限制[1-5]。

木材是多孔性物質(zhì)，其外形體積由細(xì)胞壁物質(zhì)及孔隙（細(xì)胞腔、胞間隙、紋孔等）構(gòu)成，這種結(jié)構(gòu)使木材壓縮密實化具有理論基礎(chǔ)[6-8]。木材在濕熱和壓縮的共同作用下，木材細(xì)胞被充分軟化，可在不破壞其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的情況下，實現(xiàn)壓縮密實化效果。木材細(xì)胞壁中的水分，可減少木材在壓縮變形過程中的內(nèi)摩擦系數(shù)，增加木材的可塑性，同時減少其微觀破壞[9-10]。在木材濕熱壓縮密實化處理過程中，熱壓時間、壓縮率等工藝參數(shù)對其物理力學(xué)性能影響較大[11-13]。因此，有必要對濕熱壓縮密實化工藝與木材力學(xué)性能的內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行系統(tǒng)性研究。

為了提高木材的力學(xué)性能，同時減少對環(huán)境的污染，本研究采用濕熱壓縮密實化技術(shù)，采用全因子試驗設(shè)計，通過控制不同熱壓溫度、熱壓時間、壓縮率這3個工藝參數(shù)，對杉木進(jìn)行改性處理，考察其對木材力學(xué)性能、微觀形貌、結(jié)晶度等的影響，從而篩選出優(yōu)化工藝參數(shù)，旨在為提高杉木性能、拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

杉木采自廣西壯族自治區(qū)柳州市融安縣西山林場，樹齡29 a，胸徑26～31 cm。取無變色、節(jié)子、蟲眼等缺陷的部位，并截取成200 mm（長）×100 mm（寬）×20 mm（厚）的弦切板試件，含水率為12%。

1.2 試驗設(shè)備

熱壓機(jī)（BY102×2/3.2A），蘇州華翔木業(yè)機(jī)械有限公司；PressMAN熱壓監(jiān)測系統(tǒng)，加拿大光潤生物材料和生物能源技術(shù)開發(fā)公司；干燥熱處理實驗箱（XND-MaS0.1），江蘇星楠干燥設(shè)備有限公司；烘箱（UFE550），德國美墨爾特有限公司；萬能力學(xué)試驗機(jī)（UTM5504），三思縱橫科技股份有限公司；納米壓痕儀（TI 950 TriboIndenter），美國Hysitron ；XRD射線衍射儀（XRD，Smartlab 9kW），日本理學(xué)株式會社；掃描電鏡（泰斯肯TESCAN，MIRA LMS Oxford Xplore 30）。

1.3 試驗方法

以熱壓溫度、加壓時間和壓縮率為變量因子進(jìn)行全因子試驗，每個變量設(shè)置三個水平，如表1所示。其中，熱壓機(jī)壓縮速度為30 s/mm，壓縮率通過調(diào)節(jié)厚度規(guī)控制。將濕熱壓縮密實化處理后的試材置于干燥器中冷卻，隨后測定其力學(xué)性能。

表1 全因子試驗設(shè)計Tab.1 Experiment design of wood thermal compression

參照 GB/T 1927.9—2021《無疵小試樣木材物理力學(xué)性質(zhì)試驗方法 第9部分：抗彎強(qiáng)度測定》、GB/T 1927.10—2021《無疵小試樣木材物理力學(xué)性質(zhì)試驗方法 第10部分：抗彎彈性模量測定》檢測試件的抗彎強(qiáng)度與抗彎彈性模量，采用三點彎曲法，對木材進(jìn)行弦向加載，加載速度為 5 mm/min，兩支座跨距為240 mm。試件順紋抗壓強(qiáng)度檢測參照 GB 1927.14—2022《無疵小試樣木材物理力學(xué)性質(zhì)試驗方法 第14部分：順紋抗拉強(qiáng)度測定》進(jìn)行，加載速度為5 mm/min。試件硬度檢測參照GB/T 1927.19—2021《無疵小試樣木材物理力學(xué)性質(zhì)試驗方法 第19部分：硬度測定》進(jìn)行。在測試前，所有試件均在溫度為20 ℃、相對濕度為65%的條件下進(jìn)行平衡處理。

使用切片機(jī)制備尺寸為7.0 mm×7.0 mm×0.5 mm的薄片試件，并對其表面進(jìn)行噴金處理，使用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察試件的微觀形貌。

將試樣制備成尺寸為 7 mm×7 mm×20 mm（T×R×L）的樣塊，晚材位于試樣橫截面中心；將樣塊一端橫截面削成金字塔狀，隨后利用超薄切片機(jī)對樣品進(jìn)行梯臺狀修整。使用納米壓痕測試儀檢測木材細(xì)胞壁的力學(xué)性能，在低載荷原位力學(xué)系統(tǒng)中進(jìn)行，加載曲線采用力控制，加載時間為5 s，保載時間為2 s，卸載時間為5 s，最大加載載荷為150 μN(yùn)，壓痕深度在65～90 nm之間。

使用X射線衍射儀檢測木材結(jié)晶度，掃描條件為銅靶輻射（λ=0.154 nm），輻射管電流為30 mA、電壓為40 kV，掃描范圍2θ= 5～55°，掃描速度為2 °/min，步長為0.1°，每個樣品測量3次取平均值。采用Segal經(jīng)驗法計算試樣相對結(jié)晶度。

2 結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能分析

將制備好的試件置于溫度為20 ℃、濕度為65%的恒溫恒濕箱中進(jìn)行平衡處理，待其含水率達(dá)到平衡時（約12%）取出，進(jìn)行各項性能測試，并記錄其實際含水率。隨后，參照標(biāo)準(zhǔn)，將各性能測試結(jié)果換算為12%含水率下的數(shù)值。密實化木材的抗彎強(qiáng)度方差和極差分析分別見表2和表3。

表2 密實化木材抗彎強(qiáng)度極差分析結(jié)果Tab.2 Range analysis of bending strength of compressionwood

表3 密實化木材抗彎強(qiáng)度方差分析Tab.3 Variance analysis of bending strength of compression wood

由表2可知，RC＞RB＞RA，即各因素對試件抗彎強(qiáng)度的影響程度，由大到小依次為壓縮率、時間、熱壓溫度，且三個因素對木材抗彎強(qiáng)度影響極顯著。

由圖1可知，在試驗溫度范圍內(nèi)，濕熱壓縮密實化木材的抗彎強(qiáng)度（MOR）隨熱壓溫度的升高、熱壓時間的延長和壓縮率的增大而增大。當(dāng)熱壓時間為30、40 min和50 min時，3個溫度水平條件下，壓縮率對MOR均具有顯著影響，且壓縮率越大，試樣的MOR越大。因此，當(dāng)壓縮率為50%時，MOR較優(yōu)。這主要是因為，在濕熱壓縮過程中，木材的壓縮率越大，木材細(xì)胞被壓縮的程度就越顯著，木材內(nèi)部孔隙就越小，即木材密度增大，而密度與MOR幾乎呈線性關(guān)系。因此，壓縮率越大，試樣的MOR就越大，且各水平間的差異也越顯著[14-16]。

圖1 壓縮工藝對密實化木材抗彎強(qiáng)度的影響Fig.1 Effect of compression technology on bending strength

當(dāng)壓縮率為50%時，溫度3個水平條件下，熱壓時間為30 min時試材的MOR與40 min和50 min時具有顯著性差異，但40 min時試材的MOR與50 min時沒有顯著性差異。因此，以MOR值評價，40 min為較優(yōu)時間水平。

當(dāng)壓縮率為50%、熱壓時間為40 min時，熱壓溫度為160 ℃時，試樣的MOR值與180 ℃和200 ℃相比具有顯著性差異，而180 ℃和200 ℃對MOR值的影響沒有顯著性差異?？梢?，以MOR值評價，180 ℃為較優(yōu)溫度水平。這主要是因為，當(dāng)溫度為160 ℃時，在濕熱壓縮過程中，木材的細(xì)胞壁沒有充分軟化，在壓縮后，由于溫度較低，其變形未被充分固定。當(dāng)溫度為180 ℃時，溫度對壓縮變形的固定效果顯著，增加了木材細(xì)胞壁內(nèi)部的交聯(lián)作用，提高了木材的強(qiáng)度。然而，隨著溫度的升高，交聯(lián)強(qiáng)度增大的幅度不明顯。因此，溫度為180 ℃和200 ℃時，試樣的MOR值沒有顯著性差異[17-18]。

因此，當(dāng)熱壓溫度為180 ℃、壓縮率為50%、處理時間為40 min時，處理材的抗彎強(qiáng)度較優(yōu)。

根據(jù)上述較優(yōu)工藝參數(shù)制備試樣，用于力學(xué)性能測試，結(jié)果如表4所示。

表4 密實化木材力學(xué)性能Tab.4 Mechanical properties of densified wood

由表4 可知，與素材相比，在該處理條件下，試材的抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量、順紋抗拉強(qiáng)度和硬度分別提高了112%、113%、44%和55%?？梢?，濕熱壓縮密實化處理對木材的物理力學(xué)性能的改善具有顯著效果。

2.2 微觀形貌分析

為了闡明密實化對杉木木材的增強(qiáng)機(jī)理，對優(yōu)化工藝處理的密實化木材進(jìn)行微觀形貌觀察，如圖2所示。由圖可知，橫紋壓縮后，橫切面壓縮方向（圖2a中A箭頭指向）中早材變形較大，早材細(xì)胞幾乎均被壓潰，并沿著木射線方向出現(xiàn)一定規(guī)律的褶皺（圖2b中A箭頭指向），而晚材部分細(xì)胞部分出現(xiàn)壓潰，較大部分保持原有腔體結(jié)構(gòu)，且早晚材細(xì)胞，在壓縮作用下，在兩個年輪交界處的組織變化有顯著差異，出現(xiàn)界限（圖2a中B箭頭指向區(qū)域）。產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因是早材細(xì)胞體積大、細(xì)胞壁薄、材質(zhì)較疏松，早材部分在壓力作用下易產(chǎn)生形變，當(dāng)外力超過細(xì)胞壁的承受力后，將出現(xiàn)壓潰等現(xiàn)象。相比而言，晚材體積小、細(xì)胞壁較厚、材質(zhì)較堅硬，其抵抗變形的能力較強(qiáng)，因此僅部分細(xì)胞壓潰，大多數(shù)晚材細(xì)胞仍保持完整的形態(tài)。圖2c為壓縮材徑切面的微觀照片，可以發(fā)現(xiàn)管胞弦壁的具緣紋孔，在壓縮作用下，沿垂直橢圓孔長軸方向壓縮，可能是管胞壓縮變形時受到管胞螺旋方向S2層纖維素分子鏈骨架物質(zhì)承載作用的支撐，而使變形沿與其縱軸傾斜的螺旋方向伸長，拉動紋孔沿該方向變形并導(dǎo)致紋孔明顯變形[18-21]。圖2d為壓縮材的弦切面微觀照片，木射線橫切胞腔清晰可見，壓縮變形較為均勻，未發(fā)現(xiàn)壓縮裂隙或開裂現(xiàn)象。

圖2 密實化杉木微觀形貌圖Fig.2 Microtopography of densified Chinese fir

2.3 細(xì)胞壁力學(xué)性能分析

隨著壓縮密實化處理條件的改變，木材細(xì)胞壁組分、基團(tuán)和微觀結(jié)構(gòu)均發(fā)生變化，力學(xué)性能也受到影響。為進(jìn)一步探究密實化對細(xì)胞壁硬度和彈性模量的影響，分別對未處理杉木和處理杉木（熱壓溫度180 ℃、壓縮率50%、處理時間40 min）晚材細(xì)胞壁的次生壁進(jìn)行納米壓痕測試，每個試樣選取10 個測試點。木材細(xì)胞壁S2層占壁厚的70%～90%，其對細(xì)胞壁的力學(xué)性能起主要作用，因此將壓痕位置設(shè)定在S2層。如表5 所示，密實化木材細(xì)胞壁的硬度和彈性模量比未處理材分別增加了16.7%和45.7%。由此表明，密實化處理不僅可以壓縮早材，通過提升木材密度增強(qiáng)木材強(qiáng)度，還可以強(qiáng)化木材細(xì)胞壁，從而增強(qiáng)木材。這可能是因為木材細(xì)胞壁的硬度與密度和木質(zhì)素含量密切相關(guān)，而木質(zhì)素作為具有相對較高硬度的高聚物，對細(xì)胞壁抗變形能力的影響最大。當(dāng)溫度為180 ℃左右時，木質(zhì)素主要發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，并生成酚類物質(zhì)，使得木材的壓縮變形得到固定，同時使細(xì)胞壁性能增強(qiáng)[21-24]。

表5 密實化木材細(xì)胞壁力學(xué)性能Tab.5 Mechanical properties of cell wall of densified wood

2.4 結(jié)晶度分析

采用X射線衍射（XRD）測定杉木素材及不同壓縮密實化工藝條件下處理材的結(jié)晶特性，數(shù)據(jù)取值采用定點法，結(jié)晶度計算采用Segal經(jīng)驗法，研究濕熱壓縮密實化處理過程中木材纖維素結(jié)晶度的變化。

由圖3可以看出，杉木素材和壓縮材的衍射峰形和位置基本一致，只是衍射峰強(qiáng)度有所差異，說明濕熱壓縮密實化處理并未改變纖維素結(jié)晶區(qū)的晶胞構(gòu)造，但其相對結(jié)晶度發(fā)生了變化。杉木素材的纖維素結(jié)晶度為46%，壓縮材的結(jié)晶度為53%，說明濕熱壓縮密實化處理可以提高木材的結(jié)晶度。這主要是因為，在濕熱處理過程中，無定形區(qū)內(nèi)纖維素分子鏈之間的羥基發(fā)生“架橋”，脫除水分產(chǎn)生醚鍵，造成纖絲間的距離減小，分子間作用力增大，從而使得微纖絲的排列更加有序，導(dǎo)致結(jié)晶度增大[25-28]。

圖3 杉木素材和壓縮材X射線衍射圖及結(jié)晶度Fig.3 X-ray diffraction patterns and crystallinity of Chinese fir and compressed Chinese fir

3 結(jié)論

本文通過控制不同熱壓溫度、熱壓時間和壓縮率對杉木進(jìn)行壓縮密實化改性處理，分析不同工藝參數(shù)對木材各項物理力學(xué)性能的影響，主要得出以下結(jié)論：

1）在熱壓溫度為180 ℃、壓縮率為50%、熱壓時間為40 min的工藝條件下，制備的密實化木材力學(xué)性能較優(yōu)，其抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量、順紋抗拉強(qiáng)度和硬度分別為130.4 MPa、12 338 MPa、113.1 MPa和1 631 N，相比于未處理材分別提高112%、113%、44%和55%。

2）密實化后，杉木木材早材細(xì)胞幾乎均被壓潰，并沿著木射線方向出現(xiàn)褶皺，而晚材大部分則保持著原有的腔體結(jié)構(gòu)，表明壓縮密實化后，試件力學(xué)性能的提高主要與木材實質(zhì)比例的增大有關(guān)。

3）密實化后，木材細(xì)胞壁的硬度和彈性模量分別增加了16.7%和45.7%。

4）濕熱壓縮處理后，木材的結(jié)晶度有一定提高，這也是處理材力學(xué)性能增強(qiáng)的原因之一。