炭化杨木耐热、耐湿及导热稳定性能的研究

张双燕 ，周洪杰 ，张振 ，陈伟

（1.安徽农业大学林学与园林学院，合肥 230036；2.阜阳市金木工艺品有限公司，安徽阜阳236000）

杨树作为我国重要的速生人工林树种之一，具有很高的生态价值和工业利用价值，被广泛应用于木材工业。但是，杨木天然的材质缺陷却限制了其使用范围，使其较难应用于高附加值产品的生产[1]。因此，如何提高杨木的高附加值和多功能的高效利用已成为木材科学研究的新热点。

近年来，因地暖具有节能的特点，地热地板作为一种新的功能性产品广受人们亲睐。然而，由于地板采暖的特殊性，地热地板的性能在很大程度上受到板材的含水率、物理性质、基材的尺寸稳定性、热传导效率等因素的影响[2-3]，更重要的是采暖过程中如何解决由于干缩湿胀引起的尺寸变形、开裂等问题。因此，有必要对地板板材进行功能性改良，以提高其在复杂温、湿度环境中的尺寸稳定性。炭化处理是一种通过热处理手段减少木材组织中吸水羟基，降低木材吸湿性和内应力，提高木材尺寸稳定性的改性方法[4]。目前，国内外对炭化木质材料研究多集中在物理力学性能上，对炭化木质材料的耐热、耐湿及导热稳定性的研究较少。基于此，本文以人工林速生杨木板材为研究对象，结合企业现有炭化生产工艺，研究探讨四种宽度（60 mm、90 mm、120 mm、180 mm）规格的板材炭化处理后的耐热尺寸稳定性、耐湿尺寸稳定性以及导热系数的变化，为低等级木材地热地板高效利用提供科学依据，对提高杨木利用价值、扩大其使用范围具有重要的意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试材为杨木板材，由阜阳市金木工艺品有限公司提供，选取4种不同规格，经常规干燥四面刨光。具体规格（长×宽×厚）为：250 mm×60 mm×16 mm，250 mm×90 mm×16 mm，250 mm×120 mm×16 mm，250 mm×180 mm×16 mm，每种规格数量为20片，平均含水率8%。

1.2 试验仪器与设备

35FX1-01-1型木材炭化窑；HWS-080型恒温恒湿箱；DHG-9030型电热恒温鼓风干燥箱；HFM-436 Lambda热流法导热分析仪；电子游标卡尺等。

1.3 炭化工艺

炭化工艺借助阜阳金木工艺品有限公司现有的窑室常压热处理工艺，炭化温度为130℃，处理时间一周。

1.4 耐热收缩率测定

将炭化和未炭化处理的每种规格试材各取10片放入温度为（20±2）℃、相对湿度为（65±5）%的恒温恒湿箱中处理24 h，取出测量每一规格试样的尺寸；然后将试样放入温度为（80±2）℃的干燥箱中处理24 h，取出冷却后测量试样的尺寸。收缩率计算公式如下：

式中：ΔL为试样长度收缩率，精确到0.01%；L0为试样初始长度，单位：mm；Ls为试样处理后长度尺寸，单位：mm。

式中：ΔB为试样宽度收缩率，精确到0.01%；B0为试样初始宽度，单位：mm；Bs为试样处理后宽度尺寸，单位：mm。

1.5 耐湿膨胀率测定

将炭化和未炭化处理的每种规格试材各取10片放入温度为（20±2）℃、相对湿度为（65±5）%的恒温恒湿箱中处理24 h，取出测量每一规格试样的尺寸；然后将试样放入温度为（40±2）℃、相对湿度为（90±5）%的恒温恒湿箱中处理24 h，取出在室温下测量试样的尺寸。膨胀率计算公式如下：

式中：ΔL为试样长度膨胀率，精确到0.01%；L0为试样初始长度，单位：mm；Lp为试样处理后长度尺寸，单位：mm。

式中：ΔB为试样宽度膨胀率，精确到0.01%；B0为试样初始宽度，单位：mm；Bp为试样处理后宽度尺寸，mm。

1.6 导热系数测定

采用HFM436 Lambda热流法导热分析仪测定炭化和未炭化杨木板材的导热系数，以表征板材传递热量的能力，其基本原理是将样品放入两块平板之间，上面是热板，下面是冷板，制定一维轴向热流通过样品，利用热传导傅里叶方程计算得出。公式如下：

式中：q为通过样品稳态流动的热流功率（W），κ为导热系数（W/mK），A为试样横截面面积（m2），-dT/dx为冷板和热板之间的温度差[5-7]。

被测试材在室温下存放24 h后，裁成300 cm×300 cm×16 mm，参照“用护热板仪器法测定稳态热通量和热传递特性的试验方法”（ASTMC177-13）标准测定其导热系数。

2 结果与分析

2.1 耐热收缩率

图1为不同规格板材从温度为（80±2）℃的干燥箱中干燥处理24 h后取出的尺寸收缩率的变化情况。由图1可知，与未处理材相比，炭化处理材长度方向（宽度为120 mm除外）和宽度方向收缩率均减小。其中，宽度为60 mm的板材炭化处理后长度方向收缩率平均下降49.59%，宽度为90 mm的板材下降54.22%，宽度为180 mm的板材下降21.32%，而宽度为120 mm的板材长度方向则增加了6.98%；宽度为60 mm的板材炭化处理后宽度方向收缩率平均下降64.95%，宽度为90 mm的板材下降62.34%，宽度为120 mm的板材下降85.67%，宽度为180 mm的板材下降64.44%。炭化处理后板材的耐热尺寸稳定性有很大的提高。

图1 各板材耐热收缩率比较

2.2 耐湿膨胀率

图2为不同板材在温度为（40±2）℃、相对湿度为（90±5）%的条件下处理24 h后长度和宽度的变化结果。由图2可见，不同规格的板材长度方向尺寸膨胀率均小于宽度方向尺寸膨胀率，且炭化处理后各板材长度方向和宽度方向上的膨胀率均减小。其中，炭化处理后，60 mm宽的板材长度方向膨胀率平均下降81.82%，90 mm宽的板材下降66.67%，120 mm宽的板材下降33.33%，180 mm宽的板材下降6.67%；炭化处理后，60 mm宽的板材宽度方向膨胀率平均下降80.68%，90 mm宽的板材下降57.38%，120 mm宽的板材下降46.91%，180 mm宽的板材下降27.47%。炭化处理后板材的耐湿尺寸稳定性得到显著提高。这可能是因为一方面木材炭化处理后，半纤维素中自由羟基浓度大大降低，与外界水分交换能力下降[8]；另一方面炭化处理后，纤维素无定形区内纤维素大分子链上的羟基互相结合，使得纤丝间排列更为紧密[9]，减小了水分渗透到微纤丝间的缝隙，从而使得木材尺寸稳定性得到改善。

图2 各板材耐湿膨胀率比较

2.3 导热系数

导热系数直接反应材料本身的热传导能力，是一个极为重要的热物理参数。未处理的杨木板材的导热系数为0.109 W（/m·K），而炭化处理后的杨木板材导热系数为0.139 W/（m·K），导热系数增加27.52%，导热性能明显提高。这可能是因为经过炭化处理，木材内部的抽提物含量减少，即阻碍热传递的物质减少，材料的热传导能力提高[10]。与其他材料相比（表1），炭化处理后杨木板材的导热系数大于硬质纤维板、略小于轻质混凝土。

表1 各种材料的导热系数

3 结论

（1）炭化处理后，材料宽度方向尺寸变化产生的影响比长度方向更为明显，宽度方向上耐热收缩率比未处理均降低64%以上，其中，120 mm宽的板材降低最为明显，约为85.67%；耐湿膨胀率均降低27%以上，其中60 mm宽的板材降低最明显，约为80.68%。

（2）经过炭化处理后，木材的导热系数明显增加，增加了27.52%，材料的导热性能显著提高。

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