速生巨尾桉木材热压处理的研究

黄广华

(漳州职业技术学院建筑工程学院 福建漳州 363000)

木材的热压处理是对木材进行软化处理、然后在一定的温度、压力下对其进行压缩，在不破坏木材细胞结构的基础上，使其密度、强度和尺寸稳定性等物理力学性能得以提高，从而达到木材强化目的的方法[1-2]。随着天然林资源日渐减少，木材供应越来越紧张，提高人工林木材资源的有效利用已经成为一种共识。通过密实化处理提高速生材的物理力学强度，改善其加工性能，拓宽其应用领域，已成为当前国内外学者研究的一个重要课题。众多专家学者对木材的蠕变、压缩木制造等热压处理技术，以及变形的回弹与固定等相关课题进行了广泛深入的研究，并取得了显著的进展，以期改良速生材的性能，提高在实木生产中的利用[3-10]。

桉树是桃金娘科(Mgrtaceae)桉属(Eucalyptus)植物的统称，是世界著名的三类速生用材之一，生长速度快如巨尾桉(Eucalyptus grandis × Eucalyptus urophylla)，树种较佳采伐期为6 a左右[11]。由于天然林的减少，木材供需矛盾日益突出，对速生桉树木材的需求越来越大。但由于桉树木材生长应力大、干缩性变异大、容易变形，尺寸不稳定以及物理力学性能差等缺点，其实木利用受到限制。因此，桉树木材压缩技术的研究对于速生材实木加工和提高其经济效益有着重要的意义。该研究采用正交试验，按不同工艺参数对巨尾桉木材进行热压处理，对比分析素材与处理材的细胞结构、物理性质和力学性质变化，通过选优，得出巨尾桉木材热压工艺的最佳参数。以期为速生木材的性能改良和加工利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

漳州市漳浦县国有林场提供本试验试验材料，巨尾桉树龄为4-7年之间；原木直径为150mm左右，按照国家标准GB1927-1943-91[12]进行树种的采集和试样的制作。木材上部为原木的梢部，下部和中部以胸高1.3 m处为界，将木材按树高方向平均分为上中下3个部分，每部分12块，每组实验条件的试样数为24块，共288块。用于压缩处理试验材料规格为：长200 mm，宽100mm，厚度根据正交试验的要求，由压缩率和压后厚度换算而定。密度和回复率测定的试验材料为20mm3的小正方体；力学性能测定的试验材料尺寸为长300mm，宽20mm，厚20mm。

1.2 试验方法

(1) 热压工艺试验。 压缩木的制造要防止其压缩后的回弹，所以压缩变形的永久固定显得尤为重要，回复率的控制是其中的关键指标，而影响回复率的主要工艺参数有：热压时间、热压温度、压缩率、压后厚度、压前含水率等相关参数[13-15]。该试验采取L16(45)正交试验方法，按要求对巨尾桉木材热压处理。对不同工艺条件下的试验材料进行吸水、吸湿回复率(RS)试验测定，通过分析比较，得出巨尾桉木材热压处理的最佳工艺参数。正交试验安排见表1。

表1 L16(45)正交试验

热压过程先预热、再逐步分段加压至预定压力，即当上压板接触到模具时，停止加压，进入到保压状态。压缩率越大，单位面积的压力也越大，一般为5-10 MP。冷却后再进行卸压，取出试样，进行吸水、吸湿回复率(RS)测定：按要求每隔8 h、1 d、4 d、12 d各测量一次吸水回弹尺寸，共4次，用于计算吸水回复率，每隔1 d、2 d、4 d、8 d、12 d、20 d、30 d、40 d吸湿回弹尺寸，共8次，用于计算吸湿回复率。

吸湿、吸水回复率按照徐永吉著[13]《木材改性》计算，其计算公式如下：

(1)

式中： RS(%)—回复率；Lr(mm)—吸湿或吸水处理后的厚度；L0(mm)— 热压前的厚度；Lc(mm)— 热压后的厚度。

(2) 物理力学性能试验。 试验材料的气干、绝干密度等物理性质和抗压、抗弯、抗剪、硬度、冲击韧性等力学强度的测试按照《木材物理力学性质试验方法》(GB1927-1943-91)[12]进行。

(3) 微观结构观察。 利用数码显微镜(DMB-223P-5)对试验材料放大400倍进行观察测定。

2 结果与分析

2.1 热压工艺试验结果

按照正交试验的要求，对不同工艺参数条件下的试验材料分组编码，分别测定和计算其吸水、吸湿回复率。试验材料吸水、吸湿回复率正交试验结果见表2，试验材料的极差分析见表3，试验材料的方差分析见表4。

表2 L16(45)正交试验结果

表3 回复率极差分析表

表4 回复率方差分析

注：吸水 F0.01(3，48)= 4.25，F0.05(3，48)=2.70，F0.10(3，48)=2.23；吸湿 F0.01(3，112)=3.97，F0.05(3，112)=2.74，F0.10(3，112)=2.15；当 F>F0.01(3，112)时，***表示p<0.001。

由表2、表3、表4可知，热压过程各因素对试验材料的吸水、吸湿回复率影响均高度显著。对吸水回复率的影响大小依次是：热压前含水率-压缩率-热压温度-热压后厚度-热压时间。各因素对吸湿回复率的影响大小依次是：热压前含水率-热压温度-压缩率-热压后厚度-热压时间。综合分析各工艺条件对试验材料吸湿、吸水回复率的影响，得出速生巨尾桉木材热压处理(即RS最小时)的最佳工艺参数为：热压前含水率为60%，压缩率为50 %，热压后厚度为13-20mm，热压温度为190℃，热压时间为25-30 min。

2.2 物理力学性质

巨尾桉木材经过热压处理，其气干、绝干密度见表5，物理力学性质测定结果见表6和图2。为了进行比较研究，将它们的气干、绝干密度，力学性质均换算成含水率12%的值。

表5 巨尾桉木材压缩率与密度的关系

从表5可知，随着压缩率的增加，气干、绝干密度逐渐增加，素材气干密度为0.51 g/cm3、绝干密度为0.44 g/cm3，当压缩率为50 %时，处理材的气干密度为0.81 g/cm3，绝干密度为0.78 g/cm3；与素材比较，压缩率为50 %处理材气干密度、绝干密度分别提高58.82 %和77.27 %。

表6 巨尾桉木材压缩率与强度的关系

图1 巨尾桉木材压缩率与强度的关系

由表6和图1可知，速生巨尾桉木材经过热压处理后，结构更加密实，随着压缩率的增加，其各种强度也逐渐增加，具有相同的趋势。具体如下：

(1)对于木材顺纹抗压强度、横纹(弦面)抗压强度、顺纹抗剪(弦面)强度，素材分别为72.70 MPa、13.00 MPa、16.40 Mpa；当压缩率为50%时，处理材分别为87.15 MPa、20.37 MPa、31.50 Mpa；分别提高了19.88 %、56.69 %和92.07 %。

(2)对于木材抗弯强度和抗弯弹性模量，素材分别为238.33 MPa、24.26 GPa；当压缩率为50%时，处理材分别为408.61 MPa、28.39 GPa；分别提高了71.45 %、和17.02 %。

(3)对于木材硬度，素材的端面硬度和弦面硬度分别为95.40 Mpa、77.00 Mpa；当压缩率为50 %时，试验材料的端面硬度和弦面硬度分别为178.86 Mpa、135.56 Mpa；分别提高了87.48 %和76.05 %。

(4)对于木材冲击韧性，素材为78.00 kJ/m2，当压缩率为50 %时，试验材料的冲击韧性为123.25 kJ/m2，提高了58.01 %。

通过热压处理，木材的力学性能得到大幅提高，其中幅度最大的是木材剪切强度，提高了92.07 %，其次是端面硬度，提高了87.48 %。

2.3 巨尾桉木材的微观结构

通过数码显微镜(DMB-223P-5)对巨尾桉木材素材和处理材放大400倍进行观察，得到扫描图片如图2。

图2 巨尾桉木材微观结构图(400X)

从图2 中的码显微镜显微镜图片可知，木材热压处理后，细胞壁结构完好，细胞实质没有受到压溃，导管等细胞腔被挤压，木材孔隙率变小，从而产生了较大的变形，整体结构仍然保持原有的完整性[14]，热压后处理材的物理力学性质明显提高。这是由于在一定的水分下给予木材较高的温度，在湿热状态下木材的可塑性增加，玻璃化转变过程的时间缩短，使处理材在软化、可塑状态下得以压缩。木材细胞壁内部受到破坏的可能性大大减少，保持了木材结构的完整性。热压过程，随着吸附水的不断逸出，木材细胞壁中羟基(-OH)和羧基(-COOH)被重新释放出来，当细胞壁的纤维素、半纤维素和木质素的羟基和羧基之间靠近至极小距离时，就形成了纤维素、半纤维素以及木质素分子之间的氢键结合，组成更为复杂的立体网状结构，提高了结晶度，使得木材内部的结构更加致密[15]。同时，伴随着热压过程中细胞壁羟基数量的减少，碳水化合物结晶化、交联反应以及热降解等多种反应的综合作用，使处理材的物理力学性能大幅提高、变定得到固定[4，15]。

3 结论

通过热压处理后的回复率试验，巨尾桉木材热压处理的最佳工艺为：热压前含水率为60%，压缩率为50 %，热压后厚度为13-20mm，热压温度为190 ℃，热压时间为25-30 min。

经过热压处理，巨尾桉木材的物理力学性能有很大变化，各性能指标均大幅提高：当压缩率为50%时，其气干密度以及绝干密度分别提高了58.82 %和77.27 %。通过热压处理，木材的力学性能得到大幅提高，木材顺纹抗压强度、横纹(弦向)抗压强度、顺纹抗剪(弦面)强度，分别提高了19.88 %、56.69 %和92.07 %。抗弯强度和抗弯弹性模量分别提高了71.45 %和17.02 %。 端面硬度和弦面硬度87.48 %和76.05 %。冲击韧性提高了58.01 %。

对素材和处理材微观结构的进行观察比较，可知：经过热压处理，虽然木材细胞腔受到挤压，但是细胞壁结构仍然保持完整。对人工林巨尾桉木材进行热压处理，伴随着处理材内部组织构造的变化，其物理力学性能随之改变，气干、绝干密度提高，各项力学性质均增强，耐久性变好[10]，促进了速生材的高效利用。

参考文献：

[1]井上雅文.压缩木研究现状与今后展望[J].人造板通讯，2002，9(9)：3．

[2]刘亚兰，李庆峰.压缩木制造技术的研究概述[J].林业科技，2005，30(1)：35.

[3]赵钟声，刘一星.横纹压缩强化杨木薄板性能分析[J].林业机械与木工设备，2010，38(5)：22.

[4]陈瑞英，胡国楠.速生杨木密实化研究[J].福建农林大学学报(自然科学版)，2005，34(3)：324.

[5]边明明，殷亚方，宋坤霖，等.不同压缩加载速度对杉木微观结构和力学性能影响[J]．建筑材料学报，2012，15(4)：575.

[6]贺宏奎，常建民.软质木材的表面密实化[J].木材工业，2007，21(2)：16.

[7]王艳伟，黄荣凤.水热控制下杨木的表面压缩及其固定[C].第四届全国生物质材料科学与技术学术研讨会，2011.231.

[8]尹江苹，郭 娟，赵广杰，等.湿热一压缩处理木材的纤维素晶体结构变化[J].林产工业，2017，44(7)：10.

[9]Dusan Dlhy．Types of doors and its impact on airbome sound inslation[J]．Advanced Materials Research，2013，85(5)：225.

[10]高志强，张耀明，吴忠其，等.加压热处理对表层压缩杨木变形回弹的影响[J].木材工业，2017，31(2)：24.

[11]黄广华，陈瑞英.人工林巨尾桉木材性能与树龄的关系[J].福建林学院学报 2009，29(2)：183.

[12]国家技术监督局.GB 1927—1943—91木材物理力学性质试验方法[S].北京：中国标准出版社，1991.

[13]徐永吉.木材改性[M].南京：南京林业大学木材学教研室，1994.64.

[14]黄广华，陈瑞英.人工林巨尾桉木材密实化结构[J].福建农林大学学报(自然科学版)，2012，41 (5) ：497.

[15]魏萍. 杉木速生材压缩密化过程水分的研究[D].福州：福建农林大学，2003.