高温热处理对阔叶木材物理力学性能的研究

高温热处理对阔叶木材物理力学性能的研究 涂登云1 曹新民2 李建堂2 曹海波1 彭鹏祥1 徐开蒙1 （1.广州，华南农业大学林学院，510642;2.中山，中山市红木家具工程技术研究开发中心，528476）

摘要：本文研究了185℃热处理后对六种硬阔叶树种物理力学性能的影响。研究表明：在30℃，相对湿度90%条件下平衡含水率为12.33~15.12%，比未处理木材降低4.01～5.99%；使木材吸湿性降低21.58%~32.70%，弦向湿胀性降低20.20%~33.75%，径向湿胀性降低20.20%~33.75%；弦切面水接触角减小4.70~29.50%，径切面减小4.10~18.80%；热处理后荷木、水曲柳、纤皮玉蕊 、北桦木和柞木抗弯弹性模量提高，抗弯强度、表面硬度变化不显著，香樟木的抗弯强度降低，抗弯弹性模量和表面硬度变化不显著。 关键词：热处理木材，平衡含水率，吸湿性

Hardwood Furniture Engineering Technology Research and Development Center

(1 College of Forestry, South China Agricultural University, Guangzhou,510642;2 Zhongshan Zhongshan ,528476)

Abstract:This article studied the physicial & mechanicial properties of six kinds of broad-leaved timber that be heat treated under high temperature of 185℃.The study indicate,when the relative humidity is 90% and tempreture is 30℃ ,the equilibrium moisture content of heat treatment wood is 12.33-15.12% .which is lower 4.01-5.99% than untreated wood. Heat treatment make the wood moisture absorption reduce 21.58%～32.70% and tangential and radial swelling reduce 20.20%～33.75% ,. the water contact angle on tangential surface reduce 4.70-29.50% and on radial surface reduce 4.10~18.80%. After heat treatment,the modulus of elasticity (MOE),of samak, ash, tauari, birch and oak wood improve,but their MOR and hardness change unremarkably. The MOR of medang reduces, and its MOR and hardness doesn’t change remarkably. Keyword: thermowood：equilibrium moisture content(EMC), moisture absorption

1 前言 木材作为一种天然高分子生物材料，由于本身的特性，在使用过程中会随环境的变化而

基金项目：广东省教育部科技部企业科技特派员行动计划专项项目2009B090600108 作者简介： 涂登云（1976），博士，副教授，主要研究方向为木材干燥、木材改性， E-mail: tudengyun@163.com 产生尺寸的变化。木材的尺寸稳定性是影响木材使用的重要指标之一,而木材的尺寸稳定化处理也一直是木材科学工作者的研究热点。木材稳定化处理主要采用化学药剂，但随着人们环保意识的提高，热处理逐渐受到重视，其中热处理就是一种环保、简单、有效的方法。 木材热处理的研究在欧洲进行的较早也，多集中于针叶材及软阔叶材的研究。欧洲也是最早进行高温热处理商业化推广的地区，热处理木材被广泛应用于室外建筑材料，如花园家具，门，窗及墙壁；室内家具，厨房家具，浴室装饰，木地板等。Edvardsen[1]研究了温度升高对木材尺寸稳定性的影响。Santos[2]研究了温度对桉木（Eucalyptus wood）加工性能的影响。Rapp[3]对热处理进行评论。Kamdem[4]研究了热处理木材的耐久性（Durability）。Manninen[5]比较了气干和热处理欧洲赤松的VOC。Petrissans[6]研究了热处理木材的环境适应性。Vincent[7]研究了热处理木材的湿胀性。Yildiz [8] 研究了温度对榉木（beech）加工性能（Mechanical）和化学性能（chemical）的影响。 目前，对热处理木材的研究多集中在针叶材与软阔叶材，对硬阔叶材的研究鲜有报道。因此，本文研究了185℃热处理对6种硬阔叶木材物理力学性能的影响，为更好的认识与使用硬阔材提供依据。 2 实验设备

广州ESPEC公司EL-10PA型高低温交变调温调湿实验箱；电热恒温干燥箱；日本岛津AG-І型木材万能力学实验机；济南材料试验机厂MWE-40A型液压式木材万能试验机；OCA20接触角测定仪；电子天平，精确到0.001g。螺旋测微计。 3 实验材料与方法

3.1 实验材料 荷木、香樟木、水曲柳、枫桦木、柞木、纤皮玉蕊6种硬阔叶材，每个树种取8块尺寸为长（顺纹）×宽（弦向）×厚（径向）=910×124×23m的实验材料，在同一条件下干燥至如表1所示的含水率。然后把实验材料一剖为二，一块用于炭化处理，一块不处理。把实验材料按表1所示的尺寸的数量加工成试件。

表1 试件含水率及试件数据统计表

树种 产地 平均含水率（%） 吸湿性 平衡含率 表面水接触角 表面硬度 抗弯弹性模量 抗弯强度 未处理 炭化

荷木 云南 10.10 4.83 16 8 15 15 香樟木 云南 10.39 4.91 16 8 15 15 水曲柳 俄罗斯 11.41 6.31 16 8 15 15 枫桦木 俄罗斯 11.51 6.05 16 8 15 15 柞木 俄罗斯 10.72 5.19 16 8 15 15 纤皮玉蕊 巴西 9.64 6.07 16 8 15 15 试件规格 20×20×20 (mm) 50×50×20(mm) 300×20×20(mm) 3.2 实验方法 （1）木材吸湿与湿胀性试验方法： 把试件放入烘箱内，在60℃条件下保持4h，再在103℃条件下烘至绝干。试件冷却后测量重量和弦、径向尺寸。将试件放入试验箱，在温度30℃、相对湿度90%的条件下吸湿至衡重，此时的试件的含水率为30℃、相对湿度90%时的平衡含水率。试件的重量增大率即为吸湿性，试件的尺寸增大率即为湿胀性。 （2）表面水接触角的测量方法 木材试件在温度为20℃、相对湿度为65%环境下放置到含水率稳定后，在OCA20接触角测定仪上，采用投影法测定木材试件弦切面、径切面对蒸馏水的静态接触角，每次测量取水滴刚接触到木材表面时的读数，每个切面测两次，取其平均值。测定环境温度为20℃、相对湿度为65%。 (3)木材力学性能测量方法 木材抗弯弹性模量与抗弯强度按照GB 1936.2—91在日本岛津AG-І型木材万能力学实验机上进行。木材表面硬度按照GB 1941—91在MWE-40A型液压式木材万能试验机进行，仅测弦切面上的硬度。 4 结果与分析

4.1 吸湿性与湿胀性 木材的吸湿性与湿胀性如表2所示。炭化处理后木材的吸湿性降低21.58%~32.70%，其中荷木吸湿性降低最明大32.70%，纤皮玉蕊下降最小为21.58%。炭化处理对木材弦向和径和向湿胀性的影响如表2所示，木材的弦向和径湿胀性分别降低20.20%~33.75%和20.20%~33.75%。荷木弦向湿胀性降低最大33.75%，北桦木弦向下降最小20.20%。水曲柳径向湿胀性降低最大29.40%，荷木径向湿胀性降低最小16.10%。湿胀性减小是因为热处理减小木材的吸湿性。

表2 吸湿性及湿胀性统计表 树种名 吸湿性(%) 弦向湿胀性（%） 径向湿胀性（%） 未处理 热处理 降低率 未处理 热处理 降低率 未处理 热处理 降低率

水曲柳 20.00 15.12 24.40 6.76 5.11 24.41 3.64 2.57 29.40 荷木 18.27 12.28 32.79 6.40 4.24 33.75 3.23 2.71 16.10 北桦木 19.57 14.36 26.64 5.99 4.78 20.20 4.31 3.59 16.71 纤皮玉蕊 18.59 14.58 21.58 5.70 4.46 21.75 4.56 3.73 18.20 香樟木 16.52 12.33 25.39 5.26 3.70 29.66 2.46 2.04 17.07 柞木 17.72 12.56 29.12 4.98 3．56 28.51 2.78 2.20 20.86 4.2 平衡含水率 温度30℃，相对湿度90%条件下，木材平衡含水率的影响如表3所示。热处理后荷木、北桦木、柞木、水曲柳、纤皮玉蕊、香樟木的EMC分别为12.28%、14.36%、12.56%、15.12%、15.12%、14.58%、12.33%，比示处理使木材的EMC降低4.01~5.99%。

表3 平衡含水率统计(%) 树种名 未处理 热处理 ΔEMC 荷木 18.27 12.28 5.99 北桦木 19.57 14.36 5.21 柞木 17.72 12.56 5.16 水曲柳 20.00 15.12 4.88 纤皮玉蕊 18.59 14.58 4.01 香樟木 16.52 12.33 4.19

4.3 表面水接触角 木材弦切面和径切面的表面水接触角如表4所示。热处理后木材的弦切面水接触角减小4.70~29.50%，使径切面减小4.10~18.80%，热处理对弦切面的水接触角影响大于径向面。说明热处理木材的水亲合力小，热处理会减小木材的吸湿性和平衡含水率。也说明热处理木材的涂饰性能差于未处理木材。

表4 表面接触角统计表（°）

4.4 力学性能 木材力学性能如表5所示，热处理对木材力学性能的影响不相同。因此，用单因素方差分析得热处理对木材力学性能的影响，如表6所示。结果表明，热处理对荷木、水曲柳、纤