蒸汽介質熱處理木材性質及其強度損失控制原理.pdf

1、蒸汽介質熱處理是改善木材尺寸穩(wěn)定性和耐久性的有效方法之一。熱處理后木材的顏色變深，尺寸穩(wěn)定性和耐久性得到顯著提高，但是力學強度降低，這一缺陷嚴重阻礙了熱處理木材的廣泛應用。因此研究熱處理材的性能變化規(guī)律及其力學強度損失機理，對進一步拓寬熱處理材的應用領域具有非常重要的意義。
　　本研究采用完全隨機區(qū)組設計方法，以蒸汽為介質兼作保護氣體，在氧氣含量低于2％的密閉干燥箱內分別對杉木心材、杉木邊材、毛白楊木材進行處理，處理條件為溫度17

2、0℃～230℃、時間1h～5hrs。采用方差分析、多元回歸分析等數據處理方法對熱處理木材的性質及其力學性能進行分析，重點考察了溫度和時間兩個工藝因子對木材性質變化的影響，通過對熱處理木材物理性質和化學性質的研究，揭示了熱處理過程中木材性質變化規(guī)律及其力學強度損失的機理，分別建立了熱處理材抗彎強度損失率和彈性模量損失率與其他性能之間的數學回歸模型以及溫度和時間與熱處理材各個性質變化率之間的數學回歸模型。依據相關回歸模型，可以分別預測出在不

3、同熱處理條件下木材各個性能的變化程度。在此基礎上進一步提出了控制熱處理材力學強度損失的方法。本論文的研究意義在于將蒸汽介質熱處理方法推廣應用到我國人工林木材的加工利用領域，為更好地利用我國人工林資源提供理論依據。
　　本論文的主要研究結論如下：
　　1、溫度和時間是決定熱處理材性能的兩個重要因子，其中尤以溫度更為重要。熱處理材性能發(fā)生顯著變化的臨界溫度為200℃，時間為2h。在溫度低于200℃時，熱處理材的全干密度、綜纖維素

4、和α-纖維素的含量、體積干縮率和濕脹率、木材顏色等均有不同程度的緩慢降低，而失重率、耐腐性能、硬度、抗彎強度和彈性模量等均有不同程度的緩慢提高；在溫度高于200℃時，除了耐腐性能急劇增強之外，以上其他性能均開始急劇下降。
　　2、傅立葉變換紅外光譜分析表明，熱處理材中表征木材纖維素和半纖維素的官能團的特征吸收峰的強度減弱，而表征木素的官能團的特征吸收峰的強度增加，證實了熱處理過程中綜纖維素和α-纖維素的含量降低，而木質素含量升高的

5、變化規(guī)律。本試驗條件下，杉木心材綜纖維素、α-纖維素的含量損失率分別為2.87%～21.40%、0.33%～35.30%，木素含量的提高率為0.53%～22.63%；杉木邊材綜纖維素、α-纖維素的含量損失率分別為2.91%～22.71%、0.34%～50.32%，木素含量的提高率為0.47%～37.09%；毛白楊木材綜纖維素、α-纖維素的含量損失率分別為2.52%～23.72%、0.94%～41.44%，木素含量的提高率為9.06%～1

6、23.64%。方差分析表明，在α=0.01水平上，溫度和時間對木材化學組分含量變化的影響極顯著。熱處理過程中，纖維素和半纖維素的熱降解反應可能是造成熱處理材綜纖維素和α-纖維素的含量降低的主要原因，縮聚反應可能是造成木質素含量升高的主要原因。
　　3、木質素是木材產生顏色的主要來源，熱處理過程中木材中木質素含量的增加是造成木材顏色加深的主要原因。熱處理后，木材的顏色變深，逐漸變?yōu)楹稚辽詈稚?。本試驗條件下，杉木心材的色飽和度差值△

7、C*、總體色差△E*和色相差△H*的變化范圍分別為3.67～－7.73、6.61～43.46、0.60～6.02；杉木邊材的△C*、△E*和△H*的變化范圍分別為4.46～－8.31、11.18～57.49、1.76～7.11；毛白楊的△C*、△E*和△H*的變化范圍分別為6.87～－5.14、13.98～62.00、3.63～10.46。表明熱處理能夠顯著改善木材的顏色。實際生產中，可根據不同顏色的需求來設置溫度和時間，將木材顏色調控

8、至預期的顏色。
　　4、熱處理過程中，木材化學組分綜纖維素和α-纖維素的熱降解反應和木材內無機物質以及可揮發(fā)性物質的流失，可能是導致了木材全干密度降低的主要原因。本試驗條件下，杉木心材、杉木邊材、毛白楊木材的全干密度損失率分別為0.62%～15.07%、0.77%～15.80%、0.52%～13.63%。方差分析表明，在α=0.01水平上，溫度和時間對熱處理材全干密度變化的影響極顯著。
　　5、熱處理顯著提高了木材的尺寸穩(wěn)定

9、性。熱處理過程中，隨著溫度的升高和時間的延長，木材的尺寸穩(wěn)定性穩(wěn)步提高。本試驗條件下，杉木心材、杉木邊材、毛白楊的尺寸穩(wěn)定性最大提高率分別為72.63%、67.21%、70.71%。方差分析表明，在α=0.01水平上，溫度和時間對熱處理材體積變化的影響極顯著。熱處理可能造成了木材中大量的親水性基團羥基(-OH)流失，同時生成了憎水性新物質，因此大大減少了木材的吸濕性，提高了木材的尺寸穩(wěn)定性。
　　6、在溫度200℃左右，時間少于3

10、h的熱處理可以提高木材的硬度，這是由于低溫時木材的熱降解反應并未占據主導地位，而此時無定形區(qū)內水分的流失導致相鄰纖維素之間形成了新的氫鍵，結果導致木材的硬度有所提高。其中，杉木心材、杉木邊材、毛白楊木材的硬度最大提高率分別為12.67%(200℃，1h)、26.82%(200℃，2h)、15.82%(200℃，3h)。當溫度高于200℃后，熱降解反應逐漸占據了主導地位，導致木材硬度開始急劇下降。在溫度230℃，5h時，杉木心材、杉木邊材

11、、毛白楊木材的硬度的損失率分別為26.07%、24.36%、22.09%。方差分析表明，在α=0.01水平上，溫度和時間對熱處理材硬度變化的影響極顯著。
　　7、熱處理能夠顯著提高毛白楊木材的耐腐性能，即從不耐腐等級提高至強耐腐等級。未處理毛白楊木材的失重率為55.746%，其耐腐性為不耐腐等級；在溫度230℃、5h的熱處理條件下，其失重率僅為2.052%，其耐腐性已為強耐腐等級。這可能是由于在熱處理過程中，木材中可供木腐菌食用的

12、營養(yǎng)物質如多糖類物質和無機類物質等大量流失，導致木腐菌無法存活，從而使得熱處理材少受或免于腐朽。杉木心材和杉木邊材的耐腐性能在熱處理前后均為強耐腐等級，因此對杉木進行熱處理的意義在于提高其尺寸穩(wěn)定性以及改善其其他性能。
　　8、在溫度200℃以下時，2h左右的熱處理可以增加杉木邊材、毛白楊木材的抗彎強度和彈性模量，這可能是由于木材內無定形區(qū)內水分的流失導致相鄰纖維素之間形成了新的氫鍵，使得纖維排列更加緊密，而此時熱降解反應并未占據

13、主導地位，因此熱處理材的抗彎強度和彈性模量有所增加。其中，杉木邊材抗彎強度和彈性模量的最大提高率分別為6.36%和2.84%；毛白楊抗彎強度和彈性模量的最大提高率分別為11.28%和15.80%。當溫度等于或高于200℃時，熱降解反應開始占據主導地位，致使纖維素大分子鏈斷裂形成小分子，嚴重破壞了木材的骨架結構，因此降低了木材的力學強度。本試驗條件下，在230℃、5h時，杉木心材、杉木邊材、毛白楊的抗彎強度和彈性模量的損失率均達到最大值，

14、分別為49.39%和21.93%；49.72%和22.42%；54.20%和－2.73%。方差分析表明，在α=0.01水平上，溫度和時間對熱處理材抗彎強度和彈性模量的變化影響均為極顯著。
　　9、以?代表抗彎強度損失率，x1為處理溫度、x2為處理時間。那么，杉木心材、杉木邊材、毛白楊木材的抗彎強度損失率的回歸模型分別為?=0.558x1＋2.806x2－99.975(R2=0.943)、?=0.693x1＋5.566x2－137.

15、897(R2=0.909)、?=0.961x1＋4.218x2－183.832(R2=0.953)。以?代表彈性模量損失率，則回歸模型分別為?=0.247x1＋1.235x2－44.865(R2=0.874)、?=0.222x1＋3.512x2－47.676(R2=0.927)、?=0.089x1＋1.544x2－32.172(R2=0.777)。根據上述模型，可分別推測出不同熱處理條件下木材抗彎強度或彈性模量的損失率。
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