硼预处理对橡胶木热改性材颜色和力学性能的影响

硼预处理对橡胶木热改性材颜色和力学性能的影响
李晓文;李民;秦韶山;李家宁
【摘要】研究硼琢处理对橡胶木热改性材颜色和力学性能的影响。

结果显示，1％浓度硼砂溶液预处理，对热改性材的颜色没有影响，当硼砂浓度增加到4％或8％时，木材材色有偏红的趋势。

在185℃的热改性条件下，经硼预处理的热改性材的抗弯强度高于对照，在200℃条件下热改性后则无此规律。

分析认为，硼预处理对热改性过程有一定影响，但并不是影响热改性材颜色和力学性能的主要因素。

%The color and strength of heat-treated rubber wood which were impregnated by sodium borate were evaluated. Wood treated with 1% sodium borate solution showed no significant difference compared with control samples; when treated with 4% or 8% sodium borate solution, the color of wood turned red slightly. When the temperature of heat treatment was at 185℃, borate impregnation had a positive effect on wood strength, but when the temperature of heat treatment went as high as 200℃, the positive effect could not be observed. Borate impregnation affected the property of heat-treated wood, but it was not one of the fatal factors.
【期刊名称】《热带农业科学》
【年(卷),期】2011(031)009
【总页数】4页(P65-68)
【关键词】硼预处理;热改性;颜色;抗弯强度;橡胶木
【作者】李晓文;李民;秦韶山;李家宁
【作者单位】中国热带农业科学院橡胶研究所,海南儋州571737;中国热带农业科
学院橡胶研究所,海南儋州571737;中国热带农业科学院橡胶研究所,海南儋州571737;中国热带农业科学院橡胶研究所,海南儋州571737
【正文语种】中文
【中图分类】S781
橡胶木是橡胶树种植的重要副产品，国内每年橡胶树更新提供的原木超过150万
立方。

橡胶木材质淡雅、纹理美观，是人工林中材质性能较高的树种，但由于淀粉等含量较高，易于蓝变、虫蛀，需经防腐防虫处理后才可利用[1-2]。

目前市场上
销售的橡胶木板材全部经防腐处理，处理药剂主要是硼酸、硼砂。

木材高温热改性指将木材保持在高温(一般在160℃～230℃间)下一定时间，使其
内部发生一系列化学反应，从而使木材材性发生变化。

最早的研究始于1930年代，到1990年代欧洲一些国家已发展出了较为成功的木材热改性工艺。

国内自2006
年后也开始有少量热改性木材供应市场。

近期有文献报导了橡胶木热改性材的研究，与其它木材在热改性过程中的变化规律[3]基本一致，主要表现在平衡含水率显著
下降，颜色变深，由浅棕色变为深褐色[4]，尺寸稳定及耐腐性能提高，力学强度
有明显降低[5]。

这些性能变化可扩大产品的使用范围及提升产品附加值。

文献报道，硼预处理可降低热改性过程中木材的力学强度损失[6-7]。

我们初步的试验结
果表明，橡胶木不经硼处理，生材直接热改性后仍然存在白蚁蛀蚀隐患[8]，鉴于
橡胶木普遍需要经硼化物防虫处理，有必要对硼预处理对橡胶木热改性材性能的影响进行评价。

本文选择产品的外观颜色、抗弯强度和抗弯弹性模量进行了检测，鉴于热改性过程中木材的质量损失率直观地反映了热改性的剧烈程度，本文对质量损失率亦有分析。

1 材料和方法
1.1 材料
试材取于海南省儋州市西流农场松江木材厂，30年生人工林橡胶树(Hevea brasiliensis)，采伐地点：海南龙江地区，品种：PR107。

试材从刚锯解的新鲜板材(厚度：75mm)边材部分截取，烘干后制成300mm×20mm×20mm(L×T×R)
的标准弦径向试件用于力学性能测试，50mm×50mm×20mm(L×T×R)的试件用
于测定质量损失率和颜色。

硼化物为十水合四硼酸钠(Na2B4O7·10H2O，俗名硼砂)，分析纯。

1.2 方法
硼预处理采用真空加压法，前真空-0.09Mpa保持10min，加压1.0Mpa保持
20min，后真空-0.07Mpa保持5min。

硼砂溶液浓度为1%，4%，8%(热水溶液)，处理后气干3周再进行热改性试验。

热改性工艺：先由室温缓慢升温至130℃，
待木材含水率降至5%以下快速升温至目标温度并保持一定时间，温度升至130℃时通入水蒸气作为保护气。

选择两个热改性温度分别为185℃和200℃，热改性
时间3h。

详见表1。

表1 试材处理工艺说明：每组试件16个，其中
300mm×20mm×20mm(L×T×R)的标准弦径向试件10个，用于测定抗弯强度和抗弯弹性模量；50mm×50mm×20mm(L×T×R)的试件6个，用于测定质量损失率和颜色变化。

热改性条件试材平均载药量/(kg·m-3)对照硼溶液浓度1% 4% 8%对照 0 1.7 6.5 14.4185℃,3 h 0 1.6 6.4 13.7200℃,3 h 0 1.6 6.8 14.1质量损失率和颜色的测定：取各组橡胶木小试件(50mm×50mm×20mm)，分别
测得热改性前后的绝干质量，计算热改性过程中的质量损失率。

选择L×a×b色空间，在同组试件上测得颜色数据。

力学强度的测定：处理完成后，先将试件置于20℃、相对湿度65%条件下调湿处
理3周，然后根据国家标准测定抗弯强度[9]和抗弯弹性模量[10]，每个条件10个试件，采用三点弯曲法，弦向加荷，两支座跨距为240mm。

2 结果与分析
2.1 质量损失率
质量损失率结果见图1。

图1 硼预处理对热改性试材质量损失率的影响
185℃热改性3 h后，经硼预处理的试材质量损失率较未预处理的高，质量损失率随着硼浓度的升高而增加，经显著性分析，1%浓度处理与对照差异不显著，而1%，4%，8%处理的各组间差异显著。

200℃热改性3 h后，经1%、4%硼溶液
处理的试材质量损失率较对照略低，而经8%浓度处理的试材质量损失率略高于对照，各组间的差异不显著。

热改性木材的质量损失是由高温下木材中的多糖链解聚、乙酰基裂解生成乙酸释放、多糖脱水等多种因素造成的[11-12]。

木材主要组分在高温下的稳定性不同，半纤
维素最容易热降解，木素次之，纤维素最稳定。

半纤维素热降解的最低温度尚无统一界限，Hakkou[13]的研究结果显示，在100～160℃热改性不会发生质量损失
现象；Sivonen等[14]认为半纤维素从180℃开始降解，达到200℃时自由基含量迅速增加，木素开始参与热降解，芳环间发生缩合反应。

结合本试验的结果，认为在185℃木材中的半纤维素发生了轻度的热降解，推测硼的存在促进了这一过程，使质量损失率随硼含量的增大而提高。

当温度达到200℃时，热降解程度加深，
木素参与反应，硼的作用不再明显。

2.2 颜色
颜色数据见表2。

有文献对橡胶木素材热改性后的颜色进行研究，认为明度L*值
的变化是材色变化的最主要因素，a*值、b*值变化较不明显[4]。

本文对同等热改
性条件下，硼对颜色的影响加以分析。

表2 硼预处理对热改性材颜色的影响说明：L*值表示明度，L*值越大表示明度越高；a*表示红绿指数，a*值越大表示红色程度越高；b*值表示黄蓝指数，b*值越大表示黄色程度越高。

对照185℃ 200℃L* a* L* a* L* a* b*未经硼处理74.5 a 8.8 a 55.5 a 12.9 a 49.0 a 12.7 a 16.6 a 1% 70.3 b 10.4 b 54.2 a
13.5 a b 45.8 a 13.4 a c 16.4 a 4% 69.3 b 10.5 b 52.9 a 14.0 b 48.1 a
14.2 b 17.3 a 8% 68.2 b 10.4 b 53.7 a 13.9 b 47.4 a 13.9 b c 17.1 a b* b*15.5 a 18.6 a 16.3 a 19.0 a b 15.9 a 18.9 a b 16.2 a 19.8 b
素材经硼处理后即表现出显著的颜色变化，L*值减小，a*值增加，b*值变化不显著，说明材色变暗，变红。

经185℃、200℃热处理后，L*值大幅下降，硼预处理和未经硼处理的各组间L*值差异已不显著，但对于a*值，热改性后，4%、8%浓度硼处理的试材仍显著高于对照组，说明高浓度硼溶液处理的试材热改性后仍然偏红。

1%硼溶液处理的试材热改性后与对照组的颜色差异已不显著。

图2 硼预处理对热改性材抗弯强度的影响
2.3 力学性能
图3硼预处理对热改性材抗弯弹性模量的影响
前期研究结果表明，热改性后木材的抗弯强度降低，处理温度越高抗弯强度损失越大，本试验也显示了同样的规律。

本文着重分析同等热改性条件下，硼预处理对力学性能的影响。

由图2可看出，素材经硼处理后抗弯强度的变化没有表现出明显的规律，不同处理浓度间的差异不显著。

热改性后，185℃条件下，硼预处理各组的抗弯强度均高于对照，这与文献[6]报导的规律一致，但抗弯强度并没有随硼浓度的增大而提高；200℃条件下，1%硼溶液处理的试材抗弯强度最高，4%浓度处理的试材与对照相当，8%浓度处理的低于对照。

分析发现同等热改性条件下，各组间抗弯强度的差异是不显著的；同时文献中认为，抗弯强度的提高是由于硼化物可中和热改性过程中产生的酸，从而减轻了木材热改性的剧烈程度，但这与质量损
失率试验的结果相矛盾。

有文献报导，热改性后木材的抗弯弹性模量有增加的趋势[5]，但是在本试验中没有表现出明显的规律。

试验结果见图3。

同等热改性条件下，1%浓度处理的试材抗弯弹性模量低于对照，4%浓度处理的试材略有增加，8%浓度处理的试材又出现一定的下降。

同等热改性条件下各组试材抗弯弹性模量的差异也是不显著的。

3 结论与讨论
硼预处理后橡胶木热改性材的颜色较对照组在明度上没有显著差别。

但若处理浓度较高，则材色有偏红的迹象，当硼处理浓度较低时这种变化不明显。

目前市场上橡胶木中的硼含量远低于4%硼砂溶液处理的试材，可以认为橡胶木商品材中的硼对其热改性后的颜色没有大的影响。

在185℃热改性条件下，硼预处理后热改性材的抗弯强度有一定的增加但不显著，并且增加幅度不随硼浓度的提高而增加；当热改性温度达到200℃时，硼预处理
对抗弯强度没有改善。

分析硼预处理试材的抗弯弹性模量，没有发现明显的规律。

结合质量损失率试验的结果，认为可能在185℃条件下，硼对热改性过程有一定
影响，但随着热改性程度的加剧，硼的作用不再明显。

综上所述，橡胶木中硼化物的存在对其热改性过程有一定影响，但是反映到木材材性上，硼化物的存在及含量并不是影响其颜色和力学性能的主要因素。

参考文献
【相关文献】
[1]方文彬．橡胶木材构造、性质与利用[J]．北京木材工业，1994，1(3)：4-7.
[2]蒋明亮，张厚培.橡胶木防腐防虫技术研究概况[J].木材工业，1996，10(6)：22-24,31.
[3]曹永健，吕建雄，孙振鸢，等.国外木材热处理工艺进展及制品应用[J]．林业科学，2007，
43(2)：104-110.
[4]李民，李晓文，秦韶山，等.热处理温度对橡胶木物理性质的影响[J].木材工业，2011,25(4)：47-49.
[5]秦韶山，李民，李晓文，等.处理温度对高温热改性橡胶木物理力学性能的影响[J].热带作物学报，2011， 32(3)： 533-539．
[6] Awoyemi L, Westermark U. Effects of borate impregnation on the response of wood strength to heat treatment [J]. Wood Science and Technology, 2005, 39: 484-491.
[7] Awoyemi L. Determination of optimum borate concentration for alleviating strength loss during heat treatment of wood [J]. Wood Science and Technology, 2008, 42: 39-45.
[8]李晓文，李家宁，李民，等.高温热改性处理橡胶木的生物耐久性[C].第五届中国木材保护大会论文集，昆明，2010：101-104．
[9]GB 1936.1-91木材抗弯强度试验方法[S].
[10]GB 1936.2-91木材抗弯弹性模量测定方法[S].
[11] Bourgois J, Guyonnet R. Characterization and analysis of torrefied wood [J]. Wood science and Technology, 1988, 22: 143-155.
[12] Carrasco F, Roy C. Kinetic study of dilute-acid prehydrolysis of xylan-containing biomass. Wood Science and Technology, 1992, 26: 189-208.
[13] Hakkou M, Perissans M, Bakali I E, et al.Wettability changes and mass loss during heat treatment of wood. Holzforshung, 2005, 59: 35-37.
[14] Sivonen H, Maunu S L, Sundholm F, et al. Magnetic resonance studies of themally modified wood. Holzforschung, 2002, 56: 648-654.。