中温热处理桃花心木的物理力学性能

中温热处理桃花心木的物理力学性能
尹梦婷;孙照斌;何璠;陈凤义;李星;马淑玲
【摘要】为提高实木家具用桃花心木的性能,对进口桃花心木进行了140℃、10 h 的中温热处理,考察了热处理对桃花心木物理力学性能的影响.结果表明:与未处理材相比,热处理材的干缩率、吸湿湿胀率和平衡含水率均下降,尺寸稳定性提高;同时,热处理材的密度、各项力学指标均有所下降,其中抗压类强度下降幅度较大,可能是热处理时间较长所致,建议后续生产时适当减少热处理保持时间.
【期刊名称】《林业机械与木工设备》
【年(卷),期】2019(047)008
【总页数】6页(P23-28)
【关键词】桃花心木;热处理;物理力学性能
【作者】尹梦婷;孙照斌;何璠;陈凤义;李星;马淑玲
【作者单位】河北农业大学林学院,河北保定071000;河北农业大学林学院,河北保定071000;京安际铁路有限公司,北京101149;廊坊华日家具股份有限公司,河北廊坊065001;浙江裕华木业有限公司,浙江嘉善314100;廊坊华日家具股份有限公司,河北廊坊065001
【正文语种】中文
【中图分类】S781
桃花心木(Swietenia macrophylla)隶属楝科，为常绿大乔木，树高可达25 m，
直径可达4 m，原产西印度群岛、南佛罗里达等地，现已引种到世界上很多热带地区。

桃花心木为散孔显心材，心材呈暗红褐色；边材颜色由浅黄褐逐渐变至浅红褐色，生长轮在放大镜下观察很明显；无特殊气味和滋味；纹理直，略交错，结构均匀而细腻，木材密度中等，花纹优美，光泽度优良；多用于装饰性单板、家具、镶嵌板、乐器、木工、雕刻等。

进口桃花心木是做高档实木家具的主要材料之一，实木家具对尺寸稳定性要求较高，干燥处理不当可能导致实木家具在后续制造和使用过程中出现开裂或变形等问题。

桃花心木干缩变形较大，木材常规干燥后存在尺寸稳定性差问题[1-3]。

为解决该问题，很多企业采取高温热处理方法提高尺寸稳定性，减少或避免开裂变形[4-6]。

高温炭化热处理材带来众多优点的同时也存在一些缺点，诸如处理材的抗弯强度、抗弯弹性模量、抗冲击韧性及表面耐磨性等力学强度性能会有所降低，有的下降率达30%甚至更多；处理后木材颜色加深，可能会降低材色美观度；此外，高温对热处理设备的要求较高，所以投资成本较高。

目前国内外的研究大多集中在高温炭化热处理的研究方向上，有关中高温(120～160 ℃)热处理工艺，以及其应用于实木家具等实木制品生产的研究及文献较少[7-9]。

为提高桃花心木用做家具面板时的尺寸稳定性，通过研究中温(140 ℃左右)热处理工艺，探索中温热处理对进口桃花心木物理力学性能的影响，旨在为企业进一步完善桃花心木热处理工艺，提高产品附加值提供理论依据。

1 试验材料与方法
1.1 试验材料
桃花心木：产自东南亚，廊坊华日家具有限公司提供。

轻度热处理木材、对照材(均为常规干燥木材)各5块，尺寸800 mm(长)×150 mm(宽)×50 mm(厚)，含水率5%～10%。

化学试剂：碳酸钾(饱和盐溶液在20 ℃下，相对湿度为44%)；硝酸铵(饱和盐溶
液在20 ℃下，相对湿度为65%)；氯化钠(饱和盐溶液在20 ℃下，相对湿度为76%)。

1.2 试验设备
①德国CS 50 EB-Set木工专用台锯；②电子天平(精确至0.001 g)；③游标卡尺(精确至0.02 mm)；④101-3A B型干燥箱，天津泰斯特仪器有限公司生产，能保持在(103±2)℃，恒温灵敏度±1 ℃；⑤生物培养箱：恒温灵敏度±1 ℃，温度范围20～80 ℃；⑥干燥器；⑦WDW-100E微机控制电子式万能试验机，济南试金集团有限公司生产。

1.3 木材热处理方法
廊坊华日家具有限公司使用箱式热处理窑，导热油加热，水蒸气为保护性气体，一次装材量为30～40 m3/窑。

轻度热处理工艺分为预热阶段、升温阶段、热处理(保温)阶段、降温阶段，热处理工艺参数见表1。

热处理时，气压保持在20 kPa，在70 ℃以前每小时升5 ℃；当温度升到70～80 ℃时，每2小时升5 ℃；温度升到85～100 ℃时，每3小时升5 ℃，这时打开电加热升温，温度达到140 ℃保持10 h即可逐步降温。

表1 桃花心木轻度热处理工艺基准处理阶段温度/℃时间/h预热阶段常温→558升温阶段55→14026保温阶段14010降温阶段140→1208120→1008100→606 1.4 性能测试方法
(1)对照材和热处理材试件锯解均在距离锯材端部200 mm处制取试件，试件制做与检验按《GB/T 1928-2009 木材物理力学试验方法总则》第3章的规定进行。

(2)密度、干缩性分别按照《GB 1933-2009木材密度测定方法》《GB/T 1932-2009木材干缩性测定方法》、吸水性和吸湿性按照《GB/T 1934.1-2009木材吸水性测定方法》《LY/T 2490-2015改性木材尺寸稳定性测定方法》进行测试。

阻湿率按式(1)计算，精确至0.1%。

(1)
式中：MEE为阻湿率(%)；MC为未处理材的吸湿稳定含水率(%)；MT为处理材
的吸湿稳定含水率(%)。

抗涨缩率计算按式(2)、式(3)计算，精确至0.1%：
(2)
(3)
式中：ASE-sw为抗湿胀率(%)；ε0为对照材湿胀率(%)；ε1为热处理材湿胀率(%)；ASE-sh为抗干缩率(%)；Δl0为对照材干缩率(%)；Δl1为热处理材干缩率(%)。

(4)顺纹抗压强度、抗弯强度、抗弯弹性模量、横纹抗压强度和横纹局部抗压强度
分别按照《GB/T 1935-2009木材顺纹抗压强度测定方法》、《GB/T 1935-2009木材顺纹抗压强度测定方法》、《GB/T 1936.2-2009木材抗弯弹性模量测定方法》、《GB/T 1939-2009木材横纹抗压试验方法》进行测试。

热处理对各力学指标的影响程度(升高或降低)的比较，引入变化率ξ作为评价指标：
式中：M后为木材热处理后的力学强度平均值，M前为木材热处理前的力学强度
平均值。

ξ为正值，说明炭化处理后木材力学强度提高；反之，若为负值，力学强度下降，且负值越小下降幅度越大。

2 试验结果与分析
2.1 热处理对木材物理性能的影响
2.1.1 密度
热处理材与对照材密度对比如图1所示。

经过热处理后的桃花心木密度有所降低，热处理材的气干密度为0.716 g/cm3、绝干密度为0.684 g/cm3和基本密度为
0.649 g/cm3，相对于对照材分别降低了8.2%、9.0%和11.5%。

在热处理过程中木材内的纤维素和半纤维素发生不同程度的热降解，部分挥发性物质从木材中流失；同时，木材中的内含物，如树脂、树胶、单宁、色素、淀粉等物质在加热过程中从木材表面溢出，部分转化为挥发性物质而流失，从而导致木材细胞壁物质的减少，使木材密度降低[10]。

2.1.2 干缩性
热处理材与对照材的气干和全干干缩率对比如图2所示。

桃花心木热处理材的气
干抗干缩率、全干抗干缩率见表2。

表2 桃花心木热处理材气干抗干缩率、全干抗干缩率 %径向弦向体积气干材抗干
缩率16.222.616.9全干材抗干缩率8.618.614.7
图1 热处理材与对照材的密度对比
图2 热处理材与对照材的气干和全干干缩率对比
从图2可以看出，气干干缩方面，经轻度热处理的桃花心木与对照材相比，径向
干缩率降低了0.6%，弦向干缩率降低了1.2%、体积干缩率降低了1.5%。

全干干缩方面，经轻度热处理的桃花心木与对照材相比，径向干缩率降低了0.5%，弦向干缩率降低了1.5%、体积干缩率降低了2.0%。

从表2中可以看出，经过热处理的桃花心木从饱水状态到气干状态的径向、弦向、体积抗干缩率基本上都高于全干抗干缩率，即湿材从失水解吸到气干状态时的尺寸稳定性比到全干状态时要略好。

2.1.3 吸水湿胀率
热处理材与对照材吸水膨胀率对比如图3所示。

从图3可看出热处理材吸水湿胀
率低于对照材，从图3已知数据可计算出桃花心木的径向、弦向和体积抗吸水湿
胀率分别为16.2%、22.6%和16.9%。

2.1.4 吸湿性
桃花心木热处理材与对照材湿胀率对比如图4所示。

从图4可以看出在任意环境
湿度中，经过热处理的桃花心木的径向、弦向、体积湿胀率均低于常规干燥材，说明热处理可降低木材的吸湿性，提高尺寸稳定性。

桃花心木热处理材的径向、弦向、体积湿胀率分别为2.7%、3.0%、3.9%，均低于对照材的4.5%、5.1%、6.3%。

图3 热处理材与对照材吸水膨胀率对比
图4 桃花心木热处理材与对照材湿胀率对比(20 ℃)
图4中(a)、(b)、(c)分别表示热处理材与对照材在不同相对湿度环境中的径向、弦向、体积湿胀率变化，折线图表明湿胀率随相对湿度的增加而上升，并且热处理材与对照材的增长率不同，均为热处理材的增长率小于对照材的增长率。

不同湿度环境下，桃花心木对照材的径向湿胀率增长率为1.1%，高于热处理材的0.6%；对照材与热处理材的体积湿胀率差值在温度为20 ℃、相对湿度为44%、65%的环境及饱水状态下，分别为1.6%、1.9%、2.4%；其热处理材体积湿胀率
增长率为0.5%，低于对照材的0.9%。

由此说明，热处理材的吸湿性降低，尺寸
稳定性得到优化。

热处理材在不同相对湿度下的抗湿胀率见表3，由表3可以看出，在温度为20 ℃、相对湿度为44%、65%和100%的环境下的径向抗湿胀率、弦向抗湿胀率、体积
抗湿胀率随相对湿度的升高而增加，桃花心木的吸湿性降低，尺寸稳定性得到改善，并且随着环境湿度的升高，热处理材抗湿胀率也有所提高，也就是说，热处理材随环境湿度的升高，逐渐凸显其尺寸稳定性能优于常规干燥材的特点。

表3 热处理材在不同相对湿度下的抗湿胀率(T=20 ℃)%相对湿度径向抗湿胀率弦
向抗湿胀率体积抗湿胀率4434.734.935.66538.538.737.310040.041.238.1
2.1.5 平衡含水率
热处理材与对照材在不同相对湿度下的平衡含水率和阻湿率对比见表4。

热处理材与对照材的平衡含水率随相对湿度的增加而增加，并且桃花心木热处理材平衡含水率低于对照材。

桃花心木热处理材在相对湿度44%、65%、76%环境下达到稳定后，平衡含水率分别为7.9%、8.9%、10.8%，低于对照材的11.1%、12.7%、14.7%。

三个温湿度阻湿率分别为28.8%、29.9%、26.5%。

热处理材平衡含水率低于对照材的，其原因是吸湿性强的半纤维素发生热分解，游离羟基浓度降低，纤维素结晶区比例提高，都致使热处理降低木材的吸湿性[11]，所以热处理材平衡含水率低于对照材。

2.2 热处理对木材力学性能的影响
热处理材与对照材力学性能对比结果见表5。

表4 热处理材与对照材不同相对湿度下的平衡含水率和阻湿率对比(T=20 ℃)类别44%65%76%平均值变异系数阻湿率平均值变异系数阻湿率平均值变异系数阻湿率对照材11.1%1.3%炭化材
7.9%2.2%28.8%12.7%1.3%8.9%2.3%29.9%14.7%1.1%10.8%2.2%26.5%
表5 桃花心木热处理材与对照材力学性能对比项目类别平均值/MPa标准差变异系数/%变化率/%抗弯弹性模量对照材19668.7727.74193.7热处理材
13615.81470.506410.8-31抗弯强度对照材18416.0088.7热处理材
132.79.2897-27.9顺纹抗压强度对照材105.55.9085.6热处理材643.7125.8-39.3径向横纹抗压强度对照材23.11.98668.6热处理材10.61.208411.4-54.1弦向横纹抗压强度对照材18.61.17186.3热处理材10.41.518414.6-44.1径向横纹对照材35.41.20363.4局部抗压强度热处理材20.61.97769.6-41.8弦向横纹对照材25.31.39155.5局部抗压强度热处理材13.20.51483.9-47.8
注：热处理材含水率及对照材含水率均平衡为12%。

从表5中可以得知，经过轻度热处理木材各项力学强度均低于常规干燥材，并且
降低幅度较大。

其中抗弯弹性模量的变化率为-31.0%，抗弯强度变化率为-27.9%；径向横纹抗压强度变化率为-54.1%；径向横纹局部抗压强度变化率为-41.8%；弦向横纹局部抗压强度变化率为-47.8%。

本研究经过轻度热处理的桃花心木材各项
力学强度降低较多，主要原因可能是热处理时间过长所导致[12]。

江京辉、曹永建等[13-14]列举常压空气200 ℃热处理1h、3h、5h时，抗弯强度分别降低了4.12%、7.98%、14.49%；抗弯弹性模量分别降低了3.90%、8.41%、11.34%。

王晓棠等[15]对楸木140 ℃ 热处理1h、3h、5h时，抗弯强度分别降
低了18.64%、23.20%、27.50%，160 ℃和5 h的热处理其抗弯强度降低
44.21%，并在160 ℃之后下降幅度加大。

本研究140 ℃ 热处理时间达到10 h，其后的从140 ℃降温到120 ℃也有8 h，所以力学强度降低较多。

3 结论
(1)本研究范围内，中温热处理降低了桃花心木的密度，提高了干缩、吸水膨胀率
和吸湿膨胀率方面的尺寸稳定性参数。

(2)中温热处理降低了桃花心木的各项力学强度，且各类抗压强度降低幅度较大，
可能是热处理时间较长所导致，有待进一步考察。

(3)建议在后续生产中，在满足热处理调整材色要求的前提下，尽量减少热处理时间，以减小力学强度损失；同时也有利于降低能源消耗。

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