不同温度热处理对木材耐久性的影响

不同温度热处理对木材耐久性的影响
罗法三;孙伟伦;许民
【摘要】以落叶松和大青杨的木材为试材，用生物质燃气对其进行热处理，处理温度为150～210℃，处理时间为4h。

对热处理材进行室内抗白蚁和野外埋地试验，研究不同温度热处理对落叶松和大青杨2个树种热处理材的室内抗白蚁和天然耐久性影响。

结果表明，在室内抗白蚁试验中，随着热处理温度的升高，落叶松和大青杨热处理材的失重率均呈现增加的趋势，热处理后试材的室内抗白蚁性能降低，且随着处理温度的提高抗白蚁性能降低明显；热处理温度对落叶松试材的天然耐久性有较大影响，随着处理温度的提高，其天然耐久性越好，呈现增加的趋势，且在190℃时出现性能显著变化点；大青杨试材的天然耐久性变化规律与落叶松相反，随着处理温度的升高，其天然耐久性呈现降低的趋势，且在180℃时出现性能显著变化点。

%the wood of Larix spp.and Populus ussuriensis were heat-treated at different temperatures from 150℃to 210℃for 4 hours by biomass boratory termite resistance test and field-buried durability test were con-ducted on the two kinds of heat-treated woods.Results showed that termite resistance of the woods decreased obvi-ously after heat treatment.Weight loss of the two heat-treated woods tends to increase according to the gradual in-crement of temperature.Temperature also has great influence on the natural durability of heat-treated woods.190℃and 180℃ were respectively the points of significant change for Larix spp.and Populus ussuriensis woods.Natural durability of Larix spp.wood was improved while that of Populus ussuriensis wood was deteriorated when they were heat-treated at a higher temperature.
【期刊名称】《西南林业大学学报》
【年(卷),期】2014(000)005
【总页数】5页(P85-89)
【关键词】热处理;温度;室内抗白蚁;天然耐久性
【作者】罗法三;孙伟伦;许民
【作者单位】东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实验室，黑龙江哈尔滨 150040;东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实验室，黑龙江哈尔滨 150040;东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实验室，黑龙江哈尔滨 150040
【正文语种】中文
【中图分类】S782.33
木材热处理是指在150～230 ℃条件下，利用过热蒸气、空气和热油等作为传热介质和保护气体对木材进行加热的一种纯物理改性方法。

热处理后的木材尺寸稳定性和耐腐性能均会得到提高[1-4]，已经被广泛应用于装饰材料和室内外家具中。

关于热处理对木材耐久性的影响，国外已经有报道，Boonstra等[5]指出，辐射松(Pinus radiata)热处理后对粉孢革菌(Coniophora betulae)和卧孔菌(Poria spp.)的耐腐性有所提高，但对彩绒革盖菌(Coriolus versicolor)耐性的影响不大。

Kamdem等[6]对热处理木材的耐久性进行研究，结果表明，阔叶材比针叶材对温度变化更为敏感，在提高耐久性的同时，木材的机械强度会有相应的降低。

国内马星霞等[7]和陈人望等[8]的研究结果均表明，热处理材抗白蚁(Coptotermes formosanus)性能未能得到改善，但是关于温度对热处理材抗白蚁性能的影响规律
尚不清楚。

关于热处理对木材天然耐久性影响方面的报道也较少。

为此，本研究选择7个不同温度、在相同的处理时间下，分别对落叶松(Larix olgensis)和大青杨(Populus ussuriensis)2种木材进行热处理，将热处理试件按
照标准要求进行室内抗白蚁和野外埋地试验。

通过对试验结果的分析，探讨热处理温度对木材室内抗白蚁性能和天然耐久性的影响，以期获得合适的热处理工艺参数，为热处理木材的合理利用提供基础研究。

1.1 试验材料
1) 落叶松和大青杨原木，均购自黑龙江省绥芬河市林业局，按标准要求加工成板材，尺寸为2 000 mm×200 mm×25 mm，将板材干燥至含水率为8%～10%。

2) 蚁种，台湾家白蚁，由广东省林业科学研究院提供。

1.2 试验方法
2.1 不同温度热处理对木材室内抗白蚁性能的影响
落叶松热处理材和大青杨热处理材的室内抗白蚁性能检测结果见表1。

表1中的数据为各处理温度条件下3个试件的算术平均值。

由表1可知，7个不
同温度热处理的落叶松和大青杨试材均受到白蚁的严重侵蚀，防蚁蛀等级均为4级，这与Momohara等[10] 和李晓文等[11]的研究结果一致。

当温度从150 ℃
升到210 ℃时，落叶松热处理材的平均失重率从10.78%变化至18.73%，相比对照组的9.57%均有增加；当温度逐渐增加时，落叶松热处理材的失重率逐渐增加，210 ℃处理时的试材失重率最大，达到了18.73%。

从表1中还可以看出，除
150 ℃以外的其他6个不同温度的大青杨热处理材的失重率均高于对照组的
8.21%；同时，在190 ℃处理时大青杨热处理材的失重率由180 ℃处理时的
14.46%增加到28.26%，失重率增加接近2倍；当处理温度达到200 ℃时，失重率最大，达到了30.51%。

从总体来看，大青杨热处理材的失重率也是随着热处理温度的升高而呈现逐渐增加的趋势。

对于2种热处理材随着处理温度的升高失重率逐渐增加的原因，笔者分析认为，白蚁在蛀蚀木材时，白蚁自身和其体内共生物分泌的纤维素酶会将纤维素分解成葡萄糖[12]；而木材在进行热处理时，高温导致木材的部分半纤维素和纤维素发生降解反应，产生许多单糖，可以直接作为白蚁的食物。

所以热处理温度越高，半纤维素和纤维素分解出更多的葡萄糖供白蚁食用，所以失重率会随着热处理温度的增加而增加，热处理材比未处理材更容易受到白蚁的蛀蚀，且热处理温度越高，失重率越大。

2.2 不同温度热处理对木材天然耐久性的影响
按照GB/T 13942.2—2009的方法，选择野外埋地试验后取出的试件完好指数I 作为木材天然耐久性的评价指标。

将所有试件逐根检测，检测时根据试件腐朽和白蚁蛀蚀程度将试件评为10.0、9.5、9.0、8.0、7.0、6.0、4.0和0共8个等级，10.0表示试件完好，0表示试件已经被完全腐朽或被蛀断。

按照公式统计出不同温度处理条件下不同时间的平均完好指数。

当白蚁蛀蚀等级与腐朽等级不一致时，以较低的等级为准。

从图1可以看出，低温处理时(150、160、170 ℃和180 ℃)各年份的完好指数和对照组差别不明显，而较高温度处理时(190、200 ℃和210 ℃)在2.0 a及2.5 a 的完好指数明显高于对照组。

在野外埋地试验0.5 a后，落叶松热处理材的完好指数为8.05～9.15，平均值为8.76，对照组的完好指数为8.50，不同温度处理材之间的完好指数变化不大。

1.0 a后，较高温度处理的试材完好指数的平均值相比低温处理试材略高，但不很明显。

从2.0 a后的完好指数来看，高温处理比低温处理的完好指数平均值要高很多，190、200 ℃和210 ℃的平均完好指数为6.30，而150～180 ℃处理温度下的平均完好指数仅为2.50。

2.5 a后取出试样的检测结果也是如此，较高温度条件下的完好指数均高于较低温度处理。

其中在200 ℃时完好指数最高，为5.35；160 ℃处理时完好指数最低，仅为1.50。

根据GB/T 13942.2—2009的要求，当完好指数达1.60时，检测可终止，并以该年作为该木材的天然耐久平均年限。

因此，温度150 ℃和160 ℃处理的落叶松试样天然耐久年限为2.5 a；其余5个温度(170、180、190、200、210 ℃)处理的
落叶松试样平均完好指数均大于1.60，还不能下最终结论。

因此，当处理时间不
变时，热处理温度越高，落叶松材的天然耐久性越好。

同时，从图1还可以看出，当热处理温度从180 ℃升到190 ℃时，落叶松热处理材在2.0 a后的完好指数从2.75增加到6.40，2.5 a后的完好指数从2.30增加到4.85。

这表明，对于落叶松热处理材的天然耐久性而言，190 ℃是个明显的临界
温度。

这是由于在木材热处理过程中，纤维素、半纤维素和木质素均会发生不同程度的热解反应。

但是，半纤维素不耐高温，所以最先开始降解。

可能当温度升高到190 ℃时，落叶松材中的半纤维素开始大量降解，生成乙酸、甲醇和糠醛等挥发
性物质，同时使木材腐朽菌所需要的营养物质减少，从而提高了落叶松热处理材的耐久性能。

由图2可以看出，与落叶松的规律不同，大青杨热处理材在各个年份的完好指数
均随着热处理温度的上升呈逐渐下降的趋势。

150 ℃大青杨热处理材的完好指数
变化情况和对照组基本一致。

当处理温度升高到160 ℃时，大青杨热处理材在2.0 a后的完好指数降到0，天然耐久性明显下降。

170 ℃处理的大青杨热处理材0.5
a后的完好指数最高，为7.10；但当处理温度升高到180 ℃时，0.5 a的完好指数下降为4.50，下降了36.62%。

随着处理温度的继续升高，完好指数呈逐渐下降的趋势。

1.0 a 后的大青杨热处理材的完好指数也是在180 ℃时有了大幅降低，由3.15降至1.10，降低了65.08%。

2.0 a后，除150 ℃的完好指数为1.05外，其他温度处理的所有试件完好指数均为0。

这表明，对于大青杨热处理材的天然耐久性来说，180 ℃可能就是大青杨半纤维素开始大量降解的临界温度。

测试1.0 a后，180、190、200 ℃和210 ℃处理的大青杨试样天然耐久性仅为1.0 a；剩余的3
个温度(170、160、150 ℃)和大青杨素材的天然耐久性为2.0 a。

因此，当处理时间不变时，热处理温度越高，大青杨的天然耐久性越差。

所以，如果从天然耐久性考虑，推荐对大青杨进行低温热处理。

试验结果说明，温度对落叶松和大青杨热处理材天然耐久性的影响规律正好相反。

其原因可能是因为，天然耐久性的等级是取耐腐朽等级和抗白蚁等级的较小值，所以需要考虑2方面的因素。

在热处理过程中，由于半纤维素的降解和木素化学结
构的改变，提高了木材的耐腐性[3]。

从表1中可以看到，大青杨在热处理温度高
于180 ℃后的失重率大幅增加，所以热处理后，虽然大青杨的耐腐朽菌性得到提高，但是其抗白蚁性能下降的更加严重。

热处理温度越高，大青杨受白蚁蛀蚀的程度越大，加之大青杨本身材质较差，很容易被蛀断，因此，较高温度处理的大青杨试件的完好指数低于低温热处理的试件。

表1中的数据表明，落叶松在较高温度
热处理时的失重率均小于20%，且失重率随着温度的升高增幅很小。

另外，因为
其本身材质较硬，白蚁很难将其蛀断，所以白蚁对落叶松完好指数的影响不大。

结合热处理后落叶松的耐腐性的提高，其综合完好指数随着热处理温度的升高而增加。

因此，较高温度热处理能提高落叶松的天然耐久性。

1) 室内抗白蚁试验的结果表明：7个不同温度处理的落叶松热处理材和大青杨热
处理材均不抗白蚁蛀蚀，热处理材较未处理材更容易受到白蚁蛀蚀。

同时，落叶松热处理材和大青杨热处理材的失重率均随着热处理温度的升高而不断增加。

2) 随着热处理温度的升高，落叶松木材的平均完好指数呈现增加的趋势，在190 ℃时的完好指数大幅增加；而大青杨热处理材随着处理温度的上升，其平均完好指数呈现降低的趋势，在180 ℃时下降最明显。

3) 在本试验所选择的温度范围内，热处理温度越高，落叶松木材的天然耐久性越好，而大青杨的天然耐久性越差，所以热处理对木材耐久性的影响取决于所处理的树种、处理温度和处理时间等因素。