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热处理温度和时间对杉木质量损失和静曲强度的影响

张静 漆楚生 母军

张静, 漆楚生, 母军. 热处理温度和时间对杉木质量损失和静曲强度的影响[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200257
引用本文: 张静, 漆楚生, 母军. 热处理温度和时间对杉木质量损失和静曲强度的影响[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200257
Zhang Jing, Qi Chusheng, Mu Jun. Effects of thermal treatment temperature and duration on mass loss and rupture modulus of Cunninghamia lanceolata[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200257
Citation: Zhang Jing, Qi Chusheng, Mu Jun. Effects of thermal treatment temperature and duration on mass loss and rupture modulus of Cunninghamia lanceolata[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200257

热处理温度和时间对杉木质量损失和静曲强度的影响

doi: 10.12171/j.1000-1522.20200257
基金项目: 国家自然科学基金项目(3197140272、31870536)
详细信息
    作者简介:

    张静。主要研究方向:木材热加工。Email:873460923@qq.com 地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学材料科学与技术学院

    通讯作者:

    漆楚生,博士,副教授。主要研究方向:木质复合材料。Email:qichusheng@bjfu.edu.cn 地址:同上

    母军,博士,教授。主要研究方向:木质生物质材料利用。Email:mujun@bjfu.edu.cn 地址:同上

Effects of thermal treatment temperature and duration on mass loss and rupture modulus of Cunninghamia lanceolata

  • 摘要:   目的  热处理可以改善木材的尺寸稳定性,同时会降低木材质量并影响木材力学性能,有必要探明热处理对木材质量和力学性能的作用机制。  方法  本研究选用人工林杉木薄片作为试验材,在160、180、200、220℃及氮气环境下分别处理1、2、3、4、5、6 h,测试处理后木材的质量损失率(mL)和静曲强度(MOR),采用ATR-FTIR、TGA进行表征,并建立热处理杉木质量损失率和静曲强度的预测模型。  结果  热处理温度低于200 ℃时,温度比时间对杉木质量损失率和力学性能的影响更显著。当热处理温度高于200 ℃时,温度和时间对质量损失率和力学性能均有显著性影响。热处理杉木的质量损失率随热处理温度升高和时间延长呈非线性增加,质量损失率范围在0.2% ~ 17.6%之间,其预测模型为lnmL = 0.8lnt + 9.35lnT – 53.67(t为时间,T为温度),R2为0.99,试验测试值与模型预测值基本一致。杉木的MOR随热处理温度升高和热处理时间延长线性降低,与未处理杉木相比,MOR降低了4.4% ~ 74.8%,其预测模型为MOR = −2.57t – 0.82T + 220.44,R2为0.93,该模型总体预测效果较好。热处理杉木MOR随质量损失率增加呈指数下降,两者关系模型为MOR = 65.4${{\rm{e}}^{ - 20m_{\rm{L}}}}$ + 16.4,R2为0.95,此模型能够预测MOR随质量损失率的非线性变化趋势。  结论  通过试验数据建立了杉木的质量损失率与热处理条件,MOR与热处理条件,质量损失率与MOR之间的经验方程,可预测热处理木材质量损失和MOR的变化趋势,为木材热处理工艺的优化和热处理木材性能预测提供参考和依据。
  • 图  1  不同热处理温度和时间下的杉木红外光谱图

    Figure  1.  FTIR spectra of heat-treated Chinese fir wood at different temperatures and times

    图  2  热处理杉木的TG与DTG曲线

    Figure  2.  TG and DTG curves of heat-treated Chinese fir wood

    图  3  热处理时间和温度对杉木质量损失率的影响

    Figure  3.  Effects of heat treating time and temperature on the mass loss rate of Chinese fir wood

    图  4  热处理温度和时间对杉木质量损失率和静曲强度的影响

    Figure  4.  Effects of heat treating conditions on mass loss rate and MOR of Chinese fir wood

    图  5  预测模型与试验数据的比较

    Figure  5.  Comparison of prediction model and test data

    表  1  不同热处理温度和时间条件下杉木的静曲强度

    Table  1.   MOR of Chinese fir wood under different heat treating temperature and time MPa

    时间 Time/h温度 Temperature/℃
    160180200220
    180.1 ± 6.873.9 ± 3.260.1 ± 2.938.1 ± 4.1
    276.2 ± 5.971.3 ± 2.956.7 ± 3.433.2 ± 3.0
    374.2 ± 6.870.3 ± 4.850.4 ± 3.228.3 ± 5.8
    473.3 ± 5.968.4 ± 6.744.5 ± 3.223.5 ± 3.2
    573.3 ± 6.865.9 ± 2.942.5 ± 2.923.5 ± 3.4
    676.2 ± 2.965.9 ± 5.639.6 ± 2.921.1 ± 3.2
    注:对照组的静曲强度为(83.8 ± 3.6) MPa。Note: MOR of the control is (83.8 ± 3.6) MPa.
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-08-24
  • 修回日期:  2020-09-14
  • 网络出版日期:  2020-10-16

热处理温度和时间对杉木质量损失和静曲强度的影响

doi: 10.12171/j.1000-1522.20200257
    基金项目:  国家自然科学基金项目(3197140272、31870536)
    作者简介:

    张静。主要研究方向:木材热加工。Email:873460923@qq.com 地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学材料科学与技术学院

    通讯作者: 漆楚生,博士,副教授。主要研究方向:木质复合材料。Email:qichusheng@bjfu.edu.cn 地址:同上; 母军,博士,教授。主要研究方向:木质生物质材料利用。Email:mujun@bjfu.edu.cn 地址:同上

摘要:   目的  热处理可以改善木材的尺寸稳定性,同时会降低木材质量并影响木材力学性能,有必要探明热处理对木材质量和力学性能的作用机制。  方法  本研究选用人工林杉木薄片作为试验材,在160、180、200、220℃及氮气环境下分别处理1、2、3、4、5、6 h,测试处理后木材的质量损失率(mL)和静曲强度(MOR),采用ATR-FTIR、TGA进行表征,并建立热处理杉木质量损失率和静曲强度的预测模型。  结果  热处理温度低于200 ℃时,温度比时间对杉木质量损失率和力学性能的影响更显著。当热处理温度高于200 ℃时,温度和时间对质量损失率和力学性能均有显著性影响。热处理杉木的质量损失率随热处理温度升高和时间延长呈非线性增加,质量损失率范围在0.2% ~ 17.6%之间,其预测模型为lnmL = 0.8lnt + 9.35lnT – 53.67(t为时间,T为温度),R2为0.99,试验测试值与模型预测值基本一致。杉木的MOR随热处理温度升高和热处理时间延长线性降低,与未处理杉木相比,MOR降低了4.4% ~ 74.8%,其预测模型为MOR = −2.57t – 0.82T + 220.44,R2为0.93,该模型总体预测效果较好。热处理杉木MOR随质量损失率增加呈指数下降,两者关系模型为MOR = 65.4${{\rm{e}}^{ - 20m_{\rm{L}}}}$ + 16.4,R2为0.95,此模型能够预测MOR随质量损失率的非线性变化趋势。  结论  通过试验数据建立了杉木的质量损失率与热处理条件,MOR与热处理条件,质量损失率与MOR之间的经验方程,可预测热处理木材质量损失和MOR的变化趋势,为木材热处理工艺的优化和热处理木材性能预测提供参考和依据。

English Abstract

张静, 漆楚生, 母军. 热处理温度和时间对杉木质量损失和静曲强度的影响[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200257
引用本文: 张静, 漆楚生, 母军. 热处理温度和时间对杉木质量损失和静曲强度的影响[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200257
Zhang Jing, Qi Chusheng, Mu Jun. Effects of thermal treatment temperature and duration on mass loss and rupture modulus of Cunninghamia lanceolata[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200257
Citation: Zhang Jing, Qi Chusheng, Mu Jun. Effects of thermal treatment temperature and duration on mass loss and rupture modulus of Cunninghamia lanceolata[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200257
  • 近年来,许多国家对天然林采取不同程度的禁伐或禁止出口等保护措施。自20世纪 60 年代起,我国大力推广速生人工林种植,目前人工林面积居世界首位,其中杉木(Cunninghamia lanceolata)是我国最主要的人工林树种之一。由于生长周期短,速生材存在尺寸稳定性差、密度低、耐候性差等缺点。通过对杉木等速生材进行改性处理,提高其性能,增加经济附加值等具有重要意义[1]。随着人们环保意识的增强,非化学药剂处理的木材制品获得了越来越广阔的市场空间,其中木材热处理技术占据了重要位置,近年来开发了比较成熟且已商业化推广的木材热处理技术[2-3]。热处理是一种不添加任何化学药品的木材改性方法,一般是在150 ~ 260 ℃的缺氧环境中进行,可提高木材尺寸稳定性、耐腐性等[4]

    热处理木材的质量损失主要受树种和热处理条件的影响。Esteves和Pereira[5]研究发现:对不同树种木材,采用不同热处理工艺,质量损失率在5.7% ~ 15.2%之间。热处理过程中木材的质量损失对其性能具有重要影响,有必要进行研究。Zaman等[6]在水蒸汽介质中对欧洲赤松(Pinus sylvestris)和白桦(Betula platyphylla)进行热处理,在相同处理条件下,针叶材(赤松)的质量损失小于阔叶材(白桦)的质量损失。热处理材的质量损失随热处理温度升高而增加,一般在200 ℃或更高处理温度下可观察到处理材质量加速损失。Yalcin等[7]在热处理白蜡木(Fraxinus spp.)的研究中发现:热处理温度低于200 ℃时,处理材质量损失率很小,当温度达到200 ℃时,质量损失率迅速增加。热处理通常会导致木材力学性能降低[8],总体而言,静曲强度(MOR)随热处理程度加深而不断下降[9]。Bekhta等[10]在100、150、200 ℃下热处理云杉(Picea asperata)24 h,其MOR平均下降44% ~ 50%,弯曲弹性模量(MOE)下降4% ~ 9%。张乃华等[11]研究表明:热处理马尾松(Pinus massoniana)的MOR和MOE均随热处理温度升高和时间延长逐渐降低。

    木材力学性能的行为机制体现在细胞壁结构与性能上[12-13],木材细胞壁主要由纤维素、半纤维素和木质素3种高分子化合物组成,它们的降解与分布影响处理材的力学性能。Malek 等[14]基于巴尔沙木(Ochroma lagopus)细胞壁的多尺度结构,建立了包括细胞壁形态、微纤丝角度、细胞壁层厚度的力学性能模型,但此模型不能反映热处理对木材细胞壁力学性能的作用机制。Tiryaki和Hamzacebi [15]采用人工神经网络模型对热处理山毛榉(Fagus longipetiolata)和云杉的MOR、MOE进行了预测,但人工神经网络模型不能直观揭示热处理工艺与性能之间的作用关系,因此有必要建立经验或理论分析预测模型。有研究[16]表明:热处理材的质量损失影响其力学性能,在木材热处理过程中,半纤维素最先开始热分解,释放的乙酸作为解聚催化剂,进一步催化多糖分解,是热处理木材发生质量损失的主要原因。Mburu等[17]研究发现:当质量损失率高于16%时,热处理材的力学性能开始显著降低。因此,建立质量损失与力学性能的关系模型,将有利于通过热处理过程中实时监测木材质量损失而快速推测处理材的力学性能。

    本研究采用不同热处理温度(160、180、200、220 ℃)和时间(1、2、3、4、5、6 h),在氮气氛围下,对人工杉木薄片进行热处理。通过考察热处理温度和时间对木材质量损失率和静曲强度的影响,分别构建质量损失率和静曲强度的经验预测模型,以及质量损失率与静曲强度之间的关系模型。

    • 杉木(Cunninghamia lanceolata)产自浙江省开化市,气干材。在热处理过程中为了使试件温度分布比较均匀,采用厚度为1 mm的薄片试件,试件尺寸为51 mm(轴向) × 13 mm(径向) × 1 mm(弦向),试验前在60 ℃真空干燥箱(DZF-6050)处理4 h,预处理后试材含水率约为3%。

    • 本试验对高温烘箱(KSL-1200X)进行改进,增加了氮气输入和输出通道,使烘箱空腔形成氮气保护氛围。首先将待处理试样在常温下放入烘箱后通入20 min氮气,排除烘箱空腔中的空气,之后以10 ℃/min的升温速率升至目标温度并保持,热处理完成后快速打开烘箱取出试件,并保存在干燥器中冷却至室温。结合工业常用热处理温度范围,本研究的热处理温度分别为160、180、200和220 ℃,热处理时间分别为1、2、3、4、5、6 h,氮气流量150 mL/min,对照组未进行热处理,每个试验重复6次。

    • 放入干燥箱之前,将试样进行称重,根据试样含水率计算其绝干质量m0(单位为g),热处理完毕冷却后其称量其质量m1(单位为g),热处理质量损失率mL(单位为%)计算如式(1)所示。

      $$ {m}_{\rm{{L}}}=\frac{{m}_{0}-{m}_{1}}{{m}_{0}}\times 100\% $$ (1)
    • 根据ASTM D790采用三点弯曲法测定试件的静曲强度(MOR),测试前将处理后的试件置于温度(20 ± 2)℃、相对湿度(65 ± 3)%条件下进行72 h恒温恒湿处理。力学性能测试加载速度为2 mm/min,每种处理重复6次后取平均值。

    • 将热处理前后的试件粉碎并筛选200目木粉,将木粉放置在温度为(103 ± 2)℃的烘箱中烘至绝干,然后使用Nicolet 6700光谱仪(Thermo Scientific, Pittsburgh, PA, USA)进行全反射红外扫描(ATR-FTIR),分辨率设为4 cm−1,扫描次数32次,扫描范围为500 ~ 4 000 cm−1

    • 取粉碎后的200目绝干木粉6 mg左右,利用热重分析仪(TA Q50, WATERS Company, USA),在氮气环境下,以10 ℃/min 的升温速率,从室温到 810 ℃,测试热处理试件的热分解特性。

    • 使用TableCurve 3D软件,将热处理温度、热处理时间、质量损失和静曲强度作为输入参数,建立质量损失率和静曲强度与热处理参数之间的回归分析方程;使用R语言软件(版本3.6.1)对质量损失率与力学性能之间的相关关系进行回归分析,建立预测模型。

    • 热处理材的质量损失和力学性能与木材主要化学成分的变化密切相关,可通过红外光谱表征热处理前后官能团的变化,从而反映热处理过程中杉木的化学变化。热处理杉木的红外光谱图如图1所示,3 340 cm−1处为—OH基团的吸收峰,随着热处理温度升高,此处吸收峰强度逐渐减弱,变得较为平缓,主要是因为热处理使半纤维素和纤维素无定形区发生降解反应,纤维素分子之间的游离羟基变少,从而导致了—OH数量的减少[18-19]。Liang等[20]对杨木(Populus spp.)半纤维素进行热处理时也发现,随着热处理温度的升高—OH数量减少,3 300 ~ 3 400 cm−1处峰值变缓。2 925 cm−1处为C—H键的伸缩振动,主要反映纤维素含量随热处理条件的变化[21]。从图中可看出,此处特征峰强度受热处理温度变化的影响较小,说明热处理过程中纤维素比较稳定。1 732 cm−1处为半纤维素的特征峰,主要是C=O键的伸缩振动[22],此处吸收峰的峰值随着温度的升高逐渐增强,说明羰基的相对数量增多。可能是热处理过程中,随着温度升高一些化合物发生氧化反应所致[23],此外,在较高温度条件下,半纤维素中的乙酰基发生水解反应产生乙酸,在酸性条件下,木质素发生酯化反应,在一定程度上也会减少羟基并增加羰基[19]。1 542 cm−1处为木质素的苯环骨架振动峰[1],随着热处理温度升高,此处峰值有小幅增强,可能是由于半纤维素的热分解使木质素的相对含量有所提高[22]。研究表明:虽然热处理后木材细胞壁发生了一定的化学变化,但FTIR光谱图总体上变化不大。这与Herrera-Díaz等[24]的研究结果相符。

      图  1  不同热处理温度和时间下的杉木红外光谱图

      Figure 1.  FTIR spectra of heat-treated Chinese fir wood at different temperatures and times

    • 热处理杉木的热稳定性可间接反映热处理对木材主要化学成分的影响,其分解反应本质上是三大化学成分热分解反应的总和,可以评估和预测热处理木材的特性。图2为热处理前后杉木的TG与DTG变化图,图2a为不同温度下热处理杉木4 h,其DTG峰值差异明显,图2b为在200℃下热处理杉木,其DTG峰值变化较小,说明热处理温度比热处理时间对处理材的热稳定性影响更显著。室温至150 ℃范围内,木材质量变化微小(图2的TG曲线),主要是木材内部残留水分的减少,此为热分解的第一阶段。第二阶段发生在150 ~ 250 ℃之间,部分半纤维素发生了热解[25],此阶段质量损失较小。在DTG曲线中,由于与纤维素分解区域部分重叠,没有出现明确的峰值[26]。第三阶段在250 ~ 380 ℃范围内进行,大部分质量损失发生在此阶段,约占总质量损失的70%,木材中的所有结构成分均发生热降解,半纤维素基本降解完全,纤维素也大量降解[21]。第四阶段为380 ~ 800 ℃范围内,由于半纤维素与部分纤维素已大量降解,此阶段热分解速度缓慢,在430 ℃左右,出现了一个峰值,是木质素的降解峰[27]。与对照组相比,热处理材的质量损失更低,说明热稳定性更高,主要是因为热处理材中部分化学物质已降解。与Okon等[26]对杉木进行硅油热处理的研究结果一致。

      图  2  热处理杉木的TG与DTG曲线

      Figure 2.  TG and DTG curves of heat-treated Chinese fir wood

    • 图3为不同热处理条件下杉木的质量损失率(mL)变化图,质量损失率范围在0.2% ~ 17.6%之间。图3a为相同热处理温度下,杉木的质量损失率随着热处理时间的变化。在180 ℃及以下,木材的质量损失率随热处理时间的增加没有明显变化,当热处理温度超过200 ℃时,热处理时间越长,质量损失率越大,且温度越高,增长的斜率越大;220 ℃时,随着时间延长,质量损失率急剧增加,当热处理时间超过3 h,质量损失率均在10%及以上,热处理时间为6 h时,质量损失率为17.1%。说明热处理温度超过200 ℃时,时间对质量损失率有显著性影响。图3b为热处理温度对杉木质量损失率的影响,热处理温度为160 ℃时,质量损失率范围为0.2% ~ 0.9%,180 ℃时质量损失率范围为0.6% ~ 1.6%。低温条件下,质量损失主要是低分子量抽提物和半纤维素的热分解导致,其中半纤维素的热分解温度为160 ~ 180 ℃,木质素和纤维素相对来说比较稳定,低温下难以降解[16]。热处理温度为200 ℃时,热处理杉木质量损失率显著提高,质量损失范围为1.8% ~ 6.6%;当热处理温度升至220 ℃时,质量损失率急剧增加,范围在4.1% ~ 17.1%之间。较高温度下,半纤维素进一步发生降解,部分木质素发生交联反应,纤维素无定形区也开始降解[28-29]。半纤维素热降解的主要原因是侧链基团乙酰基发生反应,产生乙酸,从而发生了酸催化反应,在一定程度上促进了纤维素和木质素的降解[16,30-31]。Ozgenc等[8]对热处理木材中的化学变化进行测定时,也发现当热处理温度超过200 ℃时,处理材的质量损失会加速。Hakkou等[32]研究发现在80 ~ 200 ℃温度范围内处理木材8 h时,木材质量损失了约7%,在260 ℃处理8 h 时木材质量损失达35%。

      图  3  热处理时间和温度对杉木质量损失率的影响

      Figure 3.  Effects of heat treating time and temperature on the mass loss rate of Chinese fir wood

    • 静曲强度是表征木材承受横向载荷的能力,是木材重要力学性质之一[33]。如表1所示,随着热处理温度的升高,杉木的静曲强度总体呈下降趋势,与未处理材相比降低了4.4% ~ 74.8%,说明热处理后,杉木承受横向载荷的能力下降,与Popescu等[31]的研究结果一致。与未处理材(83.8 MPa)相比,热处理温度为160 ℃时,热处理材的静曲强度降低范围在4.4% ~ 12.6%之间;180 ℃时,热处理材的静曲强度下降幅度增大,降低范围在11.9% ~ 21.3%之间;200 ℃时,静曲强度降低范围在28.3% ~ 52.8%之间;220 ℃时,静曲强度降低范围在54.6% ~ 74.8%之间。其中,在160、180、200、220 ℃温度下处理3 h的杉木MOR分别下降了11.4%、16.1%、39.8%、66.2%。说明热处理温度越高,MOR降低越大,越不利于承载使用。热处理材力学性能变化主要与木材化学成分、结晶度、组成结构等有关[34],有序的晶体结构提高了纤维素的热稳定性。微观力学方面,细胞壁S2层起重要作用[35]。当热处理温度为160和180 ℃时,由TG和FTIR分析可知,主要是木材中的半纤维素、部分木质素发生了降解,质量损失率较低,对木材力学性能的影响较小。高于200 ℃时,大量半纤维素降解,其降解产物促进了纤维素无定形区与木质素的降解,破坏了木材细胞壁结构,纤维素降解使分子链断裂,破坏了结晶结构,聚合度下降,尤其导致S2层发生变化,因此力学性能大幅降低[31]。有研究发现,热处理改变了木材刚性骨架的晶体结构,引起了脆性变化,从而导致了MOR的降低[36]。Won等[37]将赤松和落叶松在210 ℃条件下分别处理3 h,发现MOR分别降低了46.85%和35.74%。Aydin等[38]在185 ℃对山毛榉处理10 h,发现MOR降低了23.5%,与本研究的力学性能降低趋势相同。

      表 1  不同热处理温度和时间条件下杉木的静曲强度

      Table 1.  MOR of Chinese fir wood under different heat treating temperature and time MPa

      时间 Time/h温度 Temperature/℃
      160180200220
      180.1 ± 6.873.9 ± 3.260.1 ± 2.938.1 ± 4.1
      276.2 ± 5.971.3 ± 2.956.7 ± 3.433.2 ± 3.0
      374.2 ± 6.870.3 ± 4.850.4 ± 3.228.3 ± 5.8
      473.3 ± 5.968.4 ± 6.744.5 ± 3.223.5 ± 3.2
      573.3 ± 6.865.9 ± 2.942.5 ± 2.923.5 ± 3.4
      676.2 ± 2.965.9 ± 5.639.6 ± 2.921.1 ± 3.2
      注:对照组的静曲强度为(83.8 ± 3.6) MPa。Note: MOR of the control is (83.8 ± 3.6) MPa.

      热处理时间对处理材的静曲强度也有影响。由表1可知:与热处理温度相比,时间的影响相对不显著,与Kojima等[35]的研究结果一致。热处理温度超过200 ℃时,热处理时间对力学性能影响较大,随着时间延长,MOR逐渐降低然后趋于稳定。较高温条件下,处理时间越长,木材细胞壁成分和结构破坏越多,对力学性能影响越大。200 ℃处理2、4、6 h时,MOR分别下降了32.4%、46.8%、52.5%;220 ℃处理2、4、6 h时,MOR分别下降了60.4%、72.1%、74.8%。长时间的高温热处理会导致木材力学性能显著降低,因此不宜选用长时间的高温热处理工艺。

      图3表1可知:180 ℃热处理杉木6 h,质量损失率为1.6%,MOR为65.9 MPa,200 ℃处理1 h时,质量损失率为1.8%,MOR为60.1 MPa,两种热处理条件下杉木质量损失率与MOR相差不大;200 ℃处理6 h与 220 ℃处理1 h时,其质量损失率分别为6.6%、6.1%,数值比较接近,MOR下降分别为52.7%、54.5%,数值接近。说明较短时间的高温热处理能达到长时间低温热处理相近的性能,建议在一定温度范围内,采用较高热处理温度对木材进行热处理,可以在较短时间内达到长时间低温热处理木材的效果。

    • 图4为热处理条件对杉木质量损失率与静曲强度影响的3D图,从图4中可看出:热处理温度与时间共同影响处理材的质量损失率与力学性能。图4a中,随着热处理温度升高与时间延长,杉木质量损失率不断增加。使用TableCurve 3D软件对其进行了回归分析,得到了不同热处理条件下质量损失率的预测模型,如式(2)所示:

      图  4  热处理温度和时间对杉木质量损失率和静曲强度的影响

      Figure 4.  Effects of heat treating conditions on mass loss rate and MOR of Chinese fir wood

      $$ \mathrm{l}\mathrm{n}{m}_{{\rm{L}}}=0.80\mathrm{ln}t+9.35\mathrm{ln}T-53.67 $$ (2)

      式中:$ t $为时间(单位为h),$ T $为温度(单位为℃)。式(2)为非线性方程,但参数的自然对数值呈线性关系。其R2为0.99,说明拟合效果好。

      图5b表明随着热处理程度的增强,MOR呈降低趋势,MOR与热处理条件之间呈负相关,回归拟合得到MOR(单位为MPa)的预测方程为:

      图  5  预测模型与试验数据的比较

      Figure 5.  Comparison of prediction model and test data

      $$ \mathrm{M}\mathrm{O}\mathrm{R}=-2.57t-0.82T+220.44 $$ (3)

      其数值与热处理时间和热处理温度呈线性关系。式(3)的R2为0.93,总体预测效果较好。

      木材热处理过程中,如何通过实时监测数据来评估热处理效果,对控制热处理木材的质量至关重要。而对木材质量变化的监控非常容易,建立质量损失率与MOR的预测函数,可实现对热处理过程中木材力学性能的实时预测。对热处理杉木的质量损失率和MOR进行回归分析得到:

      $$ {\mathrm{M}\mathrm{O}\mathrm{R}}=65.4{{\rm{e}}}^{-20m_{\rm{L}}}+16.4 $$ (4)

      式(4)为指数方程,表明MOR与质量损失率为指数递减关系,其R2为0.95,表面预测精度较高。

      图5a比较了质量损失率的测试值与模型预测值,数值基本重合,说明可以利用模型预测出不同处理温度和处理时间条件下杉木的质量损失率。热处理材的质量损失基本上是纤维素、半纤维素、木质素的质量变化,黄荣凤等[39]研究了热处理条件对毛白杨(Populus tomentosa)化学成分含量的影响,并分别建立了热处理毛白杨综纤维素、α-纤维素、木质素含量损失率与处理温度、处理时间之间的数学回归模型,均为线性方程,决定系数均在0.9以上,说明可利用模型预测不同热处理条件下毛白杨化学成分含量的变化。图5b比较了MOR的试验测试值和模型预测值,热处理温度为160 ℃时,预测值与实测值有较大差异,当热处理温度高于180 ℃时,预测值与实测值基本相同。式(3)在低温热处理时预测精度较低,应谨慎应用于低温热处理木材。Sebahattin和Aytaç [40]采用多元线性回归模型对4种热处理材的抗压强度进行了预测,预测模型显示:抗压强度与树种、热处理时间、热处理温度之间存在一定相关关系,呈线性下降。图5c比较了质量损失率与静曲强度的测试值和预测值,表明模型能够准确预测MOR随质量损失率的变化趋势。由于不同树种木材存在化学组分和结构等方面的差异,利用式(2)、(3)、(4)预测不同树种木材热处理的质量损失率和MOR的变化趋势时,可能需要调整参数系数。合理使用模型可以降低试验成本和时间。

    • (1)对杉木进行热处理会导致其质量和力学性能发生变化,在160、180、200、220 ℃分别处理1、2、3、4、5和6 h,杉木的质量损失率为0.2% ~ 17.6%,静曲强度降低了4.4% ~ 74.8%;当热处理温度低于200 ℃时,热处理温度比热处理时间对质量损失和力学性能的影响更显著;当热处理温度高于200 ℃时,热处理时间与热处理温度对处理材的性能均有显著影响。

      (2)基于不同热处理温度、热处理时间条件下热处理木材的质量损失率和MOR测试数据,分别建立了质量损失率和MOR随热处理温度和热处理时间变化的经验预测方程,质量损失率的自然对数值与热处理温度和时间的自然对数值呈线性增加关系,MOR随热处理程度的增强呈线性降低,MOR随质量损失率增大呈指数下降,建立了质量损失率与MOR之间的经验预测模型。模型预测值与试验测试值基本一致,总体预测效果好。合理运用模型,可以有效地预测不同热处理条件下杉木的质量损失率和MOR,以及MOR随质量损失率的变化趋势。

      (3)本研究能为热处理过程中木材力学性能的实时检测提供参考和依据,根据试验和模拟结果,建议在一定温度范围内,采用较高热处理温度对木材进行热处理,可以在较短时间内达到长时间低温热处理的效果。

参考文献 (40)

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