Effects of zinc chloride impregnation treatment on dimensional stability and energy consumption of heat-treated Mongolian scots pine
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摘要:目的
本研究旨在探究弱酸性氯化锌溶液浸渍对热处理材的尺寸稳定性以及处理能耗的影响。
方法采用质量分数5%的氯化锌溶液浸渍樟子松试样，并进行不同温度的热处理，通过试样吸湿后的尺寸和质量变化分析，评价浸渍–热处理樟子松试样的尺寸稳定性和吸湿性，并结合红外光谱分析、X射线衍射分析以及能耗计算，阐明浸渍–热处理对试样尺寸稳定性的影响机制和能量消耗情况。
结果氯化锌浸渍–热处理组的性能提升效果比热处理组更明显；随着热处理温度的升高，木材的吸湿性降低，尺寸稳定性提高，热处理组和浸渍–热处理组的体积湿胀率分别从3.5%、3.4%下降到2.6%、2.1%；两种处理方式下的处理材红外吸收光谱图中均没有产生新的官能团特征峰，但羟基数量均随着温度升高而明显降低；处理材的相对结晶度呈上升趋势，热处理组和浸渍–热处理组分别由36.05%、38.77%提升到48.51%、53.04%；浸渍–热处理组试材在160 ℃达到的处理效果比仅进行180 ℃热处理达到的处理效果更好，同时因为前者的处理温度更低，所以能够减少处理过程中的能耗，在所研究的温度范围内最高可减少10%的能耗。
结论相比樟子松热处理改性，氯化锌浸渍–热处理联合改性可以通过更低的热处理温度使樟子松达到相同的尺寸稳定性，有助于热处理工序的节能减排，对于力学性能方面的影响则需要进一步深入研究。
Abstract:ObjectiveThis study aimed to investigate the effects of impregnation with mildly acidic zinc chloride solution on the dimensional stability of heat-treated materials as well as the treatment energy consumption.
MethodMongolian scots pine specimens were impregnated with a 5% zinc chloride solution and subjected to high-temperature heat treatment at different temperatures. Subsequently, we assessed the dimensional stability and moisture absorption of these treated Mongolian scots pine samples by examining their dimensional and mass changes after moisture absorption. To deepen our understanding, we complemented this with infrared spectroscopy, X-ray diffraction analysis, and energy consumption assessments. These analyses aimed to clarify both the mechanism and the energy requirements associated with impregnation and heat treatment concerning the specimens’ dimensional stability.
ResultThe performance enhancement effect of the zinc chloride impregnation-heat treatment group was more pronounced than that of the heat treatment group. As the heat treatment temperature increased, the hygroscopicity of sample decreased, and the dimensional stability improved. The volumetric swelling ratios of the heat treatment group and the zinc chloride impregnation-heat treatment group decreased from 3.5% and 3.4% to 2.6% and 2.1%, respectively. Infrared absorption spectra of the treated materials under both methods did not exhibit new functional group characteristic peaks; however, the hydroxyl content decreased significantly with increasing temperature. The relative crystallinity of the treated material increased in both the heat treatment group and the impregnation-heat treatment group, rising from 36.05% and 38.77% to 48.51% and 53.04%, respectively. Notably, the treatment effect achieved by the zinc chloride impregnation-heat treatment group at 160 ℃ was superior to that achieved solely by 180 ℃ heat treatment. Moreover, due to the lower treatment temperature of the former, energy consumption during the process could be reduced, potentially saving up to about 10% within the studied temperature range.
ConclusionCompared with heat treatment modification alone for Mongolian scots pine, the combined modification of zinc chloride impregnation-heat treatment can achieve the similar effect of dimensional stability improvement by adopting lower heat treatment temperatures, which contributes to energy saving and emission reduction of heat treatment process. However, further in-depth study is required to assess its impact on mechanical properties.
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随着天然林和珍贵木材储量的减少，以及禁止天然林商业性采伐政策的实施，国内优质木材供需矛盾日益严峻，如何实现速生材的高值化利用是当前亟待解决的重要问题[1]。速生材具有易吸湿、尺寸稳定性差等弊端，限制了其加工利用[2]。近年来，对于改善木材的性能特征、提高木材及其制品的附加值、实现木材的劣材优用和循环利用等方面的研究受到了越来越多专家学者的关注。木材改性是提高木材性能的常用方式[3]，高温热处理技术作为一种物理改性手段，不仅具有安全环保的优势，且能够赋予木材更好的生物耐久性、尺寸稳定性等关键性能[4]。
关于木材高温热处理技术方面的研究，国内外进行了许多的研究。诸多的研究表明高温热处理能够明显改善木材尺寸稳定性，其中吸湿平衡含水率降低40%左右，径向湿胀率降低40%、弦向湿胀率降低50%左右，并且改性效果与热处理时间、温度等密切相关。严明汉等[5]对落叶松（Larix gmelinii）进行高温（180、200 ℃）热处理，其平衡含水率以及弦向、径向湿胀率均较对照组呈现降低趋势。吕蕾等[6]和高鑫等[7]研究发现：在140 ~ 220 ℃ 和2 ~ 8 h范围内，随着热处理温度的升高或时间的延长，木材的吸湿性逐渐降低，尺寸稳定性则在逐渐升高。Miklečić等[8]通过对山毛榉（Fagus longipetiolata）进行热改性处理（190和212 ℃），发现处理材的酸性和水接触角升高，吸湿性能降低。何露茜等[9]在160和180 ℃下对大果紫檀（Pterocarpus macrocarpus）、奥氏黄檀（Dalbergia oliveri）、光亮杂色豆（Baphia nitida）3种热带阔叶树材进行热处理，研究发现在常温低湿（25 ℃、30%相对湿度）和高温高湿（40 ℃、90%相对湿度）条件下尺寸稳定性均有明显提高。高温热处理也会对其他重要性能产生影响，如颜色加深均匀[10]、力学性能降低[11−12]等，从而对木材的附加值和应用范围产生影响。
随着研究的深入，部分研究者探索传热介质对高温热处理材的影响。Bessala等[13]分别在160、180、200 ℃的空气或棕榈油介质下对非洲柚木（Pericopsis elata）和纽墩豆（Newtonia paucijuga）进行热处理，研究发现棕榈油介质热处理能够进一步提高尺寸稳定性，降低吸湿性。He等[14]分别以120、140、160和180 ℃的桐油为传热介质对榆树（Ulmus pumila）进行油热处理2、4和6 h，并与空气介质热处理对比，研究发现疏水性桐油覆盖在木材表面，占据木材的孔隙结构，起到阻隔水的作用，进一步提高改性效果。也有研究者探索浸渍–热处理联合处理的木材改性方法。Qu等[15]采用不同浓度（5%、10%、15%）的硫酸铝溶液和不同热处理温度（120、140、160 ℃）对杉木（Cunninghamia lanceolata）进行联合处理，研究发现硫酸铝的催化作用导致半纤维素在热处理过程中降解，浓度和温度的提高对半纤维素降解有明显的影响，对木材的尺寸和热稳定性有很大的改善。吴美卉等[16]和Cao等[17]以杨树（Populus tomentosa）为研究对象，对未处理材、热处理材、脲醛树脂浸渍材以及脲醛树脂浸渍–热处理材（160、180、200 ℃）进行性能测试对比，研究发现脲醛树脂浸渍填充于导管、木纤维等，经过热处理后分布均匀，并且随着热处理温度升高，吸湿率呈降低趋势，尺寸稳定性提高，并且联合处理的改性效果最佳。
近年来，随着“双碳”政策的提出，人们越发重视节能减排，木材高温热处理技术所涉及的能源消耗问题受到了广泛关注，国外的热处理木材的温度都是接近或高于200 ℃，因此开发中低温热处理工艺是重点研究方向，Yang等[18]和Zhang等[19]通过对比高温（180 ℃）热处理方式与中温（120 ℃）热处理和微晶蜡浸渍相结合的方式对大果紫檀（Pterocarpus macrocarpus）的性能影响发现：中温热处理后微晶蜡成功地浸渍到木材内部，并在木材细胞表面均匀分布，显著改善木材的吸湿性，提高尺寸稳定性，较低的处理温度也能够相对减少能耗。
基于以上的研究发现，木材热处理可以提高木材的尺寸稳定性，是因为木材亲水成分在高温条件下会发生降解，但是过高的热处理温度会产生大量的能耗。氯化锌溶液呈弱酸性，能够催化半纤维素在中低温度下的降解[20]，并且氯化锌具有良好的吸附湿胀作用，增加纤维区域的面积[21]，便于木材进行热处理。因此本研究利用氯化锌溶液对樟子松（Pinus sylvestris）进行处理，以期改善热处理樟子松的理化性能，提升樟子松的尺寸稳定性，降低所需的热处理温度，进而减少热处理过程中的能耗。
1. 材料与方法
1.1 材 料
樟子松气干材，含水率约为12%，在103 ℃条件下进行干燥，尺寸为20 mm × 20 mm × 20 mm，无开裂、节子、腐朽等缺陷。使用氯化锌（采购于安徽泽升科技有限公司）配制质量分数5%的氯化锌溶液。
1.2 研究方法
1.2.1 樟子松热处理
将樟子松材料按照表1分为两组试样，并标号测量其质量。一组为浸渍–热处理组，用配置的质量分数5%的氯化锌溶液浸渍处理；另一组为热处理组，浸渍过程在真空干燥箱（上海一恒科学仪器有限公司，BPZ-6090Lc）中进行，真空度为0.01 MPa，加压10 min，保压20 min，循环3次。经平衡处理并气干后，使用高温鼓风干燥箱（上海一恒科学仪器有限公司，BPG-9050AH）进行热处理，处理时间为2.5 h，热处理后测量并记录试样质量和尺寸。
表 1 樟子松试样分组情况统计Table 1. Statistics on grouping of Mongolian scots pine samples组别Group 热处理温度 Heat treatment temperature 120 ℃ 140 ℃ 160 ℃ 180 ℃ 热处理组 Heat treatment group A1 ~ A10 A11 ~ A20 A21 ~ A30 A31 ~ A40 浸渍–热处理组 Impregnation-heat treatment group B1 ~ B10 B11 ~ B20 B21 ~ B30 B31 ~ B40 1.2.2 性能表征
1.2.2.1 尺寸稳定性分析
将试样均匀放置在20 ℃、65%相对湿度的环境中进行吸湿处理，处理时间为3周。分别测定处理前后试样的径向、弦向尺寸和质量变化，以湿胀率和吸湿性来表征试样的尺寸稳定性。根据GB/T1927.8—2021《无疵小试样木材物理力学性质试验方法 第8部分：湿胀性测定》和GB/T1927.7—2021《无疵小试样木材物理力学性质试验方法 第7部分：吸水性测定》中的公式来计算[22−23]。
αrs=Lrs−Lr0Lr0×100% (1) αts=Lts−Lt0Lt0×100% (2) αvs=LrsLtsLhs−Lr0Lt0Lh0Lr0Lt0Lh0×100% (3) A=m−m0m0×100% (4) 式中：αrs、αts、αvs分别为径向、弦向、体积湿胀率，%； Lrs、Lts、Lhs分别为试样吸湿平衡时径向、弦向和顺纹方向的长度，mm；Lr0、Lt0、Lh0分别为试样全干时径向、弦向和顺纹方向的长度，mm；A为试样吸湿率，%；m、m0分别为试样吸湿前后的质量，g。
1.2.2.2 红外光谱分析与晶体结构分析
利用高速万能粉碎机对试样进行粉碎处理，筛选出200目左右的木粉，将其放入电热恒温鼓风干燥箱（上海一恒科学仪器有限公司，DHG-9425A）中，在103 ℃下进行干燥，直至木粉样品达到全干状态。
采用傅里叶变换红外光谱仪（美国尼高力公司，Nicolet 6700）在室温条件下对试样进行化学结构分析，将2 mg木粉与200 mg KBr充分混合，波数范围为500 ~ 4 000 cm–1，扫描次数32次，分辨率为4 cm–1，并从样品光谱中减去纯KBr的背景光谱，对比不同处理条件的红外光谱图进行分析。
采用X射线衍射仪（日本岛津公司，XRD-7000）对木粉试样进行结晶特性分析，扫描范围2θ为5° ~ 40°，扫描速度为2 （°）/min，使用Jade6分析软件计算相对结晶度。
1.2.3 能耗差异分析
以1 m3的试样为例来模拟热处理设备的工作情况，进行能耗差异分析。热处理设备在工作过程的能耗主要包括窑体加热、木材加热、水分蒸发和透过设备壳体的损失，以及管道和风机的能耗。其中管道部分覆盖保温材料，其能耗可以忽略；窑体加热过程中，空气的比热和密度受到温度的影响，通过积分进行计算。具体的能耗计算可参考董会军[24]的研究，通过式（5） ~ （10）进行计算。
q1=Vam∫T1T01.78043T−0.111967dT (5) q2=1000ρi(1.591 0+4.1868W0)(T1−T0) (6) q3=10ρiW0HT (7) q4=3.96Ffkfnt(T1−T0) (8) kf=11α1+aλa+bλb+cλc+1α2 (9) q5=Pvt (10) 式中：q1、q2、q3、q4、q5分别为窑体加热、木材加热、水分蒸发、壳体热损失和风机的能耗，kJ；kf为壳体传热系数，W/（m2·℃）；Vam为设备内空气体积，m3；ρi为樟子松绝干密度，约为420 kg/m3；1.591 0、4.1868分别为干木材和水的比热，J/（g·℃）；W0为气干材的含水率，约为12%；T1、T0为热处理温度和设备外部温度，℃；HT为不同温度条件下水蒸气的比焓，J/g；Ff为热处理设备壳体表面积，m2；n为系数，高于50 ℃时取值2.0；α1、α2为热处理设备内外壁与空气的换热系数，分别取14.00、23.26 W/（m2·℃）；a、b、c为热处理设备内壁、保温层和外壁的厚度，m；λa、λb、λc为热处理设备内壁、保温层和外壁的导热系数，W/（m2·℃）；t为热处理的时间，h。
模拟热处理设备的工作条件。热处理设备位于河南省，根据河南省水利厅公开的概况可知冬季平均气温在−3 ~ 3 ℃，极端最低气温−23.6 ℃。实木加工常用厚度为18、20、25、30和40 mm，模拟处理材的厚度与试验中一致（20 mm），浸渍处理并气干后进行热处理。热处理设备尺寸为2 m × 2 m × 2 m，内外壁均采用0.2 m的钢筋混凝土（1.546 W/（m2·℃）），保温层采用0.1 m厚的石棉水泥隔热板（0.128 W/（m2·℃）），风机功率2.2 kW。
2. 结果与讨论
2.1 尺寸稳定性分析
2.1.1 湿胀性分析
表2和表3分别为樟子松试样在吸湿前后径向、弦向的尺寸变化情况。分析发现弦向湿胀率普遍大于径向湿胀率，这可能是由于木射线的径向分布在一定程度上抑制了木材的径向干缩湿胀[25−26]。随着热处理温度的升高，试样的径向湿胀率和弦向湿胀率逐渐降低，热处理组和浸渍–热处理组的径向湿胀率分别降低0.2%、0.5%，弦向湿胀率分别降低0.7%、1.2%，说明试样经过热处理工艺后尺寸稳定性有所提高。在相同的热处理温度下，浸渍–热处理组试样湿胀率进一步降低，说明氯化锌溶液浸渍预处理能够进一步提高热处理试样的尺寸稳定性。
表 2 不同处理条件下樟子松试样吸湿前后径向尺寸变化Table 2. Radial dimensional changes of Mongolian scots pine samples before and after moistureabsorption under different treatment conditions项目Item 热处理组 Heat treatment group 浸渍–热处理组 Impregnation-heat treatment group 120 ℃ 140 ℃ 160 ℃ 180 ℃ 120 ℃ 140 ℃ 160 ℃ 180 ℃ 吸湿前径向尺寸
Radial dimension before moisture absorption/mm19.74 19.84 19.70 19.79 19.92 19.94 19.87 19.84 吸湿后径向尺寸
Radial dimension after moisture absorption/mm20.00 20.03 19.91 20.00 20.15 20.13 20.06 19.98 径向湿胀率 Radial wetting ratio/% 1.3 1.0 1.1 1.1 1.2 1.0 1.0 0.7 表 3 不同处理条件下樟子松试样吸湿前后弦向尺寸变化Table 3. Tangential dimensional changes of Mongolian scots pine samples before and after moistureabsorption under different treatment conditions项目 Item 热处理组
Heat treatment group浸渍–热处理组
Impregnation-heat treatment group120 ℃ 140 ℃ 160 ℃ 180 ℃ 120 ℃ 140 ℃ 160 ℃ 180 ℃ 吸湿前弦向尺寸 Tangential dimension before moisture absorption/mm 19.81 19.84 19.94 19.72 20.04 19.94 19.91 19.78 吸湿后弦向尺寸 Tangential dimension after moisture absorption/mm 20.26 20.19 20.27 20.04 20.46 20.36 20.19 19.96 弦向湿胀率 Tangential dimension wetting ratio/% 2.3 1.8 1.7 1.6 2.1 2.1 1.4 0.9 表4为试样吸湿前后体积数据以及体积湿胀率变化情况，进行拟合回归处理，得到试样体积湿胀率与热处理温度的关系曲线（图1）和式（11）、（12）。
αHT=129.21775T−0.752311R2=0.98 (11) αIHT=1070.28113T−1.980601R2=0.97 (12) 式中：αHT、αIHT为热处理组和浸渍–热处理组的体积湿胀率，%； T1为热处理温度，℃。
表 4 不同处理条件下樟子松试样吸湿前后体积变化Table 4. Volume changes of Mongolian scots pine samples before and after moistureabsorption under different treatment conditions项目 Item 热处理组 Heat treatment group 浸渍–热处理组 Impregnation-heat treatment group 120 ℃ 140 ℃ 160 ℃ 180 ℃ 120 ℃ 140 ℃ 160 ℃ 180 ℃ 全干体积 Full dry volume/mm3 7.74 7.78 7.75 7.76 7.92 7.89 7.78 7.76 吸湿体积 Moisture absorption volume/mm3 8.01 8.03 7.97 7.96 8.19 8.13 7.97 7.92 体积湿胀率 Volume wet expansion ratio/% 3.5 3.2 2.8 2.6 3.4 3.0 2.4 2.1 ![]()
图 1 樟子松体积湿胀率与热处理温度的关系Figure 1. Relationship between volume wet expansion ratio of Mongolian scots pine and heat treatment temperature通过拟合式的计算分析可以得到，氯化锌溶液浸渍–热处理组试样在118、128、143、155 ℃下能够达到的处理效果分别对应热处理组在120、140、160、180 ℃下的效果。由于氯化锌溶液预处理过程中，通过吸附作用使得试样湿胀，一方面纤维区域面积增大，另一方面形成的酸性环境催化了热降解过程，从而使得较低的热处理温度获得良好的改性效果。
2.1.2 吸湿性分析
表5为樟子松试样经过热处理后的吸湿情况，随着热处理温度的不断提高，试样的吸湿性逐渐降低，在相同的处理温度下，氯化锌溶液浸渍预处理能够使试样的吸湿性进一步降低。试样中的半纤维素在热处理过程中发生显著降解[27]，导致细胞壁中自由羟基数量减少，降低了水分吸收能力，而氯化锌溶液呈酸性，能够促进樟子松中的半纤维素等物质在热处理过程中的降解，从而使吸湿性进一步降低。
表 5 不同处理条件下樟子松试样吸湿前后质量变化Table 5. Mass changes of Mongolian scots pine specimens before and after moisture absorption under different treatment conditions项目 Item 热处理组 Heat treatment group 浸渍–热处理组 Impregnation-heat treatment group 120 ℃ 140 ℃ 160 ℃ 180 ℃ 120 ℃ 140 ℃ 160 ℃ 180 ℃ 吸湿前质量 Mass before moisture absorption/g 2.625 2.681 2.546 2.630 2.973 3.039 2.761 2.313 吸湿后质量 Mass after moisture absorption/g 2.950 2.978 2.810 2.870 3.293 3.309 2.975 2.484 吸湿率 Moisture absorption ratio/% 12.4 11.1 10.4 9.1 10.8 8.9 7.8 7.4 2.2 红外光谱分析
木材中所含的大量游离羟基和其他化学成分在热处理过程中会发生不同的变化，与木材的尺寸稳定性紧密相关[28]。图2是不同热处理温度下的樟子松试样在波数500 ~ 4 000 cm−1范围内的红外吸收光谱图。3 340 cm−1处的吸收峰是木材中的O−H的伸缩振动引起的，随着热处理温度的升高，两组试样的羟基吸收峰强度逐渐降低。热处理使游离羟基之间发生缩聚反应，形成了醚键，导致了羟基数量降低[29]。在相同的热处理温度条件下，浸渍–热处理组试样羟基吸收峰强度相对更低，可能是由于氯化锌溶液在一定温度下形成的低酸性环境促进了试样在热处理过程中羟基的缩聚和半纤维素的降解过程[30]。这说明氯化锌溶液浸渍预处理能够进一步降低试样内部的游离羟基数量，有利于提高热处理试样的尺寸稳定性。此外，2 970 cm−1（C−H的伸缩振动）处的吸收峰出现了程度不一的偏移，这可能是由于热处理导致的相对结晶度改变影响了C−H的振动频率[31]；1 510 cm−1（木质素中芳香环的C=C拉伸）附近的吸收峰强度降低，可能是由木质素中的愈创木基单元降解引起的[32]；1 344 cm−1（苯酚基团的O−H拉伸）、1 158 cm−1（半纤维素和纤维素的C−O−C拉伸）和895 cm−1（芳香族C−H拉伸）附近的吸收峰强度降低，表明纤维素等非晶体化合物在不同程度上降解 [14]。并且这些现象在浸渍–热处理组更明显，也说明了氯化锌溶液浸渍预处理能够促进热处理过程中化学组分的降解变化。
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图 2 不同处理条件下的樟子松试样红外吸收光谱图Figure 2. Infrared absorption spectra of Mongolian scots pine samples under different treatment conditions2.3 晶体结构分析
图3是不同处理条件下樟子松试样的XRD图谱，在 2θ = 18.0°附近的极小峰是无定形区的衍射强度峰，在 2θ = 22.5°附近的极大峰是纤维素（002）结晶面的衍射强度峰，在 2θ = 34.0°附近的小峰是纤维素（040）结晶面的衍射峰[33]。相较于热处理材，浸渍–热处理材XRD图谱上没有新的衍射峰产生，说明氯化锌浸渍处理并未与试样发生反应产生新的结晶物质；浸渍–热处理材与热处理材（002）衍射峰的位置均在22.5°附近，这说明两种处理方法对试样的结晶区没有产生影响，即晶层的距离没有发生变化[34]。
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图 3 不同处理条件下樟子松试样X射线衍射图I002：002晶面的最大衍射强度Maximum diffraction intensity of the 002 crystal plane； Iam：非结晶背景衍射的散射强度Scattering intensity of non-crystalline background diffraction； I040：040晶面的最大衍射强度Maximum diffraction intensity of 040 crystal planeFigure 3. X-ray diffractograms of Mongolian scots pine test material under different treatment conditions根据试样的XRD图谱，通过软件分析可以得到表6中所示的相对结晶度。随着热处理温度的升高，试样的相对结晶度提高，热处理组和浸渍–热处理组分别提高了13.46%、14.27%。可能是在热处理过程中，半纤维素显著降解以及非结晶区纤维素之间醚键的不断生成，使得相对结晶度提高[35]。同一温度条件下，浸渍–热处理组的相对结晶度更高，可能是氯化锌与半纤维素热处理降解产生的酸性物质共同形成了酸性环境，催化降解了非结晶区的微纤维，从而使相对结晶度进一步提高[36]。随着半纤维素和非结晶区的微纤维降解，吸收水分的游离羟基和水分的容纳空间减少，在宏观上表现为吸湿性的降低和尺寸稳定性的提高。
2.4 能耗差异分析
结合前文中热改性效果对比与拟合计算，以体积湿胀率为评价标准，在表7温度区间内对热处理设备工作过程中保温阶段的能耗差异进行分析。通过式（5） ~ （8）计算可得热处理过程中的能耗。根据表7中的数据分析，在同一标准下，浸渍–热处理组所需要的热处理温度较低，所产生的能耗也更低；热处理的温度随着评价标准的提高而增加，两组所需要的温度以及产生能耗差异逐渐增大，氯化锌溶液浸渍–热处理联合改性减少的能耗从1%增加到10%。
表 6 不同处理条件下樟子松试样的相对结晶度对比Table 6. Comparison of relative crystallinity of Mongolian scots pine samples under different treatment conditions项目 Item 热处理组
Heat treatment group浸渍–热处理组
Impregnation-heat treatment group120 ℃ 140 ℃ 160 ℃ 180 ℃ 120 ℃ 140 ℃ 160 ℃ 180 ℃ 相对结晶度Relative degree of crystallinity/% 36.05 41.28 43.64 49.51 38.77 42.07 45.08 53.04 表 7 不同处理条件下通过干燥室壳体产生的能耗和产物排放Table 7. Energy consumption and product emissions through the drying chamber shell under different treatment conditions项目 Item 热处理组 Heat treatment group 浸渍–热处理组 Impregnation-heat treatment group 120 ℃ 140 ℃ 160 ℃ 180 ℃ 120 ℃ 140 ℃ 160 ℃ 180 ℃ 体积湿胀率 Volume wet expansion ratio/% 3.5 3.2 2.8 2.6 3.5 3.2 2.8 2.6 热处理温度 Heat treatment temperature/℃ 120 140 160 180 118 128 143 155 能耗 Energy consumption/kJ 374 556 412 860 451 143 489 415 370 725 389 882 418 605 441 575 标准煤 Standard coal/kg 12.78 14.09 15.39 16.70 12.65 13.30 14.28 15.07 CO2产量 CO2 production/kg 33.48 36.91 40.33 43.75 33.14 34.85 37.42 39.48 在“双碳”背景下，二氧化碳排放量已经成为评价能耗的重要指标。根据资料可知：我国规定每千克标准煤的热值为29 307.6 kJ；同时，工业燃烧1 t标准煤，就能够产生2 620 kg二氧化碳[37]。以此可将热处理中的能耗转化为二氧化碳排放量，通过对比计算发现：随着热处理温度的升高，减排效果逐渐明显，在表7温度区间下最高可以减少10%左右的碳排放。
3. 结 论
本研究在120 ~ 180 ℃范围内的4个温度条件下分别对樟子松的未处理材和氯化锌溶液浸渍预处理材进行热处理2.5 h，分析了樟子松的尺寸稳定性变化以及处理的能耗差异。研究结果表明：相比于樟子松热处理改性，氯化锌溶液浸渍–热处理联合改性的效果更好，在氯化锌溶液营造的弱酸性环境下，一方面催化促进半纤维素在较低的温度下发生降解，另一方面其吸附湿胀作用，增大了纤维区域的面积，更多的半纤维素在热处理过程中发生降解，最终导致樟子松的吸湿性进一步降低，尺寸稳定性进一步提高。此外，氯化锌溶液浸渍–热处理联合改性可以通过降低樟子松热处理的温度来降低热处理过程中的能耗，最佳条件下能够降低约10%的能耗，将该方法应用到木材加工行业，可以为实现高效节能的人工速生材热处理提供思路和参考。然而，热处理后木材的力学性能会发生显著的变化，这与热处理过程中对木材多尺度结构单元的影响有关，其影响机制和作用关系则需要进一步深入研究。
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图 1 樟子松体积湿胀率与热处理温度的关系
Figure 1. Relationship between volume wet expansion ratio of Mongolian scots pine and heat treatment temperature
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图 2 不同处理条件下的樟子松试样红外吸收光谱图
Figure 2. Infrared absorption spectra of Mongolian scots pine samples under different treatment conditions
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图 3 不同处理条件下樟子松试样X射线衍射图
I002：002晶面的最大衍射强度Maximum diffraction intensity of the 002 crystal plane； Iam：非结晶背景衍射的散射强度Scattering intensity of non-crystalline background diffraction； I040：040晶面的最大衍射强度Maximum diffraction intensity of 040 crystal plane
Figure 3. X-ray diffractograms of Mongolian scots pine test material under different treatment conditions
表 1 樟子松试样分组情况统计
Table 1 Statistics on grouping of Mongolian scots pine samples
组别Group 热处理温度 Heat treatment temperature 120 ℃ 140 ℃ 160 ℃ 180 ℃ 热处理组 Heat treatment group A1 ~ A10 A11 ~ A20 A21 ~ A30 A31 ~ A40 浸渍–热处理组 Impregnation-heat treatment group B1 ~ B10 B11 ~ B20 B21 ~ B30 B31 ~ B40 
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表 2 不同处理条件下樟子松试样吸湿前后径向尺寸变化
Table 2 Radial dimensional changes of Mongolian scots pine samples before and after moistureabsorption under different treatment conditions
项目Item 热处理组 Heat treatment group 浸渍–热处理组 Impregnation-heat treatment group 120 ℃ 140 ℃ 160 ℃ 180 ℃ 120 ℃ 140 ℃ 160 ℃ 180 ℃ 吸湿前径向尺寸
Radial dimension before moisture absorption/mm19.74 19.84 19.70 19.79 19.92 19.94 19.87 19.84 吸湿后径向尺寸
Radial dimension after moisture absorption/mm20.00 20.03 19.91 20.00 20.15 20.13 20.06 19.98 径向湿胀率 Radial wetting ratio/% 1.3 1.0 1.1 1.1 1.2 1.0 1.0 0.7
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表 3 不同处理条件下樟子松试样吸湿前后弦向尺寸变化
Table 3 Tangential dimensional changes of Mongolian scots pine samples before and after moistureabsorption under different treatment conditions
项目 Item 热处理组
Heat treatment group浸渍–热处理组
Impregnation-heat treatment group120 ℃ 140 ℃ 160 ℃ 180 ℃ 120 ℃ 140 ℃ 160 ℃ 180 ℃ 吸湿前弦向尺寸 Tangential dimension before moisture absorption/mm 19.81 19.84 19.94 19.72 20.04 19.94 19.91 19.78 吸湿后弦向尺寸 Tangential dimension after moisture absorption/mm 20.26 20.19 20.27 20.04 20.46 20.36 20.19 19.96 弦向湿胀率 Tangential dimension wetting ratio/% 2.3 1.8 1.7 1.6 2.1 2.1 1.4 0.9
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表 4 不同处理条件下樟子松试样吸湿前后体积变化
Table 4 Volume changes of Mongolian scots pine samples before and after moistureabsorption under different treatment conditions
项目 Item 热处理组 Heat treatment group 浸渍–热处理组 Impregnation-heat treatment group 120 ℃ 140 ℃ 160 ℃ 180 ℃ 120 ℃ 140 ℃ 160 ℃ 180 ℃ 全干体积 Full dry volume/mm3 7.74 7.78 7.75 7.76 7.92 7.89 7.78 7.76 吸湿体积 Moisture absorption volume/mm3 8.01 8.03 7.97 7.96 8.19 8.13 7.97 7.92 体积湿胀率 Volume wet expansion ratio/% 3.5 3.2 2.8 2.6 3.4 3.0 2.4 2.1
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表 5 不同处理条件下樟子松试样吸湿前后质量变化
Table 5 Mass changes of Mongolian scots pine specimens before and after moisture absorption under different treatment conditions
项目 Item 热处理组 Heat treatment group 浸渍–热处理组 Impregnation-heat treatment group 120 ℃ 140 ℃ 160 ℃ 180 ℃ 120 ℃ 140 ℃ 160 ℃ 180 ℃ 吸湿前质量 Mass before moisture absorption/g 2.625 2.681 2.546 2.630 2.973 3.039 2.761 2.313 吸湿后质量 Mass after moisture absorption/g 2.950 2.978 2.810 2.870 3.293 3.309 2.975 2.484 吸湿率 Moisture absorption ratio/% 12.4 11.1 10.4 9.1 10.8 8.9 7.8 7.4
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表 6 不同处理条件下樟子松试样的相对结晶度对比
Table 6 Comparison of relative crystallinity of Mongolian scots pine samples under different treatment conditions
项目 Item 热处理组
Heat treatment group浸渍–热处理组
Impregnation-heat treatment group120 ℃ 140 ℃ 160 ℃ 180 ℃ 120 ℃ 140 ℃ 160 ℃ 180 ℃ 相对结晶度Relative degree of crystallinity/% 36.05 41.28 43.64 49.51 38.77 42.07 45.08 53.04
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表 7 不同处理条件下通过干燥室壳体产生的能耗和产物排放
Table 7 Energy consumption and product emissions through the drying chamber shell under different treatment conditions
项目 Item 热处理组 Heat treatment group 浸渍–热处理组 Impregnation-heat treatment group 120 ℃ 140 ℃ 160 ℃ 180 ℃ 120 ℃ 140 ℃ 160 ℃ 180 ℃ 体积湿胀率 Volume wet expansion ratio/% 3.5 3.2 2.8 2.6 3.5 3.2 2.8 2.6 热处理温度 Heat treatment temperature/℃ 120 140 160 180 118 128 143 155 能耗 Energy consumption/kJ 374 556 412 860 451 143 489 415 370 725 389 882 418 605 441 575 标准煤 Standard coal/kg 12.78 14.09 15.39 16.70 12.65 13.30 14.28 15.07 CO2产量 CO2 production/kg 33.48 36.91 40.33 43.75 33.14 34.85 37.42 39.48
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1. 王燃，吴章康. PAP-ZnCl_2浸渍增强木材的耐紫外及力学性能. 云南化工. 2024(12): 41-46 . 
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