Effects of thermal treatment on deformation fixation and properties of surface densified wood
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摘要:目的高温热处理是一种广泛使用的木材压缩变形固定方法，以往研究中大多对木材进行整体热处理，但整体热处理方式耗时长能耗大，且表面密实材仅仅是表面几毫米的密实层需要固定，因此有必要探究一种适合表面密实材的变形固定方法。方法本研究采用热压机对表面密实材进行表面热处理，并对不同条件处理后的试件进行回弹率、表面硬度、耐磨性、材色的测定和红外光谱分析，探讨热处理对表面密实材变形固定和性能的影响。结果热处理对固定木材表面的压缩变形效果显著，且吸湿、吸水和水煮回弹率均随着处理温度的升高或处理时间的延长而降低。当温度高于200 ℃，延长处理时间会造成木材表面硬度和耐磨性的降低。随着热处理温度的升高或处理时间的延长，表面密实材的明度差、红绿轴色品指数差和黄蓝轴色品指数差的绝对值增大，色差增大，材色变深。热处理后各吸收峰的吸光度均呈现降低的趋势，且随热处理温度的升高和处理时间的延长降低越明显，在高温作用下木材3大组成成分纤维素、半纤维素和木素由于热解反应导致其含量降低，另外影响木材尺寸稳定性的羟基和羰基的数量也相应减少。结论热处理可以对表面密实材进行有效地变形固定，但提高处理温度或延长处理时间会导致木材表面硬度和耐磨性的降低以及材色的变化。Abstract:ObjectiveThermal treatment at high temperature is a widely used method for deformation fixation of compressed wood. Wood is always treated as a whole in previous studies, but wood treated as a whole takes a long time and wastes a lot of energy, and only a few millimeters of surface densified layer need to be fixed. Therefore, it is necessary to explore a method for deformation fixation of surface densified wood.MethodIn this study, hot press was used for surface thermal treatment of surface densified wood, then spring-back, surface hardness, abrasion resistance, wood color and chemical composition of the specimens treated by different conditions were measured, effects of thermal treatment on deformation fixation and properties of surface densified wood were discussed.ResultThe results showed that: effects of thermal treatment on deformation fixation of surface densified wood were significant, spring-back of moisture absorption, water absorption and water boiling absorption all decreased with the increase of processing temperature and the extension of processing time. Surface hardness and abrasion resistance would be reduced when processing temperature was above 200℃ and processing time was extended. With the increase of processing temperature and the extension of processing time, the absolute value of brightness, red green ratio index and yellow blue ratio index increased, chromatic aberration also increased, wood color got darker. Absorbance of each absorption peak decreased after thermal treatment, and the decrease was more obvious with the increase of processing temperature and the extension of processing time. Cellulose, hemicellulose and lignin of wood were reduced because of pyrolysis reaction, and the number of hydroxyl groups and carbonyl groups affecting the dimensional stability of wood also correspondingly decreased under high temperature.ConclusionThermal treatment could effectively fix the deformation of surface densified wood, however, increasing processing temperature and extending processing time would lead to the decrease of hardness and abrasion resistance of wood surface, and the change of wood color.
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Keywords:
- thermal treatment /
- deformation fixation /
- hardness /
- abrasion resistance /
- wood color /
- chemical composition
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高温热处理是目前广泛使用的压缩变形固定方法。在高温热处理过程中，木材中的半纤维素发生降解，木材细胞壁中的羟基减少，结晶区和结晶度增加，从而使得木材的吸湿性和吸水性降低，尺寸稳定性、生物耐腐性以及耐气候性提高[1]。
王洁瑛等[2]采用烘箱热处理和真空热处理方法对杉木(Cunninghamia lanceolata)压缩材进行180 ℃热处理，处理时间分别为6、10、15和25 h，研究发现：烘箱热处理试件的质量损失率随处理时间的延长而增大，并与回复率呈近似线性负相关；在相同条件下，真空热处理试件的材色变化小，但回复率大。陈太安等[3]对表面压缩后的云南松(Pinus yunnanensis)进行220 ℃高温热处理2 h后, 表层压缩材的尺寸稳定性显著提高，同时热处理对材色、硬度和静曲强度等也有较为显著的影响，但对剖面密度分布和弹性模量的影响较小。Laine等[4]对表面密实处理后的欧洲赤松(Pinus sylvestris)进行200 ℃热处理3 h，并对处理后的试件进行浸泡-干燥循环处理，研究发现：热处理会带来表面密实材质量的损失，但大部分的压缩变形得以固定。邹国政[5]对杨木(Populus P.)表面密实材进行190 ℃热处理2.5 h后，试件的干缩率和湿胀率均有所改善和提高，有效地固定了杨木试件压缩后的变形回复。高志强等[6]采用常压热处理，夏捷[7]采用加压热处理分别对毛白杨(Populus tomentosa)表层压缩木进行2 h的热处理，发现两种热处理方法均可以显著减小表层压缩木的变形回弹率，但加压热处理会使木材发生更加剧烈的热解，试件的弹性模量、抗弯强度下降更明显，材色也更深。以往研究中大多采用碳化箱或碳化罐对木材进行整体高温热处理，而表面密实材仅仅需要对表面几毫米的密实层进行变形固定，整体高温热处理往往耗时长，生产效率低且能源消耗大。因此本研究采用热压机对表面密实材进行表面热处理，探究热处理温度和处理时间对表面密实材压缩变形的固定及性能的影响。
1. 材料与方法
1.1 材料
奥古曼(Aucoumea klaineana)，产自非洲加蓬，气干密度约为0.44 g/cm3, 将锯材气干至含水率13%~15%之后，锯切成300 mm(纵向)×110 mm(弦向)×25 mm(径向)。
1.2 实验方法
1.2.1 表面密实材的制备
将试件置于100 ℃水蒸气中软化10 min后，设定木材柱面连续滑动加压装置压缩量为2 mm，进给速度为8 m/min，对试件表面进行密实化处理。
1.2.2 表面热处理
将表面密实材试件平衡处理(20 ℃、65%湿度下静置)一个月后，用铝箔包覆以避免其表面受污染。设定热压机的压力值为1 MPa以使得试件表面充分贴合上下热压板，分别设定热处理温度为180、200和220 ℃，处理时间为10、20和30 min，对试件进行表面热处理，每种处理条件重复5次，将热处理后的试件平衡处理一个月后进行各项性能的检测。
1.3 性能检测
1.3.1 回弹率测定
将试件加工成10 mm(纵向)×100 mm(弦向)，分别进行吸湿、吸水及水煮处理。吸湿回弹实验是将试件放入恒温恒湿箱中，在温度35 ℃、湿度85%条件下放置至压缩方向尺寸稳定后取出，放入103 ℃干燥箱中烘至绝干，测量其绝干厚度。吸水回弹实验是将试件在浸水条件下放置至饱水状态，取出置于室内至气干状态，再放入干燥箱中，在60 ℃下干燥4 h，再在103 ℃下干燥至绝干状态，测量其厚度。水煮回弹实验是将试件在沸水中煮10 min后，取出置于室内至气干状态，再放入干燥箱中，先在60 ℃下干燥4 h，再在103 ℃下干燥至绝干状态，测量其厚度[6]。回弹率的计算公式如下[8]：
R=dr−dcd0−dc×100% 式中：R为试件回弹率，%；d0为压缩前绝干试件厚度，mm；dc为压缩后绝干试件厚度，mm；dr为吸湿(或吸水、水煮)处理试件的绝干厚度，mm。
1.3.2 表面硬度测定
表面硬度测定按日本标准JIS Z 2117进行，将试件加工成50 mm(纵向)×50 mm(弦向)，在力学实验机上以0.5 mm/min的速度将直径为10 mm的钢球压入木材，压入表面深度1 mm，每个面测量5个点，求平均值。表面硬度的计算公式如下：
H=\frac{P}{2 \mathtt{π} r h}=\frac{P}{31.4} 式中：H为表面硬度，MPa；P为钢头压入时的最大载荷，N；r为钢球半径，mm；h为压入深度，mm。
1.3.3 耐磨性测定
耐磨性用磨耗量表示，按照GB/T 1768—2006《色漆和清漆耐磨性测定—旋转橡胶砂轮法》进行，将试件加工成100 mm(长)×100 mm(宽)，漆膜磨耗仪砂轮直径为51.6 mm，砂轮荷重500 g，选用180目，宽度为12 mm的纱布条，磨耗量的计算公式[9]如下：
d=\frac{10\left(W_{0}-W_{1}\right)}{\rho A} 式中：d为磨耗量，mm；W0为磨耗前试件的重量，g；W1为磨耗后试件的重量，g；ρ为试件表面密实层的密度，g/cm3；A为试件表面被磨耗的圆环面积；cm2。
1.3.4 材色测定
材色测定采用国际照明委员会CIE(1976), 即L*a*b*标准色度学表征系统, 计算求得明度差(ΔL*)、色品指数差(Δa*、Δb*)和总体色差(ΔE*)[10]。
\begin{array}{c}{C^{*}=\sqrt{\left(a^{*}\right)^{2}+\left(b^{*}\right)^{2}}} \\ {\Delta L^{*}=L^{*}-L_{0}^{*}} \\ {\Delta a^{*}=a^{*}-a_{0}^{*}}\end{array} \Delta b^{*}=b^{*}-b_{0}^{*} \Delta E^{*}=\sqrt{\left(\Delta L^{*}\right)^{2}+\left(\Delta a^{*}\right)^{2}+\left(\Delta b^{*}\right)^{2}} 式中：C*、a*、b*、L*表示表面热处理后木材的颜色值，a0*、b0*、L0*表示热处理前木材的颜色值，ΔL*为明度差，Δa*为红绿轴色品指数差，Δb*为黄蓝轴色品指数差，ΔE*为色差。
1.3.5 红外光谱分析
将试件由表面锯切成5 mm(纵向)×5 mm(弦向)×1 mm(径向)大小的薄片，放入红外光谱仪进行测试，设置光栅为6 mm，扫描速度为10 kHz，扫描次数为16次，扫描波长为750~4 000 cm-1，分辨率为4 cm-1。
2. 结果与分析
2.1 表面热处理工艺对压缩变形的固定效果
奥古曼试件不同参数条件表面热处理后的吸湿、吸水和水煮回弹率如图 1~3所示。相比未经表面热处理的试件，表面热处理后试件的回弹率显著降低，并且3种回弹率均随表面热处理温度的升高而降低，例如：180 ℃处理10 min后的吸湿、吸水和水煮回弹率分别为11.1%、31.3%和66.7%；200 ℃处理10 min后的吸湿、吸水和水煮回弹率分别为7.9%、9.7%和34.9%；220 ℃处理10 min后的吸湿、吸水和水煮回弹率分别为3.6%、6.9%和11.7%。在表面热处理过程中，随着处理温度的升高，木材内部的物理化学反应更加剧烈，分子链中的自由羟基减少，纤维素非结晶区结晶化，同时由于半纤维素随着处理温度的升高而发生降解，导致其亲水性下降[11-12]。另外，3种回弹率也随着表面热处理时间的延长而降低，例如：220 ℃处理10 min后的吸湿、吸水和水煮回弹率分别为3.6%、6.9%和11.7%；处理20 min后的吸湿、吸水和水煮回弹率分别为2.9%、4.6%和9.1%；处理30 min后的吸湿、吸水和水煮回弹率分别为0.9%、2.1%和3.0%。在160~220 ℃的高温热处理过程中，由于最初的压应力，木材内部首先引起非结晶区域中纤维素、半纤维素分子链之间的滑移，应力得到少量松弛，然后细胞壁中的无定形高分子物质matrix在高温作用下迅速被软化，从玻璃态转化成橡胶态，引起链段运动，加速了木材内应力的松弛，之后基于半纤维和木素的热分解，由分子切断反应以及在有分子氧或无分子氧的参与下形成半缩醛、醚键等架桥反应，内部应力进一步得到松弛，减少了变形回复所必要的弹性回复原力，从而降低了回弹率[13]。由此可见热处理可以对表面密实材进行有效的变形固定。
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图 1 不同参数表面热处理后的吸湿回弹率Figure 1. Spring-back rate of moisture absorption after surface thermal treatment of different parameters![]()
图 2 不同参数表面热处理后的吸水回弹率Figure 2. Spring-back rate of water absorption after surface thermal treatment of different parameters![]()
图 3 不同参数表面热处理后的水煮回弹率Figure 3. Spring-back rate of water boiling after surface thermal treatment of different parameters2.2 表面热处理工艺对表面性能的影响
2.2.1 表面硬度
奥古曼试件不同参数条件表面热处理后的表面硬度如图 4所示，表面硬度较未密实材的变化率如图 5所示。表面硬度的变化呈现出先提高后降低的整体趋势，当温度高于200 ℃，延长处理时间会造成木材表面硬度的降低。表面热处理温度为180 ℃时，试件的表面硬度随表面热处理时间的延长而提高。180 ℃处理10 min后试件的表面硬度为26 MPa，较未密实材提高了53.8%；处理20 min后试件的表面硬度为27.1 MPa，较未密实材提高了60.4%；处理30 min后试件的表面硬度为30.9 MPa，较未密实材提高了82.8%。200 ℃处理10 min后的表面硬度为32.2 MPa，较未密实材提高了90.5%，这是由于在热压板表面热处理的过程中，压板施加了一定的压力来保证试件表面与压板充分贴合，这在一定程度上也是对试件的二次加压密实。但从200 ℃处理10~20 min的某个点开始，表面硬度开始降低，并随表面热处理温度的升高和处理时间的延长降低越显著，但仍然高于未密实材。200 ℃处理20 min后的表面硬度为23.8 MPa，较未密实材提高了40.8%。200 ℃处理30 min后的表面硬度为22.1 MPa，较未密实材提高了30.8%。220 ℃处理30 min后的表面硬度为20.4 MPa，较未密实材提高了20.7%。这是由于随着表面热处理温度的升高，处理时间的延长，木材的组成成分纤维素、半纤维素和木质素发生了更加剧烈的热解和化学反应，从而导致了木材表面强度的降低。
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图 4 不同参数表面热处理对表面硬度的影响Figure 4. Effects of surface thermal treatment of different parameters on surface hardness![]()
图 5 不同参数表面热处理表面硬度提高率Figure 5. Improvement rate of surface hardness after surface thermal treatment of different parameters2.2.2 表面耐磨性
不同参数条件表面热处理对表面耐磨性的影响如图 6所示。耐磨性用磨耗量来表征，磨耗量越小表示表面耐磨性越好。由图 6可以看出：表面磨耗量呈现出先降低后增加的整体趋势，当温度高于200 ℃，延长处理时间会造成木材表面耐磨性的降低。当表面热处理温度为180 ℃，试件表面的磨耗量随处理时间的延长而降低，耐磨性提高，180 ℃处理10 min时的表面磨耗量为0.45 mm，处理20和30 min时的表面磨耗量分别降低为0.42和0.40 mm。200 ℃处理10 min时的表面磨耗量为0.34 mm，较180 ℃处理时有所降低，但在200 ℃处理10~20 min之间的某个点，表面磨耗量开始提高，耐磨性呈现降低的趋势，并随表面热处理温度的升高及处理时间的延长而降低，但仍然低于未密实材的表面磨耗量。200 ℃处理20 min时的表面磨耗量为0.53 mm，处理30 min时的表面磨耗量为0.61 mm。220 ℃处理30 min时的表面磨耗量为0.64 mm。
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图 6 不同参数表面热处理对表面耐磨性的影响Figure 6. Effects of surface thermal treatment of different parameters on surface abrasion resistance2.2.3 材色
表面热处理后，试件的材色均变深，不同参数表面热处理后试件的L* a* b*材色空间系数变化如图 7所示。由图 7可知：表面热处理后试件的明度差ΔL*、红绿轴色品指数差Δa*和黄蓝轴色品指数差Δb*均为负值，且其绝对值均随着表面热处理温度的升高或处理时间的延长而增大。当表面热处理时间为10 min时，180 ℃处理时试件的ΔL*为-7.85，200 ℃处理时为-11.99，220 ℃处理时为-21.43；当表面热处理温度为200 ℃时，处理10 min时试件的ΔL*为-11.99, 处理20 min时为-13.8, 处理30 min时为-17.09。ΔL*表示明度差，其绝对值越大表示颜色越暗；Δa*是红绿轴色品指数，其绝对值越大表示材色越偏向于绿色，这说明表面热处理后，木材的红色逐渐褪去；Δb*表示木材的黄蓝轴色品指数，其绝对值越大表示材色的黄色部分降低。黄色具有很高的明度，是光谱中最亮的颜色，因此Δb*的变化与ΔL*的变化一致[14]，这表明表面热处理温度越高，处理时间越长，试件材色越深。ΔE*表示色差，为正值，其值越大表示材色变化越明显。色差随着表面热处理温度的升高或处理时间的延长而变大，色差的变化范围在8.0~26.4之间(图 7d)。人眼对色差值在1.5~3.0范围可察觉，对色差值在3.0~6.0范围可识别[15]，这说明表面热处理工艺对木材表面材色的影响较大。
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图 7 不同参数表面热处理后材色空间系数的变化情况Figure 7. Changes of wood color space coefficient after surface thermal treatment of different parameters2.3 表面热处理工艺对化学成分的影响
为了探究表面热处理后表面密实材的变形得以固定以及表面性能发生变化的原因，采用红外光谱仪对不同条件处理后试件的化学成分进行测定分析。图 8、9分别表示不同温度和不同时间表面热处理后，处理材和未处理材在波数为750~4 000 cm-1范围内的红外吸收光谱图，图谱中主要吸收峰的归属如表 1所示。
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图 8 试件不同温度表面热处理后红外光谱图Figure 8. Infrared spectrogram of wood samples after surface thermal treatment under different temperatures![]()
图 9 试件不同时间表面热处理后红外光谱图Figure 9. Infrared spectrogram of wood samples after surface thermal treatment under different time表 1 奥古曼试件的红外光谱特征吸收峰及其归属Table 1. Location and assignment of FT-IR absorption peaks of Okoume特征吸收峰波数
haracteristics absorbtion wavenumber/cm-1振动模式及归属
Vibration mode and ownership3 338 O—H伸展振动O—H stretching vibration 2 919 C—H伸展振动(脂肪族) C—H stretching vibration(aliphatic) 1 737 C—O伸展振动(聚木糖) C—O stretching vibration(polyxylose) 1 594 苯环的碳骨架振动(木质素) Carbon skeleton vibration of benzene ring(lignin) 1 509 芳环的碳骨架振动(木质素) Carbon skeleton vibration of aromatic ring(lignin) 1 423 CH2剪式振动(纤维素)、CH2弯曲振动(木质素) CH2 scissoring vibration(cellulose)，CH2 bending vibration(lignin) 1 239 苯环氧键Ar—O伸缩振动(木质素) Stretching vibration of benzene epoxy bond Ar—O(lignin) 1 158 C—O—C伸缩振动(纤维素和半纤维素) C—O—C stretching vibration(cellulose and hemicellulose) 1 030 C—O伸缩振动(纤维素和半纤维素)、乙酰基中的烷氧键伸缩振动C—O stretching vibration(cellulose and hemicellulose), stretching vibration of alcoxy bond in acetyl groups 从图 8、9可以看出：不同温度和不同时间表面热处理后，吸收峰的位置和形状比较相似，但吸收峰的吸收强度发生变化，各吸收峰较对照材均呈现下降的趋势。1 737 cm-1处归属半纤维素C—O伸展振动，表面热处理后吸收峰强度明显减弱，这是由于半纤维素发生了脱乙酰基反应，导致了半纤维素含量的降低[16]；在1 030、1 158、1 423 cm-1处的吸收峰归属于纤维素和半纤维的C—O伸缩振动、C—O—C伸缩振动、CH2剪式振动和CH2弯曲振动，吸收峰的吸光度均随表面热处理温度的升高或处理时间的延长而降低，这是由于纤维素和半纤维发生了热解反应，从而导致了纤维素和半纤维素含量的降低；在1 239、1 509、1 594 cm-1处的吸收峰归属于木质素官能团，这些吸收峰也随着表面热处理温度的升高和处理时间的延长呈现降低的趋势，这是因为表面热处理过程中，木质素也发生了化学变化和热解反应[17]。木材中3大组成成分的变化也是木材表面硬度、耐磨性和材色发生变化的主要原因。
木材的尺寸稳定性与木材的主要组成成分中具有吸水性的游离羟基有关[18]。随着表面热处理温度的升高或处理时间的延长，木材中的羟基吸收峰(波数3 411~3 423 cm-1)和羰基吸收峰(波数1 601~1 738 cm-1)的强度也均呈现降低的趋势，这是由于在160~220 ℃的高温作用下，木材中的纤维素准结晶无定型区域内纤维素分子链间的每对游离羟基发生了架桥反应，脱除了1分子的水，形成了醚键，从而使得游离羟基数量大大减少，另外半纤维素多聚糖分子链上的乙酰基容易发生水解反应而生成醋酸，使得羰基的数量减少[19]。表面热处理温度越高，处理时间越长，羟基和羰基吸收峰的强度降低越明显，木材的尺寸稳定性越好，从而有效地固定变形。
3. 结论
(1) 通过对热处理后表面密实材的吸湿、吸水和水煮回弹率测定可以发现热处理对固定木材表面的压缩变形效果显著，且回弹率均随着处理温度的升高或处理时间的延长而降低。
(2) 表面硬度、耐磨性和材色的测定结果表明：当温度高于200 ℃，延长处理时间会造成木材表面硬度和耐磨性的降低；随着热处理温度的升高或处理时间的延长，表面密实材的明度差、红绿轴色品指数差和黄蓝轴色品指数差的绝对值增大，色差增大，材色变深。
(3) 热处理后表面密实材的红外光谱分析表明：热处理后各吸收峰的吸光度均呈现降低的趋势，且随热处理温度的升高或处理时间的延长，降低越明显；木材3大组成成分由于热解反应导致其含量降低，影响木材尺寸稳定性的羟基和羰基的数量也相应减少。
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图 1 不同参数表面热处理后的吸湿回弹率
Figure 1. Spring-back rate of moisture absorption after surface thermal treatment of different parameters
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图 2 不同参数表面热处理后的吸水回弹率
Figure 2. Spring-back rate of water absorption after surface thermal treatment of different parameters
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图 3 不同参数表面热处理后的水煮回弹率
Figure 3. Spring-back rate of water boiling after surface thermal treatment of different parameters
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图 4 不同参数表面热处理对表面硬度的影响
Figure 4. Effects of surface thermal treatment of different parameters on surface hardness
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图 5 不同参数表面热处理表面硬度提高率
Figure 5. Improvement rate of surface hardness after surface thermal treatment of different parameters
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图 6 不同参数表面热处理对表面耐磨性的影响
Figure 6. Effects of surface thermal treatment of different parameters on surface abrasion resistance
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图 7 不同参数表面热处理后材色空间系数的变化情况
Figure 7. Changes of wood color space coefficient after surface thermal treatment of different parameters
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图 8 试件不同温度表面热处理后红外光谱图
Figure 8. Infrared spectrogram of wood samples after surface thermal treatment under different temperatures
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图 9 试件不同时间表面热处理后红外光谱图
Figure 9. Infrared spectrogram of wood samples after surface thermal treatment under different time
表 1 奥古曼试件的红外光谱特征吸收峰及其归属
Table 1 Location and assignment of FT-IR absorption peaks of Okoume
特征吸收峰波数
haracteristics absorbtion wavenumber/cm-1振动模式及归属
Vibration mode and ownership3 338 O—H伸展振动O—H stretching vibration 2 919 C—H伸展振动(脂肪族) C—H stretching vibration(aliphatic) 1 737 C—O伸展振动(聚木糖) C—O stretching vibration(polyxylose) 1 594 苯环的碳骨架振动(木质素) Carbon skeleton vibration of benzene ring(lignin) 1 509 芳环的碳骨架振动(木质素) Carbon skeleton vibration of aromatic ring(lignin) 1 423 CH2剪式振动(纤维素)、CH2弯曲振动(木质素) CH2 scissoring vibration(cellulose)，CH2 bending vibration(lignin) 1 239 苯环氧键Ar—O伸缩振动(木质素) Stretching vibration of benzene epoxy bond Ar—O(lignin) 1 158 C—O—C伸缩振动(纤维素和半纤维素) C—O—C stretching vibration(cellulose and hemicellulose) 1 030 C—O伸缩振动(纤维素和半纤维素)、乙酰基中的烷氧键伸缩振动C—O stretching vibration(cellulose and hemicellulose), stretching vibration of alcoxy bond in acetyl groups 
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