真空高温热处理对木材颜色及力学性能的影响文献综述

 2022-08-04 11:24:57

  1. 国内文献对木材高温热处理的研究

热处理木材是在特定介质中高温处理过的一种木材改良性能的产品,处理过

程中不会添加任何化学制剂,因此绿色环保。同时经过热处理的普通木材通常具有色彩诱导性和尺寸稳定性,这就扩大了木材的适用范围,增加了普通木材的附加值。例如经过高温热处理的木材,其颜色加深,或可接近红木色调,若能准确地控制温度,即可根据用户需求诱导木材颜色变化;未经处理的木材在过于潮湿等特殊环境下,很容易出现变形等问题,通过热处理可使木材提高耐腐性、疏水性等,从而在户外或室内浴室等地放心使用木材。此外,热处理木材的热绝缘性和电绝缘性较好,亦可用于特殊用途。

热处理可以改变木材的平衡含水率、吸水率和体积膨胀率,随着时间和温度的增加,木材平衡含水率等都会显著下降,从而降低木材吸湿性,提高其尺寸稳定性,且对于木材的吸湿性和体积膨胀率,处理温度的影响更为重要。此外木材的弹性模量和抗缩系数受处理温度影响也较大,受处理时间变化的影响则相对较小,而木材静曲强度同时受处理时间和处理温度影响。因此,对于木材的实际加工,可以根据其在家具等产品的不同结构部位对不同性能的要求来选择处理方式,也说明不同木材的加工工艺需要按实际考虑,在生产中需明确使用的木材树种及其受热处理影响的限度。

2010年李贤军等人以人工林杉木木材为研究对象,研究在4个温度水平和4个时间水平下对杉木木材进行高温热处理时,处理温度和处理时间对木材吸湿性和尺寸稳定性的影响规律[1]。2012年湖南省林业科学院的陈泽君等人在《高温热处理对人工林杨木物理力学性能和尺寸稳定性的影响》[2]一文中研究了处理温度和处理时间对木材物理力学性能和尺寸稳定性的影响,证明不同条件的热处理均可提高木材静曲强度、弹性模量以及抗缩系数。陈康乐等人在西北林学院学报上发表论文《高温热处理对木材力学性能的影响》[3],以毛白杨、云杉和樟子松为试验材料,通过蒸汽热处理,研究热处理条件变化对该三种木材的抗弯强度、抗弯弹性模量及顺纹抗压强度的影响。结果表明,随着热处理温度的升高和处理时间的延长,三种木材的三项指标均降低,且三种木材主要力学强度降低的温度各不相同,随着时间增加,降低的速度也不均匀,因此控制热处理温度与时间有可能在使木材力学强度受影响较小的前提下获得其他附加值的提升。江京辉、吕建雄在《高温热处理对木材颜色变化影响综述》[4]中总结了热处理对木材颜色变化的研究结果,分析热处理方式、热处理工艺参数包括温度和时间、树种与化学成分对热处理材颜色变化的影响,颜色变化与化学成分以及物理力学性能的相互关系,以及热处理材颜色光稳定性能。对于热处理木材的颜色变化,可能与热处理温度和时间也有某种线性关系。在热处理色差比较大的材料时,使热处理后的木材色差变小、色泽均匀,可以使木材外观质量更高,或与其他木材改性方法相结合,以实现常用普通木材的颜色模仿红木颜色的目的等。

2014年,高文丽等人对杨木进行了炭化、真空热处理、蒸汽热处理、gamma;射线辐照处理及微波热处理,分析这五种物理改性处理前后杨木的物理性能、力学性能和耐腐性能等方面的变化,以确定对杨木改性最优异的工艺条件 [5]。在结论中得出,热处理与gamma;射线相比,能显著地使木材更有光泽,颜色转为褐色、深褐色,但热处理会使木材质量损失不断增大。刘星雨等人采用蒸汽介质热处理方法,在氧气含量低于2%的干燥箱内对樟子松、落叶松、扭叶松和马尾松进行热处理[6],对热处理后木材的物理力学性能的变化、实验室以及中试热处理条件下木材性能之间的差异、中试热处理不同位置木材性能之间的关系进行总结,根据试验结果对热处理木材进行聚类。此项研究分析了中试热处理不同位置木材的物理力学性质的关系。

我国幅员辽阔、树种繁多,根据需求不同,试材规格的要求也不同,所以产品投产前试验和实验室研究仍需继续。

2.国内文献对真空热处理的研究

在倡导可持续发展与环境保护的当今社会,高温热处理法因其环保特点日渐成为木材改性的热点技术。这是一项不用添加化学药剂,仅利用木材在高温下会发生分解的原理对木材进行改性的技术,且操作过程较为简单,处理费用低,处理效果明显。真空热处理木材更加适合家具及木制品的制作。中国林业科学研究院木材工业研究所的阳财喜等人,用真空热处理法对粗皮桉木材进行热处理,并在《桉树真空热处理材表面性能分析》[7]一文中指出,木材经真空热处理后,质量减轻,表面自由能降低,尺寸稳定性提高。王雪花在论文《粗皮桉木材真空热处理热效应及材性作用机制研究》[8]中,以我国南方常见的速生树种粗皮桉木材为研究对象,将其在真空条件下进行热处理,考察热处理过程中木材内部的热量传递规律及处理材的物理力学特征,并选用不同分析手段分析热处理后木材性质的变化机理。

真空热处理的过程中,会使落叶松木材的表面自由能降低,且温度越高,木材的表面自由能越低。同时木材表面热处理过后氧元素及氧碳比降低,温度越高,木材表面的木质素与抽提物含量越多。中国林业科学研究院木材工业研究所的王喆等人,以落叶松木材为研究对象,探究真空热处理对落叶松木材表面性能的影响[9],测试了不同极性的液体在木材表面的接触角,并计算了木材的表面自由能;利用傅里叶变换红外光谱和 X 射线光电子能谱分析了木材在热处理过程中官能团和表面化学成分的变化。得出结论,真空热处理降低了落叶松木材的润湿性。此研究结果从表面化学组成变化方面解释了木材润湿性下降的原因之一。2016年南京林业大学刘洪海等人研究了温度与时间对家具用材MOR、MOE和颜色的影响,提出木材真空中温热处理能够提高木材的抗弯强度和抗弯弹性模量,并且对木材变色影响小[10]

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