过热蒸汽预处理对枫香木材性能的影响

庄晓伟， 潘 炘， 陈顺伟， 蒋应梯

(浙江省林业科学研究院浙江省森林资源生物与化学利用重点实验室,浙江杭州 310023)

过热蒸汽预处理对枫香木材性能的影响

庄晓伟， 潘 炘， 陈顺伟， 蒋应梯

(浙江省林业科学研究院浙江省森林资源生物与化学利用重点实验室,浙江杭州 310023)

[目的]明确不同温度过热蒸汽预处理对枫香木材性能的影响，为进一步提高枫香木材性能提供理论依据。[方法]研究不同温度过热蒸汽预处理对枫香色度、尺寸稳定性、防霉效果和耐腐性的影响。[结果]过热蒸汽预处理能够诱发枫香表面色度向红色方向变化，提高其外观品质；提高枫香的尺寸稳定性，减少变形、开裂等缺陷；一定程度上抑制细菌生长，提高枫香的防霉和耐腐性能。其中140 ℃过热蒸汽预处理效果最佳，对可可球二孢、桔青霉、黑曲霉、绿色木霉具有较好的防治效果，枫香被害值为1，防治效力达60%；耐腐性方面，140 ℃过热蒸汽预处理枫香的质量损失率达9.05%，比未处理样降低了27.83%，耐腐朽等级达 Ⅰ 级。[结论]过热蒸汽预处理能够提高枫香木材性能。

过热蒸汽；枫香；色度；防霉效果；耐腐性

木材是一种可再生和可循环利用的天然材料。木材的颜色是木材表面性质、品质评价和应用价值评价的重要指标[1]，不仅与人的视觉和心理感觉紧密相关，而且凭借木材的颜色及其变化来判断木材的种类、性质以及性质的变化就是木材颜色实际应用的典型[2]。枫香(Liquidambarformosana)是我国优良乡土速生阔叶树种[3]，近年来在木制玩具等行业生产应用方面备受关注，但枫香含有丰富的内含物，易受微生物侵染，采伐后不及时进行干燥处理，易发生褐变[4]，且在干燥、加工和使用过程中容易发生色变，存在因色变产生的浪费等现象[5]。因此，枫香木材干燥工艺前进行过热蒸汽预处理，诱发枫香木材表面色度变化，提高其外观品质、尺寸稳定性、耐腐和防霉性能，是一种物理环保的预处理方法，处理后木材适用于出口木制玩具产品生产。笔者研究了不同温度过热蒸汽预处理对枫香木材性能的影响，以期为进一步提高枫香木材性能提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 供试植物。枫香木材，板材厚度为2 cm，为江西省万载县绿林实业有限公司产品。

1.1.2 供试菌株。黑曲霉(Aspergillusniger)、桔青霉(Penicilliumvisidicatum)、绿色木霉(Trichodermaviride)购自中国普通微生物菌种保藏管理中心。可可球二孢(Lasiodiplodiatheobromae)、彩绒革盖菌(Trametesversicolor)购自中国林业微生物菌种保藏管理中心。

1.1.3 主要仪器。蒸汽发生器由江西省上饶市江心锅炉有限公司生产，最高饱和蒸气压为0.7 MPa，温度为170 ℃，蒸汽量为13 kg/h。碳化罐由浙江省杭州荣达锅炉容器有限公司生产，工作压力为0.5 MPa，容积为0.2 m3。TNI18 X-Rite型色差计由美国爱色丽公司生产；MWW-10型号微机控制人造板万能试验机由山东济南天辰试验机制造有限公司生产。

1.2 试验方法 试验采用2 cm厚度枫香板材，过热蒸汽预处理时间4 h，蒸汽温度为100、120和140 ℃，预处理后置于鼓风干燥箱中50 ℃干燥至水分含量在8%～12%。

1.3 分析方法

1.3.1 色度。木材表面色度采用色差计球面积分模式测试，并通过Lab色彩模型将枫香的色度表达出来，Lab色彩模型是由照度(L*)和有关色彩的a*、 b*3个要素组成。其中，L*表示照度，L*越大表示越白，L*小表示偏黑；a*表示从洋红色至绿色的范围；b*表示从黄色至蓝色的范围。总色差△E*由公式计算：△E*=[(△L*)2+(△a*)2+(△b*)2]1/2。记录L*、a*、b*数值。

1.3.2 尺寸稳定性。木材尺寸稳定性主要包括湿胀率和干缩率，其指标测定分别采用GB/T 1934.2—2009、GB/T 1932—2009标准方法。

1.3.3 防霉效果评价。木材防霉性能的试样准备、处理、接种和防霉试验等均按照国家标准GB/T18261—2000“防霉剂防治木材霉菌及蓝变菌的试验方法”的相关规定进行。将样品置于25～30 ℃、湿度65%～75%的环境中，28 d后目测样品霉菌感染面积，通过被害值来体现木材防霉效果，被害值越小，防霉效果越好。试样霉变的分级标准：0级，试样表面无菌丝；1级，试样表面感染菌丝面积小于25%；2级，试样表面感染菌丝面积在25%～50%；3级，试样表面感染菌丝面积在50%～75%；4级，试样表面感染菌丝面积大于75%。

1.3.4 耐久性试验方法。木材耐腐性的试样准备、处理、接种和防霉试验等均按照国家标准GB/T13942.1—1992的相关规定进行，对试样受菌腐朽后质量变化量进行测定，计算试样的质量损失百分率，通过质量损失率来体现木材防腐效果，质量损失百分率越小，防腐效果越好。试样耐腐性等级：Ⅰ 强耐腐，质量损失百分率0～10%；Ⅱ 耐腐，质量损失百分率11%～24%；Ⅲ 稍耐腐，质量损失百分率25%～44%；Ⅳ不耐腐，质量损失百分率大于45%。

2 结果与分析

2.1 不同蒸汽温度预处理枫香的表面色度 由表1可知，枫香的L*值和△E*都随着预处理蒸汽温度的升高呈下降趋势，蒸汽温度140 ℃时L*值和△E*最小，比未过热蒸汽预处理枫香分别降低了4.60%和5.39%，说明过热蒸汽预处理降低枫香的亮度、加深表面色度。但温度≤140 ℃的过热蒸汽预处理后枫香木材的L*值≥76.95，其表面颜色总体上还是偏浅。枫香的a*值随着预处理蒸汽温度的升高而增大，b*值随着预处理蒸汽温度的升高总体呈降低趋势，其中预处理蒸汽温度120和140 ℃时枫香的a*值和b*值达到红木类木材的色度参数标准要求，说明随着预处理蒸汽温度的升高，枫香表面色度向红色方向变化，温度≥120 ℃蒸汽预处理能够提高枫香木材的外观品质。

表1 不同蒸汽温度预处理的枫香色差参数

Table 1 Chromaticity parameters ofLiquidambarformosanapretreated by different temperature of superheated steam

蒸汽处理温度Temperatureofsuperheatedsteam∥℃亮度L∗红值a∗蓝值b∗总色差△E∗080．664．7123．1984．0610079．295．1022．0682．4612078．456．5318．4280．8514076．957．7818．5279．53

2.2 不同蒸汽温度预处理枫香的尺寸稳定性

2.2.1 湿胀率。由表2可知，蒸汽温度对枫香的湿胀率影响较明显，随蒸汽温度升高枫香湿胀率呈下降趋势，其中蒸汽温度为140 ℃时，全干-气干和全干-吸水至尺寸稳定的径向、弦向和体积湿胀率都最低；与未处理材相比，全干-气干的径向、弦向和体积湿胀率分别降低了15.00%、19.23%、16.67%，全干-吸水至尺寸稳定的径向、弦向和体积湿胀率分别降低了7.32%、8.60%、13.58%；说明蒸汽温度为140 ℃时预处理枫香的湿胀方面的尺寸稳定性最佳。采用100～140 ℃蒸汽对枫香进行预处理时，少量有机物出现溶出现象，半纤维素开始降解，纤维素基本不发生分解反应，木质素部分被软化[6]；枫香的热解反应导致半纤维素主链和侧链上的亲水性基团参与反应或断裂而减少，纤维素中羟基浓度降低，从而降低了枫香的湿胀率[7]。

表2 不同蒸汽温度预处理枫香的湿胀率

Table 2 Swelling ratio of Liquidambar formosana pretreated by different temperature of superheated steam %

2.2.2 干缩率。由表3可知，枫香径向和弦向干缩率随着蒸汽温度升高呈下降趋势，与未处理材相比，蒸汽温度为140 ℃时，枫香的湿材-全干缩率径向降低了7.89%、弦向降低了11.54%，湿材-气干缩率径向降低了5.56%、弦向降低了13.16%；而蒸汽温度为100和120 ℃时的枫香湿材-全干缩率、湿材-气干缩差异较小。

差异干缩是指木材的弦向干缩率与其径向干缩率之比，该值愈大，表明木材在干燥过程中弦向与径向的干缩率差别越大，所以愈易变形和开裂。由表3可知，枫香过热蒸汽预处理可以降低枫香的差异干缩，蒸汽预处理枫香的差异干缩均小于未蒸汽预处理的枫香对照样，说明枫香蒸汽预处理后可一定程度上减少变形、开裂等缺陷[8]。

表3 不同蒸汽温度预处理枫香的干缩率

Table 3 Dry-shrinkage ofLiquidambarformosanapretreated by different temperature of superheated steam

蒸汽处理温度Temperatureofsuperheatedsteam∥℃湿材-全干缩率Wet⁃woodshrinkage径向Radial%弦向Chord%差异干缩Differentialdryingshrinkage湿材-气干缩率Wet⁃airdryingshrinkage径向Radial%弦向Chord%差异干缩Differentialdryingshrinkage03．87．82．11．83．82．11003．67．52．11．83．62．01203．67．32．01．83．51．91403．56．92．01．73．21．9

2.3 不同温度蒸汽预处理枫香的防霉性能 由表4可知，随着预处理过热蒸汽温度的升高，枫香的可可球二孢、桔青霉、黑曲霉和绿色木霉4种菌的被害值总体呈下降趋势，对应的防治效力逐渐提高[9]。枫香的可可球二孢的被害值较低，4种处理的被害植均≤1，其中过热蒸汽温度140 ℃预处理枫香被害值达到0级；除未蒸汽预处理的枫香桔青霉、黑曲霉和绿色木霉的被害值≥3，其余不同温度蒸汽预处理枫香的桔青霉、黑曲霉和绿色木霉的被害值≤2。从被害值均

表4 不同温度蒸汽预处理枫香的防霉性能

值和防治效力来看，过热蒸汽温度140 ℃对枫香的预处理效果最好，被害值均值达到1级，防治效力达60%。因此，蒸汽预处理枫香具有了不同程度的防霉能力，被害值等级的大小与蒸汽温度相关，140 ℃效果最好。

2.4 过热蒸汽预处理枫香的耐腐性 由表7可知，蒸汽预处理枫香的质量损失百分率随处理蒸汽温度的升高而减小，140 ℃时质量损失百分率最低，为9.05%，比对照样的质量损失百分率降低27.83%，小于 Ⅰ 级耐腐朽等级标准值10%，耐腐朽等级为 Ⅰ 级[10]；120 ℃时质量损失百分率为10.16%，比对照样的质量损失百分率降低18.98%，稍高于 Ⅱ 级耐腐朽等级标准值10%。因此，蒸汽预处理能够在一定程度上提高枫香的耐腐性，且蒸汽温度越高效果越好，以140 ℃蒸汽预处理效果最佳。

表5 过热蒸汽预处理枫香的耐腐性

Table 5 Decay resistance ofLiquidambarformosanapretreated by different temperatures of superheated steam

蒸汽处理温度Temperatureofsuperheatedsteam∥℃质量损失百分率Masslosspercentage∥%耐腐朽等级Gradeofdecayresistance012．54Ⅱ10011．29Ⅱ12010．16Ⅱ1409．05Ⅰ

3 结论

枫香在加工和使用过程中容易发生褐变，120～140 ℃过热蒸汽预处理能够降低枫香的a*值和b*值，诱发枫香表面色度向红色方向变化趋势，既提高了枫香的外观品质，又避免了因褐变产生的浪费等现象。

过热蒸汽预处理能够降低枫香的湿胀率和干缩率，提高其尺寸稳定性，一定程度上减少其变形、开裂等缺陷。湿胀率方面，随蒸汽温度升高枫香湿胀率呈下降趋势，蒸汽温度140 ℃时预处理枫香的湿胀方面的尺寸稳定性最佳。干缩率方面，枫香径向和弦向干缩率随着蒸汽温度升高呈下降趋势，蒸汽预处理枫香的差异干缩均小于未蒸汽预处理的枫香对照样。

过热蒸汽预处理能够降低枫香营养物质含量，在一定程度上能够抑制细菌生长，提高枫香的防霉和耐腐性能。防霉效果方面，随着过热蒸汽温度的升高，枫香的可可球二孢、桔青霉、黑曲霉和绿色木霉4种菌的被害值总体呈下降趋势，对应的防治效力逐渐提高，其中140 ℃过热蒸汽预处理效果最好，处理后枫香被害值为1级，防治效力达60%。耐腐性方面，蒸汽预处理枫香的质量损失百分率随处理蒸汽温度的升高而减小，其中140 ℃时质量损失百分率最低，为9.05%，比未处理样的质量损失百分率降低27.83%，耐腐朽等级为 Ⅰ 级。参考文献

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Effect of Superheated Steam on Properties ofLiquidambarformosana

ZHUANG Xiao-wei,PAN Xin, CHEN Shun-wei et al

(Zhejiang Forestry Academy,Key Laboratory of Forestry Resources Utilization of Zhejiang,Hangzhou,Zhejiang 310023)

[Objective] The aim was to clear effect of superheated steam on the properties ofLiquidambarformosanato provide theoretical basis for improve properties ofLiquidambarformosanawood.[Method] We pretreated wood ofLiquidambarformosanaby different temperature of superheated steam,and analyzed the chroma,anti-mold effects,decay-resistant and dimensional stability of treated wood.[Result] The superheated steam pretreatment could induce the surface ofLiquidambarformosanato red,improved the appearance quality and dimensional stability.The pretreatment also reduced deformation,cracking and other defects ofLiquidambarformosana.The superheated steam pretreatment could inhibit the growth of bacteria,improved the corrosion resistance and mildew ofLiquidambarformosana.In all treatments,the optimum temperature of superheated steam was 140 ℃.In this condition,the superheated steam could inhibit the growth ofLasiodiplodiatheobromae,Penicilliumvisidicatum,AspergillusnigerandTrichodermaviride.And the damage degree and prevention effect ofLiquidambarformosanawere grade I and 60%.Mass loss ofLiquidambarformosanapretreated by 140 ℃ superheated steam was 9.05%,27.83% lower than untreated sample.The decay-resistant degree was grade I.[Conclusion] The superheated steam could improve properties ofLiquidambarformosana.

Superheated steam;Liquidambarformosana;Chroma;Anti-mold effects;Decay-resistant

浙江省科技厅公益技术项目(2014C32113)；浙江省重大科技专项(2012C12006-2)。

庄晓伟(1979- )，男，浙江瑞安人，副研究员，博士，从事木材改性与炭素材料研究。

2016-09-12

S 784；TS 652

A

0517-6611(2016)35-0171-02