林杨木热处理材力学强度变化研究

李如华，史 蔷

（1.中国林业科学研究院森环森保所，北京 100091；2.吉林农业科技学院，吉林 吉林 132101）

热处理可以改善木材尺寸稳定性[1～2]，对于扩大木材在建筑和户外应用至关重要。但在改善上述性能的同时，木材的化学结构也发生变化，导致热处理后的木材变脆、强度下降[3～5]，在很大程度上限制了热处理木材的应用范围[6～7]。为解决这一问题，试验采用高温热处理工艺对杨木木材进行物理改性，探讨热处理工艺对杨木木材力学性能的影响，以期获得优化的热处理工艺参数，为杨木木材有效利用提供科学依据。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

试材为杨木原木木段，直径为200mm，长度为2 000mm，将原木锯解成热处理试件，试件尺寸规格为：500mm（纵向）×100mm（径向）×26mm（弦向）。

热处理试验设温度和时间两个因素，每个因素各有4个水平，采用全因素试验设计分法，共有16组热处理条件，每个热处理条件选取5块试件，即样本数为5，共需80块试件，加上1组对照材，共需85块试件。将试件堆垛入窑，干燥至含水率为10%。

1.2 试验设备

热处理设备温度范围为0～230℃；电子万能力学试验机（生产公司：SIBERHEGNER＆CO.LTD）；

Nicolet impact410型傅立叶变换红外光谱仪频率范围为4 000～400 cm－1，分辨率为4 cm－1，每种试样的波谱扫描次数为64。

1.3 试验方法

热处理试验：热处理温度为160、180、200、220℃，热处理时间为2、4、6、8 h。

力学强度检测试验：将热处理试件加工成抗弯强度和弹性模量试样，规格为300mm（纵向）×20mm（弦向）×20mm（径向），试样的弹性模量按《木材弹性模量测定方法》（GB1936.2-91）进行测试，试样的抗弯强度按《木材抗弯强度试验方法》（GB1936.1-91）进行测试。

红外光谱试验：取一定量的溴化钾放入称量瓶中，另取一定量的做为红外光谱试样的木粉放入称量瓶中，放入烘箱中干燥，设定温度为105℃，时间为48 h。取少量的木粉与溴化钾（木粉与溴化钾的比例为1：150）在玛瑙研钵中，将木粉与溴化钾研磨成粉末，然后将混合物压制成薄片，用傅立叶变换红外光谱仪进行扫谱。

2 试验结果与分析

热处理前后杨木木材抗弯强度、弹性模量变化结果如图1。

图1 热处理杨木木材抗弯强度的变化

木材的抗弯强度是指木材承受横向荷载的能力；弹性模量常用于计算构件在荷载下的变形，以及长柱的荷载；木材硬度表示木材抵抗其它钢体压入木材的能力。试验结果表明，随着热处理温度升高，杨木木材的抗弯强度降低、弹性模量降低。

由图1可知，随着热处理温度的升高和热处理时间的延长，木材的抗弯强度降低。从图1中可以看出，热处理时间对木材抗弯强度的影响不明显，抗弯强度的变化主要是受到热处理温度的影响。素材的抗弯强度是59 MPa，当热处理温度为160℃时，抗弯强度最低为54MPa，抗弯强度最多降低了8.47%；当热处理温度为180℃时，抗弯强度最低为52MPa，抗弯强度最多降低了11.86%；当热处理温度为200℃时，抗弯强度最低为45MPa，抗弯强度最多降低了23.73%；当热处理温度为220℃时，抗弯强度最低为34MPa，抗弯强度最多降低了42.37%。由此可知，当热处理温度高达220℃时，抗弯强度损失了近一半，为了避免热处理对木材力学强度的影响，采用热处理方法对木材进行物理改性时，热处理温度不宜过高，才能达到既提高木材尺寸稳定性，又能尽量地减少木材力学强度的损失。

由图2可知，素材的抗弯弹性模量为10GPa，当热处理温度在160～220℃时，木材的弹性模量降低，最大降低率为27%。与木材的抗弯强度相比，热处理对木材的抗弯弹性模量的影响较小。

图2 热处理杨木木材弹性模量的变化

对杨木素材和热处理材（热处理温度为220℃、热处理时间为8 h）进行傅立叶变换红外光谱检测分析，研究木材化学成分在热处理过程中化学官能团和化学键的变化特征，以期在分子水平上探讨热处理过程中木材化学组分变化。

红外光谱的波长为0.75～500μm，通常根据应用的不同分为3个区域：波长为0.75～0.25μm的近红外区、波长范围2.5～25μm的中红外区和波长范围25～500μm的远红外区。“红外光谱”常指中红外区的分子吸收光谱。在红外光谱中，常用波数（单位cm－1，即以cm为单位的波长的倒数，它表示电磁波在1 cm距离内振动的次数）来描述红外光的频率特性，中红外区的波数范围是4 000～400 cm－1[9]。

表1 杨木木材红外光谱特征吸收峰及其归属

通过将木材分离成单一的组分进行红外光谱分析，然后再进行综合对比推断吸收峰的归属。在木材的红外光谱中，波数在4 000～2 000 cm－1范围内的只有3 413 cm－1处的羟基上的O－H伸缩振动和2 899 cm－1处的甲基、亚甲基或次甲基团上的C－H伸缩振动，这两个峰在纤维素、半纤维素和木素中都大量存在，对研究热处理过程中化学成分的变化贡献不大，为了精确研究木材热处理过程中化学官能团和化学键的变化特征，本文将着重研究热处理材的红外光谱中位于2 000～800 cm－1波段的吸收峰[10]。

纤维素的结构比较简单，一般认为纤维素的特征吸收峰为2 899、1 422、1 376和894 cm－1，并且可以用这几个特征吸收峰计算纤维素的结晶度。半纤维素的红外光谱，因单糖残基和其他侧基的不同而异，但1 737 cm－1附近的乙酰基和羧基上的C＝O伸缩振动吸收峰是半纤维素区别于其他组分的特征[11～13]。

图3中分别列出了木材热处理前后的木材红外光谱。1 737 cm－1处归属半纤维素的C＝O伸缩振动和羰基的伸缩振动吸收峰。1 376、1 153、1 110、1 054以及895 cm－1分别归属于纤维素和半纤维素中CH弯曲振动的吸收峰、C－O－C伸缩振动的吸收峰、－OH缔合吸收带、C－O伸缩振动峰以及异头碳（C1）振动吸收峰。

表征木质素芳环的碳骨架振动的位于1 608、1 508 cm－1的一系列吸收峰，以及1 263 cm－1归属于木质素的苯环氧键Ar－O伸缩振动吸收峰和1 230 cm－1归属于木质素酚羟基的C－O伸缩振动吸收峰。从图中可以看出，热处理后在2 000～800 cm－1波段处的吸收带发生部分变化。

通过对比对照材和热处理材红外光谱图可知，3 413 cm－1左右的羟基－OH浓度降低，2 899 cm－1处的甲基（－CH3）和亚甲基（CH2）没有变化，1 737 cm－1左右的酯键略有减少，说明处理后羧基－COOH和羰基－C＝O等非共轭羰基减少，表明在加热过程中随着温度的升高半纤维素开始发生脱乙酰基反应，由此导致半纤维素含量下降。因为阔叶树材中半纤维素含量更高，含有的乙酰基团更多，所以此处的吸收峰降低明显，脱乙酰基的过程表明热处理使半纤维素发生降解和脱水反应。

图3 杨木木材红外光谱

通过对比对照材和热处理材红外光谱图可知，1 048 cm－1处纤维素和半纤维素的C－O伸缩振动吸收峰增强，表明热处理过程中纤维素和半纤维素发生物理脱水和化学脱水，纤维素和半纤维素分子中失去大量羟基基团。1 370 cm－1处吸收峰明显减弱，表明热处理使木材中的纤维素和半纤维素在化学结构上发生了热降解反应，引起纤维素和半纤维素含量降低。

1 263、1 230 cm－1处吸收峰明显减弱，此处是木素的甲氧基或者是酚性醚键的C－O伸缩振动吸收峰，表明热处理使木素结构中的醚键断裂，木素脱去甲氧基。895 cm－1处的吸收峰没有明显变化，说明纤维素的β糖苷键稳定性很高。

1 608、1 508 cm－1处的苯环伸缩振动峰基本没有变化，说明木素的芳香体自身很稳定。但一部分直接连接在苯环上的基团获得能量后，很容易发生反应。1 323、1 422、1 455 cm－1处的木素苯环上的CH2剪式振动和CH弯曲振动在热处理后均有不同程度的降低，进一步证明了木素侧链上的基团发生降解反应。

热处理后苯环特征峰1 110 cm－1强度增加，说明热处理使苯环发生缩合反应，因此共轭体系延长。热处理后木素酚羟基1 153 cm－1强度增加，说明热处理使木素中酚醚键部分断裂，形成了新的酚羟基，木素发生的降解和缩合反应也是木材热处理后力学强度降低的主要原因。

综上所述，木材在热处理过程中，发生了纤维素的脱水反应，半纤维素的热降解反应，以木素的热降解、缩合反应尤为活跃。在高温作用下，木材内的纤维素非晶区表面的羟基基团脱落，微纤丝间距离缩短，纤维素分子之间形成了新的氢键结合，即纤维素分子间发生脱水反应，使纤维素分子表面游离羟基的数量减少。木材内半纤维素分子链上的乙酰基团断裂，并生成乙酸，导致半纤维素的含量降低和乙酰基团数量减少。木质素的醚键断裂，木素脱去甲氧基，木素发生降解、缩合反应，使吸水性强的羟基基团数量减少。以上木材内三大素的综合反应使热处理后的木材力学强度降低。

3 结论

高温热处理过程中，木材中纤维素、半纤维素、木素的热降解反应是造成木材力学强度降低的根本原因，为此严格控制热处理工艺参数，使木材三大组分避免发生或仅发生微弱的热降解反应是控制木材力学强度损失最直接、是有效的方法。以杨木木材在热处理过程中力学强度变化趋势为基础，可以得出，热处理温度应不超过200℃，以保证木材抗弯强度损失较少。本次试验仅对杨木木材做了4个时间、4个温度的热处理试验，而且样本数仅为5，试验结果可能不具有普遍性，热处理工艺对杨木木材力学性能的影响尚需更多树种，更多的试样，以及更多热处理条件的试验来验证。

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