甘油預(yù)處理的熱處理材物理力學(xué)性能研究(黨婭萍)

1、甘油預(yù)處理的熱處理材物理力學(xué)性能研究黨婭萍，閆麗*第一作者：黨婭萍（1985），女，碩士，在讀研究生，主要研究方向：木材加工新技術(shù)。聯(lián)系電話郵 箱 ：DYP_050810120*通訊作者 ：閆麗（1980-），女，博士，講師，主要研究方向：木材學(xué)、木材功能性改良。郵箱：ylnefu 基金項(xiàng)目 ：西北農(nóng)林科技大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金（2010BSJJ017），雷亞芳（西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西楊陵 712100）摘要：本文采用濃度為40%的甘油水溶液對毛白楊和云杉進(jìn)行預(yù)處理，然后進(jìn)行高溫?zé)崽幚?，并研究了處理溫度?60180）和時(shí)間（24h）對木材物理力學(xué)性能

2、的影響。結(jié)果表明：熱處理溫度和時(shí)間均影響著木材的物理和力學(xué)強(qiáng)度。綜合考慮處理溫度和處理時(shí)間對全干密度、平衡含水率、氣干體積膨脹率、抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量和順紋抗壓強(qiáng)度的影響，預(yù)處理的毛白楊較佳的熱處理工藝為：處理溫度160、處理時(shí)間4 h；預(yù)處理的云杉較佳的熱處理工藝為：處理溫度 180、處理時(shí)間2 h。 關(guān) 鍵 詞：甘油水溶液; 預(yù)處理; 熱處理; 物理力學(xué)性能 Research on Physical and Mechanical Properties of Thermal treated Wood of Glycerin Solution PretreatmentDang Ya-ping

3、，Yan Li，Lei Ya-fang（Faculty of Mechanical and Electrical Engineering, Northwest A F University, Yangling 712100)Abstract : Thermal treated Populus tomentosa Carr and Picea asperata were pretreated by glycerin of the concentration of 40%. The effects of temperature (160200)and time (24h)were investig

4、ated on selected physical and mechanical properties of the specimens. The results showed that both the physical and mechanical properties on thermal treated wood of glycerin solution pretreatment were easily susceptible to temperature of treatment and time of treatment. Sundry factors must be consid

5、ered comprehensively .So some better parameters can be dealt with as follows that 160 centigrade for temperature and 4 hour for the processing time on pretreated Populus tomentosa Carr; 180 centigrade for temperature and 2 hour for the processing time on pretreated Picea asperata.Key words: Glycerin

6、 Solution; Pretreatment; Thermal treatment; Physical and mechanical properties由于采用甲醛類藥劑及含有甲醛的樹脂改性的木材對環(huán)境有污染1-5，所以采用高溫處理提高木材的尺寸穩(wěn)定性是木材改性行業(yè)中常用的方法6。不同的熱處理溫度和熱處理時(shí)間影響著木材的各種性能7-12 。有學(xué)者通過木材的化學(xué)成分含量測定得出，甘油預(yù)處理可加劇熱處理過程中木材主要化學(xué)成分的降解13。本研究采用濃度為40%的甘油水溶液對速生的毛白楊和云杉木材進(jìn)行預(yù)處理，然后進(jìn)行熱處理。但熱處理溫度和時(shí)間控制不當(dāng)，可導(dǎo)致木材的強(qiáng)度性能降低，應(yīng)用范圍受限14。因

7、此，為了科學(xué)、合理地利用甘油預(yù)處理的熱處理材，必須把握改性木材的物理力學(xué)性能隨溫度和時(shí)間的變化規(guī)律，在不降低力學(xué)性能的情況下，最大限度地提高木材的尺寸穩(wěn)定性，這對于保證甘油預(yù)處理的熱處理材產(chǎn)品的質(zhì)量有重大的意義。1 試驗(yàn)材料與方法1.1 材料試驗(yàn)材料為云杉（Picea asperata）和毛白楊（Populus tomentosa Carr.）木材。試材尺寸為300mm（L）×20mm（T）×20mm（R）。木材試件要求無開裂、腐朽、變色等缺陷。1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備真空干燥箱（DZF-6050），上海一恒科技有限公司制造；高溫?zé)崽幚硐洌鞅鞭r(nóng)林科技大學(xué)木材改性實(shí)驗(yàn)室自制。1.3

8、 實(shí)驗(yàn)方法1.3.1 試件預(yù)處理將試件分成2組,一組為素材，另一組為處理材。將預(yù)處理材置于濃度為40%的甘油水溶液中，采用真空干燥箱抽真空,真空度為-0.09MPa，保持真空的時(shí)間為30min，然后在常壓下浸泡24h。取出試材，用吸水紙吸干其表面殘留的甘油。1.3.2 試件熱處理將預(yù)處理試件放進(jìn)熱處理箱后,以20h的速度將溫度迅速升高到100，接著以10h的速度升溫到140，保溫30min，再將溫度上升到（160,180，200）保持熱處理時(shí)間(2h,3h,4h)，共9組處理?xiàng)l件。本試驗(yàn)采用15個(gè)重復(fù)，即每組處理?xiàng)l件下的試件數(shù)量為15個(gè)。此階段用水蒸氣作為保護(hù)氣體，防止木材在此階段開裂。1.3

9、.3 試件性能檢測 物理性能檢測全干密度、平衡含水率和氣干體積膨脹率3項(xiàng)指標(biāo)，以分析甘油預(yù)處理的熱處理材的尺寸穩(wěn)定性；力學(xué)性能檢測抗彎強(qiáng)度(MOR)、抗彎彈性模量(MOE)和順紋抗壓強(qiáng)度3項(xiàng)指標(biāo)，以分析甘油預(yù)處理的熱處理材作為建筑用材的可行性。2 結(jié)果與討論2.1物理性能變化2.1.1全干密度 A 毛白楊 B 云杉 圖1 甘油預(yù)處理的熱處理材全干密度Fig.1 The ovendrydensity of thermal treated wood of glycerin solution pretreatment 2222222從圖1A和圖1B明顯可以看出：毛白楊和云杉素材的全干密度分別為0.5

10、1 g/cm3 和0.42 g/cm3。總體上處理材的全干密度隨溫度的升高先增加后減少；隨時(shí)間的延長而增加。圖1A中，160和180處理溫度的全干密度接近，依據(jù)成本的考慮，預(yù)處理的毛白楊在160處理4h后全干密度為0.62g/cm3；圖1B中，2h和4h處理時(shí)間的全干密度接近，預(yù)處理的云杉在180處理2h后全干密度為0.45g/cm3。而前人的研究結(jié)果表明：未經(jīng)甘油預(yù)處理的木材經(jīng)過熱處理后密度降低15-16。所以，經(jīng)過甘油預(yù)處理可增加熱處理材的全干密度。2.1.2平衡含水率 A 毛白楊 B 云杉 圖2甘油預(yù)處理的熱處理材平衡含水率Fig.2 The equilibrium moisture c

11、ontent rate of thermal treated wood of glycerin solution pretreatment 3333333由圖2A可知：180處理溫度的平衡含水率最高， 160和200處理溫度的平衡含水率接近；且隨著處理時(shí)間的延長，平衡含水率下降。但根據(jù)成本考慮，毛白楊預(yù)處理材可選用較佳的參數(shù)為：熱處理時(shí)間4h,熱處理溫度160。由圖2B可知：160處理溫度的平衡含水率最高，超過160，隨溫度的升高和時(shí)間的延長，平衡含水率均有所下降，180和200處理溫度的平衡含水率接近；且時(shí)間對平衡含水率的影響很小，所以云杉預(yù)處理材可選用溫度為180，時(shí)間為2h進(jìn)行熱處理，平

12、衡含水率達(dá)最低為12%。2.1.3氣干體積膨脹率A 毛白楊 B 云杉 圖3 甘油預(yù)處理的熱處理材氣干體積膨脹率Fig.3 The air dry bulk inflation rate of thermal treated wood of glycerin solution pretreatment從圖3A可見，毛白楊素材的體積膨脹率為3.6%，隨著溫度的升高，毛白楊處理材的體積膨脹率先升高后下降，180達(dá)最大，而160和200處理溫度的體積膨脹率差別不明顯；且隨著時(shí)間的延長，體積膨脹率先升高后下降；在160下處理4h后,預(yù)處理毛白楊的體積膨脹率可達(dá)到最低為1.1%。從圖3B可見，云杉素材的體

13、積膨脹率為8.4%，隨著溫度的升高，云杉處理材的體積膨脹率先下降后升高，溫度為180達(dá)最低；且隨時(shí)間的延長，體積膨脹率先升高后下降，熱處理時(shí)間為2h和4h的體積膨脹率接近；在180下處理2h后，預(yù)處理云杉的體積膨脹率可達(dá)最低為1.3%。而前人的研究結(jié)果表明，未預(yù)處理的熱處理材在230下處理5h后體積膨脹率才能降到最低17。2.1.4失重率A 毛白楊 B 云杉 圖4 甘油預(yù)處理的熱處理材失重率Fig.4 The weightloss ratio of thermal treated wood of glycerin solution pretreatment如圖4A、4B所示，總體上甘油預(yù)處理的

14、熱處理材失重率為負(fù)值，這可能是因?yàn)楦视瓦M(jìn)入木材的細(xì)胞腔中增加了木材的重量。從圖4A可知，隨著溫度的升高，毛白楊處理材的失重率先下降后升高，當(dāng)溫度為160，時(shí)間為4h，失重率為-26%。從圖4B可知，云杉處理材的失重率隨溫度的升高和時(shí)間的延長而增加，在180，2h失重率為-26%。2.2 力學(xué)性能變化2.2.1抗彎強(qiáng)度（MOR）A 毛白楊 B 云杉 圖5 甘油預(yù)處理的熱處理材抗彎強(qiáng)度Fig.5 The modulus of rupture of thermal treated wood of glycerin solution pretreatment圖5A和圖5B分別顯示，毛白楊和云杉素材的M

15、OR分別為68.30MPa和65.43MPa；甘油預(yù)處理的毛白楊在溫度低于160、時(shí)間短于2h的條件下熱處理，隨溫度升高，MOR有所提高，在160下處理2h后，毛白楊預(yù)處理材的抗彎強(qiáng)度達(dá)最大為77%。甘油預(yù)處理的云杉在溫度180、時(shí)間短于2h的條件下熱處理，隨溫度的升高，MOR有所提高，在180下處理2h后，云杉預(yù)處理材的抗彎強(qiáng)度達(dá)最大為68.9%。之后，隨著溫度的升高和時(shí)間的延長，處理材的MOR開始下降。2.2.1抗彎彈性模量（MOE）A 毛白楊 B 云杉 圖6 甘油預(yù)處理的熱處理材抗彎彈性模量Fig.6 The modulus of elasticity of thermal treate

16、d wood of glycerin solution pretreatment圖6A和圖6B表明，所有處理材的MOE均有不同程度的增強(qiáng)，160提高的效果最顯著。甘油預(yù)處理的毛白楊和云杉在160、2h時(shí)MOE達(dá)到峰值10141.42MPa和11235.14MPa；之后，隨溫度的升高和時(shí)間的延長，木材的抗彎彈性模量均有所下降。 2.2.1順紋抗壓強(qiáng)度A 毛白楊 B 云杉 圖7甘油預(yù)處理的熱處理材順紋抗壓強(qiáng)度Fig.7 The compression strength parallel to grain of thermal treated wood of glycerin solution pr

17、etreatment由圖7A可以看出，毛白楊素材的順紋抗壓強(qiáng)度為42.26MPa,當(dāng)溫度180時(shí)，隨溫度的升高和時(shí)間的延長，木材的順紋抗壓強(qiáng)度會降低，但當(dāng)溫度180時(shí)，木材的順紋抗壓強(qiáng)度明顯升高，在200、2h達(dá)最大為52.96MPa。圖7B中顯示，云杉素材的順紋抗壓強(qiáng)度為26.22 MPa，隨溫度的升高，處理材的順紋抗壓強(qiáng)度先增加后下降；而隨時(shí)間的延長，先降低后增加，2h和4h處理時(shí)間的順紋抗壓強(qiáng)度接近，在溫度為180，時(shí)間為2h的條件下處理，木材的順紋抗壓強(qiáng)度可達(dá)到31.12MPa。3 結(jié)論（1）隨溫度的升高，甘油預(yù)處理的毛白楊熱處理材全干密度先增加后減少，平衡含水率先升高后降低, 氣干體

18、積膨脹率先升高后降低； 隨時(shí)間的延長，全干密度增加，平衡含水率下降，氣干體積膨脹率先升高后降低。隨溫度的升高，預(yù)處理的云杉熱處理材全干密度先增加后減少，平衡含水率降低, 氣干體積膨脹率先下降后升高；隨時(shí)間的延長，全干密度增加，平衡含水率下降，氣干體積膨脹率先升高后降低。（2）隨溫度的升高，甘油預(yù)處理的毛白楊熱處理材抗彎強(qiáng)度下降，抗彎彈性模量下降, 順紋抗壓強(qiáng)度先下降后升高； 隨時(shí)間的延長，抗彎強(qiáng)度下降，抗彎彈性模量下降，順紋抗壓強(qiáng)度先下降后升高。隨溫度的升高，甘油預(yù)處理的云杉熱處理材抗彎強(qiáng)度先略有升高后下降，抗彎彈性模量在短時(shí)間內(nèi)下降, 順紋抗壓強(qiáng)度先升高后下降； 隨時(shí)間的延長，抗彎強(qiáng)度下降，

19、抗彎彈性模量下降，順紋抗壓強(qiáng)度先下降后升高。（3）對物理性質(zhì)來說，甘油預(yù)處理的毛白楊最佳的熱處理工藝條件為：熱處理溫度為160，熱處理時(shí)間為4h，考慮力學(xué)性質(zhì)的損失情況，熱處理的最佳工藝條件為：熱處理溫度160，熱處理時(shí)間2h；而甘油預(yù)處理的云杉在溫度為180，時(shí)間為2h的條件下熱處理，物理力學(xué)性能都會有所提高。（4）綜上所述，不論是甘油預(yù)處理的毛白楊還是云杉，在溫度很低，時(shí)間很短的條件下熱處理后，物理力學(xué)性能都能得到明顯改善。實(shí)際生產(chǎn)中可以根據(jù)對熱處理材物理力學(xué)性能的要求及用途，參考處理材的性能變化與處理?xiàng)l件的關(guān)系，選擇優(yōu)化處理工藝。4 參考文獻(xiàn)1 劉君良, 王玉秋.酚醛樹脂處理?xiàng)钅?、杉木?/p>

20、寸穩(wěn)定性分析J.木材工業(yè), 2004,18(6):5-8.2 汪佑宏, 顧煉百,王傳貴.馬尾松速生材的表面強(qiáng)化工藝觀察J.南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 30(6): 17-22.3 Shukla ks,Bhatnagar RC .Anote on the effect of compression on strength properties of Populus deltoids and Populus ciliate J.Journal of Timber Development Association of India,1989,35(1):17-25.4 Ritschkoff AS,

21、Ratto M,NurmiA.Effect of some resin treatments on fungal degradation reactions C. The 30 Annual Meeting of International Research Group on Wood Preservation. Rosenheim,Germany,1999.Document No:IRG:WP99-10318.5 Zuzana Tiralovd ,Ladislay Reinprecht.Fungal decay of acrylate treated wood C.The 35 Annual

22、 Meeting of International Research Group on Wood Preservation. Ljubljana,Slovenia,2004. Document No:IRG:WP04-30357.6 Inoue M., Minato K., Norimoto M. Permanent fixation of compressive deformation of wood by crosslinking J. Mokuzai Gakkaishi/Journal of the Japan Wood Research Society , 1994 ,40 (9) :

23、 931-936.7 Hakkou Mohammed;Petrissans Mathie;Gerardin Philippe Investigations of the reasons for fungalduability of heat-treated beech wood外文期刊 2006(02)8 J Y Wang;P A Cooper Effect of oil type,temperature and time on moisture properties of hot oiltreated wood 2005(06)9 謝桂軍,蘇海濤,張燕君.不同油浴熱處理對馬尾松木材尺寸穩(wěn)定性影響的研究期刊論文.廣東林業(yè)科技,2008(05).10 謝桂軍,劉磊,廖紅霞.馬尾松木材熱處理研究期刊論文.廣東林業(yè)科技, 2007(04).11 Yoshitaka Kubojima;Takeshi Okano;Masamitsu Ohta Bending strength and to