党娅萍 甘油预处理对热处理材尺寸稳定性的影响初探 木材工业

1、甘油预处理对热处理材尺寸稳定性的影响初探党娅萍，闫丽*第一作者：党娅萍（1983），女，硕士，在读研究生，主要研究方向：木材加工新技术。联系电话邮 箱 ：DYP_050810120*通讯作者 ：闫丽（1980-），女，博士，讲师，主要研究方向：木材学、木材功能性改良。邮箱：ylnefu 基金项目 ：西北农林科技大学博士科研启动基金（2010BSJJ017），雷亚芳（西北农林科技大学机械与电子工程学院，陕西杨陵 712100）摘要：本文采用不同浓度的甘油水溶液对毛白杨和云杉进行预处理，然后进行高温热处理，以提高木材的尺寸稳定性，并测量热处理材的密度增加率、平衡含水率、吸

2、水抗胀率和吸湿抗胀率。较佳的预处理条件为：采用浓度为20%甘油水溶液预处理毛白杨，热处理材密度增加率为7%，平衡含水率达10%以下，吸水抗胀率达63%，吸湿抗胀率达35%以上。采用浓度为40%甘油水溶液预处理云杉，热处理材密度增加率为0%，平衡含水率达14%以下，吸水抗胀率达57%，吸湿抗胀率达46%以上。 关 键 词：甘油水溶液; 预处理; 热处理; 尺寸稳定性Primary research on the Effect of Glycerin Solution Pretreatment on Dimensional Stability of Thermal treated Wood Dan

3、g Ya-ping，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 different concentration.Densities increasing rate, equilibrium moisture content

4、, moisture absorption ASE and water absorption ASE of thermal treated wood were measured. So the better pretreatment conditions can be dealt with as follows that glycerin of the concentration of 20% was used for Populus tomentosa Carr , its densities increasing rate was 7%, its equilibrium moisture

5、content was less than 10%, its moisture absorption ASE was 63%, its water absorption ASE exceed 35%,and glycerin of the concentration of 40% was used for Picea asperata , its densities increasing rate was 0%, its equilibrium moisture content was less than 14%, its moisture absorption ASE was 57%, it

6、s water absorption ASE exceed 46%.Key words：Glycerin Solution; Pretreatment; Thermal treatment; Dimensional stability由于采用甲醛类药剂及含有甲醛的树脂改性的木材对环境有污染1-5，所以采用高温处理提高木材的尺寸稳定性是木材改性行业中常用的方法6。所谓高温热处理通常是将木材在高于200的超高温环境中进行的，在此温度下木材容易燃烧，且能源消耗量大。但是在相对较低的温度下对木材进行热处理以达到同样提高木材尺寸稳定性方面的研究还处于空白。有学者通过木材的化学成分含量测定得出，甘油预处理

7、可加剧热处理过程中木材主要化学成分的降解7。本研究以速生的云杉和毛白杨木材为研究对象，用不同浓度的甘油水溶液预处理，并进行高温热处理，比较了不同浓度甘油水溶液预处理的热处理材与对照材的尺寸稳定性的差异，对甘油预处理对热处理材尺寸稳定性的影响进行了初步探索。通过密度增加率、平衡含水率、吸水抗胀率及吸湿抗胀率等性能的测定,对改性效果进行评价。1 试验材料与方法1.1 材料试验材料为云杉（Picea asperata）和毛白杨（Populus tomentosa Carr.）木材。试材尺寸为300mm（L）×20mm（T）×20mm（R）。木材试件要求无开裂、腐朽、变色等缺陷。1

8、.2 实验设备真空干燥箱（DZF-6050），上海一恒科技有限公司制造；高温热处理箱，西北农林科技大学木材改性实验室自制。1.3 实验方法1.3.1 试件预处理将试件分成6组,每组9块,一组为素材，另一组为未预处理材，其余组试件分别置于浓度为20%、40%、60%、80%的甘油水溶液中。采用真空干燥箱抽真空,真空度为-0.09MPa，保持真空的时间为30min，然后在常压下浸泡24h。取出试材，用吸水纸吸干其表面残留的甘油。1.3.2 试件热处理将预处理试件放进热处理箱后,以20h的速度将温度迅速升高到100，接着以10h的速度升温到140，保温30min，再将温度上升到200,保持热处理时间

9、4h。此阶段用水蒸气作为保护气体，防止木材在此阶段开裂。1.3.3 试件性能检测将试件加工成标准件（20mm×20mm×20mm），用精度为0.001 g的电子天平称取每一试件的质量，再将所有试件置于烘箱中烘至绝干(温度为103±2)，测量其绝干质量和尺寸。然后将绝干试件置于温度为26，相对湿度分别为50、65%、80%、95%的恒温恒湿箱中平衡处理，测量其质量和尺寸。最后将试件在水中浸泡7 d 达饱水状态，浸泡结束后再次测量试件质量和尺寸。计算出热处理材的密度增加率、平衡含水率、吸水抗胀率、吸湿抗胀率。2 结果与讨论2.1 密度 图1 甘油预处理对热处理材密度增

10、加率的影响 Fig.1 The effect of glycerin solution pretreatment on densities increasing rate of thermal treated wood 如图1所示，未预处理的毛白杨和云杉经过热处理后，密度增加率分别为-2%和-7%，这与前人的研究结果一致,未经预处理的木材经过热处理后密度降低8-9。经过浓度为20%的甘油水溶液预处理的毛白杨热处理材密度增加率为7%，随着甘油水溶液浓度的增加，毛白杨热处理材密度增加率增大，浓度为80%时密度增加率达最大为39%。而经甘油预处理的云杉热处理材在甘油水溶液浓度为40%以下时，密度增加

11、率为负值，密度有所降低；当甘油水溶液浓度达到40%时密度增加率为0%，处理材密度开始增加，甘油水溶液浓度越大，密度增加率越大，浓度为60%达最大为12%；而当甘油水溶液浓度达到80%时，密度增加率降低为-2%。由此可知，采用浓度为20%80%的甘油水溶液预处理毛白杨，热处理后密度增加；采用浓度为40%60%的甘油水溶液预处理云杉，热处理后密度增加。2.2 平衡含水率 A毛白杨 B云杉得性较差。降。毛白杨热处理材， 图2甘油预处理对热处理材平衡含水率的影响Fig.2 The effect of glycerin solution pretreatment on equilibrium moist

12、ure content rate of thermal treated wood 图2为热处理材在各相对湿度条件下的平衡含水率。随着相对湿度的增加，试材的平衡含水率均增加；在同一相对湿度条件下，未经甘油预处理的热处理材平衡含水率均低于素材，这与前人的研究结果一致，热处理可以降低木材的平衡含水率10-11。在相对湿度为50%95%条件下，未预处理的毛白杨热处理材平衡含水率为5%10%，云杉热处理材平衡含水率为6%11%；经浓度为20%的甘油水溶液预处理的毛白杨热处理材平衡含水率为3%10%，云杉热处理材平衡含水率为5%11%，均低于未预处理的热处理材。随着甘油水溶液浓度的增加，热处理材平衡含水率

13、均增加。由此可知，采用低浓度的甘油水溶液预处理可有效降低热处理材的平衡含水率，而甘油水溶液浓度过高木材内残留的自由羟基增加，使热处理材平衡含水率升高。2.3 吸水抗胀率由图3可知，未预处理的毛白杨和云杉热处理材的吸水抗胀率分别为16%和5%，而经浓度为20%的甘油水溶液预处理的毛白杨和云杉热处理材的吸水抗胀率分别为63%和48%，并且随着甘油水溶液浓度的增加，毛白杨热处理材的吸水抗胀率逐渐增加，当甘油水溶液浓度为80%时吸水抗胀率达最大为92%。当浓度为20%60%时，随着甘油水溶液浓度的增加，云杉热处理材的吸水抗胀率略有增加，浓度为60%达最大为59%，而当达到80%时，云杉热处理材吸水抗胀

14、率降低为52%。由此说明，甘油预处理的热处理材吸水抗胀率均大于未预处理的热处理材，浓度分别为80%和60%的甘油水溶液预处理毛白杨和云杉，热处理材的吸水抗胀率达最大。 细胞腔中残余的甘油使处理材图3甘油预处理对热处理材吸水抗胀率的影响Fig.3 The effect of glycerin solution pretreatment on water absorption ASE of thermal treated wood 2.4 吸湿抗胀率 A毛白杨 B云杉图4甘油预处理对热处理材吸湿抗胀率的影响Fig.2 The effect of glycerin solution pretreat

15、ment on moisture absorption ASE of thermal treated wood由图4可知，各相对湿度条件下，甘油预处理的热处理材吸湿抗胀率均大于未预处理的热处理，说明甘油预处理可有效提高热处理材的吸湿抗胀率。未预处理的毛白杨热处理材在相对湿度为50%条件下吸湿抗胀率达最低为12%,云杉热处理材在相对湿度为65%条件下吸湿抗胀率达最低为1%。浓度为20%40%的甘油水溶液预处理的毛白杨和云杉热处理材的吸湿抗胀率在各相对湿度下，随甘油水溶液浓度的增加而增加，当浓度为60%时，吸湿抗胀率有所降低，而当浓度达到80%时，吸湿抗胀率又开始增加。相对湿度为95%时，浓度为8

16、0%的甘油水溶液预处理的毛白杨热处理材吸湿抗胀率达最大为82%；相对湿度为50%时，浓度为80%的甘油水溶液预处理的云杉热处理材吸湿抗胀率达最大为65%。 表1不同湿度及预处理条件毛白杨热处理材的吸湿抗胀率方差分析Tab. 1 Variance analysis of moisture absorption ASE of different humidity and pretreatments of thermal treated populus tomentosa carr方差源平方和自由度方差F检验显著差异甘油浓度4003.24331334.414147.4260.000*相对湿度 141

17、.373347.1245.2060.023*误差 81.46399.051总和39363.58016 表2不同湿度及预处理条件云杉热处理材的吸湿抗胀率方差分析Tab. 2 Variance analysis of moisture absorption ASE of different humidity and pretreatments of thermal treated picea asperata方差源平方和自由度方差F检验显著差异甘油浓度1315.9933438.66424.4650.000*相对湿度 55.493318.4981.0320.424误差161.373917.930总和

18、30996.58016 表3毛白杨热处理材吸湿抗胀率多重比较 表4云杉热处理材吸湿抗胀率多重比较 Tab. 3 Multiple comparison of moisture Tab. 4 Multiple comparison of moisture absorption ASE of thermal treated absorption ASE of thermal treatedpopulus tomentosa carr picea asperata甘油浓度（%）均差显著性20402.1274.848602.1274.134802.1274.000*40602.1274.039*802

19、.1274.000*60802.1274.000*甘油浓度（%）均差显著性20402.99420.015*602.99421.000802.9942.001*40602.9942.014*802.9942.11260802.9942.000* r 由表1和表2可知：甘油水溶液浓度对热处理材的吸湿抗胀率影响差异显著（P=0.0000.05）。通过多重比较分析，浓度为20%的甘油与浓度为40%、60%的甘油水溶液预处理的毛白杨在热处理后吸湿抗胀率差异不显著（见表3）。结合此前对毛白杨热处理材密度增加率、平衡含水率、吸水抗胀率的分析，采用浓度为20%的甘油水溶液预处理可有效提高毛白杨热处理材的尺寸稳

20、定性。浓度为20%的甘油水溶液与浓度为40%的甘油水溶液预处理的云杉在热处理后吸湿抗胀率差异显著（见表4），说明浓度为40%的甘油水溶液预处理的热处理材吸湿抗胀率明显高于浓度为20%的甘油水溶液预处理的热处理材，结合此前对云杉热处理材密度增加率、平衡含水率、吸水抗胀率的分析，采用浓度为40%的甘油水溶液预处理可有效提高云杉热处理材的尺寸稳定性。 3 结论（1） 甘油预处理的热处理材密度增加率、吸水抗胀率均大于未预处理的热处理材。（2） 浓度为20%的甘油水溶液预处理的热处理材平衡含水率均低于未预处理的热处理材，随着甘油水溶液浓度的升高，甘油预处理的热处理材平衡含水率升高。（3） 甘油预处理的热

21、处理材吸湿抗胀率明显高于未预处理的热处理材。甘油水溶液浓度对热处理材的吸湿抗胀率有显著性的影响，分别采用浓度为20%和40%的甘油水溶液预处理毛白杨和云杉，热处理材的尺寸稳定性可达到较佳的效果。4 参考文献1 刘君良, 王玉秋.酚醛树脂处理杨木、杉木尺寸稳定性分析J.木材工业, 2004,18(6):5-8.2 汪佑宏, 顾炼百,王传贵.马尾松速生材的表面强化工艺观察J.南京林业大学学报, 2006, 30(6): 17-22.3 Shukla ks,Bhatnagar RC .Anote on the effect of compression on strength preoperties

22、 of Populus deltoids and Populus ciliate J.Journal of Timber Development Association of India,1989,35(1):17-25.4 Ritschkoff AS,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,Germa

23、ny,1999.Document No:IRG:WP99-10318.5 Zuzana Tiralovd ,Ladislay Reinprecht.Fungal decay of acrylate treated wood C.The 35 Annual 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 crosslinkingJ. Mokuzai Gakk