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实木家具常用硬阔叶材中高温热处理物理性能研究

类别:家具文化 | 更新时间:2019-04-22 11:13:10

木材由于其独特的纹理和质感以及蕴含的中国传统文化而被广泛应用到家具中,然而因其材料的各向异性、干缩湿胀性导致实木家具经常出现变形、开裂、离缝等质量问题,尤其是南北方环境湿度的差异,导致家具干燥处理需要不同工艺基准[1]。相对于污染环境、有毒害的化学处理改性木材,木材蒸汽改性是一种较为环保的木材热处理方式,即将木材在一定温度的饱和蒸汽中处理一段时间,通过木材组分和构造的变化使得木材的性质发生变化[2],这种方法能提高木材的尺寸稳定性和耐久性[3]。
木材的组成三大素,即纤维素、半纤维素、木质素,决定了木材热处理后的表面性能,包括物理性能、力学性能、材色等。热处理过程中,三大组分受热发生不同程度的降解反应和缩聚反应[4,5]。热处理过程中,木材中的抽提物如树脂、淀粉、单宁、色素、树胶等物质和纤维素、半纤维素裂解生成的易挥发的产物不断从木材表面逸出挥发,从而导致了木材胞壁物质减少,使得木材的密度降低[5]。热处理过程中,木材内部化学反应如裂解和缩聚反应加剧,羟基浓度减少,形成新的氢键,同时产生的许多自由基结合生成憎水物质,从而改善木材尺寸稳定性。
1 试验材料与方法
1.1 试验材料
赤桦(Red birch)、榉木(Beech):由亚振家具股份有限公司提供,经过常规干燥的板材,规格400 mm × 200 mm × 30 mm。
1.2 试验方法
1.2.1 热处理工艺
根据热处理时间和温度两个工艺因子,温度设置为 120 ℃、130 ℃、140 ℃、150 ℃、160 ℃、180 ℃、200 ℃等 7 个温度水平,时间为 1 h、3 h、5 h(由于试验过程中,200 ℃处理温度较高,当处理时间为 3 h时,木材已被重度炭化,因此不设200 ℃、5 h这个处理条件),共20个工艺组合,另设1个对照组。
1.2.2 试样制取
热处理后,将试材两端各截掉 50 mm,取中间制作试样。每个树种共21组,每组20个重复,20个试件用于做干缩性、平衡含水率、密度,20个用于做湿胀性测试,试件规格为20 mm × 20 mm × 20 mm。
1.2.3 试样测定
木材密度、干缩性、湿胀性与平衡含水率测定分别依据 GB/T 1933-2009《木材密度测定方法》、GB/T 1932-2009《木材干缩性测定方法》、GB/T1934.2-2009《木材湿胀性测定方法》、GB/T 1931-2009《木材含水率测定方法》实木家具
2 试验结果与分析
2.1 密度
图1和图2显示,赤桦、榉木的气干密度随热处理温度的升高和时间的延长呈现降低的趋势。
赤桦气干密度变化率在处理时间为1 h和3 h、处理温度 160 ℃时突然升高,说明此温度较适合赤桦的炭化处理,对照材气干密度为 0.481 g/cm3,160 ℃、3 h 时,达到 503 g/cm3,相比升高 4.72%;200 ℃、3 h时,下降了10.06%,如图1。
对于榉木而言,热处理时间为1 h时,温度低于160 ℃,密度损失率的斜率大,说明气干密度下降速率较快,160 ℃之后下降速率缓慢,在160 ℃时达到最低值0.680 g/cm3;热处理温度为150 ℃、处理时间为 3 h 时,处理材气干密度达到最大值 0.725 g/cm3,增加了 4.03%;当热处理时间为 5 h 时,在 140 ℃时密度达到最大值0.770 g/cm3,升高了10.55%;相同处理温度160 ℃之后,三种热处理时间下,气干密度均低于素材的。综上说明,榉木对热处理温度要求严格,在制定热处理工艺时,需着重考虑 120 ~ 160 ℃的温度区间,如图2
2.2 干缩性
赤桦气干体积抗缩率在处理温度低于 150 ℃时,虽然增加缓慢,但总体上为正值,说明 120 ℃ ~150 ℃中温热处理对赤桦干缩性有所改善(图 3)。热处理时间为 5 h 时,在 150 ℃之后,抗缩率增长率加快,而处理时间为 1 h 和 3 h、温度高于 160 ℃时,抗缩率增长率开始急剧增加。热处理时间 3 h、温度在 180 ℃以上时,气干体积抗缩率增长缓慢。处理温度 200 ℃、处理时间 1 h 时,赤桦气干体积干缩率降低了65.72%。
由图 4 得知,热处理时间为 1 h、热处理温度低于 140 ℃时,榉木抗缩率增加明显。当热处理温度为 140 ℃时,三种处理时间下的抗缩率均已达到正值,说明中温热处理可以改善榉木干缩性,在处理温度为 140 ~ 160 ℃时,抗缩率增长缓慢;但在160 ℃之后,抗缩率急剧增加;当处理温度高于180 ℃、处理时间为1 h和3 h时,榉木的抗缩率增加缓慢;处理温度为200 ℃、处理时间为3 h时,榉木气干体积干缩率降低了71.57%。
利用 SPSS 软件对气干体积干缩率进行多元回归分析,得到赤桦、榉木的气干体积干缩率(S)与处理时间(X1)、处理温度(X2)的多元回归方程,分别为:
S榉=-0.091X1-0.074X2+18.702(R2=0.798)
S榉=-0.248X1-0.129X2+30.054(R2=0.846)
对模型进行F检验、对系数进行t检验,Pr>F和Pr>|t|均小于 0.01,说明方程拟合效果和温度时间的回归系数均极显著。
2.3 湿胀性
由图 5 得知,实木家具赤桦饱水体积抗胀率在处理温度150 ℃以下时,增长趋势平缓,但总体处于正值,说明 120 ~ 150 ℃的热处理温度对赤桦湿胀性有所改善。在处理温度 150 ℃以上时,抗胀率的斜率显著增加,说明赤桦饱水体积湿胀率下降加快。当处理温度高于180 ℃时,抗胀率增长缓慢,而且在200 ℃时,处理时间1 h与3 h之间差别不大。在热处理温度为 200 ℃、处理时间为 3 h 时,赤桦饱水体积比对照材体积湿胀率降低了62.38%。
榉木在处理时间为 1 h、处理温度低于 160 ℃时,饱水体积抗胀率呈直线增加(图 6)。当处理温度在160 ~ 180 ℃时,斜率最大,其抗胀率明显提高,180 ℃以上增长率降低。当处理时间为 3 h 和 5 h、处理温度在 140 ℃以上时,榉木饱水体积抗胀率增长明显加快,对其湿胀性有显著改善。在热处理温度为 200 ℃、处理时间为 1 h 时,榉木饱水体积抗胀率提高了68.45%。
据最小二乘法原理,对赤桦、榉木的饱水体积湿胀率(Z)进行多元回归分析,得到其与处理时间(X1)、处理温度(X2)回归模型,分别为:
Z桦=-0.226X1-0.164X2+39.339(R2=0.845)
Z桦=-0.264X1-0.219X2+51.625(R2=0.823)
且经过 F 检验后,拟合效果显著。根据以上两个模型,可以预测在不同的热处理工艺因子的条件下,两种木材的饱水体积湿胀率的变化规律。
3 结 论
赤桦气干密度随热处理时间的延长和温度的升高总体上呈现下降趋势,处理时间为 1 h、3 h 时,在 160 ℃时赤桦气干密度突然升高,说明此温度处理时,赤桦密度损失率较低;榉木气干密度随处理温度升高呈下降规律,并且温度在160 ℃及以上时,处理材密度低于对照材,因此榉木热处理时需要对温度控制严格。在120 ~ 160 ℃的中温处理条件下,赤桦、榉木的气干体积干缩率和饱水体积湿胀率基本低于对照组。


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