与常规供暖方式相比, 地采暖具有**节能、采暖均衡、健康环保、更为舒适的特点, 目前已遍及我国北方城市, 并有向长江中下游发展的趋势。木材是天然生物质材料, 质感好, 并具有调节室内温湿度等环境学特性, 已被普遍用于室内地面铺装, 现将木地板用于地采暖的地面铺装的市场需求也越发迫切。然而, 木材具有干缩湿胀的天然属性, 冬季地采暖环境下, 相对湿度低、温度高, 木材易干缩, 反之夏季易湿胀, 因此地采暖的使用环境对实木地板的尺寸稳定性提出了更高的要求[1]。

热处理作为一种科学有效的木材改性手段, 可显著改善木材吸湿性大、尺寸稳定性差和耐久性不佳等固有缺陷[2]。有研究显示, 对实木地板基材进行热处理、提高其尺寸稳定性, 可解决实木地板安装时预留的伸缩缝问题, 并通过对柞木、白蜡木、香樟等常用实木地板基材热处理的研究, 发现三种木材尺寸稳定性得到明显改善[3];在230℃高温条件下对杉木进行热处理, 其心材和边材尺寸稳定性分别提升约73%和71%[4];当热处理温度高于200℃, 木材力学性能严重下降[5,6,7];低温热处理 (温度低于200℃) 有望在控制木材力学性能下降等的前提下改善木材尺寸稳定性[8,9]。

基于此, 笔者以我国南、北方常用的栎木、桦木和柚木为研究对象, 采用常压湿空气为介质, 分别对三种木材实施不同温度、时间条件的热处理工艺, 以探究不同条件对热处理材尺寸稳定性及力学性能的影响, 为实木地板生产企业科学合理地选择热处理工艺、改善地采暖环境下实木地板的稳定性提供理论依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

栎木 (Quercus mongolica Fisch.ex Turcz.) , 产自辽宁;桦木 (Betula alnoides Buch.-Ham.ex D.Don) , 产自广西;柚木 (Tectona grandis Linn.f.) , 产自广西。三种木材规格 (长×宽×厚) 为930 mm×133 mm×20 mm, 含水率8%～10%, 无开裂、翘曲、虫眼、变色等可见缺陷。

1.2 试验装置

TECH-HM型木材热处理设备, 杭州太克干燥设备有限公司制造;力学试验机;电子天平;电热鼓风干燥箱;恒温恒湿箱等。

1.3 试验方法

1.3.1 热处理工艺参数设计

试验采用全因素试验设计方法, 选取热处理温度和时间为热处理工艺控制参数。其中温度分5个水平:120℃、140℃、160℃、180℃、200℃;热处理时间分3个水平:2 h、4 h、6 h。共15组试验, 每组处理100块试材。

1.3.2 热处理工艺试验实施

15组试验在不同热处理条件下的工艺控制过程如图1所示。每组热处理试验实施的具体流程为: (1) 热处理设备内部温度以6.5℃/h缓慢升至80℃ (经测量, 本试验条件下以平均室温30℃左右为热处理设备的初始温度状态) ; (2) 保温2.5 h对锯材充分预热; (3) 以6℃/h的升温速率升温, 直至达到不同热处理工艺条件下的设定温度 (120、140、160、180、200℃) ; (4) 保温不同热处理工艺条件下设定的热处理时长 (2、4、6 h) ; (5) 以6℃/h的降温速率降温至室温。

图1 热处理工艺控制   下载原图

1.4 性能测定

每组热处理完成后在固定位置选取10块试材进行尺寸稳定性和力学性能测定。

1.4.1 尺寸稳定性测定

依据GB/T 1934.2-2009《木材湿胀性测定方法》, 锯解尺寸稳定性测量试件, 每块试材锯制12个, 共120个 (另有未经热处理试样20个作为对照组) , 烘至绝干后将试件置于环境温度为 (40±0.5) ℃、相对湿度 (90±2) %的恒温恒湿箱中进行吸湿处理, 由处理前后质量及尺寸计算试样在该条件下吸湿平衡含水率及吸湿体积膨胀率;此外, 依据GB/T 35931-2018《地采暖用实木地板技术要求》, 锯解试件并测量其耐湿尺寸稳定性 (膨胀率) , 根据以上三个指标来评价木材尺寸稳定性。

1.4.2 力学性能测定

依据GB/T 1929-2009《木材物理力学试材锯解及试样截取方法》, 锯制力学强度测量试件, 每块试材锯制3个, 共30个 (另有未经处理试样5个作为对照组) 。依据GB/T 1936.2-2009《木材抗弯弹性模量测定方法》、GB/T 1936.1-2009《木材抗弯强度试验方法》分别测量试样抗弯弹性模量 (MOE) 、抗弯强度 (MOR) , 根据这两个指标对木材力学性能进行评价。

2 试验结果与分析

2.1 热处理对三种木材尺寸稳定性的影响

2.1.1 吸湿平衡含水率

三种木材在不同热处理温度、时间条件下的吸湿平衡含水率如图2所示, 图中虚线分别表示三种木材对照材吸湿平衡含水率的大小。由图2可见, 三种木材经热处理后吸湿平衡含水率随温度的升高及时间的延长有明显降低的趋势, 与热处理时间相比, 热处理温度对吸湿平衡含水率影响更大[10]。由于不同木材材性存在差异, 热处理后其吸湿表现也不同。栎木经温度200℃、时间6 h热处理后吸湿平衡含水率由10.12%降至5.09% (降幅50.19%) , 桦木由12.22%降至5.83% (降幅52.29%) , 柚木由9.65%降至5.21% (降幅46.01%) 。在相同热处理条件下, 桦木吸湿平衡含水率大都高于栎木、柚木;栎木材质*不稳定, 因而其吸湿平衡含水率降低规律不如其余两种木材明显。

2.1.2 吸湿尺寸稳定性

不同热处理条件对地热地板用材吸湿尺寸稳定性的影响见表1。从表1可知, 与对照材相比, 相对湿度90%、40℃条件下热处理材吸湿体积膨胀率明显减小。以栎木为例, 热处理时间2 h, 随着热处理温度的升高, 其值由7.55%降至5.29%, 降幅为29.93%;热处理时间4 h, 其值由8.90%降至4.85%, 降幅为45.51%;热处理时间6 h, 其值由6.02%降至4.31%, 降幅为28.41%。由此可见, 热处理通过使半纤维素中的游离羟基数量降解, 可显著提高木材尺寸稳定性[11]。工艺11 (热处理温度180℃、时间4 h) 条件下, 栎木、桦木宽度方向膨胀率分别为0.73%、0.64%和0.52%, 已满足地热条件下实木地板宽度方向尺寸稳定性要求 (≤0.80%) ;工艺8 (热处理温度160℃、时间4 h) 条件下, 柚木宽度方向膨胀率为0.72%, 满足要求。另外还可看出, 不同工艺下长度方向膨胀率大都满足地热条件下实木地板长度方向尺寸稳定性要求 (≤0.20%) , 热处理的主要目的是改善木材宽度方向尺寸稳定性。

图2 不同热处理条件对地热地板用材吸湿平衡含水率的影响   下载原图

表1 不同热处理条件对地热地板用材吸湿尺寸稳定性的影响     下载原表

注:表中数据为平均值;吸湿体积膨胀率为试件 (20 mm×20 mm×20 mm) 计算所得;耐湿尺寸稳定性 (膨胀率) 包括长度方向膨胀率及宽度方向膨胀率, 为试件 (200 mm×60 mm) 计算所得, 斜体数值表示未达到“标准”要求。

2.2 热处理对三种木材力学强度的影响

不同热处理条件对地热地板用材力学强度的影响如图3所示, 图3中虚线分别表示三种木材对照材抗弯强度 (MOR) 、抗弯弹性模量 (MOE) 的大小, 由图3可知, 不同木材MOR和MOE变化表现规律不一, 但相同木材两个指标变化规律相近。栎木、桦木, 在热处理时间小于6 h时, 经不同工艺热处理后木材两个指标基本表现为先增大后减小的趋势, 并在160℃左右达到*大值, 当温度升至180℃, 两个指标有明显下降趋势, 例如栎木热处理温度200℃、时间6 h, MOR、MOE降低幅度分别为48.48%、52.37%。有关文献表明[12], 当热处理温度低于200℃时, 纤维素和半纤维素并未发生热降解, 木材的各项力学性能指标变化的主要原因是半纤维素发生热解和水解反应。在低温、短时间热处理条件下, 半纤维素的分解导致木材中自由羟基数量减少, 使木材内部分子间更容易结合, 有利于力学强度的提高, 其次纤维素无定形区的结晶化同样可促进该结果。但随热处理温度的升高和时间的延长, 半纤维素热降解起主导作用, 含量不断减小, 当温度达到180℃时, 木材力学强度明显降低;柚木, 在相同热处理时间条件下, 两个指标总体处于上升趋势。虽然在180℃、200℃的部分处理时间条件下有降低表现, 但没有一致的变化规律。可见, 柚木由于其材性稳定, 当温度升至200℃时, 力学强度降低趋势也不明显, 后续研究应继续试验探讨柚木力学强度降低的临界工艺条件。热处理工艺的设定应充分考虑木材材性, 不同木材热处理后的各项性能指标可能差异较大。

2.3 地热地板用三种木材较适宜的热处理工艺

栎木、桦木在热处理温度180℃、时间4 h条件下, 柚木温度160℃、时间4 h条件下, 其耐湿尺寸稳定性达到GB/T 35913-2018的要求, 满足实际应用所需。在上述条件下, 仅桦木力学强度略低于对照材, 可忽略该降低量对其实际应用的影响, 因此选取上述条件下的热处理工艺为三种木材较适宜的热处理工艺。

图3 不同热处理条件对地热地板用材力学强度的影响   下载原图

3 结束语

(1) 栎木、桦木和柚木三种木材经不同温度、时间的热处理后, 吸湿平衡含水率减小, 吸湿尺寸稳定性得到改善, 且热处理温度高、时间长, 木材尺寸稳定性的改善效果好。在热处理温度180℃、时间4 h条件下, 三种木材尺寸耐湿尺寸稳定性都满足地采暖实木地板国家标准的技术要求, 但栎木和桦木的力学强度略有下降;柚木在热处理温度160℃、时间4 h条件下即满足“标准”要求。

(2) 低温、短时间热处理条件下, 三种木材力学性能有一定提升;当栎木、桦木的热处理温度为180℃左右时, 力学强度有明显下降趋势, 然而试验并未发现柚木力学性能改变的临界热处理条件。

(3) 在本试验条件下, 可确定较适宜栎木、桦木的热处理条件为温度180℃、时间4 h, 柚木较适宜的热处理条件为温度160℃、时间4 h。生产中, 应以该条件下的热处理工艺为基础, 根据实际情况对其进行适当调整。