張雙燕 ，周洪杰 ，張振 ，陳偉

（1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園林學(xué)院，合肥 230036；2.阜陽市金木工藝品有限公司，安徽阜陽236000）

楊樹作為我國重要的速生人工林樹種之一，具有很高的生態(tài)價值和工業(yè)利用價值，被廣泛應(yīng)用于木材工業(yè)。但是，楊木天然的材質(zhì)缺陷卻限制了其使用范圍，使其較難應(yīng)用于高附加值產(chǎn)品的生產(chǎn)[1]。因此，如何提高楊木的高附加值和多功能的高效利用已成為木材科學(xué)研究的新熱點。

近年來，因地暖具有節(jié)能的特點，地?zé)岬匕遄鳛橐环N新的功能性產(chǎn)品廣受人們親睞。然而，由于地板采暖的特殊性，地?zé)岬匕宓男阅茉诤艽蟪潭壬鲜艿桨宀牡暮省⑽锢硇再|(zhì)、基材的尺寸穩(wěn)定性、熱傳導(dǎo)效率等因素的影響[2-3]，更重要的是采暖過程中如何解決由于干縮濕脹引起的尺寸變形、開裂等問題。因此，有必要對地板板材進行功能性改良，以提高其在復(fù)雜溫、濕度環(huán)境中的尺寸穩(wěn)定性。炭化處理是一種通過熱處理手段減少木材組織中吸水羥基，降低木材吸濕性和內(nèi)應(yīng)力，提高木材尺寸穩(wěn)定性的改性方法[4]。目前，國內(nèi)外對炭化木質(zhì)材料研究多集中在物理力學(xué)性能上，對炭化木質(zhì)材料的耐熱、耐濕及導(dǎo)熱穩(wěn)定性的研究較少?；诖?，本文以人工林速生楊木板材為研究對象，結(jié)合企業(yè)現(xiàn)有炭化生產(chǎn)工藝，研究探討四種寬度（60 mm、90 mm、120 mm、180 mm）規(guī)格的板材炭化處理后的耐熱尺寸穩(wěn)定性、耐濕尺寸穩(wěn)定性以及導(dǎo)熱系數(shù)的變化，為低等級木材地?zé)岬匕甯咝Ю锰峁┛茖W(xué)依據(jù)，對提高楊木利用價值、擴大其使用范圍具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試材為楊木板材，由阜陽市金木工藝品有限公司提供，選取4種不同規(guī)格，經(jīng)常規(guī)干燥四面刨光。具體規(guī)格（長×寬×厚）為：250 mm×60 mm×16 mm，250 mm×90 mm×16 mm，250 mm×120 mm×16 mm，250 mm×180 mm×16 mm，每種規(guī)格數(shù)量為20片，平均含水率8%。

1.2 試驗儀器與設(shè)備

35FX1-01-1型木材炭化窯；HWS-080型恒溫恒濕箱；DHG-9030型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱；HFM-436 Lambda熱流法導(dǎo)熱分析儀；電子游標(biāo)卡尺等。

1.3 炭化工藝

炭化工藝借助阜陽金木工藝品有限公司現(xiàn)有的窯室常壓熱處理工藝，炭化溫度為130℃，處理時間一周。

1.4 耐熱收縮率測定

將炭化和未炭化處理的每種規(guī)格試材各取10片放入溫度為（20±2）℃、相對濕度為（65±5）%的恒溫恒濕箱中處理24 h，取出測量每一規(guī)格試樣的尺寸；然后將試樣放入溫度為（80±2）℃的干燥箱中處理24 h，取出冷卻后測量試樣的尺寸。收縮率計算公式如下：

式中：ΔL為試樣長度收縮率，精確到0.01%；L0為試樣初始長度，單位：mm；Ls為試樣處理后長度尺寸，單位：mm。

式中：ΔB為試樣寬度收縮率，精確到0.01%；B0為試樣初始寬度，單位：mm；Bs為試樣處理后寬度尺寸，單位：mm。

1.5 耐濕膨脹率測定

將炭化和未炭化處理的每種規(guī)格試材各取10片放入溫度為（20±2）℃、相對濕度為（65±5）%的恒溫恒濕箱中處理24 h，取出測量每一規(guī)格試樣的尺寸；然后將試樣放入溫度為（40±2）℃、相對濕度為（90±5）%的恒溫恒濕箱中處理24 h，取出在室溫下測量試樣的尺寸。膨脹率計算公式如下：

式中：ΔL為試樣長度膨脹率，精確到0.01%；L0為試樣初始長度，單位：mm；Lp為試樣處理后長度尺寸，單位：mm。

式中：ΔB為試樣寬度膨脹率，精確到0.01%；B0為試樣初始寬度，單位：mm；Bp為試樣處理后寬度尺寸，mm。

1.6 導(dǎo)熱系數(shù)測定

采用HFM436 Lambda熱流法導(dǎo)熱分析儀測定炭化和未炭化楊木板材的導(dǎo)熱系數(shù)，以表征板材傳遞熱量的能力，其基本原理是將樣品放入兩塊平板之間，上面是熱板，下面是冷板，制定一維軸向熱流通過樣品，利用熱傳導(dǎo)傅里葉方程計算得出。公式如下：

式中：q為通過樣品穩(wěn)態(tài)流動的熱流功率（W），κ為導(dǎo)熱系數(shù)（W/mK），A為試樣橫截面面積（m2），-dT/dx為冷板和熱板之間的溫度差[5-7]。

被測試材在室溫下存放24 h后，裁成300 cm×300 cm×16 mm，參照“用護熱板儀器法測定穩(wěn)態(tài)熱通量和熱傳遞特性的試驗方法”（ASTMC177-13）標(biāo)準(zhǔn)測定其導(dǎo)熱系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 耐熱收縮率

圖1為不同規(guī)格板材從溫度為（80±2）℃的干燥箱中干燥處理24 h后取出的尺寸收縮率的變化情況。由圖1可知，與未處理材相比，炭化處理材長度方向（寬度為120 mm除外）和寬度方向收縮率均減小。其中，寬度為60 mm的板材炭化處理后長度方向收縮率平均下降49.59%，寬度為90 mm的板材下降54.22%，寬度為180 mm的板材下降21.32%，而寬度為120 mm的板材長度方向則增加了6.98%；寬度為60 mm的板材炭化處理后寬度方向收縮率平均下降64.95%，寬度為90 mm的板材下降62.34%，寬度為120 mm的板材下降85.67%，寬度為180 mm的板材下降64.44%。炭化處理后板材的耐熱尺寸穩(wěn)定性有很大的提高。

圖1 各板材耐熱收縮率比較

2.2 耐濕膨脹率

圖2為不同板材在溫度為（40±2）℃、相對濕度為（90±5）%的條件下處理24 h后長度和寬度的變化結(jié)果。由圖2可見，不同規(guī)格的板材長度方向尺寸膨脹率均小于寬度方向尺寸膨脹率，且炭化處理后各板材長度方向和寬度方向上的膨脹率均減小。其中，炭化處理后，60 mm寬的板材長度方向膨脹率平均下降81.82%，90 mm寬的板材下降66.67%，120 mm寬的板材下降33.33%，180 mm寬的板材下降6.67%；炭化處理后，60 mm寬的板材寬度方向膨脹率平均下降80.68%，90 mm寬的板材下降57.38%，120 mm寬的板材下降46.91%，180 mm寬的板材下降27.47%。炭化處理后板材的耐濕尺寸穩(wěn)定性得到顯著提高。這可能是因為一方面木材炭化處理后，半纖維素中自由羥基濃度大大降低，與外界水分交換能力下降[8]；另一方面炭化處理后，纖維素?zé)o定形區(qū)內(nèi)纖維素大分子鏈上的羥基互相結(jié)合，使得纖絲間排列更為緊密[9]，減小了水分滲透到微纖絲間的縫隙，從而使得木材尺寸穩(wěn)定性得到改善。

圖2 各板材耐濕膨脹率比較

2.3 導(dǎo)熱系數(shù)

導(dǎo)熱系數(shù)直接反應(yīng)材料本身的熱傳導(dǎo)能力，是一個極為重要的熱物理參數(shù)。未處理的楊木板材的導(dǎo)熱系數(shù)為0.109 W（/m·K），而炭化處理后的楊木板材導(dǎo)熱系數(shù)為0.139 W/（m·K），導(dǎo)熱系數(shù)增加27.52%，導(dǎo)熱性能明顯提高。這可能是因為經(jīng)過炭化處理，木材內(nèi)部的抽提物含量減少，即阻礙熱傳遞的物質(zhì)減少，材料的熱傳導(dǎo)能力提高[10]。與其他材料相比（表1），炭化處理后楊木板材的導(dǎo)熱系數(shù)大于硬質(zhì)纖維板、略小于輕質(zhì)混凝土。

表1 各種材料的導(dǎo)熱系數(shù)

3 結(jié)論

（1）炭化處理后，材料寬度方向尺寸變化產(chǎn)生的影響比長度方向更為明顯，寬度方向上耐熱收縮率比未處理均降低64%以上，其中，120 mm寬的板材降低最為明顯，約為85.67%；耐濕膨脹率均降低27%以上，其中60 mm寬的板材降低最明顯，約為80.68%。

（2）經(jīng)過炭化處理后，木材的導(dǎo)熱系數(shù)明顯增加，增加了27.52%，材料的導(dǎo)熱性能顯著提高。

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