浅析热处理工序对桦木特性的改善效果

研究不同地点的桦木质量及热处理对其影响后,发现经过适当的热处理方式,桦木可以替代其他木材用于特定用途,特别是在家具行业—Vlastimil Borůvka, Aleš Zeidler, Tomáš Holeček和Roman Dudík, 捷克布拉格生命科学大学

随着气候变化,具有高生态价值的树种开始成为森林管理的重点。其中一个树种就是桦木(Betula pendula)。

因为在森林管理复杂的过程中,我们需要不仅从生态方面,而且从生产方面(即为加工业提供足够的材料)来考虑这些树种的替代品。

对于加工业来说,不仅是原材料的数量,质量标准也特别重要,这能提高产品的附加值。捷克共和国缺乏全面的研究方法探讨桦树问题,包括桦木的质量。本研究的目的是展示桦木的潜力,提供补充性的见解来解决问题。

在上个世纪,捷克共和国种植了相当数量的纯、混合白桦树,以评估不同的管理方法产生的效果,管理方面包括气候对树种的影响、落叶量、土壤状况和其他树种的再生情况。

目前,有相当数量的研究和文献在处理这一问题,主要是外国的,捷克也在进行。

然而,这些研究主要只评估树种的增量和产量,或不同管理方法对气候及树种可再生的影响。

实际上,树种的质量对于木材加工及其后续使用也很重要。根据木材加工技术和最终产品的性质,对产品质量参数可以有不同的理解。行业主要将木材质量参数理解为木材上出现结疤的次数和结疤的大小、假心材的存在、木材的密度(对干木材质量和产量的影响),以及最重要的是强度、韧性和弹性模块 (MOE)。

最佳生境的选择、林分建立的方法和合适的造林方法,是森林管理人员需要使用的工具,他们通过这些工具努力优化并最大化林地的产量。这个问题在捷克共和国得到了研究成果,该国也投入了大量的工作。

然而,在欧洲发达国家,处理这一问题更为复杂,主要涉及提高效率以及使用木材作为主要可再生原材料。引人注意的关键点也是造林方法对木材质量的影响以及后续木材可重复利用的可能性。

 

定性参数

有关木材定性参数的信息对行业非常重要,并且可能因使用方式而异。最重要的是,刚才提到木材密度(体积单位里干木材质量的体积)是木材质量的主要指标之一,它还会极大地影响木材其他特性,包括木材的强度或尺寸变化。

木材的密度、收缩、强度、灵活性、假心木比例或结疤率等特征的变化范围都很大程度上取决于树木之间的距离、木材的社会地位、年轮宽度和晚材率。

因此,森林管理不仅是影响木材定量和定性参数的工具,还会影响木材的好评和后期的利用方式。

造林方法对木材质量的影响问题在国际上得到了相当的关注。斯堪的纳维亚国家,如瑞典和芬兰,以及其他周边国家,特别是波兰,主要研究最初人数和造林方法对木材质量的影响。

文献中提到了适当减少间伐强度的重要性,以便不显著降低木材的质量。

 

桦木的特性与功能

在捷克共和国,研究造林过程中培植对经济发展有利的树种的影响资料相当少,也没有方法来全面解决这一问题。

虽然在捷克共和国有相当多的桦木种植实验地块,也采用了不同的造林方法,但没有对场地影响和造林方法对木材质量进行相关评估。

在捷克共和国,桦木是重要的树种,能够改良土壤,具有强化和开拓潜力,但由于初始生长迅速,可能不利于其他树种的生长,因此往往被认为是不受欢迎的。

目前,因云杉树的衰落,出现了利用"自然创造力量"的机会,白桦树的生长直至其可采伐年龄存在可针对性调节的可能性。

例如,在芬兰,桦木是继云杉和松树之后的第三大树种,经常被用来生产有价值的饰面板(卡雷利阿桦木),或直接被用作实木、经过热处理供最终使用。

例如,关于斯堪的纳维亚桦木主要研究报告之一是全面论述桦木栽培问题,包括培植对木材特性的影响。

在加工方面,桦木属于中等硬度木材,具有良好的机械性能和强大的可加工性。它对破坏木材的真菌及不良天气条件的抵抗力较弱,因此不适合户外使用。

由于其耐久性差,通常尺寸较小,出现弯曲的频率较高,因此不考虑将桦木用于建筑用途。

提取珍贵品种用于贴面和制造胶合板时,在冬季提取和快速加工是必要的,随着木材颜色可能会逐渐出现不可逆转的变化,用作装饰面板的部分会发生降解。

很显然,桦木的特性与上述树种相似,即使经过热处理,它的表现也比捷克共和国目前使用的(木柴)更好,所以桦木值得更多的关注。

本文的目的是,使捷克共和国的森林所有者和管理人员了解开展与桦木质量有关的活动的影响和意义,让桦木能获得更多的赏识。

只有通过热处理,可以减少桦木的一些负面特性。在芬兰和其他西欧国家广泛使用的热处理工艺和改进热木特性方面,已经描述了很多。

 

研究的资料收集和调查测试

捷克生命科学大学科斯特莱纳分校的森林企业,在林地里采集了桦木树茎样本供分析。

我们总共从四个林分中的八棵树上切下样品,从每个样品树的基础部分切下5米长的部分。选取的样品参考以下标准:从树木的胸高部分测量其直径,范围在32厘米到45厘米不等;树木的高度在24米至29米之间,树龄在58岁至81岁之内。

这些林分中,桦树所占的比例在5%到15%之内。采集样本的区域特征如下:就自然条件而言,该土地属于10号自然林区(波希米亚中部高地),根据样本的茎分成8个实验案例,1-4案例中茎的岩石底土由花岗岩形成,5-8案例中茎的底土由粘土石构成。

使用森林管理研究所类型学系统,案例1、2、5和6里茎的土壤测试有机酸性范围,案例3、4、7和8里茎的土壤测试有机营养范围。案例1-4里的茎在海拔440至460米时采集,案例5-8里的茎在340至380米高空采集。

把每个茎的基底部分作成截面,再把截面的一部分切割成圆盘型进行硬度测试,剩余的部分再切割成木板,组成25×50×1000毫米(半径×切线长×曲线长)的棱柱体。

对每个棱柱体,根据R × T × L =20 × 20 × 300毫米的尺寸进行6次测试用于相互比较,以确保两个被选定需要经过热处理的参考测试样本的纵向平行,以及两个测试系列的横向平行。 

此外,从剩余木板中根据纤维质的方向取出横向尺寸为 20 × 100毫米、长度为300 mm 的测试试样,数量为 180 件,用于颜色测量以及后续确定最适当的处理方法水平。

从30个样本系列中提取720个初级测试样本,通过3步骤对其进行处理,包括8个案例中未处理过的茎参考样本。

根据方案对硬度测试进行了取样。尺寸为 R×T×L = 20 × 20 × 30 mm 的样品在弯曲度和冲击弯曲测试结束后,从距离末端300毫米的位置对其进行切割,用于密度、膨胀度和压缩强度的测量。

总体测试情况是,没有一个木材标本有结疤、裂缝或变得畸形,并且纤维偏斜度在纵向方向上已尽可能小了。然后,在 CLIMACELL 707 气候室中,样品在水分含量平衡的条件下,相对湿度为 65 ± 5%,温度为 20 ± 2 摄氏度。

根据芬兰已知的木材热改性专利,三分之一的初级试验样本随后在170摄氏度的环境下进行热处理,然后将温度提高到190摄氏度时再对其进行另一种热处理。

热处理的工序是在实验室内高温下进行的,处理设备的容量为0.38立方米,最大负荷能力为150公斤,能接受的最高工作温度为250摄氏度,功率为3千瓦时。

在处理过程中,我们使用的是水幕喷雾,与芬兰技术中使用的蒸汽不同。热改性测试样品接着在装有空调的环境下,将相对湿度调整为65 ± 5% 且温度为 20 ± 2 摄氏度,以平衡水分含量。

所有测试完全按照捷克国家标准化测试标准进行,动态弹性模量的测定基于 Fakopp 仪器手册中指定的方法。

将样品分别在未经处理和热处理的情况下进行了标准颜色测量。

同时,确定了木材热改性前后相比白色形成的总色差,计算方式是部分偏差平方和的平方根。

因此,它表示的是标准坐标之间的最短距离,在我们的例子中,它就是白色和颜色空间样本。

使用Tira 50 kN测试机确定了压缩强度,通过将采集值与密度联系起来,我们还获得了以kN.m/kg为单位的木材特定强度。

根据标准再确定膨胀率,使样品进行(膨胀+干燥)两个循环重复。干燥工艺作为本测试的一部分,用于确定平衡水分含量是在103±2摄氏度的环境下进行的。

基本密度计算方式为木材干燥质量和体积在膨胀状态(最大体积)下的比值。还确定了样本吸湿性的限制性以及纤维饱和点 (FSP) 百分比。

 

实验结果

本文的主要目的是验证木材在进过热处理之后对其特性是否会产生影响。

木材之所以会发生变化,无论是哪个特定的林分或树茎,10-30%的原因取决于属性和处理水平。如预测,结果表明,桦木的四个林分、八根茎的特性和变异性都表现在经过热处理的木材上。

例外情况是静态弯曲强度,在较高温度(190摄氏度)的环境下,木材的质量表现没有那么优异。而木材的冲击抗弯强度在处于较低温度(170 度摄氏度)的环境时表现了出来。

弯曲强度也受到热处理的负面影响,在170摄氏度时影响最大,影响程度约占48%。在190摄氏度时影响程度下降很多,高达67%,对抗弯强度的影响下降了26%。

相反,最积极的影响是,弹性模量和硬度在170度摄氏度时分别增加约30%和21%,在190摄氏度时膨胀率减少约31%,这与纤维饱和点的下降有关。

从单个林分(场地)的桦木研究结果来看,证明低海拔的酸性土壤是最好的,但这方面还需要深入研究。

这个结论是合乎逻辑的,因为在肥沃的土壤中桦木能更好地成长,因此体积更大,但密度也稍低一些。

桦木的其他特性数值也与此相关。研究的重点主要是说明材料质量与木材处理水平之间的影响以及由此产生的相关特性。

关于热处理对木材特性的影响,最终处理方式的程度选择必须能够引起木材特性变化。

实验结果的整体趋势与国际热木协会和其他手册中为该实验样本指定的结果一致。

然而,我们需要认识到,硬木含有较高比例的"填充型"半纤维素,因此在机械性能方面更容易受到高温处理的影响。

当温度为170摄氏度时,特别是190摄氏度时,桦木的颜色和其他特性都是可以接受的,但经过热处理的木材承受动态负荷的能力不强。

这必须纳入考量,所以木材不应该暴露于负荷环境下。

实验结果总体而言,在经过适当的热处理工序之后,为了特定目的(特别是在家具行业),桦木可以替换山毛榉木材。

应用的方式之一是把桦木作为热处理饰面板,从经济角度来看这个应用方法也很理想,这一研究方向值得在将来继续探讨。

根据初步研究,表明经过热处理的桦木饰面板的色彩趋势非常有趣,在热处理特定步骤的高峰阶段,选择时限非常重要。

热处理使木材的颜色均匀地改变,整个横截面可以变成温暖的棕色色调,并创造出异国情调的外观。除了颜色之外,热处理打造的最理想的属性是硬度,其次是粗糙度。这些是评估家具部件表面质量的重要因素。

 

桦木替换其他木材的潜力

经证实,木材的特性在经过热处理后会受到影响。例外情况是静态弯曲强度,在较高温度(190摄氏度)下,木材的质量受到的影响不大,在温度偏低的(170度摄氏度)环境下,冲击抗弯强度受到更多的影响。

实验结果表明,场地对木材性能也起着重要作用,低海拔的酸性土壤中,桦木的性能最佳。

冲击抗弯强度受热处理的影响最大,在170 摄氏度时受到的影响约48%,在190摄氏度时影响程度高达67%。最积极的影响是弹性模量和硬度分别在170摄氏度时增加约30%和21%,在190度摄氏度时肿胀率减少约31%。

总体而言,可以说热处理木材的尺寸稳定性更高是由于强度的退化(特别是在动态压力下)。这种效果随着热处理温度的升高而增强。由于桦木的颜色和其他特性被改良,有可能为特定目的取代山毛榉和其他木材,特别是在家具行业,其形式是将桦木用作热处理饰面板。

此外,在任何情况下,我们都有必要认识到,通过对木材进行热处理,其许多性能可以永久得到改善,桦木原本的低耐久性也能够被改良。此外,高温处理过的木材是环境友好型的,因为只有热量和蒸汽,在加工处理过程中不会使用额外的化学成分导致木材不环保。

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