摘要
木材高温热处理又称木材炭化，通常是指在 160～250 ℃的温度下，利用蒸汽、氮气、水或导热油为加热介质对木材处理数小时后，使木材组分发生物理化学变化，缓和木材内部生长应力和干燥应力的一种纯物理木材改性方法。
木材高温热处理又称木材炭化，通常是指在 160～250 ℃的温度下，利用蒸汽、氮气、水或导热油为加热介质对木材处理数小时后，使木材组分发生物理化学变化，缓和木材内部生长应力和干燥应力的一种纯物理木材改性方法。木材经过高温处理后，消除了木材成分中的亲水性羟基基团，同时生成其他疏水性基团，此外，游离醋酸的生成，使腐朽菌喜爱的食物明显减少，因而从食物链上抑制了腐朽菌的生长，达到改善木材尺寸稳定性、耐腐朽性和耐久性等目的。在木材热处理过程中，由于不添加任何化学药剂，污染问题少，工艺简单，处理后的木材不会对人和居住环境产生任何危害。木材热处理拓宽了木材的应用领域，对我国木材加工行业，尤其是实木家具、实木地板、实木门窗、建筑外墙板、户外景观和家具、乐器等行业的发展具有重大意义。为人工速生材、普通材，甚至疫材提供了一种有效的改性增值手段。
1、降低吸湿性，提高尺寸稳定性
吸湿性的降低和稳定性的提高是热处理木材最基本和最重要的性能提升。干缩湿胀是木材的固有特性，在这一过程中随着含水率的变化，木材外观尺寸和主要物理性能都会发生变化，这是造成木材应用缺陷的主要原因，木材经过热处理可显著降低木材的吸湿性，从根本上稳定了木材在应用过程中的综合性能表现。木材经热处理后，吸湿性显著下降，吸湿滞后性更加显著，随着环境湿度的增加，热处理材与未处理材吸湿性的差异不断增大，如经 190 ℃蒸汽处理的杨木，在环境湿度由11.1%增至95.8% 的过程中，平衡含水率与对照材的差值由0.71%逐步扩大至 8.82%，表明其在高湿环境下也能保持较好的稳定性。吸湿性的下降可显著提高热处理材的尺寸稳定性，如杉木在230 ℃处理5 h后心材和边材的尺寸稳定性分别提高了73%和71%。不仅如此，木材径、弦向的干缩差异在热处理后也有所缩小，表现为热处理材的弦向抗胀系数大于径向抗胀系数，使木材在宏观上表现出更为均匀的性质。
2、提高生物耐久性
热处理可以显著改善木材的生物耐久性。耐久性的提高与处理温度水平显著相关，一般认为只有当处理温度高于 200 ℃以后，热处理材的耐久性才会显著提高。在常压蒸汽处理条件下，当处理温度达到 215 ℃时，木材的耐腐性可达到欧盟标准( CEN/TS 15083-1) 的“耐腐”或“强耐腐”级别，但此时由于细胞壁组分的热解程度加深，木材的质量损失率可达 20%。在氮气或负压条件下的热处理试验也表明，只有当木材质量损失率达到 12%以上时热处理材才表现出足够的耐久性。热处理材对真菌的抵御能力具有选择性。在培养基试验中，它对白腐菌和褐腐菌都表现出较好的抵卸性，对蓝变菌的抵御能力也较强，但不能防止或减轻木材表面的霉变，对白蚁的侵害也不具备防护能力，且热处理材在土壤接触试验中的耐久性表现不如培养基试验。
3、调节木材颜色
热处理对木材的颜色有最直观的影响。热处理后木材明度下降，颜色加深，且随着处理温度的上升，材色变化也更加明显，部分木材显现出接近热带材的外观特征。如对水曲柳热处理材的材色分析表明，热处理材在材色尤其是明度上接近名贵木材，其中 185 ℃工艺的处理材与柚木的材色十分接近，因而热处理材也普遍被用来调节木材材色，以普通材种模拟珍贵材种的外观。在欧洲等发达国家市场，由于对进口热带材的合法性来源要求越来越严格，热带材的市场供应量显著下降，该类应用有逐步增多的趋势。材色调节的另一个用途是遮蔽木材原有的缺陷，这对疫材的利用具有重要价值。
4、影响力学强度
在热处理过程中由于木材细胞壁组分发生降解或重组，力学性能指标会发生变化，其中抗弯强度受热处理影响较大。冲击韧性也是受热处理影响显著的力学性能指标，在热处理后出现明显下降，它表明热处理显著降低了木材的韧性，使材质变脆。相比而言，热处理对其他力学性能的影响较为复杂。木材表面硬度没有发生明显变化，甚至略有上升。多数研究认为，温和的处理条件会提高木材的弹性模量，使木材具有更高的刚性。木材的顺纹抗压强度在热处理后也会有所上升。通过对热处理工艺的精确控制，可以将热处理材的力学性能损失降到最低，甚至某些指标还可能有所上升。但无论热处理材的力学性能指标开始如何变化，当处理温度超过 200 ℃ 以后力学性能指标总体呈快速下降趋势，此时由于木材的强度损失过大，加工和使用性能显著恶化。
5、改善声学性能
木材在长期使用后会经历自然“老化”过程，声学性能获得改善，表现为木材的比动态弹性模量上升，损耗因子下降，木材机械振动的传播性能获得提高。热处理可以起到类似天然“老化”的效果，改善木材的声学性能指标，同时缩短正常“老化”所需要的漫长周期。该类热处理的温度水平相对较低，一般在 160 ℃ 左右，因为在这个温度水平下木材的声学性能和机械力学性能之间可达到一个较好的平衡。该类热处理对环境湿度也有一定要求，在 60% ～75%的相对湿度条件下改性效果较佳，更高的环境湿度反而会显著降低木材的声学品质。热处理材在乐器上的应用不仅限于发声的音板，由于具有出色的尺寸稳定性、对材色的调节能力以及部分力学性能的提升，其应用也包括其他具有装饰、封闭甚至受力功能的乐器构件，如吉他的指板、边板和背板等。
6、 影响木材加工性能
木材经过热处理后韧性下降，脆性增加，这对其加工性能具有显著影响，在切削过程中易产生局部劈裂，产生崩边等边缘加工缺陷，切削过程中产生的粉尘也更为细小。就切削表面质量而言，热处理使木材的表面粗糙度较未处理材略有下降，但也有研究表明两者并不存在统计上的差异。虽然水润湿性试验显示热处理材表面的润湿性低于未处理材，暗示热处理材的界面性能低于未处理材，但热处理材的涂饰与胶合的实际性能表现，更取决于所应用的基材和涂料类型。涂饰试验表明，涂料对热处理材表面的渗透与未处理材没有显著区别，漆膜附着力也因基材或涂料的不同而有差异。对桦木、樟子松落叶松热处理材的胶合试验表明，室内用白乳胶和室外用PU 胶都能与热处理材很好胶合，胶合试件的浸渍剥离率和煮沸剥离率都为 0%。
7、 良好的环境属性
热处理由于无需添加任何化学药剂一直被视为一种环境友好的木材改性方法。基于生命周期的环境影响评价表明，由于使用寿命的延长，采用热处理材外墙挂板的环境友好性优于未经处理的外墙挂板，与其他建材相比，热处理材挂板在气候变化和人体健康两类环境指标具有潜在优势。热处理木材可满足地板产品的VOCs室内释放标准。欧洲赤松热处理材的VOCs排放水平仅为气干材的 1 /9 ～ 1 /7，主要成分为醛类和羧酸，其中糠醛的释放是热处理材特征性气味的主要来源。热处理对环境的影响主要体现在处理过程中。由于木材细胞壁组分，特别是半纤维素的降解，在处理过程中存在一定量 VOCs的排放，主要成分为乙酸和甲酸等有机酸，同时也包括少量的苯酚和糠醛等物质，其中乙酸含量最高，可达排放总量的75%左右。酸性物质的排放对热处理兼具环境和工艺两方面的影响，它一方面对生产排气净化和处理窑壳体密闭性提出了一定要求; 另一方面，由于酸性物质可以促进木材组分在高温下的水解，因而调节处理环境的酸性也是控制木材的热改性水平的一个手段。
文章来源；中国木业网，原文链接： http://www.cnwood.cn/
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