油棕（Elaeis guineensis Jacq.）是热带木本油料作物,属高大乔木,经济寿命长达25~30 a,目前主要栽培于东南亚的马来西亚、印度尼西亚等国家,我国海南、广东、广西、云南和福建等省区均有零散分布[1]。目前,油棕园更新后砍伐的油棕木材直接利用的很少,大部分丢弃在地里腐烂或焚烧处理,原因是油棕木材的整体密度偏低,而且不同部位密度差异较大,木材的均一性和物理力学强度达不到商业用材的要求[2]。油棕木材作为一种可再生的农业剩余物资源,通过物理改性技术改善油棕木材的密度和力学性能使其替代现有木材,对增加油棕产业的附加值和保护森林资源具有重要的战略意义。
木材密实化技术是将木材进行软化处理后压缩变形,以减少木材细胞的空腔体积,增加木材的密度,并对压缩变形进行永久固定的木材改性处理技术,是提高木材密度和物理力学强度的重要手段[3]。密实化木材分为两种,一种是胶压木,木材先浸注化学药剂再压缩成型;另一种是木材直接压缩成型。木材直接压缩成型技术属于环保的物理改性技术,具有成本低、环保、工艺易控制等优点,具有更广阔的应用前景,国外的研究表明,通过密实化处理可以改善软轻质木材的强度、尺寸稳定性及表面的加工性能[4,5,6,7]。
Lamaming等[8]研究表明,油棕木材富含淀粉和糖分,有利于木材的压缩自粘接,可以用于制备压缩胶合板和压缩木,但关于油棕压缩木的研究较少。Saari等[9]研究不同压缩率对油棕无胶胶合板性能的影响,结果表明,压缩率越大木材的抗弯强度越高,木材的尺寸稳定性与压缩率具有相关性。Salim等[10]研究蒸煮处理对油棕压缩木的影响,结果表明,经过130 ℃和2 h的蒸煮软化后再压缩,油棕木材的力学强度和尺寸稳定性均获得明显的改善。水分和热量是影响木材软化和压缩变形的2个重要因素,木材中水分的存在有利于其被加热软化,研究表明,木材中半纤维素和木质素的软化温度随着含水率的增加显著降低[3],油棕无胶板材制备过程内部水分的存在同样有利于木材软化定型,但关于初含水率对压缩木材性能的研究甚少,而且压缩木尺寸稳定性是衡量其品质的重要指标,因此,初含水率和压缩温度联合对油棕压缩木性能的影响需进一步研究,本研究采用软化压缩的密实化处理方法,分析不同的初含水率和热压温度对油棕压缩木尺寸稳定性的影响,以期获得油棕压缩木的工艺及性能,为油棕压缩木的工业化制备提供技术支持。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 供试材料 油棕木材采伐自海南儋州市,采用翻转下锯法将木材锯切成1000 mm×300 mm× 28 mm的锯材并进行气干,气干含水率为8%~ 12%,气干后的木材锯切成200 mm×100 mm× 24 mm规格的试件,挑选出在木材横断面圆心周围位置对称且重量接近的试件备用。
1.1.2 仪器与设备 4128型实验室热压机,美国Carver公司;101-2AH电热恒温鼓风干燥箱,上海安亭公司;HH-6恒温水浴锅,常州金坛公司;XS 365M电子天平,瑞士Precisa公司。
1.2 方法
1.2.1 试验设计 首先将气干后油棕试材放在干燥箱内,在(103±2)℃的条件下干燥至绝干并记录绝干重量,然后浸泡在沸水中煮30 min后取出并放置干燥箱内,在55 ℃的条件下干燥至所要求的含水率（20%、35%、50%）。最后放在热压机内,在130 ℃和一定压力条件下预加热软化处理10 min,预软化结束后在10 min内将压机面板温度加热至要求温度（160、180、200 ℃）,采用手动加压逐渐将试材压缩至12 mm厚度（用厚度规控制）,保压压缩30 min,保压结束卸压并取出木材。具体的实验方案见表1。
表1 油棕木压缩试验因素及水平Tab. 1 Test levels and factors of compressed oil palm trunk |
| 水平 Level | 因素Factors | |
|---|---|---|
| 初含水率 Initial moisture content/% | 压缩温度 Compressed temperature/℃ | |
| 1 | 20 | 160 |
| 2 | 35 | 180 |
| 3 | 50 | 200 |
1.2.2 性能检测
（1）压缩率。
SC=(R0-Rc)/R0×100%
压缩率是衡量木材压缩后尺寸减小的程度,式中：C为压缩率（%）,R0为未压缩前尺寸（mm）,Rc为试件压缩后在室内环境下（20 ℃,60% RH）平衡后尺寸（mm）。
（2）压缩回弹率。
S=(Rc-R1)/R1×100%
压缩回弹率是衡量木材在压缩过程去除压力前后尺寸变化的程度。式中：S为压缩回弹率（%）,Rc为试件压缩后在室内环境下（20 ℃,60% RH）平衡后尺寸（mm）,R1为试件在压机内未卸压前压缩的尺寸（mm）。
（3）压缩恢复率
Y=(Rwet-Rc)/(R0-Rc)×100%
压缩恢复率是衡量压缩木材在吸水后尺寸回弹恢复的程度。式中：Y为压缩恢复率（%）,Rwet为试件吸水后尺寸（mm）,Rc为试件压缩后在室内环境下（20 ℃,60% RH）平衡后尺寸（mm）,R0为未压缩前尺寸（mm）。
（4）平衡含水率。
将试件放置在恒温恒湿箱内,在温度为20 ℃,湿度为60%的条件下平衡后测定其平衡含水率。
2 结果与分析
2.1 压缩率、密度和回弹率
不同温湿条件下处理的油棕压缩木的密度、压缩率和回弹率结果见表2,压缩木的压缩率均呈现出随初含水率和压缩温度的增大而增大的趋势,其压缩率在47.2%~48.8%之间,表现出良好的压缩性能。压缩木的密度取决于其压缩率,与对照相比,压缩后油棕木的密度明显的增大。当初含水率为50%,压缩温度为200 ℃时,油棕压缩木的密度最大,对应的密度为0.88 g/cm3,而最小密度为0.79 g/cm3,对应的处理条件为初含水率20%,压缩温度200 ℃。
表2 不同压缩温度和初含水率下油棕木材的压缩率、密度和回弹率Tab. 2 Test result of compressed oil palm trunk density as well compress-set and spring-back |
| 密实化Densification | 性能指标Properties | |||
|---|---|---|---|---|
| 压缩温度Temperature/℃ | 初含水率MC/% | 密度Density/(g·cm-3) | 压缩率Compression-set/% | 回弹率Spring-back/% |
| 160 | 20 | 0.83±0.07 | 47.5±0.38 | 8.6±0.36 |
| 35 | 0.85±0.06 | 47.2±0.23 | 5.6±0.55 | |
| 50 | 0.86±0.12 | 48.2±0.24 | 3.5±0.47 | |
| 180 | 20 | 0.82±0.08 | 47.8±0.41 | 7.4±0.82 |
| 35 | 0.88±0.09 | 48.4±0.74 | 4.7±0.72 | |
| 50 | 0.86±0.11 | 47.9±0.23 | 4.3±0.42 | |
| 200 | 20 | 0.79±0.07 | 48.3±0.45 | 3.3±0.32 |
| 35 | 0.83±0.06 | 48.7±0.33 | 2.6±0.25 | |
| 50 | 0.88±0.10 | 48.8±0.68 | 4.4±0.34 | |
| 对照 | - | 0.48±0.06 | - | - |
油棕压缩木的回弹率均随着初含水率和压缩温度的增大而减小。不同压缩温度条件下,初含水率对回弹率的影响有所差异,当压缩温度为160、180 ℃时,初含水率对压缩木回弹率的影响更加显著,初含水率越高回弹率越小,并呈现一定的相关性,而在压缩温度为200 ℃时,初含水率对其影响不明显。压缩温度对压缩木回弹率的影响较大,尤其是在木材的初含水率较低的时候,温度的影响更加突出,在初含水率为20%条件下,压缩温度为160、180、200 ℃所对应的木材的回弹率分别为8.6%、7.4%、3.3%。
2.2 压缩恢复率
不同处理条件下的油棕压缩木吸水2 h后的压缩恢复率结果见图1,压缩恢复率均随着初含水率和压缩温度的增大而降低,其中温度对压缩恢复率的影响更明显,尤其是在较低的初含水率下,当初含水率为20%时,压缩温度为160、180、200 ℃所对应的压缩恢复率分别为26.0%、11.5%和7.5%。初含水率对压缩恢复率的影响程度随着含水率的增大逐渐减小,尤其是在200 ℃压缩温度时初含水率影响更小,当压缩温度为200 ℃时,初含水率为20%、35%和50%所对应的压缩恢复率分别为7.9%、6.1%和6.5%。
不同处理条件下的油棕压缩木吸水24 h后的压缩恢复率结果见图2,与2 h压缩恢复率的结果类似,压缩恢复率同样随着初含水率和压缩温度的增大而降低,其中最大压缩恢复率为52.2%,所对应的压缩温度和初含水率分别为160 ℃和20%。最小的为19.1%,对应的压缩温度和初含水率分别为200 ℃和35%。温度对压缩木吸水恢复率的影响程度大于初含水率,相比较于160、180 ℃,200 ℃的压缩温度对压缩恢复率的影响更加突出。
2.3 吸水率和吸水厚度膨胀率
不同处理条件下的油棕压缩木吸水24 h后的吸水率如图3所示,温度对吸水率的影响较大,吸水率随着热压温度的升高而呈现降低趋势,尤其是压缩温度为200 ℃时,其吸水率明显降低。在不同温度条件下,初含水率对压缩木24 h吸水率的影响有所差异,当压缩温度为160、180 ℃时,其吸水率随着初含水率的增大呈现先下降后上升趋势,初含水率在35%时,其吸水率最低。当热压温度为200 ℃时,吸水率随着初含水率的增大而降低,初含水率为50%时的吸水率最低,对应的值为34.2%,而对照材的吸水率为82.0%。
不同处理条件下的油棕压缩木吸水24 h后的吸水厚度膨胀率如图4所示,热压温度对吸水厚度膨胀率的影响较大,温度越高吸水厚度膨胀率越低,当初含水率为35%,压缩温度为160、180、200 ℃所对应的吸水厚度膨胀率分别为37.3%、35.5%、20.2%,尤其压缩温度为200 ℃时,吸水厚度膨胀率的降低更加明显。压前初含水率对吸水厚度膨胀率的影响较小,初含水率越高,吸水厚度膨胀率越低。提高压前初含水率和热压温度可以降低压缩木的吸水厚度膨胀率,但其远高于素材4.9%的吸水厚度膨胀率。
2.4 平衡含水率
不同处理条件下的油棕压缩木平衡含水率如图5所示,压缩温度对其平衡含水率的影响较明显,温度越高,平衡含水率越低,初含水率为35%时,压缩温度为160、180、200 ℃所对应的平衡含水率分别为8.6%、8.0%和6.9%。初含水率对压缩木平衡含水率的影响较小（初含水率20%,
压缩温度180 ℃时除外）,压缩温度为200 ℃时,初含水率为20%、35%和50%所对应的平衡含水率分别为7.2%、6.8%和6.8%,素材的为10.2%。
3 讨论
木材是一种多孔性天然高分子黏弹性材料,主要由纤维素、半纤维素和木质素等物质组成,在一定的外力下会发生挤压变形[11]。研究表明,增加木材的含水率可降低半纤维素和木质素的玻璃化转变,从而加快细胞壁物的软化,有利于木材的压缩和永久性变形[12,13]。油棕木材富含淀粉和糖类物质,热压过程在湿热作用下,有利于木材细胞壁物质的软化压缩及自粘接,本研究中油棕压缩木的压缩率在47.2%~48.8%之间,与实验设计的理论压缩率50%接近,说明油棕木材具有良好的压缩性能。压缩后油棕木材内部孔隙减小,变得密实,在不同工艺条件下,油棕压缩木的压缩率差异不大,但其压缩后密度差异较大,这是由木材结构中密度从内到外逐渐增大的差异性造成[2]。变形是压缩木形成前提,木材压缩产生的变形可以分为塑性变形、瞬时弹性变形和延迟弹性变形三类,初含水率和压缩温度对木材回弹率的影响较大[14,15]。本研究中油棕压缩木的回弹率随着压缩温度和含水率的增大而减小,在温度较低阶段,初含水率对其回弹率影响明显,而在高温阶段初含水率影响较小。在压缩温度为200 ℃时,初含水率为50%的回弹率高于其他的初含水率,这可能是水分过高,产生的蒸气压过大,卸压时蒸汽破坏木材的部分塑性变形。
在相同的温度条件下,增大压前的含水率可以降低木质素和半纤维素的玻璃化转变温度,研究表明通过提高温度和延长压缩时间可以使木质素在纤维之间充分的流动,交联强度增加,消除内部应力从而减低压缩恢复率[12]。本研究中油棕压缩木的塑性变形并不是永久固定,其在吸水环境下被打破,发生变形恢复,其压缩恢复率均随着压缩温度和水分的增大而降低（温度200 ℃,水分50%除外）。在较低的初含水率条件下,提高压缩温度可有效的减小压缩木的压缩恢复率,而在较低的压缩温度条件下,提高木材的初含水率可减小其恢复率。
研究表明,提高木材的压缩温度可增加压缩木材的交联性能,增加半纤维素的水解和木质素的降解,从而改善其尺寸稳定性[12]。本研究中油棕压缩木的24 h吸水率和厚度膨胀率均随着压缩温度的增大而降低,尤其是压缩的温度为200 ℃时,其吸水率明显降低,原因是温度越高,压缩过程木材中的半纤维素和木质素越容易分解,亲水性基团减少,同时木材的交联度增加以及压缩后残留的内部应力减小。虽然提高压前初含水率和热压温度可以降低压缩木的吸水厚度膨胀率,但其远高于素材4.9%的吸水厚度膨胀率,这一结果与陈太安等[16]的研究一致,原因是半纤维素和木素遇水重新软化,造成应力回弹,储存能量释放,从而厚度增大。因此,在变形状态下,采用高温高湿的条件能促使木材化学组分之间形成共价键交联,减少亲水性基团数量同时释放储存的能量。压缩温度对油棕压缩木平衡含水率的影响较明显,温度越高,平衡含水率越低,这可能是超过160 ℃的压缩温度之后,压缩温度对油棕木材的降解起主导作用,水分对半纤维素降解的作用极小。
本研究中的油棕压缩木具有良好的压缩性和尺寸稳定性,但其吸水恢复率大及压缩均匀性的问题仍有待进一步的研究和解决。