随着大径级天然林资源日渐短缺，取而代之的是小径木、间伐材和速生丰产人工林。由于这些木材径级小、材质差，传统的木材加工和木材综合利用的方法已不再适应。通过木材压密技术可以使材质轻软、密度较低、加工工艺性能差的木材得到改善；但是，木材是粘弹性材料，在外力作用下产生变形，当外力撤除后变形可以部分或全部恢复。因此，探讨永久固定木材压缩变形是压缩木制造技术的关键。国内外学者针对永久固定木材压缩变形的方法进行了多种尝试，包括树脂含浸硬化处理、化学处理、加热处理、水蒸气处理等。最近，由于人们对环境保护的重视，非化学处理方法将倍受人们的关注(李坚，1991；方桂珍等，1997；刘君良等，1998；Wahyu et al., 1997；则元京，1994；Kosuke et al., 1997; Yuuzou et al., 1998)。

1 实验材料和方法 1.1 实验材料

所用材料为大青杨(Populus ussuriensis)，1996年采自吉林省蛟河市吉林林学院蛟河实验林场。采集和试样制作按照国家标准(GB1929-40-91)进行。样木株数为5株，平均树龄23 a，平均树高11.4 m，平均胸径18.4 cm，气干密度392 kg·m^-3，平均年轮宽度3.47 mm。用于测定抗胀(缩)率(ASE)、阻湿率(MEE)、质量损失率(WL)和压缩变形恢复率的试件尺寸为20 mm×20 mm×30 mm(R×T×L)，每项指标的试件数量为30个。

1.2 实验方法 1.2.1 抗胀(缩)率(ASE)、阻湿率(MEE)、质量损失率(WL)

首先按GB1931-91测出试件处理前的绝干尺寸(径向、弦向、纵向)和质量，尺寸精确至0.002 mm，质量精确至0.001 kg。然后将试件放置于温度(20±2)℃、相对湿度(RH)65%的容器中进行吸湿处理，吸湿15 d之后测量尺寸(径向、弦向、纵向)和质量，得到素材的吸湿率和湿胀率。试件气干(含水率约为12%~15%)后放入自制的带有约束装置的夹具中，在力学实验机上沿径向被压缩50%，试件固定在夹具中，保持压缩状态不变，取下夹具(从实验机上)。分两种情况：一是把试件连同夹具一起放到烘箱中，进行加热定型处理。先用50℃烘4 h，再用105℃烘8 h，然后分别在160、180和200℃进行加热定型处理(30个试件)。二是把试件连同夹具一起放到高温水蒸气处理罐中，水蒸气压力为10 MPa，在160、180和200℃进行高温水蒸气定型处理(30个试件)。两种方法处理后的试件再进行常规的烘干、称重、测量各向尺寸(径向、弦向、纵向)。然后再吸湿、称重、测量各向尺寸(径向、弦向、纵向)，得处理材的吸湿率和湿胀率，最后按下式计算各值。

(1)

式中：M为试件吸湿后质量，M₀为试件绝干质量。

试件从绝干到吸湿平衡时的体积膨胀率：

(2)

式中：V为试件吸湿后的体积，V₀为试件绝干后的体积。

(3)

式中：S为未处理材的体积膨胀率，S₁为处理材的体积膨胀(收缩)率。

(4)

式中：X₀为未处理材的吸湿率，X₁为处理材的吸湿率。

(5)

式中：W₀为处理前试件绝干质量，W为处理后试件绝干质量。

1.2.2 木材横纹压缩循环膨胀实验

木材横纹压缩率和压缩变形恢复率按下式计算：

(6)

式中：T₀为压缩前气干试件径向厚度(一般为径向)，T_c为压缩后气干试件径向厚度。

(7)

式中：T_r为回弹后试件厚度，T_c为压缩后试件厚度，T₀为压缩前试件厚度。

常温(20℃)循环膨胀  木材横向压缩经过加热处理和高温水蒸气处理定型后，打开夹具测量压缩面厚度，计算压缩率。以试件的压缩率作为初始变形恢复率(D₀)。将不同条件处理后的试件减压处理30 min(抽真空)，然后注入水，常温下浸泡210 min，取出试件测量径向厚度，此时变形恢复率为湿变形恢复率(W₁)；将该试件放入烘箱中，于50℃时干燥20 h，再于105℃烘至绝干，测量其径向厚度，计算干状态变形恢复率(D₁)，对上述实验过程重复8次。水煮沸循环膨胀  经8次常温循环膨胀实验后的试件放于水中煮沸2 h，取出测量其径向厚度，计算变形恢复率为煮沸变形恢复率；再将试件放于烘箱中，50℃干燥20 h，105℃烘至绝干，测量其径向厚度，计算的变形恢复率为干状态变形恢复率，上述实验过程重复4次。温度变化膨胀将横向压缩后的试件浸入20℃水中，每40 min水温升高10℃，到水温达到98℃后，保持30，60，90，120，180，240，300 min，在每一时间间隔点测量试件的径向厚度，计算变形恢复率。

2 实验结果与讨论 2.1 木材的抗胀(缩)率、阻湿率、质量损失率

为了解析高温加热和水蒸气处理对木材尺寸稳定性作用的差异，做了对比实验，并测定了木材的抗胀率(ASE)、阻湿率(MEE)和质量损失率(WL)，其结果如图 1、2、3。

从图 1中可以看出，随着处理时间的延长，抗胀(缩)率(ASE)逐渐增加；当处理时间相同时，随着处理温度的升高，抗胀(缩)率增加。对加热处理来说，当处理时间为5 h，温度为160、180、200℃时，抗胀(缩)率(ASE)分别为7.8%、12.1%、62.4%。当处理时间为20 h，温度为160℃和180℃时，抗胀(缩)率分别为42.3%和62.1%。对蒸气处理来说，当处理时间为2 min，温度为160、180和200℃时，抗胀(缩)率(ASE)分别为18.4%、31.7%和57.8%。当温度为180℃时，加热处理时间超过20 h，ASE的值趋于稳定；而蒸气处理时间只需8 min，ASE的值就趋于稳定并且达到70%以上。

从图 2中可以看出，相同的处理时间，随着温度的升高，阻湿率(MEE)明显增大。当温度为200℃时，加热处理超过5 h、蒸气处理超过3 min，阻湿率(MEE)趋于稳定，其数值达到70%左右。当温度为180℃时，加热处理超过20 h、蒸气处理超过8 min，其数值达到70%以上。当温度为160℃时，加热处理超过25 h、蒸气处理超过10 min，阻湿率趋于稳定，其数值为60%左右。实验结果表明，随着阻湿率的增高，经过处理后的木材从潮湿的空气中吸收水分的能力明显下降。

图 3表明，在相同处理条件下，随着温度的升高，质量损失率(WL)明显增大。当温度为200℃时，加热处理超过10 h，蒸气处理超过5 min，质量损失率趋于稳定，其数值为6%以上。当温度为180℃时，加热处理超过15 h，蒸气处理超过8 min，质量损失率趋于稳定，其数值在5%~6%之间。当温度为160℃时，无论是加热处理还是蒸气处理，其质量损失率不超过3%。

2.2 压缩恢复率

为了探讨高温加热处理和高温水蒸气处理固定木材横纹压缩变形的作用，以径向压缩率50%的试件做实验样本，进行各种压缩变形恢复率检测。其结果如图 4~7所示。

从图 4可以看出，相同的处理时间，随着处理温度的升高，压缩变形恢复率明显减小。当温度为200℃时，高温加热处理5 h、高温高压水蒸气处理4 min，压缩变形几乎完全被固定了。当温度为180℃时热处理15~20 h，蒸气处理8~10 min，压缩变形恢复率接近于零。当温度为160℃时，随着处理时间的延长，压缩变形恢复率逐渐减小，但是，要达到压缩变形的完全固定花费的时间很长，加热处理需30 h以上。

图 5是以处理温度180℃为例说明经过不同定型时间，压缩率为50%时的变形恢复率循环实验。从图中可以看出，没经过定型处理的素材在第一次干湿循环过程中压缩变形恢复率接近60%，3次循环实验后，变形恢复达到80%左右，经过4次水煮循环后变形恢复率接近100%。随着加热或蒸气处理时间的延长，压缩变形恢复率明显减小。当加热处理时间为10 h或蒸气处理时间为4 min时，第一次干湿循环过程中，压缩变形恢复率分别为28.7%和16.4%；8次干湿循环后，压缩变形恢复率分别为53.2%和24.9%。当加热处理时间为20 h或蒸气处理时间为8 min时，第一次干湿循环过程中，压缩变形恢复率分别为6.3%和4.1%；8次干湿循环膨胀后，压缩变形恢复率分别为7.5%和5.7%。因此可以得出加热或者高温水蒸气处理是固定木材压缩变形的一种有效方法。

图 6是增加水温实验检测压缩变形恢复率。本实验是以处理温度为180℃，压缩率为50%作为处理条件的木材试样，进行不同处理方法、不同处理时间的压缩变形恢复率检测。从图中看出，没经过定型处理的木材试样，随着水温的上升变形恢复很快。20℃时，变形恢复率为11.8%，30℃时为47.6%，在50~90℃之间变形恢复率趋于稳定，其数值为78.4%，水煮沸时，变形几乎达到100%恢复。随着加热或蒸气处理时间的延长，压缩变形恢复率明显减小。当加热处理时间为10 h或蒸气处理时间为4 min，温度为20℃时，变形恢复率分别为6.7%和5.2%；30℃时，变形恢复率分别为12.4%和11.7%；90℃时，变形恢复率分别为45.8%和34.6%；煮沸300 min后，其变形恢复率分别为56.2%和41.7%。当加热时间为20 h或蒸气处理8 min，温度为90℃时，变形恢复率分别为2.9%和2.2%；煮沸300 min后，其变形恢复率分别为9.7%和4.6%。这些测试结果进一步说明加热或者高温水蒸气处理是固定木材压缩变形的一种有效方法。

图 7是质量损失率和压缩变形恢复率之间的关系。为了把质量损失率和压缩变形恢复率之间的关系更加直观地表达出来，首先选定处理温度180℃为中间量，以不同加热时间的加热质量损失率和蒸气处理质量损失率为一组数据，然后再找出对应180℃时的不同处理时间的压缩变形恢复率为另一组数据，从而绘制成图。从图 7中可以看出，随着质量损失率的增加，压缩变形恢复率减小。当质量损失率超过5%时，压缩变形恢复率小于2%。

3 小结

通过上述研究我们可以得出，当ASE的值达到50%时，无论是加热处理还是蒸气处理，木材的尺寸稳定性明显得到提高，压缩变形恢复率趋近于零。在处理温度180℃的条件下，由高温水蒸气处理固定木材压缩变形所需要的时间仅为8 min，而高温加热处理则需要15 h。通过阻湿率测量可知，无论是加热处理还是蒸气处理，木材从潮湿的空气中吸收水分的能力明显下降，产生这一现象的主要原因是木材细胞壁物质，在加热或蒸气处理条件下，微纤丝之间相互靠拢，当微纤丝与微纤丝之间的距离小于一定距离时，羟基与羟基之间形成化学键。木材再吸湿时，形成化学键的羟基不再还原，从而使得羟基数量减小，吸着点降低。

在相同处理条件下，随着温度升高，质量损失率(WL)明显增大。随着质量损失率增加，压缩变形恢复率减小。这一测试结果说明无论是加热处理还是高温水蒸气处理，木材中的某些化学成分在水分的作用下，发生了降解，导致质量损失，同时还伴随着物理、化学变化。