早在远古时代，热处理方法就已经被应用于处理木柱接触地面的一端以增强其耐久性，非洲一些国家木制矛的矛尖就是经锤击和加热处理反复交替而制成，使得矛尖更加坚硬(Rowell et al., 2002)。木材热处理工艺始于20世纪。1930—1950年，主要是在美国，研究了木材的吸湿性，改进了木材的干缩湿胀性能(Stamm et al., 1937; Thunell et al., 1948), 并申请了专利"Staybwood"(Stamm et al., 1946)。但由于处理后的木材机械强度降低太多，所以没有商业化(Stamm, 1956; 1964)。1950—1970年，德国进一步研究了热处理对木材的抗微生物性能(Buro, 1954)、吸附性能(Kollman et al., 1963; Schneider et al., 1973)、木材降解(Sanderman et al., 1963a; 1963b; Kollman et al., 1965; Fengel, 1966)和力学性能(Schneider, 1971; 1973; Rusche, 1973)等的影响，此外还研究了在高压密封条件下的热处理(Noack, 1969; Burmester, 1973; 1975; Burmester et al., 1976; Giebeler, 1983)，并申请了专利FWD方法“Feuchte Wärme Druck"(Giebeler et al., 1983)。80年代后期，人们开始热衷于环境友好材料的开发与研究，热处理被认为是一种不添加任何有毒化学药品就能达到良好抗微生物性能的极具潜力的方法。对此各国进行了大量的研究，启动了由多国人员参与合作的“通过适当高温分解处理改进木材耐久性"欧盟项目(Brite-Euram Ⅲ-programme, BRE-CT-5006.30.3.1998)。

在法国，以氮气为处理介质，开发了2种热处理方法，分别是"Torrefaction"工艺和“Retification"工艺(Bourgois et al., 1988; 1991; Dirol et al., 1993; Troya et al., 1994; Neya et al., 1995; Kamden et al., 1999)，并申请了专利(Guyonnet, 1999; Guillin, 2000)。在芬兰，以过热蒸汽为介质，开发了“Thermowood"工艺(Viitanen et al., 1994; Viitaniemi et al., 1996a; Jämsä et al., 1999)，并申请了许多专利(Ranta-Maunus et al., 1995; Viitaniemi et al., 1996b; 2001)。芬兰项目“Wood Wisdom"中也报道了许多关于热处理的内容(Viitaniemi, 2001; Hietala et al., 2002; Sivonen et al., 2002)。在荷兰，开发了一种“Plato Wood"工艺(Van, 1995; Boonstra et al., 1998; Tjeerdsma et al., 1998a)，并申请了专利(Rem et al., 1994; Ruyter et al., 1994)，这个工艺分几个步骤进行。在德国，开发了一种使用植物油做介质的热处理工艺(Sailer et al., 2000; Rapp et al., 2001b)。目前，随着各国环保意识的不断增强，热处理木材作为一种环境友好材料已越来越受到人们的认可与青睐，各国对热处理工艺进行了广泛的研究(佐藤敬之, 2004; 桃原郁夫, 2005)。

1 热处理工艺发展现状

按照所使用的加热介质，热处理改性木材主要有3种方法：气相介质加热法，一种是在蒸汽中进行；一种是在氮气(惰性气体)环境中进行，其中氧气含量低于2%(Michel, 2001)，这是因为氧气的存在会使纤维降解从而降低木材的强度，而且高温下氧气会引起木材的燃烧。水热法，木材在水介质中，在相应的饱和水蒸气压条件下加热处理，然后干燥，固化。第3种是在以油为介质的环境中进行，在油处理工艺中，原则上油不被吸收，从设备中出来的是干燥的木材，但在实际操作中，木材会对油有一定的吸收率，这与处理材的尺寸有关，处理材尺寸越大，吸收率越小。

1.1 气相热处理

芬兰的木材热处理工艺开始于20世纪90年代, 到2004年已经有12个工厂在生产热处理木材，生产能力接近5万m³。目前芬兰的Finnforest公司和Stora Enso公司使用“Thermowood"专利技术生产热处理木材。此工艺采用水蒸气作为介质对木材进行处理，蒸汽中的空气含量不超过3%~5%，处理温度为150~240 ℃，处理时间为0.5~4 h(Syrjänen et al., 2001 )。根据不同树种，设置不同工艺参数，可以将室内用的5级(Standard EN335-1)木材加工生产成室外用的1~3级不等的产品。由于高温处理，木材的抗弯强度会降低30%左右，干缩湿胀性可降低50%~90%(Homan et al., 2004)。

VTT工艺是由VTT公司和芬兰工业共同开发的一种热处理工艺。温度为180~250 ℃，利用蒸汽作为传热介质。此工艺不同于其他热处理工艺之处在于，它不需要氮气作为防护气体，也不需要在一定的压力下进行(Jämsä et al., 2001)。目前芬兰的VTT公司、Enso Timber公司、UPM-Kymmene Timber公司和Valmet UTEC公司都在利用此项技术进行热处理生产，产品商标为thermowood T^oW。VTT工艺整个过程分为3个阶段：升温段、处理段、降温段。所处理的木材可以是生材，也可以是窑干材。处理过程中木材降解的产物主要是乙酸、甲酸、少量的酚类化合物、芳香族化合物和抽提物，气体主要是一氧化碳、二氧化碳和甲醇。处理材的质量主要取决于处理时间和温度，而温度尤显重要。此工艺处理后的木材颜色呈褐色至深褐色，平衡含水率降低50%，干缩湿胀性减小50%~90%，机械强度降低0~30%，材质变脆，热传导率降低10%~30%，质量损失率约为5%~15%。此外温度超过220 ℃，处理时间超过3 h，可以得到非常好的耐久性(Jämsä et al., 2001)，这是由于高温致使木材组分发生降解反应，生成新的聚合物，但其变化机理尚不清晰。

法国开发了一种采用蒸汽作为介质对木材进行处理的工艺(Michel, 2001)，不同于其他蒸汽热处理之处在于，此工艺所用的蒸汽通常来源于木材蒸发出来的水分。所用的工业炉是由Company BCI-MBS公司开发生产的。此工艺是从处理生材开始，首先是在炉中对生材进行人工干燥；然后将温度升高到230 ℃，以蒸汽为热传递介质来处理木材。处理过程中，温度越高，产品的耐久性越好，但其机械性能下降，比如说开裂。在温度230~240 ℃范围内，处理材可以得到很好的耐久性，但其静曲模量(MOR)降低40%，并且材质变脆。在210 ℃处理条件下，根据不同树种，处理材除略微有些发脆外，机械性能接近原始材机械性能。采用此工艺处理1 m³的木材所需费用约为100 €(Michel, 2001)。法国(Ecole des Mines de Saint-Etienne)开发了一种以气体为介质的木材热处理工艺，称为Retification (Retified wood) (Michel, 2001)。此工艺是从处理含水率12%左右的木材开始，在一个特殊的容器内慢慢升温到210~240 ℃，容器内传热介质是氮气，其中的氧气含量不超过2%，所用的工业炉是Company Four et Brûleurs REY公司生产的。目前Company NOW (new option wood)公司正在使用此项技术。处理后的木材可以得到很好的耐久性，但其机械强度会降低。此工艺中，温度的微小变化会对木材的最终材性产生非常重要的影响，因此需要非常精确的控制温度。比如说在210 ℃处理木材，木材的机械强度基本上不会减少，但其耐久性也不会有太大的增加；在230~240 ℃范围内处理木材，可以得到更高的耐久性能，但木材的静曲强度同时会降低40%，材质变脆。对于投资一个8 m³的工业炉，年生产能力为3 500 m³的一个工厂来说，大约需要资金750 000 €。采用此工艺处理1 m³的木材所需费用约为150~160 €(Michel, 2001)。

1.2 水热处理

20世纪80年代，Shell研究开发了“Plato"工艺(Ruyter, 1989; Boonstra et al., 1998; Militz et al., 2001), 目前荷兰的Plato公司应用此项技术。此工艺分为3个阶段。第一个阶段是水热解阶段，处理材可以是生材，也可以是气干材，温度在160~190 ℃，木材在热水加压(6~8 bar)(Homan et al., 2000)环境下进行处理，此过程中，半纤维素中的乙酰基团裂解，形成醋酸(Bourgois et al., 1988; Kollmann et al., 1965; Dietrich et al., 1978)，碳水化合物酸催化降解的结果生成甲醛、糠醛类，木素裂解生成的一些新醛类物质。通过裂解，木素生成带正电荷的苯甲基团开始在碳α位形成一些亚甲基桥发生自聚反应；木素脱去甲氧基，芳环位置上的活性点数量也逐渐增多。在第二阶段，主要是为了后续工艺做准备，将木材含水率降至10%(Homan et al., 2000)。此外，借助于前面木素芳核上形成的活性点以及生成的醛，木素继续缩合。这些反应虽然不剧烈，但是它们之间的相互交联增加了木材的尺寸稳定性，减少了木材的吸水性。第三个阶段是热处理阶段，温度为170~190 ℃，此过程中，醛类物质和具有酚结构物质继续相互反应，生成一种新的不溶于水的高聚物存在于细胞壁的周围。该工艺处理时间为热解4~5 h，干燥3~5 d，固化14~16 h，陈放2~3 d(Boonstra et al., 1998)。以上参数根据树种和材料尺寸可以进行合理调整。工艺条件决定着处理材的耐久性。根据树种不同，其抗弯强度降低5%~18%不等，弦向缩胀率减少15%~40%。Jones(1999)用热处理后的纤维生产纤维板，也得到了类似的结果。

1.3 油热处理

德国Menz Holz公司采用油作为介质来处理木材(Vernois et al., 2004)。油可以用菜籽油、亚麻子油或葵花籽油、大豆油等植物油，还可以使用塔尔油(Rapp et al., 2001)。这些油可以相互混合使用，但为了保证传热均匀，一般都是单独使用。根据每种油因受热而引起的不同稠度，工艺中应采用不同的处理温度，一般来说在220 ℃处理木材，可以得到最好的耐久性能和油最小消耗量。整个处理过程由计算机控制。在加工处理过程中油介质可以提供一个均匀的热量传导，并且很好地保证了木材与空气完全隔离，此外油中保存了大部分的过程热，在进行连续操作时加工过程的能量需求量低。处理过程中，不但在木材中心热量保持2~4 h非常必要，而且适当延长升温和降温时间也是很必要的。例如在220 ℃，处理云杉可以得到Ⅱ级质量(standard EN335-1)，对于松树200 ℃就足够了。用热油处理的木材硬度不变，然而当温度在220 ℃时，强度减少30%；尺寸稳定性提高40%(Rapp et al., 2001)。就着漆性来说，水溶性丙烯酸涂料在热油处理材的效果要比热空气热处理材的好。就生产成本来说，处理1 m³的云杉大约为60~90 €。热油处理后的木材具有一定的油烟气味，低温处理木材颜色略呈浅褐色，高温处理木材颜色呈深褐色，处理后的木材表面光滑平整，无污渍，2年的风化时间中，水溶性丙烯酸油漆和醇酸性油漆均表现出较好的着漆性，2年后，涂在油热处理材表面上的油漆和清漆的结合性要比涂在空气热处理材表面上的2种物质的结合性好得多。没有处理的木材纤维饱和点一般为29%，在220 ℃处理4 h，木材的纤维饱和点仅为14%(Rapp et al., 2001)。一般来说，任何树种都是可以用此工艺处理的。但就目前来说，处理的木材主要是挪威云杉(Picea abies)和苏格兰松(Pinus sylvestris var. scotica)。油用量约为处理1 m³云杉需要20~60 kg，处理松树时油量要更多一些。

加拿大也对油热处理木材进行了研究。Wang(2005)分别用豆油、棕榈油做介质，在200 ℃和220 ℃对白云杉(Picea glauca)分别处理2 h和4 h，研究结果表明:热处理能够显著提高木材的抗吸湿、抗腐性及抗霉菌性。棕榈油处理后木材的抗吸湿效果高于豆油处理的效果，但就木材的抗腐性和抗霉菌性来说，豆油处理的效果要好于棕榈油。处理后木材的质量损失率低于20%。

2 热处理材性能

热处理后的木材性能发生了许多变化。尺寸稳定性、表面硬度、抗微生物性、耐久性等均有了不同程度的提高，平衡含水率几乎降低了一半，颜色加深，机械强度降低, 着漆性能降低等等，这些性能的改变和处理工艺参数有着密切的关系(Homan et al., 2004)。

2.1 尺寸稳定性

热处理后的木材干缩和湿胀性会减少50%~90%(Homan et al., 2004)，平衡含水率一般会减少50%左右(Jämsä et al., 2001)。Tjeerdsma等(2005)用红外光谱对热处理材进行了研究，结果表明，在185 ℃时几乎所有的乙酰基团都发生了裂解反应，而在160 ℃时只有少数的乙酰基团发生了裂解反应，在热处理过程中，羟基的酯化作用导致木材的吸水性降低，提高了木材的尺寸稳定性及耐久性。Navi等(2000)在热处理同时进行压缩密实化，结果表明：处理材的机械强度及耐久性提高很多，吸水性降低，在纹理方向上的剪切强度提高了10倍以上。Tiemann(1920)利用高温窑干来降低木材的吸湿性及干缩湿胀性；Stamm等(1937)研究了不同气体对热处理后木材的干缩湿胀性的影响, 发现在相同热处理条件下，木材的吸水性在氧化气介质中比在还原气介质中降低的更多，如果提高处理温度，在还原气介质中木材的吸水性也可以得到相同的降低量；Stamm等(1946)研究了热处理后木材的抗干缩湿胀性与强度之间的关系, 研究表明：热处理后，木材的尺寸稳定性和耐久性提高，木材的机械强度降低, 当木材的抗湿胀性提高40%时，木材的抗弯强度降低20%; Pétrissans等(2003)对热处理木材的吸湿性进行了研究, 结果表明：热处理后，接触角(θ)变大，疏水性有了显著提高；Hietala等(2002)利用核磁共振技术研究了热处理材的结构，结果表明热处理后木材的管孔变大，这可能是由于细胞壁内的物质移动引起的，水分的扩散系数沿着管胞轴方向变大了，但在纵轴和水平方向上基本上没有变化；Repellin等(2005)利用差示扫描量热仪对Retified工艺处理后的木材的湿胀性进行了研究，通过研究处理材的平衡含水率，认为热处理后的山毛榉(Fagus longipetiolata)木材湿胀性减少，不能仅仅解释是由于半纤维素降解而导致半纤维素吸附点减少的原因，还应该考虑木素的化学变化也是导致湿胀性减少的重要原因；Hakkou等(2005)也对木材的湿胀性进行了研究，研究表明:设温度为0时的接触角为0，那么在100~160 ℃温度范围内，木材的湿胀性发生变化，变化值约为90°，此时不会发生质量损失现象，在160~260 ℃范围内，木材湿胀性的接触角基本上保持在90°，但当温度超过200 ℃时，就会发生木材质量损失现象。

2.2 耐久性

高温处理使得寄生于木材的虫类及菌类死亡；使木材组成发生变化，寄生于木材的虫类及菌类不能获得充足的营养成分而死亡；使木素裂解、交联，形成更为稳定的结构，延长了木材的使用寿命。Sivonen等(2002)利用磁共振技术对热处理木材的化学分成变化进行了研究, 结果表明：温度对木材各化学成分的影响不同，在高温下纤维素和木素的降解速率比半纤维素的降解速率要低，半纤维素从180 ℃开始降解，高于200 ℃时，自由基含量迅速增加，芳环间发生缩合反应，从而增强木材的抗生物特性，但机械强度通常会有所降低，同时在此温度下，甲氧基含量下降，木素相互交联，从而增强了热处理材的尺寸稳定性，减小了吸水性；Ayadi等(2003)对热处理木材进行了耐光性研究, 结果表明：热处理后木材的耐光性好于未处理材的耐光性，这可能是由于在热处理过程中，木材中的一些成分发生了变化，生成了许多酚化合物及抗氧化成分，从而束缚了因氧或自由基而引起的变色；Kamdem等(2002)对热处理木材的耐久性进行了研究，结果表明阔叶材比针叶材对温度变化更为敏感，在提高耐久性的同时，木材的机械强度会有相应的降低；Weiland等(2003)利用漫反射傅立叶红外光谱对热处理材的化学变化及真菌类危害性进行了研究，结果表明：在木材的酸性水解过程中，生成了新的醚键，戊聚糖降解后仍发现存在有真菌类的危害现象，同时观测到了解聚反应和缩合反应；Francis等(2005)就褐腐菌对热处理材的影响做了研究，结果表明木材经湿热处理并密实化处理后，不仅提高了其尺寸稳定性，而且还减缓了菌丝在管胞的次生壁方向和木射线组织方向上的生长速度，因此降低了菌类对木材的侵蚀程度。日本学者花田健介等(2006)以JIS Z 2101为检测标准，对Plato热处理材的耐朽性和耐蚁性进行了研究，结果表明：按照日本木材防腐剂性能检测方法和检测标准(JIS K 1571)，Plato热处理木材质量损失率超过3%，不能代替防腐剂处理效果。

2.3 机械强度

热处理使木材的三大成分即纤维素、半纤维素和木素都发生了不同程度的降解和结构变化，从而导致其机械强度降低。VTT工艺处理后木材的抗弯强度和拉伸强度降低10%~30%(Jämsä et al., 2001)，Plato工艺处理后的木材强度降低5%~18%(Boonstra et al., 1998)，Retification工艺和Perdure工艺在230 ℃处理，木材的静曲模量(MOR)一般会降低30%~40%(Michel, 2001)，同时材质变脆；油热处理后的木材并没有表现出明显的机械强度降低(Jones, 1999)。在使用锋利的刀具时很容易造成处理材的开裂(Jämsä et al., 2001)，因此使用范围也会受到一定的限制，尤其是用于建筑承重材料时，需进行严密的质量检测。热处理后的木材吸水变得缓慢，因此在胶合时，需要更长时间。在加工过程中，会产生更细微的粉尘，刺激工人呼吸道，对人体健康造成威胁。Giebeler(1983)研究发现，在180~200 ℃处理木材，其静曲模量(MOR)减少了20%~50%；Schwanninger等(2004)对傅立叶变换红外线光谱方法应用于热处理材进行研究，结果表明此方法可用于质量控制，比如抗收缩性、耐久性及确定强度损失程度等，经过检测，还可以决定热处理材适宜的最终用途。

2.4 变色

热处理会改变木材的化学性质，加深木材的材色(Viitanen et al., 1994; Noack, 1969)。随着温度的升高，处理材的颜色由浅褐色变成深褐色，这样，一方面会使得处理材的外观显得不太美观，甚至不能显示出木材本身固有的美丽花纹，在视觉上产生一定的不舒适感。因此在使用时，有时需要进行一系列的涂饰工艺，以改善外观。如果不对处理材进行特殊处理，那么在紫外光的照射下，处理材的颜色还会继续恶化。另一方面，又可以充分利用热处理可以改变木材颜色这一特性，选择合适的热处理工艺，对一些浅色木材进行处理，使其色调显得凝重高贵，可仿名贵木材，从而可以大幅提升其附加值。

2.5 气味

热处理会产生一些降解产物，这些产物有浓重气味，比如说一些有机酸、酚类物质、糠醛等(Manninen et al., 2002; McDonald et al., 2002)。蒸汽法热处理后的木材会有一种强烈的气味，采用热油处理的木材也会残存有一些油烟味。虽然几天后气味会有所变淡，但一般会保留几个月。这一特点在一定程度上限制了处理材在室内使用的范围。因此，还需要做进一步加工，以保证用于室内时无空气污染。当然，这些材料用在室外是毫无问题的。

2.6 着漆性

热处理后木材表面的可上漆性有了很大的下降，这是由于热处理过程中木材内部的树脂及其他抽提物等渗出并固化在木材表面的缘故(Michel, 2001)。许多原本可以用于未经热处理的木材的油漆可能已经不能直接应用在热处理材表面了。如果通过一些手段使用一些特殊物质来增加木材表面张力后，一些油漆还是可以应用于处理材的。此外，当采用静电喷涂时，还需额外增加水分(Jämsä et al., 2001)。

3 热处理材的应用

随着环境保护意识的不断提升，木材工业正朝着绿色、环保方向快速发展。芬兰已经制定了在民用市场一律不准销售化学浸渍过的木材及其制品，只能销售经热处理过的木材及其制品的法规；美国也禁止进口经CC、CCA这种铜铬砷盐化合物处理过的木材及其制品。加拿大木业也正在使用热处理方法来代替化学处理的方法对云杉木材进行保护。在欧洲热处理木材已经广泛的应用于房屋建筑中，一些大型建筑和小型建筑甚至是墙壁的骨架中都应用这种木材，此外在庭院家具、木栅栏和门窗中也大量地应用。

Stellac公司生产的Stellac^®木材已经广泛应用于许多领域。坐落于汉诺威帐篷东区中心地带的帐篷就是由热处理后的木材制成的，在Espoo的最新Espoonlahti Carrols汉堡包快餐店在室内外都采用了热处理木材，Cultor公司的办公楼正面也采用了热处理材。热处理木材还是制造地板的绝佳材料，外观优美，质地良好，热处理减少了由湿气带来的变形，在度假别墅中也可运用。此外，还广泛应用于造船业、家具、小码头、镶木地板、门窗、预制墙体、乐器、桑拿室、厨房、房屋正面等各个领域。在日本的一些车站、动物园、幼儿园、木建筑中也广泛的应用了热处理材(佐藤敬之，2004)。

一般来说，根据木材的最终用途来确定热处理工艺条件。热处理后的松树和云杉等，常常用于室外用材，如庭院家具、门窗、外墙体等，而桦树、杨树等常常用于室内用材，热处理温度一般低于200 ℃，处理后的木材主要用于室内家具、厨房家具、装饰材料、地板等。根据不同处理温度，处理材应用于不同用途。处理温度108~210 ℃，处理材强度变化不大，常应用于需要有正常强度的环境，如家具、地板、承重结构、桑拿凳和其他室内用材。处理温度210~230 ℃，处理材的机械强度有所降低，但其尺寸稳定性、防腐性能均有了极大提高，适用于庭院家具、公园木结构、门窗、码头用材及木制品等；处理温度高于230 ℃，其机械强度降低了许多，但其尺寸稳定性非常好，常用于室外材料，如外墙板等，但一般不直接接触地面。

4 展望

热处理木材凭借其卓越性能不仅已广泛应用于房屋建筑中，一些大型建筑和小型建筑甚至是墙壁的骨架中都应用这种材料，而且还大量地应用于庭院家具、木栅栏、门窗和乐器等领域。我国人工林木材由于速生，年轮宽、密度低、材质松软、强度差，特别是变易性大，难加工，而利用热处理技术有望解决这个问题，实现劣材优用。随着热处理工艺研究的不断进展，能够做热处理的树种也日益增多，加之国际新标准的出台及人们环保意识的不断提高，化学改性的木材应用领域受到限制，热处理木材作为一种新型环保、绿色材料，必将不断拓展其应用领域，造福于人类。如何有效解决热处理木材力学性能降低和木材变色问题将是今后科研工作中一个重要任务。