高溫熱處理對尾巨桉木材機械加工性能的影響

劉 鑫，劉 衡，劉明德，唐 慶，符韻林

（1.廣西壯族自治區國有東門林場，廣西崇左 532108；2.廣西大學 林學院，廣西南寧 530004）

桉樹（Eucalyptusspp.）生長速度快，適應性強，是優良的速生樹種[1-2]。目前桉樹木材的應用以造紙和人造板生產為主[3]。桉樹生長應力大，其木材易開裂、變形，尺寸穩定性差，嚴重制約了桉樹木材的增值利用和高效加工[4-6]。利用高溫對桉樹木材進行處理可有效改良其性能，促進桉樹木材的高效利用。巫國富等[7]對桉樹人工林木材進行高溫熱處理，發現在165～210 ℃、1～4 h熱處理區間內，隨處理時間延長，木材平衡含水率逐漸降低；在后續的研究中還發現，經高溫熱處理后的木材尺寸穩定性顯著提升[8]；高偉等[9]研究高溫熱處理對桉樹木材物理力學性能的影響，發現經高溫熱處理的木材尺寸穩定性明顯提升，但物理力學性能隨處理溫度提高和時間延長而逐漸降低。還有學者研究了高溫熱處理對桉樹木材密度、顏色和聲學振動等性能的影響[10-12]，但目前尚未見有關于高溫熱處理后桉樹木材機械加工性能變化的報道。本研究以8年生尾巨桉（Eucalyptusurophylla×E.grandis）木材為研究對象，探究高溫熱處理對尾巨桉木材機械加工性能的影響，以期為桉樹木材實木利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與儀器

桉樹木材采自廣西壯族自治區國有東門林場（107°46′E，22°19′N），采伐后取1.3～3.3 m 和5.3～7.3 m 木段加工成長200 cm、寬80 cm、厚3 cm 的鋸材。鋸材初始含水率為15.2%，將其置于干燥室內，烘至含水率為10%后進行試驗。

試驗儀器為細木工帶鋸機（MJ346A，佛山市順德區新馬木工機械設備有限公司）、木工平刨床（MB504，佛山市順德區新馬木工機械設備有限公司）、寬帶砂光機（SRRP6300，四川省青城機械有限公司）、立式雙軸木工銑床（MX5317，順德市馬氏木工機械設備廠）、臺式鉆床（Z4013A，中山市翠山機械制造有限公司）和手持式表面粗糙度測定儀（HANDYSURFE-35A/B 型，東精精密設備（上海）有限公司）。

1.2 試樣高溫熱處理

在廣州綠澤木業有限公司對鋸材進行高溫熱處理，參考文獻[13]并結合實際生產進行高溫熱處理，反應釜溫度為185 ℃，在0.1 MPa條件下保溫6 h。

1.3 木材機械加工性能的測定與評價

將經過高溫熱處理的鋸材作為熱處理材，不經過高溫熱處理的鋸材作為素材。依據《鋸材機械加工性能評價方法》（LY/T 2054—2012）[14]對鋸材的機械加工性能進行測定和評價。

1.3.1 刨削加工

試件尺寸為900 mm×100 mm×20 mm，試件數量為30 個。刨削深度為1.6 mm，主軸轉速為5 300 r/min，刀具數量為3，刨刀楔角為30°；直刀加工，一次刨削一個面，進料速度為6 m/min。

1.3.2 砂削加工

試件尺寸為900 mm×100 mm×20 mm，試件數量為30 個。砂帶目數為120 目，砂削深度為0.6 mm，進料速度為6 m/min，單面砂削。砂削后的試件隨機選取5 個，每個試件選取5 個點進行粗糙度測量，取平均值為表面粗糙度（Ra）。

1.3.3 銑削加工

試件尺寸為300 mm×80 mm×20 mm，試件數量為30個。順紋理方向一次銑削成型，主軸轉速為6 000 r/min，銑削深度為1.6 mm。

1.3.4 鉆削加工

試件尺寸為300 mm×80 mm×20 mm，試件數量為30 個。采用直徑25 mm 的麻花鉆，主軸轉速為500 r/min，每個試件加工2個孔。

1.3.5 機械加工性能評價

根據刨削缺陷的主要類型，將試件分為5 個級別；1 級為優秀，不存在任何刨削缺陷；2 級為良好，存在輕微刨削缺陷，可通過120 目砂紙輕磨清除；3級為中等，存在較大的輕微刨削缺陷，仍可通過120目砂紙輕磨清除；4 級為較差，存在較大和較深的刨削缺陷，不能或很難通過砂紙清除；5 級為很差，存在嚴重刨削缺陷。1 級試件記為5 分，2 級試件記為4 分，3 級試件記為3 分，4 級試件記為2 分，5 級試件記為1 分；每個級別的分數和其級別所占百分比的乘積為試件的刨削質量級別值。將刨削和砂削處理試件級別1的百分比記為刨削和砂削處理達標百分率，將銑削和鉆削處理試件的級別1 與級別2 百分比之和記為銑削和鉆削處理達標百分率，確定各處理的質量級別（表1）；采用加權積分，刨削、砂削和銑削的加權數為2，鉆削加權數為1，每項處理的質量級別乘以相應加權數為該項得分，最后將4 項處理分數相加得到木材機械加工性能總分，滿分為30分。

2 結果與分析

2.1 刨削加工性能

素材經刨削處理后沒有1 級試件，2、3 和4 級試件占比分別為43%、27%和30%，質量等級值為3.13，達標百分率為0；熱處理材1、2和3級試件占比分別為30%、43%和27%，質量等級值為4.03，達標百分率為30%（表2，圖1）。熱處理材1 級試件占比、1 + 2 級試件占比和試件達標百分率均高于素材，質量等級值高出1.28 倍，說明熱處理可明顯提升尾巨桉木材的刨削性能。這是因為木材經熱處理后，可較好避免因節子、早晚材差異和結構不均勻等引起的毛刺、毛刺溝痕等缺陷[15]。

圖1 素材和熱處理材刨削加工（a：素材；b：熱處理材）Fig.1 Control woods and heat-treated woods after planing(a:Control wood;b:Heat-treated wood)

表2 素材和熱處理材刨削處理各級別占比Tab.2 Proportions of control woods and heat-treated woods with grade 1 to 5 after planning

尾巨桉素材的質量等級值為3.13，刨削性能不理想，低于細葉桉（Eucalyptustereticornis，3.94）、巨桉（Eucalyptusgrandis，3.87）、尾葉桉（Eucalyptusurophylla，4.05）和粗皮桉（Eucalyptuspellita，4.26）[16]，這可能是因為尾巨桉木材易開裂變形。經熱處理后，尾巨桉木材刨削質量等級值為4.03，刨削等級為優。

2.2 砂削加工性能

素材和熱處理材經砂削處理后均只有1 級試件，達標百分率均為100%；素材砂削后表面粗糙度為2.90 μm，熱處理材為2.34 μm，略優于素材（表3，圖2）。

圖2 素材和熱處理材砂削加工（a：素材；b：熱處理材）Fig.2 Control woods and heat-treated woods after sanding(a:Control wood;b:Heat-treated wood)

表3 素材和熱處理材砂削處理各級別占比Tab.3 Proportions of control woods and heat-treated woods with grade 1 to 5 after sanding

尾巨桉木材的砂削性能優異，砂削達標百分率為100%，高于細葉桉（27.6%）、巨桉（63.4%）、尾葉桉（63.3%）和粗皮桉（18.8%）[16]。

2.3 銑削加工性能

素材經銑削處理后沒有1 級試件，2、3 和4 級試件占比分別為50%、47%和3%，達標百分率為50%；熱處理材經刨削處理后僅有2 級試件，達標百分率為100%（表4，圖3）。熱處理材的試件達標百分率高于素材，高出2.0 倍，說明熱處理可明顯提升尾巨桉木材的銑削性能。

圖3 素材和熱處理材銑削加工（a：素材；b：熱處理材）Fig.3 Control woods and heat-treated woods after milling(a:Control wood;b:Heat-treated wood)

表4 素材和熱處理材銑削處理各級別占比Tab.4 Proportions of control woods and heat-treated woods with grade 1 to 5 after milling

尾巨桉素材的銑削性能較一般，銑削達標百分率為50%，低于細葉桉（95.1%）、巨桉（100%）、尾葉桉（100%）和粗皮桉（58.2%）[16]。經高溫熱處理后，尾巨桉木材的銑削達標百分率為100%，銑削性能優異。

2.4 鉆削加工性能

素材經鉆削處理后沒有1 級試件，2、3 和4 級試件占比分別為2%、75%和23%，達標百分率為2%；熱處理材經鉆削處理后也沒有1 級試件，2、3 和4 級試件占比分別為53%、42%和5%，達標百分率為53%（表5，圖4）。熱處理材試件達標百分率高于素材，高出26.5 倍，說明熱處理可以明顯提升尾巨桉木材的鉆削性能。

圖4 素材和熱處理材鉆削加工（a：素材；b：熱處理材）Fig.4 Control woods and heat-treated woods after drilling(a:Control wood;b:Heat-treated wood)

表5 素材和熱處理材鉆削處理各級別占比Tab.5 Proportions of control woods and heat-treated woods with grade 1 to 5 after drilling

尾巨桉素材的鉆削性能不理想，達標百分率僅為2%，低于細葉桉（100%）、巨桉（90.0%）、尾葉桉（66.6%）和粗皮桉（88.4%）[16]；經熱處理后，尾巨桉木材鉆削達標百分率提升至53%，但仍低于上述桉屬樹種，說明尾巨桉木材即使經過高溫熱處理，其鉆削性能仍不夠理想。

2.5 綜合機械加工性能評價

素材和熱處理材的機械加工性能綜合得分分別為19 和27，熱處理材比素材高出42.11%（表6）。高溫熱處理可以提升尾巨桉木材的機械加工性能。經高溫熱處理后，木材的半纖維素發生降解，其分子鏈的乙?；姿獬蔀榇姿?；纖維素分子鏈羥基之間發生“架橋”反應，使木材內部結晶度增加，這些變化促使木材物理性質發生變化，可能是引起木材機械加工性能變化的原因[13,17-18]。

表6 木材機械加工性能綜合得分Tab.6 Comprehensive scores for machining performances of woods

與細葉桉（23）、巨桉（29）、尾葉桉（29）和粗皮桉（21）[16]相比，尾巨桉素材的機械加工性能綜合得分低，機械加工性能差；經高溫熱處理后，尾巨桉木材的機械加工性能優于細葉桉、粗皮桉，但仍低于巨桉、尾葉桉。

3 結論與討論

熱處理材的刨削質量等級值比素材高出1.3倍；熱處理材的砂削達標百分率提升不明顯，表面粗糙度略微降低；熱處理材的銑削達標百分率比素材高出2.0 倍；熱處理材鉆削達標百分率比素材高出26.5 倍；熱處理材的機械加工性能綜合得分比素材高出42.11%。高溫熱處理可提升尾巨桉木材的機械加工性能，促進其實木利用。

利益沖突：所有作者聲明無利益沖突。

作者貢獻聲明：劉鑫負責試驗處理、數據分析和論文撰寫；劉衡負責試驗處理、論文修改；劉明德和唐慶負責試驗處理；符韻林負責研究計劃制定和論文修改。