Question

木材受热变化是什么现象？

Answer 1

因温度升高而引起的木材物理、化学和构造特性的改变。研究木材受热时的变化，对木材加工，木材炭化、液化、气化，利用森林生物量作能源和化工原料（见森林生物量化学利用）有重要的理论和实用价值。

在常温下，木材有相当好的稳定性。但温度较高时，特别是在100℃以上，木材的物理性质、化学性质和构造特征都会随温度升高而发生不同程度的变化。掌握这些变化规律，对选择合理的工艺条件，提高产品质量有重要意义。在木材人工干燥、塑性加工、人造板生产和制造纸浆的过程中，都要加温，但一般都不超过200℃，还不至于引起明显的热降解。如果加热到200℃以上，就会发生一系列复杂的化学变化。异致木材发生变化的因素除了热的作用外，诸如升温持续时间、环境气体的组成、压力、木材含水率及其在材内的分布状态等，也都有一定影响，并且协同起作用。

木材受热时的物理性质变化

主要表现为吸附性能下降、失重、体积收缩、机械强度降低等。只要温度不超过100℃，强度的降低部分还能恢复，但在较高温度下长时间加热，则会使木材的部分强度永久丧失，而且木材含水率越高，其强度性质对温度的变化越敏感。因此，在对关键承重构件进行高温炉干时，必须考虑木材的这种特性。含水率对木材软化温度有显著影响，含水率越高，软化温度越低。木材受热时会失去胞壁水，同时发生热分解而失去部分木材物质，导致木材失重和体积收缩。在120℃将云杉木材加热24小时，失重0.8%；在200℃加热24小时，失重高达15.5%。在进行热处理时，木材半纤维素在热的作用下发生化学变化，部分纤维素链之间的氢键受到破坏，形成氧桥，使亲水基团减少，成为吸湿性低的材料，从而大大提高尺寸稳定性。

木材受热时的化学变化

在100℃以下短时间加热，通常不会引起木材物质的实质性变化；在100℃以上加热，木材成分即开始分解，热水浸提物含量明显增加；加热到120℃以上，冷水浸提物含量也开始增加；加热到150～180℃，热水和冷水浸提物的量都增加到最大值。木材在100～200℃之间分解很慢，生成水蒸气、二氧化碳和少量一氧化碳；当温度升到200～260℃，半纤维素发生分解，纤维素在240～350℃分解，木质素在280～500℃之间才分解。在隔绝空气下加热木材，木材发生热解。热解过程可分为4个阶段：①200℃以下为第一阶段。在此阶段木材表面先失水，同时放出二氧化碳、甲酸、乙酸和乙二醛。②200～280℃为第二阶段。产生水蒸气、二氧化碳、甲酸、乙酸、乙二醛和少量一氧化碳气体。在280℃以下的热解是吸热反应，产物多为挥发性气体，伴随着木材炭化。③280～500℃是第三阶段。热解主要发生在这个阶段，为放热反应。若不采取降温措施，温度会急剧升高，产生一氧化碳、甲烷、甲醛、乙酸、甲醇和氢气等可燃气体，同时生成木炭。反应初级产物在离开反应区之前就相互反应，生成二次反应产物。④500℃以上为第四阶段。在此温度下，木炭层内也进行着剧烈的二次反应。木材炭化是在400～600℃之间完成的。在空气中把木材加热到一定温度，放出的气体就会燃烧。可燃气体的闪点为225～260℃，着火点为260～470℃，在330～470℃自燃。木材的燃烧就是由于上述各种过程放出的可燃气体引燃而开始的。

木材受热时的构造变化

木材在干燥过程中发生收缩是由细胞壁收缩造成的。云杉早材体积收缩可达26.5%，晚材收缩率为29.5%。这种收缩导致早材管孔体积减少，晚材管孔体积增大。升高温度会使木材因热分解而失去部分物质，从而使体积收缩加剧。由于细胞壁各层失去物质的量不同，收缩程度有差别，这就使胞壁受到额外的收缩应力。收缩不均使胞壁承受压迫，并产生裂隙。裂隙多出现在胞壁最薄弱的区域，即细胞角隅的S1和S2分界处。在180～200℃加热云杉木材时，晚材管胞复合胞间层和与之相邻的S1层即受到压缩。在120～160℃对山毛榉和桦木进行水热处理，就能使细胞壁（主要是S1和S2层的界面）变得疏松。加热山毛榉材，能使胞腔内侧的瘤层软化并消失。热处理云杉材可使沉积在具缘纹孔塞上的无定形物质变软，沿着塞缘和纹孔缘流动。纹孔塞物质在180～200℃能溶于苯一醇混合溶剂，用该溶剂浸提后只剩下一层纤维素膜。有些木材经550℃处理，管胞壁上螺旋加厚部分会被破坏掉。在加热时，复合胞间层的无定形组分变为塑性物质，当冷却到60℃以下时，塑性消失，无定形组分恢复原来的硬固状态。

用差热分析法进行的研究表明：如果把纤维素、半纤维素和木质素从木材中分离出来，分别进行热处理，各组分的变化和它们在细胞壁中处于复合状态时的情况是不同的。木材受热时的物理、化学和构造变化是同时发生的，三者紧密相关，有其内在联系。

加热处理可提高木材的耐腐性，但对木材的胶合性能有不利影响。