木材是一种具有众多优点的可再生的生物质材料,但也有一些影响其利用的缺点。现有多种克服其缺点、改善其性能的物理或化学改性方法,但是这些方法都或多或少地使用了化学物质,在木材改性以后的使用过程中对人体产生危害。本研究采用一种绿色、无污染、不使用任何化学物质的高温热处理方法,以近年引进国内的非洲热带树种圆盘豆(Cylicodiscus spp)木材为实验材料,研究热处理对圆盘豆木材物理、力学性能的影响,揭示其性能变化的机理,确定圆盘豆木材的最佳热处理工艺,提高圆盘豆木材尺寸稳定性,改善圆盘豆木材颜色和光稳定性,保证圆盘豆木材力学强度下降在许用范围之内。这对拓宽圆盘豆木材实木加工利用的应用范围,提高圆盘豆木材的附加值,进一步深化木材热处理研究,开拓热处理材应用领域,丰富木材科学的内涵等,都具有重要意义。木研究采用全因素试验设计的方法,热处理温度为160℃、180℃、200℃、220℃,热处理时间为2h、4h、6h、8h。在氧气含量低于2%的高温干燥箱内,对尺寸规格为500mm(纵向)×125mm(径向)×25mm(弦向)的试材分心材和边材2组试材进行高温、低氧含量的热处理。通过测量心、边材对照材及心、边材热处理材的颜色、物理性能、力学性能、光稳定性等各项性能,研究热处理对圆盘豆木材性能的影响规律,确定圆盘豆木材的最佳热处理工艺,并综合采用红外光谱、热重分析和差热分析、X射线衍射、光电子能谱、核磁共振波谱、紫外光谱、气-质联用等多种方法对热处理前后的圆盘豆木材及其木粉抽提物进行分析检测,探明热处理圆盘豆木材尺寸稳定性提高、颜色变深,力学强度变化的内在机理,得出了如下结论:1.最佳热处理工艺严格地说有两类,一类是根据热处理材用途所确定的,有针对性的、确切的热处理工艺,一类是根据尺寸稳定性提高度和强度下降度所确定的一般性的热处理工艺,此处所指的是后一种。根据热处理实验和性能检测实验,确定了温度和时间2个处理因子中,温度为主要因子。最佳热处理工艺,温度为200℃、时间为6小时。在此热处理条件下,尺寸稳定性达到稳定提高,体积抗干缩率和体积抗湿胀率平均提高25%以上,而抗弯强度下降在许用范围之内,心材、边材平均下降率约为25%。2.热处理显著降低了圆盘豆木材的吸湿性和吸水性。心材对照材的平衡含水率为10.39%,热处理后心材平衡含水率为4.36%～8.06%,热处理后阻湿率为22.43%～58.04%;边材对照材的平衡含水率为10.57%,热处理后边材平衡含水率为4.53%～8.38%,热处理后阻湿率为20.72%～57.14%。心材对照材的吸水率为51.43%,热处理后心材吸水率降低为36.7%～52.85%,热处理后吸水率最大降低率为30.04%;边材对照材的吸水率为54.95%,热处理后边材吸水率为36.7%～52.85%,热处理后吸水率最大降低率为33.21%。3.热处理显著提高了圆盘豆木材的尺寸稳定性。在热处理过程中,随着热处理温度的升高和热处理时间的延长,热处理材的尺寸稳定性明显提高。心材对照材气干体积干缩率为10.93%,热处理后心材气干体积干缩率为6.18%～10.55%,热处理心材最大气干体积抗干缩率为43.66%;边材对照材气干体积干缩率为11.23%,热处理后边材气干体积干缩率为6.78%～11.01%,热处理后边材最大气干体积抗干缩率为39.63%。心材对照材全干体积干缩率为14.35%,热处理后心材全干体积干缩率为9.31%～13.94%,热处理心材最大全干体积抗干缩率为35.67%;边材对照材全干体积干缩率为14.69%,热处理后边材全干体积干缩率为9.88%～14.06%,边材最大全干体积抗干缩率为39.19%。心材对照材气干体积湿胀率为11.05%,热处理后心材气干体积湿胀率为6.37%～10.98%,热处理心材最大气干体积抗湿胀率为42.35%;边材对照材气干体积湿胀率为11.27%,热处理后边材气干体积湿胀率为6.86%～10.96%,热处理后边材最大气干体积抗湿胀率为39.13%。心材对照材饱水体积湿胀率为13.53%,热处理后心材饱水体积湿胀率为9.56%～13.06%,热处理后心材最大饱水体积抗湿胀率为40.35%;边材对照材饱水体积湿胀率为14.28%,热处理后边材饱水体积湿胀率为9.74%～13.86%,热处理后边材最大饱水体积抗湿胀率为40.17%。4.热处理圆盘豆木材颜色加深。同一试件热处理前后相比,热处理后心、边材:明度L*值降低,红绿色品指数a*值先升高后降低,黄蓝色品指数b*值降低,色饱和度C*降低,表面光泽度Ag*稍微降低,总体色差值△E升高,心材总体色差值△E为4.7～35.52,边材总体色差值△E为10.59～39.04。随着热处理温度的升高(160℃～220℃)和热处理时间(2h～8h)的延长,与热处理前相比,热处理心、边材的颜色越来越暗深,而且边材颜色变化比心材颜色变化更加明显。5.热处理增强了圆盘豆木材的光稳定性。经氙灯照射100小时后,同一试件氙灯照射前后比较,光照后的心、边材:心材对照材总体色差△E为3.15～20.15,热处理心材总体色差△E为0.97～15.58,心材热处理材的总体色差小于心材对照材的总体色差,说明热处理使心材的光稳定性增强;边材对照材的总体色差值△E为5.6～23.79,热处理边材的总体色差值为△E为2.28～14.45,边材热处理材的总体色差小于边材对照材的总体色差,说明热处理使边材的光稳定性增强。6.热处理圆盘豆木材的全干密度略有降低。热处理后,圆盘豆心边材全干密度稍有下降。心材对照材全干密度为0.867g/cm~3,热处理后心材全干密度为0.865 g/cm~3～0.765 g/cm~3,降低范围为0.23%～11.76%。边材对照材全干密度为0.872 g/cm~3,热处理后边材全干密度为0.868 g/cm~3～0.775 g/cm~3,降低范围为0.46%～11.12%。7.热处理圆盘豆木材力学强度降低。低温并且短时间的热处理对木材的抗弯强度影响不大,但是随着热处理温度的升高(160℃～220℃)和处理时间(2h～8h)的延长,木材的抗弯强度降低。心材对照材抗弯强度为168MPa,热处理后心材抗弯强度为87～156 MPa,降低了7.14%～48.21%,边材对照材抗弯强度为165 MPa,热处理后边材抗弯强度为95～148 MPa,降低了10.33%～42.42%。在低温(160℃)条件下,热处理能提高木材的抗弯弹性模量,但随着热处理温度的升高,木材的抗弯弹性模量降低。心材对照材抗弯弹性模量为17.1 GPa,热处理心材抗弯弹性模量变化率为-6.43%～5.26%;边材对照材抗弯弹性模量为16.85GPa,热处理边材抗弯弹性模量变化率为-11.04%～9.61%。心材对照材表面硬度为0.36KN/mm2,边热处理心材表面硬度最大升高率为8.33%,最大降低率为25%;边材对照材表面硬度为0.31 KN/mm2,热处理边材表面硬度最大升高率为12.9%,最大降低率为16.13%。8.热处理材尺寸稳定性提高的机理。热处理使木材纤维素分子中的羟基基团数量减少,纤维的相对结晶度升高14.16%～26.02%;半纤维素分子中的羟基基团、乙酰基团数量减少,半纤维素发生降解反应;木质素发生降解、综合反应,使木材尺寸稳定性增加。9.热处理材颜色变深的机理。热处理后木质素发生了降解、缩合反应,共轭体系延长,发色基团数量增加,心边材在可见光范围内吸收峰增强,抽提物中含有多种多酚类物质,热处理后带有与芳环共轭的发色基团的物质浓度升高,热处理后木材中有大量多酚类低分子物质产生,有机溶剂抽提物含量增加,抽提物发生氧化还原反应,使木材颜色加深。10.热处理材力学强度降低的机理。热处理使木材中的半纤维素分子的羟基基团、乙酰基团数量减少,半纤维素发生降解反应;木素发生氧化、降解和缩合反应,纤维素大分子链断裂、纤维素的聚合度降低,使木材力学强度降低。