热处理温度和时间对杉木质量损失和静曲强度的(4)
【作者】网站采编
【关键词】
【摘要】由图3、表1可知：180 ℃热处理杉木6 h，质量损失率为 1.6%，MOR为 65.9 MPa，200 ℃处理1 h时，质量损失率为1.8%，MOR为60.1 MPa，两种热处理条件下杉木质量损失率
由图3、表1可知：180 ℃热处理杉木6 h，质量损失率为 1.6%，MOR为 65.9 MPa，200 ℃处理1 h时，质量损失率为1.8%，MOR为60.1 MPa，两种热处理条件下杉木质量损失率与MOR相差不大；200 ℃处理6 h与 220 ℃处理1 h时，其质量损失率分别为6.6%、6.1%，数值比较接近，MOR下降分别为52.7%、54.5%，数值接近。说明较短时间的高温热处理能达到长时间低温热处理相近的性能，建议在一定温度范围内，采用较高热处理温度对木材进行热处理，可以在较短时间内达到长时间低温热处理木材的效果。
2.5 预测模型
图4为热处理条件对杉木质量损失率与静曲强度影响的3D图，从图4中可看出：热处理温度与时间共同影响处理材的质量损失率与力学性能。图4a中，随着热处理温度升高与时间延长，杉木质量损失率不断增加。使用TableCurve 3D软件对其进行了回归分析，得到了不同热处理条件下质量损失率的预测模型，如式（2）所示：
式中：t为时间（单位为h），T为温度（单位为 ℃）。式（2）为非线性方程，但参数的自然对数值呈线性关系。其R2为0.99，说明拟合效果好。
图5b表明随着热处理程度的增强，MOR呈降低趋势，MOR与热处理条件之间呈负相关，回归拟合得到MOR（单位为MPa）的预测方程为：
其数值与热处理时间和热处理温度呈线性关系。式（3）的R2为0.93，总体预测效果较好。
木材热处理过程中，如何通过实时监测数据来评估热处理效果，对控制热处理木材的质量至关重要。而对木材质量变化的监控非常容易，建立质量损失率与MOR的预测函数，可实现对热处理过程中木材力学性能的实时预测。对热处理杉木的质量损失率和MOR进行回归分析得到：
式（4）为指数方程，表明MOR与质量损失率为指数递减关系，其R2为0.95，表面预测精度较高。
图5a比较了质量损失率的测试值与模型预测值，数值基本重合，说明可以利用模型预测出不同处理温度和处理时间条件下杉木的质量损失率。热处理材的质量损失基本上是纤维素、半纤维素、木质素的质量变化，黄荣凤等[39]研究了热处理条件对毛白杨（Populus tomentosa）化学成分含量的影响，并分别建立了热处理毛白杨综纤维素、α-纤维素、木质素含量损失率与处理温度、处理时间之间的数学回归模型，均为线性方程，决定系数均在0.9以上，说明可利用模型预测不同热处理条件下毛白杨化学成分含量的变化。图5b比较了MOR的试验测试值和模型预测值，热处理温度为160 ℃时，预测值与实测值有较大差异，当热处理温度高于180 ℃时，预测值与实测值基本相同。式（3）在低温热处理时预测精度较低，应谨慎应用于低温热处理木材。Sebahattin和Ayta?[40]采用多元线性回归模型对4种热处理材的抗压强度进行了预测，预测模型显示：抗压强度与树种、热处理时间、热处理温度之间存在一定相关关系，呈线性下降。图5c比较了质量损失率与静曲强度的测试值和预测值，表明模型能够准确预测MOR随质量损失率的变化趋势。由于不同树种木材存在化学组分和结构等方面的差异，利用式（2）、（3）、（4）预测不同树种木材热处理的质量损失率和MOR的变化趋势时，可能需要调整参数系数。合理使用模型可以降低试验成本和时间。
图4 热处理温度和时间对杉木质量损失率和静曲强度的影响Fig.4 Effects of heat treating conditions on mass loss rate and MOR of Chinese fir wood
图5 预测模型与试验数据的比较Fig.5 Comparison of prediction model and test data
3 结 论
（1）对杉木进行热处理会导致其质量和力学性能发生变化，在 160、180、200、220 ℃ 分别处理 1、2、3、4、5和6 h，杉木的质量损失率为 0.2% ～ 17.6%，静曲强度降低了4.4% ～ 74.8%；当热处理温度低于200 ℃时，热处理温度比热处理时间对质量损失和力学性能的影响更显著；当热处理温度高于200 ℃时，热处理时间与热处理温度对处理材的性能均有显著影响。
（2）基于不同热处理温度、热处理时间条件下热处理木材的质量损失率和MOR测试数据，分别建立了质量损失率和MOR随热处理温度和热处理时间变化的经验预测方程，质量损失率的自然对数值与热处理温度和时间的自然对数值呈线性增加关系，MOR随热处理程度的增强呈线性降低，MOR随质量损失率增大呈指数下降，建立了质量损失率与MOR之间的经验预测模型。模型预测值与试验测试值基本一致，总体预测效果好。合理运用模型，可以有效地预测不同热处理条件下杉木的质量损失率和MOR，以及MOR随质量损失率的变化趋势。
文章来源：《金属热处理》 网址: http://www.jsrclzzs.cn/qikandaodu/2021/0413/434.html