氯化锌浸渍处理对樟子松热处理材尺寸稳定性和处理能耗的影响.pdf

DOI:10.12171/j.10001522.20230244氯化锌浸渍处理对樟子松热处理材尺寸稳定性和处理能耗的影响王博何正斌王振宇伊松林（林木资源高效生产全国重点实验室，木材科学与工程北京市重点实验室，木质材料科学与应用教育部重点实验室，北京林业大学材料科学与技术学院，北京100083）摘要:【目的】本研究旨在探究弱酸性氯化锌溶液浸渍对热处理材的尺寸稳定性以及处理能耗的影响。【方法】采用质量分数 5%的氯化锌溶液浸渍樟子松试样，并进行不同温度的热处理，通过试样吸湿后的尺寸和质量变化分析，评价浸渍热处理樟子松试样的尺寸稳定性和吸湿性，并结合红外光谱分析、X 射线衍射分析以及能耗计算，阐明浸渍热处理对试样尺寸稳定性的影响机制和能量消耗情况。【结果】氯化锌浸渍热处理组的性能提升效果比热处理组更明显；随着热处理温度的升高，木材的吸湿性降低，尺寸稳定性提高，热处理组和浸渍热处理组的体积湿胀率分别从 3.5%、3.4%下降到2.6%、2.1%；两种处理方式下的处理材红外吸收光谱图中均没有产生新的官能团特征峰，但羟基数量均随着温度升高而明显降低；处理材的相对结晶度呈上升趋势，热处理组和浸渍热处理组分别由 36.05%、38.77%提升到 48.51%、53.04%；浸渍热处理组试材在 160 达到的处理效果比仅进行 180 热处理达到的处理效果更好，同时因为前者的处理温度更低，所以能够减少处理过程中的能耗，在所研究的温度范围内最高可减少 10%的能耗。【结论】相比樟子松热处理改性，氯化锌浸渍热处理联合改性可以通过更低的热处理温度使樟子松达到相同的尺寸稳定性，有助于热处理工序的节能减排，对于力学性能方面的影响则需要进一步深入研究。关键词：樟子松；木材热处理；氯化锌浸渍；尺寸稳定性；能耗差异中图分类号：S781.62；S781.7；S791.253文献标志码：A文章编号：10001522(2024)02012309引文格式：王博，何正斌，王振宇，等.氯化锌浸渍处理对樟子松热处理材尺寸稳定性和处理能耗的影响 J.北京林业大学学报，2024，46(2)：123131.WangBo,HeZhengbin,WangZhenyu,etal.Effectsofzincchlorideimpregnationtreatmentondimensionalstabilityandenergyconsumptionofheat-treatedMongolianscotspineJ.JournalofBeijingForestryUniversity,2024,46(2):123131.Effects of zinc chloride impregnation treatment on dimensional stability and energyconsumption of heat-treated Mongolian scots pineWangBoHeZhengbinWangZhenyuYiSonglin(StateKeyLaboratoryofEfficientProductionofForestResources,BeijingKeyLaboratoryofWoodScienceandEngineering,KeyLaboratoryofWoodenMaterialScienceandApplicationofMinistryofEducation,SchoolofMaterialScienceandTechnology,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China)Abstract:ObjectiveThisstudyaimedtoinvestigatetheeffectsofimpregnationwithmildlyacidiczincchloride solution on the dimensional stability of heat-treated materials as well as the treatment energyconsumption.Method Mongolian scots pine specimens were impregnated with a 5%zinc chloridesolution and subjected to high-temperature heat treatment at different temperatures.Subsequently,we收稿日期:20230921修回日期:20231231基金项目:国家重点研发计划课题（2023YFD2201402），中央高校基本科研业务费专项（BLX202235、BFUKF202315）。第一作者:王博。主要研究方向：木材热加工。Email：地址：100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学材料科学与技术学院。责任作者:王振宇，博士，讲师。主要研究方向：木材热加工。Email：地址：同上。伊松林，博士，教授。主要研究方向：木材热加工。Email：地址：同上。本刊网址:http:/；http:/第46卷第2期北京林业大学学报Vol.46，No.22024年2月JOURNALOFBEIJINGFORESTRYUNIVERSITYFeb.，2024assessedthedimensionalstabilityandmoistureabsorptionofthesetreatedMongolianscotspinesamplesbyexaminingtheirdimensionalandmasschangesaftermoistureabsorption.Todeepenourunderstanding,wecomplemented this with infrared spectroscopy,X-ray diffraction analysis,and energy consumptionassessments.Theseanalysesaimedtoclarifyboththemechanismandtheenergyrequirementsassociatedwith impregnation and heat treatment concerning the specimens dimensional stability.Result Theperformance enhancement effect of the zinc chloride impregnation-heat treatment group was morepronounced than that of the heat treatment group.As the heat treatment temperature increased,thehygroscopicityofsampledecreased,andthedimensionalstabilityimproved.Thevolumetricswellingratiosoftheheattreatmentgroupandthezincchlorideimpregnation-heattreatmentgroupdecreasedfrom3.5%and3.4%to2.6%and2.1%,respectively.Infraredabsorptionspectraofthetreatedmaterialsunderbothmethodsdidnotexhibitnewfunctionalgroupcharacteristicpeaks;however,thehydroxylcontentdecreasedsignificantlywithincreasingtemperature.Therelativecrystallinityofthetreatedmaterialincreasedinboththeheattreatmentgroupandtheimpregnation-heattreatmentgroup,risingfrom36.05%and38.77%to48.51%and53.04%,respectively.Notably,thetreatmenteffectachievedbythezincchlorideimpregnation-heattreatmentgroupat160wassuperiortothatachievedsolelyby180heattreatment.Moreover,duetothelowertreatmenttemperatureoftheformer,energyconsumptionduringtheprocesscouldbereduced,potentiallysavinguptoabout10%withinthestudiedtemperaturerange.ConclusionComparedwithheattreatment modification alone for Mongolian scots pine,the combined modification of zinc chlorideimpregnation-heattreatmentcanachievethesimilareffectofdimensionalstabilityimprovementbyadoptinglower heat treatment temperatures,which contributes to energy saving and emission reduction of heattreatmentprocess.However,furtherin-depthstudyisrequiredtoassessitsimpactonmechanicalproperties.Key words:Mongolianscotspine;woodheattreatment;zincchlorideimpregnation;dimensionalstability;differenceofenergyconsumption随着天然林和珍贵木材储量的减少，以及禁止天然林商业性采伐政策的实施，国内优质木材供需矛盾日益严峻，如何实现速生材的高值化利用是当前亟待解决的重要问题1。速生材具有易吸湿、尺寸稳定性差等弊端，限制了其加工利用2。近年来，对于改善木材的性能特征、提高木材及其制品的附加值、实现木材的劣材优用和循环利用等方面的研究受到了越来越多专家学者的关注。木材改性是提高木材性能的常用方式3，高温热处理技术作为一种物理改性手段，不仅具有安全环保的优势，且能够赋予木材更好的生物耐久性、尺寸稳定性等关键性能4。关于木材高温热处理技术方面的研究，国内外进行了许多的研究。诸多的研究表明高温热处理能够明显改善木材尺寸稳定性，其中吸湿平衡含水率降低 40%左右，径向湿胀率降低 40%、弦向湿胀率降低 50%左右，并且改性效果与热处理时间、温度等密切相关。严明汉等5对落叶松（Larix gmelinii）进行高温（180、200）热处理，其平衡含水率以及弦向、径向湿胀率均较对照组呈现降低趋势。吕蕾等6和高鑫等7研究发现：在 140220和 28h范围内，随着热处理温度的升高或时间的延长，木材的吸湿性逐渐降低，尺寸稳定性则在逐渐升高。Miklei等8通过对山毛榉（Fagus longipetiolata）进行热改性处理（190 和 212），发现处理材的酸性和水接触角升高，吸湿性能降低。何露茜等9在 160和 180 下对大果紫檀（Pterocarpus macrocarpus）、奥氏黄檀（Dalbergia oliveri）、光亮杂色豆（Baphianitida）3 种热带阔叶树材进行热处理，研究发现在常温低湿（25、30%相对湿度）和高温高湿（40、90%相对湿度）条件下尺寸稳定性均有明显提高。高温热处理也会对其他重要性能产生影响，如颜色加深均匀10、力学性能降低1112等，从而对木材的附加值和应用范围产生影响。随着研究的深入，部分研究者探索传热介质对高温热处理材的影响。Bessala 等13分别在 160、180、200 的空气或棕榈油介质下对非洲柚木（Pericopsis elata）和纽墩豆（Newtonia paucijuga）进行热处理，研究发现棕榈油介质热处理能够进一步提高尺寸稳定性，降低吸湿性。He 等14分别以 120、140、160 和 180 的桐油为传热介质对榆树（Ulmuspumila）进行油热处理 2、4 和 6h，并与空气介质热124北京林业大学学报第46卷处理对比，研究发现疏水性桐油覆盖在木材表面，占据木材的孔隙结构，起到阻隔水的作用，进一步提高改性效果。也有研究者探索浸渍热处理联合处理的木材改性方法。Qu 等15采用不同浓度（5%、10%、15%）的硫酸铝溶液和不同热处理温度（120、140、160）对杉木（Cunninghamia lanceolata）进行联合处理，研究发现硫酸铝的催化作用导致半纤维素在热处理过程中降解，浓度和温度的提高对半纤维素降解有明显的影响，对木材的尺寸和热稳定性有很大的改善。吴美卉等16和 Cao 等17以杨树（Populustomentosa）为研究对象，对未处理材、热处理材、脲醛树脂浸渍材以及脲醛树脂浸渍热处理材（160、180、200）进行性能测试对比，研究发现脲醛树脂浸渍填充于导管、木纤维等，经过热处理后分布均匀，并且随着热处理温度升高，吸湿率呈降低趋势，尺寸稳定性提高，并且联合处理的改性效果最佳。近年来，随着“双碳”政策的提出，人们越发重视节能减排，木材高温热处理技术所涉及的能源消耗问题受到了广泛关注，国外的热处理木材的温度都是接近或高于 200，因此开发中低温热处理工艺是重点研究方向，Yang 等18和 Zhang 等19通过对比高温（180）热处理方式与中温（120）热处理和微晶蜡浸渍相结合的方式对大果紫檀（Pterocarpusmacrocarpus）的性能影响发现：中温热处理后微晶蜡成功地浸渍到木材内部，并在木材细胞表面均匀分布，显著改善木材的吸湿性，提高尺寸稳定性，较低的处理温度也能够相对减少能耗。基于以上的研究发现，木材热处理可以提高木材的尺寸稳定性，是因为木材亲水成分在高温条件下会发生降解，但是过高的热处理温度会产生大量的能耗。氯化锌溶液呈弱酸性，能够催化半纤维素在中低温度下的降解20，并且氯化锌具有良好的吸附湿胀作用，增加纤维区域的面积21，便于木材进行热处理。因此本研究利用氯化锌溶液对樟子松（Pinus sylvestris）进行处理，以期改善热处理樟子松的理化性能，提升樟子松的尺寸稳定性，降低所需的热处理温度，进而减少热处理过程中的能耗。1材料与方法1.1 材料樟子松气干材，含水率约为 12%，在 103 条件下进行干燥，尺寸为 20mm20mm20mm，无开裂、节子、腐朽等缺陷。使用氯化锌（采购于安徽泽升科技有限公司）配制质量分数 5%的氯化锌溶液。1.2 研究方法1.2.1樟子松热处理将樟子松材料按照表 1 分为两组试样，并标号测量其质量。一组为浸渍热处理组，用配置的质量分数 5%的氯化锌溶液浸渍处理；另一组为热处理组，浸渍过程在真空干燥箱（上海一恒科学仪器有限公司，BPZ-6090Lc）中进行，真空度为 0.01MPa，加压 10min，保压 20min，循环 3 次。经平衡处理并气干后，使用高温鼓风干燥箱（上海一恒科学仪器有限公司，BPG-9050AH）进行热处理，处理时间为 2.5h，热处理后测量并记录试样质量和尺寸。表1樟子松试样分组情况统计Tab.1StatisticsongroupingofMongolianscotspinesamples组别Group热处理温度Heattreatmenttemperature120140160180热处理组HeattreatmentgroupA1A10A11A20A21A30A31A40浸渍热处理组Impregnation-heattreatmentgroupB1B10B11B20B21B30B31B401.2.2性能表征1.2.2.1尺寸稳定性分析将试样均匀放置在 20、65%相对湿度的环境中进行吸湿处理，处理时间为 3 周。分别测定处理前后试样的径向、弦向尺寸和质量变化，以湿胀率和吸湿性来表征试样的尺寸稳定性。根据 GB/T1927.82021无疵小试样木材物理力学性质试验方法第8 部分：湿胀性测定和 GB/T1927.72021无疵小试样木材物理力学性质试验方法第 7 部分：吸水性测定中的公式来计算2223。rs=LrsLr0Lr0100%(1)ts=LtsLt0Lt0100%(2)vs=LrsLtsLhsLr0Lt0Lh0Lr0Lt0Lh0100%(3)A=mm0m0100%(4)式中：rs、ts、vs分别为径向、弦向、体积湿胀率，第2期王博等：氯化锌浸渍处理对樟子松热处理材尺寸稳定性和处理能耗的影响125%；Lrs、Lts、Lhs分别为试样吸湿平衡时径向、弦向和顺纹方向的长度，mm；Lr0、Lt0、Lh0分别为试样全干时径向、弦向和顺纹方向的长度，mm；A 为试样吸湿率，%；m、m0分别为试样吸湿前后的质量，g。1.2.2.2红外光谱分析与晶体结构分析利用高速万能粉碎机对试样进行粉碎处理，筛选出 200 目左右的木粉，将其放入电热恒温鼓风干燥箱（上海一恒科学仪器有限公司，DHG-9425A）中，在 103 下进行干燥，直至木粉样品达到全干状态。采用傅里叶变换红外光谱仪（美国尼高力公司，Nicolet6700）在室温条件下对试样进行化学结构分析，将 2mg 木粉与 200mgKBr 充分混合，波数范围为 5004000cm1，扫描次数 32 次，分辨率为 4cm1，并从样品光谱中减去纯 KBr 的背景光谱，对比不同处理条件的红外光谱图进行分析。采用 X 射线衍射仪（日本岛津公司，XRD-7000）对木粉试样进行结晶特性分析，扫描范围 2 为 540，扫描速度为 2（）/min，使用 Jade6 分析软件计算相对结晶度。1.2.3能耗差异分析以 1m3的试样为例来模拟热处理设备的工作情况，进行能耗差异分析。热处理设备在工作过程的能耗主要包括窑体加热、木材加热、水分蒸发和透过设备壳体的损失，以及管道和风机的能耗。其中管道部分覆盖保温材料，其能耗可以忽略；窑体加热过程中，空气的比热和密度受到温度的影响，通过积分进行计算。具体的能耗计算可参考董会军24的研究，通过式（5）（10）进行计算。q1=VamwT1T01.780 43T0.111 967dT(5)q2=1 000i(1.591 0+4.186 8W0)(T1T0)(6)q3=10iW0HT(7)q4=3.96Ffkfnt(T1T0)(8)kf=111+aa+bb+cc+12(9)q5=Pvt(10)式中：q1、q2、q3、q4、q5分别为窑体加热、木材加热、水分蒸发、壳体热损失和风机的能耗，kJ；kf为壳体传热系数，W/（m2）；Vam为设备内空气体积，m3；i为樟子松绝干密度，约为420kg/m3；1.5910、4.1868分别为干木材和水的比热，J/（g）；W0为气干材的含水率，约为 12%；T1、T0为热处理温度和设备外部温度，；HT为不同温度条件下水蒸气的比焓，J/g；Ff为热处理设备壳体表面积，m2；n 为系数，高于50 时取值 2.0；1、2为热处理设备内外壁与空气的换热系数，分别取 14.00、23.26W/（m2）；a、b、c 为热处理设备内壁、保温层和外壁的厚度，m；a、b、c为热处理设备内壁、保温层和外壁的导热系数，W/（m2）；t 为热处理的时间，h。模拟热处理设备的工作条件。热处理设备位于河南省，根据河南省水利厅公开的概况可知冬季平均气温在33，极端最低气温23.6。实木加工常用厚度为 18、20、25、30 和 40mm，模拟处理材的厚度与试验中一致（20mm），浸渍处理并气干后进行热处理。热处理设备尺寸为 2m2m2m，内外壁均采用 0.2m 的钢筋混凝土（1.546W/（m2），保温层采用 0.1m 厚的石棉水泥隔热板（0.128W/（m2），风机功率 2.2kW。2结果与讨论2.1 尺寸稳定性分析2.1.1湿胀性分析表 2 和表 3 分别为樟子松试样在吸湿前后径向、弦向的尺寸变化情况。分析发现弦向湿胀率普遍大于径向湿胀率，这可能是由于木射线的径向分布在一定程度上抑制了木材的径向干缩湿胀2526。随着热处理温度的升高，试样的径向湿胀率和弦向湿胀率逐渐降低，热处理组和浸渍热处理组的径向湿胀率分别降低 0.2%、0.5%，弦向湿胀率分别降低0.7%、1.2%，说明试样经过热处理工艺后尺寸稳定性有所提高。在相同的热处理温度下，浸渍热处理组试样湿胀率进一步降低，说明氯化锌溶液浸渍预表2不同处理条件下樟子松试样吸湿前后径向尺寸变化Tab.2RadialdimensionalchangesofMongolianscotspinesamplesbeforeandaftermoistureabsorptionunderdifferenttreatmentconditions项目Item热处理组Heattreatmentgroup浸渍热处理组Impregnation-heattreatmentgroup120140160180120140160180吸湿前径向尺寸Radialdimensionbeforemoistureabsorption/mm19.7419.8419.7019.7919.9219.9419.8719.84吸湿后径向尺寸Radialdimensionaftermoistureabsorption/mm20.0020.0319.9120.0020.1520.1320.0619.98径向湿胀率Radialwettingratio/%1.31.01.11.11.21.01.00.7126北京林业大学学报第46卷处理能够进一步提高热处理试样的尺寸稳定性。表 4 为试样吸湿前后体积数据以及体积湿胀率变化情况，进行拟合回归处理，得到试样体积湿胀率与热处理温度的关系曲线（图 1）和式（11）、（12）。HT=129.217 75T0.752 311R2=0.98(11)IHT=1 070.281 13T1.980 601R2=0.97(12)式中：HT、IHT为热处理组和浸渍热处理组的体积湿胀率，%；T1为热处理温度，。表4不同处理条件下樟子松试样吸湿前后体积变化Tab.4VolumechangesofMongolianscotspinesamplesbeforeandaftermoistureabsorptionunderdifferenttreatmentconditions项目Item热处理组Heattreatmentgroup浸渍热处理组Impregnation-heattreatmentgroup120140160180120140160180全干体积Fulldryvolume/mm37.747.787.757.767.927.897.787.76吸湿体积Moistureabsorptionvolume/mm38.018.037.977.968.198.137.977.92体积湿胀率Volumewetexpansionratio/%3.53.22.82.63.43.02.42.13.83.63.43.23.02.82.62.42.22.01.8120130140150160温度 Temperature/170180热处理组 Heat treatment group浸渍热处理组 Impregnation-heat treatment group体积湿胀率 Volume wet expansion ratio/%图1樟子松体积湿胀率与热处理温度的关系Fig.1RelationshipbetweenvolumewetexpansionratioofMongolianscotspineandheattreatmenttemperature通过拟合式的计算分析可以得到，氯化锌溶液浸渍热处理组试样在 118、128、143、155 下能够达到的处理效果分别对应热处理组在 120、140、160、180 下的效果。由于氯化锌溶液预处理过程中，通过吸附作用使得试样湿胀，一方面纤维区域面积增大，另一方面形成的酸性环境催化了热降解过程，从而使得较低的热处理温度获得良好的改性效果。2.1.2吸湿性分析表 5 为樟子松试样经过热处理后的吸湿情况，随着热处理温度的不断提高，试样的吸湿性逐渐降低，在相同的处理温度下，氯化锌溶液浸渍预处理能够使试样的吸湿性进一步降低。试样中的半纤维素在热处理过程中发生显著降解27，导致细胞壁中自由羟基数量减少，降低了水分吸收能力，而氯化锌溶液呈酸性，能够促进樟子松中的半纤维素等物质在热处理过程中的降解，从而使吸湿性进一步降低。2.2 红外光谱分析木材中所含的大量游离羟基和其他化学成分在热处理过程中会发生不同的变化，与木材的尺寸稳定性紧密相关28。图 2 是不同热处理温度下的樟子松试样在波数 5004000cm1范围内的红外吸收光谱图。3340cm1处的吸收峰是木材中的 OH的伸缩振动引起的，随着热处理温度的升高，两组试样的羟基吸收峰强度逐渐降低。热处理使游离羟基之间发生缩聚反应，形成了醚键，导致了羟基数量降低29。在相同的热处理温度条件下，浸渍热处理组试样羟基吸收峰强度相对更低，可能是由于氯化锌溶液在一定温度下形成的低酸性环境促进了试样在热处理过程中羟基的缩聚和半纤维素的降解过程30。这说明氯化锌溶液浸渍预处理能够进一步降低试样内部的游离羟基数量，有利于提高热处理试样的尺寸稳定性。此外，2970cm1（CH 的伸缩振动）处的吸收峰出现了程度不一的偏移，这可能是由于热处理导致的相对结晶度改变影响了 CH 的振动频率31；1510cm1（木质素中芳香环的 C=C 拉表3不同处理条件下樟子松试样吸湿前后弦向尺寸变化Tab.3TangentialdimensionalchangesofMongolianscotspinesamplesbeforeandaftermoistureabsorptionunderdifferenttreatmentconditions项目Item热处理组Heattreatmentgroup浸渍热处理组Impregnation-heattreatmentgroup120140160180120140160180吸湿前弦向尺寸Tangentialdimensionbeforemoistureabsorption/mm19.8119.8419.9419.7220.0419.9419.9119.78吸湿后弦向尺寸Tangentialdimensionaftermoistureabsorption/mm20.2620.1920.2720.0420.4620.3620.1919.96弦向湿胀率Tangentialdimensionwettingratio/%2.31.81.71.62.12.11.40.9第2期王博等：氯化锌浸渍处理对樟子松热处理材尺寸稳定性和处理能耗的影响127伸）附近的吸收峰强度降低，可能是由木质素中的愈创木基单元降解引起的32；1344cm1（苯酚基团的 OH 拉伸）、1158cm1（半纤维素和纤维素的COC 拉伸）和 895cm1（芳香族 CH 拉伸）附近的吸收峰强度降低，表明纤维素等非晶体化合物在不同程度上降解14。并且这些现象在浸渍热处理组更明显，也说明了氯化锌溶液浸渍预处理能够促进热处理过程中化学组分的降解变化。2.3 晶体结构分析图 3 是不同处理条件下樟子松试样的 XRD 图谱，在2=18.0附近的极小峰是无定形区的衍射强度峰，在2=22.5附近的极大峰是纤维素（002）结晶面的衍射强度峰，在2=34.0附近的小峰是纤维素（040）结晶面的衍射峰33。相较于热处理材，浸表5不同处理条件下樟子松试样吸湿前后质量变化Tab.5MasschangesofMongolianscotspinespecimensbeforeandaftermoistureabsorptionunderdifferenttreatmentconditions项目Item热处理组Heattreatmentgroup浸渍热处理组Impregnation-heattreatmentgroup120140160180120140160180吸湿前质量Massbeforemoistureabsorption/g2.6252.6812.5462.6302.9733.0392.7612.313吸湿后质量Massaftermoistureabsorption/g2.9502.9782.8102.8703.2933.3092.9752.484吸湿率Moistureabsorptionratio/%12.411.110.49.110.88.97.87.44 000 3 500 3 000 2 500A-120 B-120 B-140 B-160 B-180 A-140 A-160 A-180 2 000 1 500 1 000500波数 Wavenumber/cm1透光率 TransmittanceA.热处理组 Heat treatment groupB.浸渍热处理组 Impregnation-heat treatment group图2不同处理条件下的樟子松试样红外吸收光谱图Fig.2InfraredabsorptionspectraofMongolianscotspinesamplesunderdifferenttreatmentconditions3 0005101520253035402 5002 0001 5001 000500强度 Intensity/CPS2/()03 0005101520253035402 5002 0001 5001 000500强度 Intensity/CPS2/()03 0005101520253035402 5002 0001 5001 000500强度 Intensity/CPS2/()03 0005101520253035402 5002 0001 5001 000500强度 Intensity/CPS2/()0IamI002I040120 热处理120 浸渍-热处理IamI002I040160 热处理160 浸渍-热处理IamI002I040180 热处理180 浸渍-热处理IamI002I040140 热处理140 浸渍-热处理Heat treatment at 140 Impregnation-heat treatment at 120 Impregnation-heat treatment at 140 Heat treatment at 160 Heat treatment at 180 Impregnation-heat treatment at 160 Impregnation-heat treatment at 180 Heat treatment at 120 I002：002 晶面的最大衍射强度 Maximumdiffractionintensityofthe002crystalplane；Iam：非结晶背景衍射的散射强度 Scatteringintensityofnon-crystallinebackgrounddiffraction；I040：040 晶面的最大衍射强度 Maximumdiffractionintensityof040crystalplane图3不同处理条件下樟子松试样 X 射线衍射图Fig.3X-raydiffractogramsofMongolianscotspinetestmaterialunderdifferenttreatmentconditions128北京林业大学学报第46卷渍热处理材 XRD 图谱上没有新的衍射峰产生，说明氯化锌浸渍处理并未与试样发生反应产生新的结晶物质；浸渍热处理材与热处理材（002）衍射峰的位置均在 22.5附近，这说明两种处理方法对试样的结晶区没有产生影响，即晶层的距离没有发生变化34。根据试样的 XRD 图谱，通过软件分析可以得到表 6 中所示的相对结晶度。随着热处理温度的升高，试样的相对结晶度提高，热处理组和浸渍热处理组分别提高了 13.46%、14.27%。可能是在热处理过程中，半纤维素显著降解以及非结晶区纤维素之间醚键的不断生成，使得相对结晶度提高35。同一温度条件下，浸渍热处理组的相对结晶度更高，可能是氯化锌与半纤维素热处理降解产生的酸性物质共同形成了酸性环境，催化降解了非结晶区的微纤维，从而使相对结晶度进一步提高36。随着半纤维素和非结晶区的微纤维降解，吸收水分的游离羟基和水分的容纳空间减少，在宏观上表现为吸湿性的降低和尺寸稳定性的提高。2.4 能耗差异分析结合前文中热改性效果对比与拟合计算，以体积湿胀率为评价标准，在表 7 温度区间内对热处理设备工作过程中保温阶段的能耗差异进行分析。通过式（5）（8）计算可得热处理过程中的能耗。根据表 7 中的数据分析，在同一标准下，浸渍热处理组所需要的热处理温度较低，所产生的能耗也更低；热处理的温度随着评价标准的提高而增加，两组所需要的温度以及产生能耗差异逐渐增大，氯化锌溶液浸渍热处理联合改性减少的能耗从 1%增加到 10%。表6不同处理条件下樟子松试样的相对结晶度对比Tab.6ComparisonofrelativecrystallinityofMongolianscotspinesamplesunderdifferenttreatmentconditions项目Item热处理组Heattreatmentgroup浸渍热处理组Impregnation-heattreatmentgroup120140160180120140160180相对结晶度Relativedegreeofcrystallinity/%36.0541.2843.6449.5138.7742.0745.0853.04表7不同处理条件下通过干燥室壳体产生的能耗和产物排放Tab.7Energyconsumptionandproductemissionsthroughthedryingchambershellunderdifferenttreatmentconditions项目Item热处理组Heattreatmentgroup浸渍热处理组Impregnation-heattreatmentgroup120140160180120140160180体积湿胀率Volumewetexpansionratio/%3.53.22.82.63.53.22.82.6热处理温度Heattreatmenttemperature/120140160180118128143155能耗Energyconsumption/kJ374556412860451143489415370725389882418605441575标准煤Standardcoal/kg12.7814.0915.3916.7012.6513.3014.2815.07CO2产量CO2production/kg33.4836.9140.3343.7533.1434.8537.4239.48在“双碳”背景下，二氧化碳排放量已经成为评价能耗的重要指标。根据资料可知：我国规定每千克标准煤的热值为 29307.6kJ；同时，工业燃烧 1t 标准煤，就能够产生 2620kg 二氧化碳37。以此可将热处理中的能耗转化为二氧化碳排放量，通过对比计算发现：随着热处理温度的升高，减排效果逐渐明显，在表 7 温度区间下最高可以减少 10%左右的碳排放。3结