一種熱處理木材力學強度的預測方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及近紅外光譜技術，特別涉及一種熱處理木材力學強度的預測方法。
【背景技術】
[0002] 木材具有紋理美觀、加工方便等優(yōu)點，同時，木材也具有易變形、發(fā)生腐朽等各種 缺陷。使用時、特別是在戶外使用時必須要對木材進行功能性改良。木材的功能性改良目 前普遍通過化學處理的方法，使用各種木材防腐劑浸透進入木材，以達到防止腐朽及提高 木材尺寸穩(wěn)定性的目的。然而，各種化學處理方法處理的木材，在戶外使用時暴露在自然環(huán) 境中，會導致木材有效保護成分的流失，導致性能降低，同時，流失后的木材防腐劑等木材 保護成分因含有銅、砷、鉻的重金屬以及有毒有害物質，對環(huán)境的危害極大。熱處理方法是 一種綠色環(huán)保的木材保護改性方法。
[0003] 熱處理木材具有良好的尺寸穩(wěn)定性和耐腐、抗蟻性能，廣泛應用于戶外庭園、墻體 外壁等景觀設計。然而，熱處理木材因木材自身的化學組分熱降解，強度降低，是熱處理木 材在實際使用過程中設計人員普遍關注的問題。實現(xiàn)簡單快速的評價熱處理木材力學強度 的變化，對于木材熱處理技術的開發(fā)以及設計人員的合理應用具有重要的實際指導意義。
[0004] 近紅外光譜技術是指波長介于可見光（VIS)與中紅外光（IR)之間的電磁波，ASTM 將近紅外譜區(qū)定義為780nm-2526nm(12800-3960〇1^)。近紅外譜區(qū)主要體現(xiàn)基頻2000CHT 1 以上的基團信息，其中以含氫基團為主，包括C-H(甲基、亞甲基、甲氧基、羧基、芳基等）、羥 基0-H、巰基S-H、氨基N-H(伯胺、仲胺、叔胺和銨鹽）等；也有其他一些基團的信息（如C =C、C = 0 等）。
[0005] 熱處理木材常伴隨著化學組分的變化，通過對熱處理木材的近紅外光譜采集，應 用主成分分析法及化學計量法等手段，建立熱處理木材化學組分差異與其光譜學特征的對 應關系（數(shù)學預測模型），即能實現(xiàn)對熱處理木材力學性質進行預測。該技術具有操作簡 單、分析速度快、樣品不需預處理、操作簡單、無污染等特點。

【發(fā)明內容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種熱處理木材力學強度的預測方法，該預測方法包括基于 近紅外光譜的熱處理木材力學強度的數(shù)學模型的構建方法和用該數(shù)學模型進行預測兩部 分。
[0007] 基于近紅外光譜的熱處理木材力學強度的數(shù)學模型的構建方法是利用近紅外光 譜分析技術，通過采集熱處理木材的近紅外光譜信息，結合實驗測量獲得的木材力學強度 實測值，將二者結合起來建立數(shù)學預測模型，通過該模型對熱處理木材的力學強度進行快 速預測。
[0008] 近紅外光譜技術不同于其他常規(guī)分析方法，不能通過觀察樣品譜圖特征或測量樣 品譜圖參數(shù)直接進行定性或定量分析，必須與化學計量學相結合，充分提取光譜中的有效 信息，提高光譜信息的利用率。
[0009] 化學計量學（Chemometrics)是一門獨立的化學分支學科，它把數(shù)學、統(tǒng)計學和形 式邏輯學原理，應用在設計或選擇優(yōu)化實驗過程，通過分析化學數(shù)據(jù)提高最大限度的相關 化學信息，并能獲得有關化學系統(tǒng)的知識。
[0010] 為達到上述目的，具體采用如下的技術方案：
[0011] 基于近紅外光譜的熱處理木材力學強度的數(shù)學模型的構建方法，包括以下步驟：
[0012] (1)將木材處理成纖維方向為300~380mm，半徑方向為18~20mm，弦切方向為 18~20mm的木條，木條各面平整；
[0013] (2)將處理好的木塊部分或全部進行熱處理；
[0014] (3)測定木條的破壞載荷；
[0015] (4)取進行過破壞載荷后的木條，在靠近破壞處截取18~20mmX 18~ 20mmX 18~20mm的木塊，測定木條的含水率；根據(jù)破壞載荷和含水率得到木條的抗彎強度 和抗彎彈性模量；
[0016] (5)取步驟（4)的進行過含水率測定后的木條，采集木條橫切面、徑切面或弦切面 的近紅外光譜信息；
[0017] (6)建立抗彎強度或/和抗彎彈性模量數(shù)學定量模型：對橫切面、徑切面或弦切面 近紅外光譜信息進行預處理，取預處理后的橫切面、徑切面或弦切面近紅外光譜信息中的 任意一種與步驟（4)得到的抗彎強度或/和抗彎彈性模量，應用OPUS軟件，聯(lián)立，采用化學 計量學的方法，對數(shù)據(jù)信息進行處理歸納，得到抗彎強度或/和抗彎彈性模量的數(shù)學定量 模型。
[0018] 本發(fā)明的技術方案中，具體的，步驟（1)所述木材為南方松、樟子松等常見建筑裝 飾用木材。
[0019] 為了使建立的模型具有更好的預測性，步驟（1)中的木條為長方體，個數(shù)不小于 40根，優(yōu)選的個數(shù)為80~100根。
[0020] 優(yōu)選的，為了測試較為精確可靠的木材力學強度，步驟（1)將木材處理成纖維方 向300mm，半徑方向20mm，弦切方向20mm的木條。所述纖維方向、半徑方向和弦切方向與本 領域的常規(guī)規(guī)定相同。
[0021] 步驟（2)進行熱處理的設備選取電鼓風式烘干箱，步驟（2)中的熱處理可根據(jù)實 際情況進行選擇，在本申請中所述熱處理為120°C X4h、180°C X4h、220°C X4h三種方式中 的一種或幾種。
[0022] 步驟（2)可將處理好的木塊部分或全部進行熱處理，其中最佳的實施方式為， 將處理好的木塊平均分為四部分，其中一部分不經(jīng)過熱處理，剩余的三部分分別進行 120°C X4h、180°C X4h、220°C X4h 熱處理。
[0023] 需要說明的是，雖然本發(fā)明的熱處理方式為上述三種中的一種或幾種，但通過本 發(fā)明建立的熱處理木材力學強度的數(shù)學定量模型能得到經(jīng)各種溫度熱處理后的木材的力 學強度。
[0024] 優(yōu)選地，為了使建立的模型可以被廣泛的應用于木材結構建筑等領域，步驟（3) 中木條的破壞載荷按照GB/T 1936. 1-2009《木材抗彎強度試驗方法》和GB/T 1928-2009 《木材物理力學試驗方法總則》的要求進行測定。
[0025] 優(yōu)選地，為了充分獲取木材的近紅外譜圖信息，取進行過木條破壞載荷后的木條， 在靠近破壞處截取20mmX 20mmX 20mm的木塊，按照GB/T 1931-2009《木材含水率測定方 法》）測定木材含水率。
[0026] 根據(jù)破壞載荷和含水率計算木條的抗彎強度為本領域的常規(guī)技術手段。
[0027] 步驟（5)的具體操作為：取步驟（4)進行過含水率測定后的木條，利用德國布魯克 帶有RT-PbS檢測器，內置鍍金漫反射積分球的MPA型傅立葉變換近紅外光譜儀，應用OPUS 7. 2軟件，采用積分球漫反射模塊采集木塊橫切面、徑切面或弦切面的近紅外光譜信息，譜 圖與木條編號一一對應；優(yōu)選地，步驟（5)采集木條橫切面的近紅外光譜信息。
[0028] 具體的，步驟（6)中橫切面近紅外光譜信息的預處理方法為利用OPUS軟件對橫 切面的近紅外光譜數(shù)據(jù)進行一階導數(shù)和矢量歸一化預處理，選取譜區(qū)范圍，9-17點平滑處 理，3-10個主成分數(shù)，運用偏最小二乘法和交叉檢驗方法；優(yōu)選地，為利用OPUS軟件對橫切 面的近紅外光譜數(shù)據(jù)進行一階導數(shù)和矢量歸一化預處理，選取譜區(qū)范圍，17點平滑處理，10 個主成分數(shù)，運用偏最小二乘法和交叉檢驗方法。
[0029] 步驟（6)中徑切面近紅外光譜信息的預處理方法為：對徑切面的近紅外光譜數(shù)據(jù) 進行矢量歸一化預處理，選取譜區(qū)范圍，9-17點平滑處理，3-10個主成分數(shù)，運用偏最小二 乘法和交叉檢驗方法；優(yōu)選地為，對徑切面的近紅外光譜數(shù)據(jù)進行矢量歸一化預處理，選取 譜區(qū)范圍，17點平滑處理，9個主成分數(shù)，運用偏最小二乘法和交叉檢驗方法。
[0030] 步驟（6)中弦切面近紅外光譜信息的預處理方法為：對弦切面的近紅外光譜數(shù)據(jù) 進行一階導數(shù)和矢量歸一化預處理，選取一定的譜區(qū)范圍，9-17點平滑處理，3-10個主成 分數(shù)，運用偏最小二乘法和交叉檢驗方法；優(yōu)選地，對弦切面的近紅外光譜數(shù)據(jù)進行一階導 數(shù)和矢量歸一化預處理，選取譜區(qū)范圍，17點平滑處理，3個主成分數(shù)，運用偏最小二乘法 和交叉檢驗方法。
[0031] 通過三個切面進行比較發(fā)現(xiàn)，橫切面建立的模型決定系數(shù)、