前處理與后處理對木材糠醇浸漬中可滲透性的影響

羅朋朋 斯澤澤 程若愚等

摘要[目的]探討不同處理木材低壓糠醇浸漬改性的效果。[方法]以橡膠木為研究對象，探討預汽蒸、預水煮處理以及后靜置對糠醇浸漬木材滲透性的影響。[結果]水煮時間越長、溫度越高，滲透效果越好，以6 h，75 ℃的水煮處理效果為佳；汽蒸處理也可較好地改善糠醇的滲透效果，尤以4 h、126 ℃的汽蒸效果為佳；后靜置工藝可以顯著提高糠醇在木材中的滲透性。此外，浸漬面積比與糠醇改性木材增重率有明顯的線性關系，增重率越大，浸漬面積比越大。[結論]預汽蒸、預水煮和后靜置均能提高糠醇在橡膠木內的滲透性。

關鍵詞糠醇；滲透性；水煮；汽蒸；后靜置

中圖分類號S781.7文獻標識碼A文章編號0517-6611（2016）04-224-03

Effects of Pre and Posttreatments on the Permeability of Furfuryl Alcohol in Rubberwood

LUO Pengpeng， SI Zeze， CHENG Ruoyu， CHEN Taian* et al （College of Materials Engineering， Southwest Forestry University， Kunming， Yunnan 650224）

Abstract[Objective] To discuss the permeability of furfuryl alcohol in rubberwood under low pressure in different treatments. [Method] With rubberwood as the research material， we researched the effects of presteaming， preboiling and postplacement treatments on rubberwood immersion in furfuryl alcohol. [Result] Longtime boiling and high temperature led to good infiltration effects，especially the 6 h and 75 ℃ boiling. Steaming treatment could effectively improve the infiltration effects， especially the 4 h and 126 ℃ steaming.Besides， postplacement treatment significantly enhanced the permeability of furfuryl alcohol in rubberwood. At the same time， soaking area had significant linear relationship with weight gain rate of furfuryl alcohol. [Conclusion] Presteaming， preboiling and postplacement treatments all enhance the infiltration effects of furfuryl alcohol in rubberwood.

Key wordsFurfuryl alcohol； Permeability； Water boiling； Steaming； Postplacement

云南是我國橡膠的主要產區之一， 每年約有 2萬hm2的橡膠林進行更新[1]。橡膠樹屬大戟科橡膠樹屬的一種喬木，其樹汁是天然橡膠最主要來源，其木材力學性質較優，常用于家具制造，但因其含糖分多，易變色、腐朽和蟲蛀，自然條件下伐倒后極易腐蝕變質，因此加工和利用具有一定的局限性。糠醇（C5H6O2）是一種低分子量化學藥劑，有毒，易溶于水和乙醇等有機溶劑，可用玉米棒、甘蔗渣等生物質材料作原料制取[2]，屬于可再生資源。生命周期評價測試顯示，糠醇樹脂改性木材在使用及廢棄過程中對環境友好，對人畜幾乎無毒害作用[3]。國外研究表明，糠醇樹脂改性技術可顯著增強木材抗生物侵蝕性，提高尺寸穩定性，降低平衡含水率，增加木材表面硬度[4]。

近年來改性木材越來越受到人們重視，而提高其滲透性成為改性木材的一大技術難題。目前是將木材流體滲透性作為一個重要的物理力學指標進行了系統和深入的研究[5-6]，而在增加木材流體滲透性手段方面做的工作相對較少，浸漬過程和效果難以控制，從而影響木材改性技術的推廣應用[7]。1.0 MPa及其以上的高壓力是浸漬改性中常用的工藝參數，它可以顯著提高改性劑的注入量，然而這并不能解決改性劑在木材內部是否均勻分布的問題，同時改性設備的投資成本和運行安全性也需重點考慮。浸漬改性不僅與工藝有關，還與改性劑、木材性質有關。對于糠醇改性研究，重點應在提高木材的糠醇可滲透性和其他工藝環節的優化。為此，筆者以0.4 MPa的低壓力浸漬橡膠木，通過浸漬前木材的汽蒸和水煮處理以及浸漬后的靜置工藝，探究木材低壓糠醇浸漬改性的效果。

1材料與方法

1.1試驗材料橡膠木產自云南景洪，含水率為12%～15%，尺寸為2 000 mm×75 mm×20 mm，加工成試驗所需的200 mm×75 mm×20 mm，備用。

主劑：糠醇，化學純，由上海金山亭新化工試劑廠提供，淡黃色液體，糠醇體積分數≥98%；催化劑：馬來酸酐，分析純，由阿拉丁試劑（上海）有限公司提供；穩定劑：硼酸，分析純，由天津市風船化學試劑科技有限公司提供。

1.2橡膠木預處理所有試件以防水玻璃膠進行端封處理。水煮處理在水浴箱中進行，溫度分別為75 ℃和91 ℃（受限于昆明高海拔），處理時間分別為2、4和6 h。汽蒸處理在立式壓力蒸汽滅菌鍋中進行，溫度分別為105 ℃和126 ℃，處理時間分別為2、4和6 h。將預處理試件室內自然晾干后，放入烘箱干燥獲得絕干質量，之后再在室內自然調節水分至穩定。預處理試件共分12組，每組5個；后靜置工藝處理組與對照組各10個試件。

1.3木材改性工藝

1.3.1糠醇處理液配制。浸漬液中主劑糠醇與催化劑馬來酸酐質量比為1∶0.06，糠醇濃度為75%，穩定劑硼酸用量為主劑的1%。

1.3.2加壓浸漬。參照國內工藝[1]，采用滿細胞法，將加工好的試件置于真空加壓浸漬罐中，先抽真空30 min，利用負壓加入配制好的糠醇溶液，然后進行加壓工藝，壓力為0.4 MPa，時間1 h，加壓完成后進行后真空15 min。

1.3.3后靜置處理。后靜置處理時，用透明塑料將浸漬試件包裹，室內靜置5 h。

1.3.4固化干燥。汽蒸、水煮處理以及后靜置試件用鋁箔紙包裹，置于103 ℃烘箱內固化3 h，待糠醇樹脂固化后去除鋁箔紙，再將試件在60 ℃下干燥2 h去縮合水，再在103 ℃下烘至絕干[4]。

1.4浸漬可滲透性評價以糠醇化木材的增重率、浸漬面積比來表征改性劑在木材內的滲透能力。增重率（WPG）計算公式如下：

WPG=（M0-m0）/m0×100%（Ⅰ）

式中，M0為浸漬固化后試件的絕干質量（g）；m0為浸漬前試件的絕干質量（g）。

將試件從中間截斷，掃描圖片后，利用軟件測算相關面積，以未浸漬的面積占整個橫斷面的比例來計算浸漬面積比（IAP）公式如下：

IAP=（S0-S1）/S0×100% （Ⅱ）

式中，S0為浸漬固化后試件中部斷面面積（μm2）；S1為浸漬固化后試件中部斷面未浸漬到的面積（μm2）。

2結果與分析

2.1水煮處理對糠醇改性木材滲透性的影響由圖1可知，水煮處理可以提高糠醇改性木材的滲透性。無論是改性木材的WPG，還是IAP相對于未作處理的對照組都有一定的提高。處理的時間越長，改性木材的WPG、IAP越大。75 ℃，水煮2 h，改性木材的WPG增加最少，是對照組的1.03倍，IAP是對照組的1.19倍；91 ℃，水煮6 h，改性木材的WPG增加最多，是對照組的1.38倍，IAP是對照組的1.27倍。隨著水煮時間的延長，改性木材的WPG、IAP增加幅度有所減小。水煮處理的溫度越高，改性木材的滲透效果越好。注：圖中0 h對應數據為未作處理試件的WPG、IAP值，下同。

2.2汽蒸處理對糠醇改性木材滲透性的影響由圖2可知，汽蒸處理改性木材的WPG和IAP隨溫度、時間的變化呈現不同的變化。105 ℃汽蒸處理隨時間的增加，改性木材的WPG與IAP未出現增加的趨勢，只有當處理時間達到6 h時，糠醇改性木材的WPG與IAP才接近對照組，在2、4 h的汽蒸處理時間下，改性木材的WPG、IAP要差于對照組。126 ℃汽蒸處理改性木材的WPG、IAP呈先上升后下降的趨勢，4 h汽蒸處理改性木材的浸漬效果最佳，此時改性木材的WPG是對照組的1.15倍，IAP是對照組的1.43倍。圖2汽蒸105 ℃（a）、126 ℃（b）處理對木材糠醇滲透性的影響

2.3后靜置工藝對糠醇改性木材滲透性的影響浸漬后，木材內部糠醇分布不均勻，直接進行固化干燥會導致糠醇樹脂多存在于木材表層。經過浸漬后的糠醇化木直接固化干燥的浸漬效果較差，而增加自然靜置工藝（后靜置）后的糠醇化木浸漬效果有顯著提高，結果如表1所示。

由表1可見，經過5 h后靜置處理的糠醇改性木材WPG是對照組1.66倍，與之相對應的IAP也顯著提高，端面86.10%的面積被糠醇浸漬，較對照組增大近1倍。分析其原因，可能由于浸漬后木材內部還存在一定的濃度差，改性劑多囤積于木材表層，未能進入內部，立即進行固化干燥直接導致糠醇反應變為固態；而經過后靜置處理的木材，改性劑在內外層濃度梯度的作用下，以分子擴散的方式逐漸滲入木材內部，固化后木材內部可見一定量的糠醇樹脂；木材的材性對糠醇浸漬效果有一定影響，從表1可以看出邊材的WPG、IAP要高于心材，尤其是在WPG、IAP較大時這一差異更加明顯。

2.4糠醇改性木材IAP與WPG關系WPG取值范圍為10.82%～64.73%，IAP取值范圍為10.39%～100%，共78組，WPG與IAP的測定系數R2=0.757 1。由圖3可知，WPG與IAP有明顯的線性關系，隨著WPG的增加，試件中心斷面IAP也在增加。

2.5三種預處理方式對糠醇改性木材滲透性影響的比較通過水煮、汽蒸、后靜置3種預處理方式提高改性木材的滲透性，結果表明3種預處理方式不同程度地提高了糠醇改圖4不同處理方式的效果對比

性木材的滲透性。圖4為3種預處理改性木材WPG、IAP的比較，其中水煮和汽蒸處理對應的值為相同溫度下不同時間最佳的浸漬效果。3種預處理工藝中，后靜置工藝對滲透性提高效果最明顯；汽蒸105 ℃、6 h處理的效果與對照組相似，是3種預處理工藝中滲透性能最差的1種；汽蒸126 ℃、4 h處理改性木材的滲透性顯著提高；2種溫度下水煮處理6 h的IAP差異性不大。

安徽農業科學2016年由圖5明顯可以看出后靜置工藝浸漬效果最優；在水煮、汽蒸2種工藝條件下，以汽蒸126 ℃浸漬的整體效果最好。含有心材的試件，其心材部位很難浸住，圖中部分試件發白部位即心材。

3結論與討論

（1）水煮處理、汽蒸處理和后靜置處理均可提高糠醇改性木材的滲透性。從時間和溫度來看，水煮處理溫度越高，時間越長滲透性改善的程度越好，但汽蒸處理不具有此規律。苗平等[8]研究表明隨著汽蒸處理溫度的提高，木材滲透性有較大提高，汽蒸處理時間對不同木材滲透性的影響有所不同。該研究汽蒸處理下改性木材的IAP呈現不同的變化趨勢，與國內學者關于汽蒸處理提高木材滲透性的結論有差異。4 h是汽蒸處理變化的關鍵點，但是不同溫度下變化趨勢相異，筆者猜測不同溫度下的汽蒸處理對橡膠木的內部結構有一定的影響，需要在今后的研究中確定其原因。增加改性木材滲透性水煮處理較優條件為6 h、75 ℃，汽蒸處理較優條件為4 h、126 ℃。

（2）WPG是衡量糠醇化木材性能的重要指標。Epmeier等[9]研究表明，WPG為48%的改性樟子松在65%的相對濕度下邊材密度增加了36%，抗濕脹系數達到40%～70%；Lande[10]發現改性木材的尺寸穩定性與WPG呈正比；Lande[11]研究還表明，WPG大于35%的糠醇化木，在地面接觸使用條件下質量損失小于銅鉻砷（CCA）處理樣品。在此基礎上，筆者探討了IAP與WPG的關系。在今后的試驗中，可以以WPG為標準初步判定IAP的效果。

（3）3種方式不同程度地提高了木材的滲透性。在木材工業中，筆者認為后靜置工藝較優，只需將浸漬好的木材放置一段時間，較汽蒸、水煮工藝簡化工藝程序，減少人力和物力。從IAP可知，后靜置工藝試件斷面顏色較均勻，但有部分試件未能浸染完全，所以在后靜置工藝方面有待更加全面的研究。3種工藝中，板材類型對后靜置工藝影響較大，心（邊）材WPG、IAP差異明顯，建議工廠在改性木材時盡量避免含心材的板材。

參考文獻

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