栓皮櫟軟木膨化除雜工藝研究

趙涇峰，宋孝周，馮德君，雷亞芳，張英杰

(1 西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院，陜西 楊凌 712100;2 楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

栓皮櫟軟木膨化除雜工藝研究

趙涇峰1，宋孝周1，馮德君1，雷亞芳1，張英杰2

(1 西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院，陜西 楊凌 712100;2 楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

【目的】 研究軟木膨化除雜的影響因素，確立較優(yōu)的軟木膨化除雜工藝?！痉椒ā?采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)產(chǎn)自陜西、甘肅、湖北的栓皮櫟軟木的膨化除雜工藝進(jìn)行優(yōu)化?！窘Y(jié)果】 膨化壓力、保壓時(shí)間和預(yù)處理方式均是栓皮櫟軟木體積膨脹率和除雜率的主要影響因素，其中膨化壓力的影響達(dá)到極顯著水平，保壓時(shí)間和預(yù)處理方式的影響達(dá)到顯著或一般顯著水平。在試驗(yàn)范圍內(nèi)，栓皮櫟軟木較優(yōu)的膨化除雜工藝為膨化壓力0.9 MPa，保壓時(shí)間20 min，預(yù)處理方式為沸水蒸煮1 h，軟木厚度為15～20 mm。【結(jié)論】 在較優(yōu)工藝下膨化栓皮櫟軟木的體積膨脹率為 40.35%，除雜率為22.15%，可以獲得良好的膨化效果。

栓皮櫟軟木；膨化；除雜；工藝優(yōu)化

軟木來源于栓皮樹發(fā)達(dá)的樹皮,是一種珍稀資源。軟木具有的優(yōu)良特性促使人們對(duì)其利用向著附加值高的方向發(fā)展，特別是近幾年興起的軟木地板、軟木墻飾等高檔軟木裝飾制品，尤其受到消費(fèi)者的青睞，蘊(yùn)藏著很大的市場潛力[1-2]。我國栓皮櫟軟木以初生軟木為主，質(zhì)地硬、色澤深，且含有大量雜質(zhì)，嚴(yán)重影響了軟木的加工利用和產(chǎn)品質(zhì)量，因此軟木在加工利用前必須先進(jìn)行除雜處理，然后再進(jìn)一步制成各種軟木制品[3-5]。傳統(tǒng)的熱水蒸煮除雜法僅能除去部分溶于水的雜質(zhì)，對(duì)軟木層中的夾砂和夾雜不能有效去除；國內(nèi)外普遍采用的先粉碎再風(fēng)選、篩選的方法，雖除雜效果較好，但降低了軟木的利用率和裝飾價(jià)值；高溫膨化除雜法僅能除去軟木表面的部分雜質(zhì)，除雜效率低，且使軟木表面彈性降低，顏色變深，部分地改變了軟木的性能，影響了軟木的用途[6-9]。因此，目前的軟木除雜方法效果并不理想。為了達(dá)到軟木膨化除雜的目的，還應(yīng)探索軟木膨化除雜工藝以提高軟木的均質(zhì)性和彈性，改善軟木性能。

植物纖維蒸汽爆破法是利用高溫高壓熱蒸汽作用于纖維原料，并通過瞬間爆破過程實(shí)現(xiàn)纖維分離，該方法用于植物秸稈的膨化加工，拓展了植物纖維的利用空間[10-11]。Silva Carvalho[12]利用這一原理在密閉消毒容器中加入化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行了栓皮櫧軟木的熱化學(xué)膨脹試驗(yàn)，獲得了較好的體積膨脹效果，但該研究并未涉及軟木的除雜率。軟木來源于樹皮，又不同于一般的纖維材料，其細(xì)胞為特殊的密閉結(jié)構(gòu)，細(xì)胞壁無紋孔，無細(xì)胞間隙，胞間無毛細(xì)管作用，具有特殊的木栓脂成分，使軟木不透氣、不透水，在自然狀態(tài)下的吸濕性很小，軟木的含水率較低，其導(dǎo)熱性也很差[13-16]。目前，利用蒸汽爆破除去軟木雜質(zhì)的汽爆膨化方法，以及針對(duì)栓皮櫟軟木的膨化除雜尚未有報(bào)道。本研究以國產(chǎn)栓皮櫟軟木為對(duì)象，深入分析和研究其膨化除雜工藝的影響因素，旨在改善栓皮櫟軟木原材料的性能，提高產(chǎn)品的附加值，擴(kuò)大軟木的應(yīng)用范圍，為國產(chǎn)栓皮櫟軟木的加工利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

1.1.1 材 料 栓皮櫟軟木(Quercusvariabilis)：刨去內(nèi)皮和外層黑皮的軟木板，含水率6%～10%，密度0.2～0.36 g/cm3，分別產(chǎn)自陜西佛坪縣、甘肅天水市和湖北鄖縣，由陜西萬林有限公司和西安漢鑫科技股份有限公司提供。

1.1.2 試 劑 無水甲醇(分析純)，西安化學(xué)試劑廠產(chǎn)品，配成V(甲醇)∶V(水)=1∶3的甲醇水溶液備用。

1.2 儀器設(shè)備

電熱蒸汽膨化處理設(shè)備，運(yùn)行電壓為380 V，最大運(yùn)行功率為72 kW，額定工作壓力1.6 MPa，陜西東儀聯(lián)合電氣有限公司制造；另有DHG-9123A電熱鼓風(fēng)干燥箱和JA2003分析電子天平(1/1 000)等。

1.3 方 法

1.3.1 檢驗(yàn)指標(biāo)的確定 根據(jù)軟木膨化的目的，采用體積膨脹率和除雜率作為軟木膨化處理效果的檢驗(yàn)指標(biāo)[7-9]。體積膨脹率是指軟木在膨化前后的體積增大百分比；除雜率是在不破壞軟木組分的前提下脫落雜質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。處理前后的試件均以烘干質(zhì)量計(jì)。

1.3.2 試驗(yàn)方案的確定 綜合影響軟木膨化效果的因素，選擇膨化壓力、保壓時(shí)間、預(yù)處理方式和軟木厚度4個(gè)因素作為試驗(yàn)因素。通過單因素預(yù)試驗(yàn)，參考文獻(xiàn)[9,17]的工藝參數(shù)并考慮軟木膨化的目的等確定試驗(yàn)方案。根據(jù)預(yù)試驗(yàn)的結(jié)果，試驗(yàn)方案選擇正交試驗(yàn)，每個(gè)因素取3個(gè)水平，按照正交表L27(313)安排試驗(yàn)[18]，各因素水平見表1?？紤]企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)軟木墻飾的原料規(guī)格，將試件制成長度×寬度=40 mm×40 mm的軟木塊。

1.3.3 試驗(yàn)的實(shí)施 軟木膨化除雜試驗(yàn)工藝參考蒸汽爆破制漿技術(shù)[10-11]建立，將經(jīng)過預(yù)處理的軟木塊經(jīng)飽和水蒸汽加熱到一定壓力后，再保壓一段時(shí)間，處理結(jié)束后迅速釋放壓力(3 s內(nèi))，完成軟木膨化除雜過程。試驗(yàn)的工藝流程如圖1所示。將經(jīng)過蒸煮預(yù)處理的軟木塊，放入壓力爆破罐中，由蒸汽鍋爐通入飽和蒸汽于壓力爆破罐，并保壓一段時(shí)間后迅速卸壓，完成軟木的汽爆膨化過程。

由正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),進(jìn)行了27次試驗(yàn)。試驗(yàn)處理中每組試件準(zhǔn)備60個(gè)，從其中選取有效試件45個(gè)，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 栓皮櫟軟木體積膨脹率的影響因素

栓皮櫟軟木膨化除雜工藝的正交試驗(yàn)結(jié)果見表2，對(duì)軟木體積膨脹率的多因素方差分析結(jié)果見表3。從表3可以看出，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，影響軟木體積膨脹率的主要因素是膨化壓力。膨化壓力從0.7 MPa升高到0.8 MPa，軟木膨化的體積膨脹率隨壓力的升高平均減少14.93%；當(dāng)膨化壓力從0.8 MPa升高到0.9 MPa，體積膨脹率隨壓力的升高平均增加了23.52%，增幅較大。軟木細(xì)胞的膨脹主要是借助卸壓時(shí)軟木內(nèi)外形成的壓力差使水分汽化而膨脹，從而使軟木體積膨脹增大。因此適宜的膨化壓力為0.9 MPa。

注：F0.01(2,8)=8.65，F(xiàn)0.05(2,8)=4.46，F(xiàn)0.10(2,8)=3.11。當(dāng)F>F0.01時(shí)，用☆☆☆表示達(dá)極顯著水平；當(dāng)F0.05

Note:F0.01(2,8)=8.65，F(xiàn)0.05(2,8)=4.46，F(xiàn)0.10(2,8)=3.11.“☆☆☆” indicates extremely significant (F>F0.01)；“☆☆” indicates significant (F0.05

保壓時(shí)間是影響軟木體積膨脹率的次要因素。保壓時(shí)間從10 min延長到20 min，軟木的體積膨脹率平均增加了15.05%。軟木的滲透性和導(dǎo)熱性均較差，熱量和水分進(jìn)入軟木內(nèi)部比較困難。適當(dāng)延長保壓時(shí)間，有助于熱量和水分的進(jìn)入，并使水分獲得足夠的熱量而充分汽化，從而使軟木細(xì)胞也得到充分膨脹，軟木的體積膨脹率也就越大。因此適宜的保壓時(shí)間為20 min。

預(yù)處理方式也是影響軟木體積膨脹率的次要因素。未預(yù)處理的軟木體積膨脹率平均為30.96%，經(jīng)沸水蒸煮1 h預(yù)處理后再膨化的軟木體積膨脹率平均為 35.84%，較未預(yù)處理軟木的體積膨脹率增加了15.76%。因此可通過在膨化前對(duì)軟木進(jìn)行預(yù)處理以增加軟木中的水分，利用水分的汽化達(dá)到軟木膨化的目的。由此可知，適宜的預(yù)處理方式為沸水蒸煮1 h。

軟木厚度及各因素的交互作用對(duì)軟木體積膨脹率的影響都很小。綜合分析確定軟木體積膨脹率的較佳工藝條件為：厚度10 mm的軟木塊，經(jīng)沸水蒸煮1 h后在0.9 MPa壓力下保壓處理20 min。

2.2 栓皮櫟軟木除雜率的影響因素

對(duì)軟木除雜率進(jìn)行多因素方差分析，結(jié)果見表4。從表4可以看出，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，影響軟木除雜率的主要因素是膨化壓力。當(dāng)膨化壓力從0.7 MPa升高到0.8 MPa時(shí)，軟木膨化的除雜率隨膨化壓力的升高平均減少5.38%；當(dāng)膨化壓力從0.8 MPa升高到0.9 MPa時(shí)，除雜率隨膨化壓力的升高平均增加17.66%，增幅較大。因此適宜的膨化壓力為0.9 MPa。

保壓時(shí)間是影響軟木除雜率的次要因素。保壓時(shí)間從10 min延長到20 min，軟木除雜率平均增加14.66%。預(yù)處理方式也是影響軟木除雜率的次要因素，未預(yù)處理的軟木除雜率平均為18.7%，經(jīng)沸水蒸煮1 h預(yù)處理后再膨化的軟木除雜率平均為20.71%，較未預(yù)處理的軟木除雜率增加了10.75%。軟木的厚度及各因素的交互作用對(duì)軟木除雜率的影響都很小。因此適宜的保壓時(shí)間為20 min，適宜的預(yù)處理方式為沸水蒸煮1 h。

注：F0.01(2,6)=10.92，F(xiàn)0.05(2,6)=5.14，F(xiàn)0.10(2,6)=3.46。當(dāng)F>F0.01時(shí)，用☆☆☆表示影響達(dá)極顯著水平；當(dāng)F0.05

Note:F0.01(2,6)=10.92，F(xiàn)0.05(2,6)=5.14，F(xiàn)0.10(2,6)=3.46.“☆☆☆” indicates extremely significant (F>F0.01)；“☆☆” indicates significant (F0.05

綜合分析得到軟木除雜率的較佳工藝條件為：厚度15～20 mm的軟木塊，經(jīng)沸水蒸煮1 h后在0.9 MPa壓力下保壓處理20 min。

從上述分析可以看出，當(dāng)膨化壓力從0.7 MPa上升到0.9 MPa時(shí)，軟木體積膨脹率、除雜率均先降低后升高，在0.8 MPa時(shí)達(dá)到最低，其原因可能與0.8 MPa時(shí)的卸壓速度較慢有關(guān)。因?yàn)檐浤炯?xì)胞的膨脹主要是借助瞬間卸壓時(shí)在軟木內(nèi)外形成的壓力差，如果卸壓速度較慢，軟木內(nèi)外在瞬間未能形成較大的壓力差，則膨脹效果較差，因此0.8 MPa的卸壓速度如果低于0.7 MPa，有可能形成較小的壓力差，降低了體積膨脹率和除雜率，影響了膨化效果。

各試驗(yàn)因素對(duì)軟木體積膨脹率與除雜率的影響是一致的。一般情況下，軟木的體積膨脹率越大，雜質(zhì)脫落就越容易，除雜率也就越大。同時(shí)綜合試驗(yàn)因素的安全性和試驗(yàn)成本，確定軟木高溫膨化除雜的較佳工藝條件為：厚度15～20 mm的軟木塊，經(jīng)沸水蒸煮1 h后在0.9 MPa壓力下保壓處理20 min。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，在該較優(yōu)工藝下軟木的除雜率為22.15%，體積膨脹率為40.35%，均高于試驗(yàn)的平均值，膨化除雜效果良好。

3 結(jié) 論

1) 影響栓皮櫟軟木體積膨脹率和除雜率的主要因素是膨化壓力。當(dāng)膨化壓力升高到一定值后，膨化壓力越高，在瞬間卸壓時(shí)形成的壓力差越大，水分汽化越充分，體積膨脹就越大，軟木體積膨脹率和除雜率都會(huì)有大幅的提高。但為了試驗(yàn)的可操作性和設(shè)備的安全性，適宜的膨化壓力為0.9 MPa。

2) 保壓時(shí)間和預(yù)處理方式是影響栓皮櫟軟木體積膨脹率和除雜率的次要因素。軟木的含水率較低，滲透性和導(dǎo)熱性均較差，進(jìn)行預(yù)處理可以增加軟木的水分含量；適當(dāng)延長保壓時(shí)間，有助于熱量和水分的進(jìn)入，并獲得足夠的熱量而充分汽化，從而使軟木細(xì)胞得到充分膨脹，軟木的體積膨脹率和除雜率也就越大。但蒸煮和保壓時(shí)間不宜過長，以免使軟木表面顏色加深，適宜的預(yù)處理方式為沸水蒸煮1 h，保壓20 min。軟木的厚度對(duì)軟木體積膨脹率和除雜率的影響較小。

3) 綜合考慮試驗(yàn)?zāi)康模ㄆ弟浤九蚧s的較佳工藝為: 厚度15～20 mm的軟木塊，經(jīng)沸水蒸煮1 h后在0.9 MPa壓力下保壓處理20 min。該工藝是在有限的試驗(yàn)范圍內(nèi)對(duì)軟木原料改性處理的初步試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際還應(yīng)進(jìn)一步探索更好的工藝。

4) 對(duì)于質(zhì)量較差的國產(chǎn)栓皮櫟軟木，通過膨化除雜進(jìn)行性能改良，生產(chǎn)高科技含量和高附加值的軟木制品蘊(yùn)育著非常大的市場機(jī)遇，目前的研究才剛剛開始，需要大力開展栓皮櫟軟木原料改性方面的基礎(chǔ)理論研究，即充分利用先進(jìn)研究手段，通過對(duì)軟木物理化學(xué)特性、雜質(zhì)性能、膨化機(jī)理等的更深入研究，為栓皮櫟軟木膨化除雜的工業(yè)化生產(chǎn)和性能提高提供技術(shù)參數(shù)和理論依據(jù)。

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Expansion and impurity removal technology forQuercusvariabiliscork

ZHAO Jing-feng1,SONG Xiao-zhou1,FENG De-jun1,LEI Ya-fang1,ZHANG Ying-jie2

(1CollegeofForestry,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China;2YanglingVocation&TechnicalCollege,Yangling,Shaanxi712100,China)

【Objective】 The research studied the factors influencing expansion and impurity remove fromQuercusvariabiliscork to obtain the optimal technology.【Method】 Orthogonal experimental design was used to investigate the expansion and impurity removing technology forQ.variabiliscork from Shaanxi,Gansu and Hubei province.【Result】 Extrusion pressure,pressure holding time and pretreatment method were the main factors of cork volume expansion and impurity removal rate.Effect of extrusion pressure was extremely significant while effect of holding time and pretreatment method were significant or generally significant.In the experimental range,the optimal conditions were: expansion pressure 0.9 MPa,holding time 20 min,pretreatment with boiling water for 1 h,and thickness 15-20 mm.【Conclusion】 Under the optimal conditions,the volume expansion rate was 40.35% and impurity removal rate was 22.15%.

Quercusvariabiliscork;expansion;impurity removal;technology optimization

2013-12-17

陜西省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2011K01-27)；國家林業(yè)局林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201004011)

趙涇峰(1968-)，女，陜西涇陽人，副教授，博士，主要從事軟木性能及其加工利用研究。 E-mail：zhaojf928@nwsuaf.edu.cn

馮德君(1968-)，男，甘肅靖遠(yuǎn)人，副教授，主要從事木材及木材功能性改良研究。E-mail：mcyjsfdj@nwsuaf.edu.cn

時(shí)間:2015-04-13 12:59

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.05.001

S792.160.8；TS65

A

1671-9387(2015)05-0087-06

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150413.1259.001.html