注蠟處理對(duì)6個(gè)樹種木材尺寸穩(wěn)定性的影響

關(guān) 健 呂 歡 曹永宏 伊松林

(1.北京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，木材科學(xué)與工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.亞振家具股份有限公司，上海 200436)

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注蠟處理對(duì)6個(gè)樹種木材尺寸穩(wěn)定性的影響

關(guān) 健1呂 歡1曹永宏2伊松林1

(1.北京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，木材科學(xué)與工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.亞振家具股份有限公司，上海 200436)

以尺寸規(guī)格為20 mm× 20 mm×20 mm的楸木、柚木、赤樺木、桃花心木、椴木、櫸木6個(gè)樹種的木材為試驗(yàn)材料，在烘箱溫度為130 ℃，處理時(shí)間分別為4 h和8 h的條件下，探究注蠟處理對(duì)試材尺寸穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：在相同的溫度和處理時(shí)間條件下，注蠟處理材的尺寸穩(wěn)定性要明顯優(yōu)于未處理材，在吸濕性測(cè)量中，注蠟材與素材相比，線濕脹率的降低幅度范圍在45.00 % ～ 93.29 %；對(duì)于不同樹種，注蠟處理對(duì)其木材尺寸穩(wěn)定性提高的幅度也有較大的差異，效果最好的為柚木。

木材注蠟；樹種；尺寸穩(wěn)定性

木材主要由纖維素、半纖維素和木素組成，在纖維素和半纖維素分子上存在著大量的羥基，使得木材內(nèi)部水分會(huì)隨著環(huán)境溫度和濕度的變化而發(fā)生變化，而木材內(nèi)部水分在解吸或吸濕過(guò)程中會(huì)使木材發(fā)生干縮濕脹，使得木材的各個(gè)方向隨木材含水率變化而不均勻脹縮，易產(chǎn)生翹曲、變形、開裂等缺陷，制約了木材的應(yīng)用范圍。因此，改善木材的尺寸穩(wěn)定性對(duì)木材的高效利用具有重要的意義[1]。為了提高木材的尺寸穩(wěn)定性，很多學(xué)者對(duì)木材進(jìn)行物理或化學(xué)處理，在一定程度上提高了木材尺寸的穩(wěn)定性[2-7]，但是，化學(xué)改性過(guò)程中化學(xué)改性劑的引入勢(shì)必對(duì)環(huán)境及人們的健康帶來(lái)一定的危害，且很難被消費(fèi)者接受。

注蠟技術(shù)是一種較新的木材改性方法，它在不損壞木材本身的前提下，以注入的方式將高分子合成蠟成功沁入木材內(nèi)部，從而將多余的水分排出，同時(shí)填充封閉木材的管孔和細(xì)胞間的間隙，達(dá)到既不降低木材力學(xué)性能，又能提高木材尺寸穩(wěn)定性的目的。因此，本研究就不同樹種間注蠟材與素材的尺寸穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究，為該技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選取尺寸為20 mm×20 mm×20 mm的赤樺木(Betulaalbosinensis)、椴木(Tiliaendochrysea)、櫸木(Zelkovaschneideriana)、楸木(Eusideroxylonzwageri)、桃花心木(Swieteniamacrophylla)、柚木(Tectonagrandis)等6個(gè)樹種木材為試驗(yàn)材料，其平均初含水率分別為：12%、11%、13%、7%、11%、18%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

干燥箱為上海一恒科技有限公司生產(chǎn)的電熱鼓風(fēng)干燥箱(DHG-9240A型)，溫控范圍為10 ～ 250 ℃，額定功率2 050 W。

恒溫恒濕箱為北京雅士林試驗(yàn)設(shè)備有限公司生產(chǎn)的恒溫恒濕試驗(yàn)箱(DHS-500)，溫度范圍0 ～ 150 ℃，控制精度為±2 ℃，濕度范圍30% ～ 98%，偏差2%～3%，總功率4 500 W。

電子天平為奧豪斯儀器(上海)有限公司生產(chǎn)的電子天平(AR124CN型)，最大稱量120 g，精度0.000 1 g。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 干燥處理 根據(jù)GB/T 1931—2009《木材含水率測(cè)定方法》[8]，將待處理試件放入溫度為(103 ± 2)℃的烘箱中干燥至絕干狀態(tài)。

1.3.2 注蠟處理

1) 取無(wú)明顯節(jié)子及可見缺陷，端面無(wú)毛刺，且含水率分布均勻的90個(gè)赤樺木試件，分成3組并編號(hào)，其中1組作為對(duì)照組。

2) 將高分子合成蠟放入溫度為130 ℃的烘箱內(nèi)進(jìn)行融化。

3) 當(dāng)高分子合成蠟融化后，將其余2組試件放入注蠟槽中，在烘箱溫度為130 ℃的條件下進(jìn)行注蠟處理，注蠟時(shí)間分別為4 h和8 h。

4) 注蠟完畢后用潔凈的鑷子將試件從注蠟槽中取出，繼續(xù)放置在干燥箱內(nèi)1 h，以除去殘留在試件表面的蠟液。

5) 以楸木、柚木、桃花心木、椴木和櫸木為試驗(yàn)試材，重復(fù)步驟(1)～(4)。

6) 每組試驗(yàn)重復(fù)3次，求平均值。

1.3.3 濕脹性測(cè)定 根據(jù)GB/T 1934.2—2009《木材濕脹性測(cè)定方法》[9]，在溫度為20 ℃，相對(duì)濕度65 %的條件下對(duì)處理材和對(duì)照組進(jìn)行吸濕性試驗(yàn)，并在蒸餾水中進(jìn)行濕脹性試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 注蠟處理對(duì)木材吸濕濕脹率的影響

不同處理時(shí)間下不同樹種吸濕過(guò)程中的徑向濕脹率、弦向濕脹率和體積濕脹率見圖1～3。

從圖1～3可以看出，6種木材吸濕趨勢(shì)大體相同，對(duì)于同一種樹種而言，在溫度相同的情況下，隨著注蠟時(shí)間的增加，徑向、弦向以及體積濕脹率均明顯下降，4 h處理材與素材相比的下降幅度較大；吸濕性測(cè)量中，徑向濕脹率、弦向濕脹率以及體積濕脹率降幅最大可達(dá)89.93 %、87.84、97.21 %，最小降幅也在45.00 %以上。這主要是由于注蠟過(guò)程是將高分子合成蠟注入到木材內(nèi)部纖維間隙、紋孔以及細(xì)胞腔內(nèi)，阻塞水分進(jìn)出的通道，此外，石蠟具有憎水基因，可包圍木材內(nèi)部的羥基，進(jìn)一步隔斷水分的移動(dòng)，有效地降低了木材的干縮濕脹。

另外，從圖1～3中還可以看出，8 h處理材與素材相比線濕脹率以及體積濕脹率下降幅度最大值分別為93.29 %、93.01 %、98.04 %，較4 h處理材下降幅度明顯減緩。這主要是由于試材經(jīng)過(guò)4 h的注蠟處理，木材內(nèi)的高分子合成蠟已經(jīng)含量很高，甚至在一些地方已經(jīng)達(dá)到飽和狀態(tài)，繼續(xù)延長(zhǎng)4 h的注蠟處理，蠟分子很難進(jìn)入木材內(nèi)部，且游離于木材表面的蠟分子形成了致密的高分子蠟層，外界的高分子合成蠟也很難突破表層的蠟進(jìn)入內(nèi)部。

2.2 注蠟處理對(duì)木材吸水濕脹率的影響

不同處理時(shí)間下不同樹種吸水過(guò)程中徑向濕脹率、弦向濕脹率、體積濕脹率見圖4～6。

從圖4～6可以看出，6種木材吸水的趨勢(shì)與吸濕過(guò)程類似，在相同樹種且溫度相同的情況下，隨著注蠟時(shí)間的增加，徑向、弦向以及體積濕脹率均明顯下降，4 h處理材與素材相比的下降幅度較大。吸水性測(cè)量中徑向濕脹率、弦向濕脹率以及體積濕脹率3者降幅的最大值分別為28.88 %、22.94 %、34.20 %。8 h處理材與素材相比線濕脹率以及體積濕脹率下降幅度最大值分別為51.01 %、33.66 %、43.40 %，較4 h處理材下降幅度也有減緩的趨勢(shì)。

另外，從圖1～6可以看出，在處理時(shí)間相同的情況下，不同樹種的尺寸穩(wěn)定性有很大的差異。吸濕性和吸水性測(cè)量結(jié)果表明，注蠟技術(shù)對(duì)于提高柚木的尺寸穩(wěn)定性有較好的效果，明顯優(yōu)于其他5種木材。在線濕脹率方面，桃花心木和楸木較為相似，在吸濕性測(cè)量中，2個(gè)樹種4 h處理材的徑向與弦向濕脹率與素材相比降低的幅度都在70%左右，8 h處理材降低的幅度在80%左右。余下的3種木材，在吸濕性測(cè)量線濕脹率方面，注蠟材尺寸穩(wěn)定性表現(xiàn)較好的是櫸木，赤樺木和椴木的試驗(yàn)結(jié)果相似，椴木4 h處理材的徑向與弦向濕脹率與素材相比降低的幅度達(dá)到40%以上，8 h處理材降低的幅度在50%以上，效果也很明顯。不同樹種的試材表現(xiàn)出不同的試驗(yàn)結(jié)果，這可能是由于木材內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響所致，柚木木纖維的最大弦向直徑明顯大于其他5種木材，約為359 μm，而椴木的較小，約為83 μm。

2.3 不同處理?xiàng)l件對(duì)木材增重率、增容率的影響

為了研究不同注蠟工藝條件對(duì)不同樹種吸收石蠟量的影響，不同處理時(shí)間下不同樹種的增重率、增容率見表1。

表1 不同處理時(shí)間不同樹種的增重率及增容率Tab.1 The weight gain rate and volume swelling rate of woods with different processing time

從表1可以看出，高分子蠟在不同樹種中的滲透能力區(qū)別較大。柚木注蠟材的增重率最低，椴木的增重率最大，但柚木注蠟材的尺寸穩(wěn)定性提高的幅度最大，椴木最小。說(shuō)明對(duì)于柚木而言，高分子石蠟在試材中的滲透性較小，進(jìn)入木材高分子合成蠟可以較好地分布在木材表面，有效阻止水分的進(jìn)出，在椴木中高分子石蠟的滲透性較好，留在試材表面的石蠟相對(duì)柚木而言較少，分布情況較差。

2.4 理論模型的建立

由于木材的向異性，使得木材吸濕或解吸后，不同方向尺寸發(fā)生的改變不一樣，其中弦向>徑向>縱向[10]，所以了解弦向尺寸變化對(duì)實(shí)際生產(chǎn)的意義最大。現(xiàn)將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行理論回歸，得到不同樹種在不同條件下吸濕過(guò)程中的尺寸變化圖(圖7)和尺寸變化理論模型。

各樹種尺寸變化理論模型如下：

赤樺木：s=4.088-0.602τ-0.05τ2+0.014τ3+ 0.000 488τ4-0.000 116τ5，R2=0.9326

椴木：s=3.476-0.602τ-0.05τ2+0.014τ3+ 0.000 488τ4-0.000 116τ5，R2=0.932 0

櫸木：s=4.644-0.602τ-0.05τ2+0.014τ3+ 0.000 488τ4-0.000 116τ5，R2=0.932 3

楸木：s=4.352-0.602τ-0.05τ2+0.014τ3+ 0.000 488τ4-0.000 116τ5，R2=0.932 3

桃花心木：s=5.600-0.602τ-0.05τ2+0.014τ3+ 0.000 488τ4-0.000 116τ5，

R2=0.9325

柚木：s=7.788-0.602τ-0.05τ2+0.014τ3+ 0.000 488τ4-0.000 116τ5，R2=0.932 1

式中：s表示濕脹率(%)。

從式中的相關(guān)系數(shù)可以看出，得到的模型能夠用于模擬6種樹種在不同條件下注蠟處理后的濕脹率，可以根據(jù)實(shí)際需要，選擇適當(dāng)?shù)臈l件得到所需的尺寸穩(wěn)定性，以節(jié)約能源，提高生產(chǎn)效率。

3 結(jié) 論

1) 注蠟技術(shù)可以顯著提高木材的尺寸穩(wěn)定性，與素材相比，注蠟材的尺寸穩(wěn)定性顯著提高，注蠟8 h與注蠟4 h的木材相比，濕脹率的減少量較小。

2) 不同樹種間注蠟材尺寸穩(wěn)定性提高的幅度有較大差別，柚木的尺寸穩(wěn)定性改善效果最好，而椴木的改善效果相對(duì)較小。

3) 高分子合成蠟在不同樹種間的滲透性差別很大，與石蠟在木材中增加的質(zhì)量相比，其分布程度更加重要。

4) 注蠟處理對(duì)不同樹種的處理效果差異明顯，因此對(duì)于不同樹種注蠟的最優(yōu)工藝需要進(jìn)一步研究。

[1] 張璧光, 高建民, 伊松林, 等. 實(shí)用木材干燥技術(shù)[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2005.

[2] 劉艷萍, 張洋, 江華, 木聚糖酶處理對(duì)麥秸纖維板尺寸穩(wěn)定性的影響[J]. 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012, 40(10): 128-130.

[3] 孫耀星, 劉一星. 輥壓浸漬處理大青楊木材的浸漬深度[J]. 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 35(11):32-33, 43. [4] Khalil H P S A, Amouzgar P, Jawaid M, et al. New approach to oil palm trunk core lumber material properties enhancement via resin impregnation[J]. Journal of Biobased Materials & Bioenergy, 2012, 6(3):299-308.

[5] 謝桂軍, 蘇海濤, 張燕君, 等. 不同油浴熱處理對(duì)馬尾松木材尺寸穩(wěn)定性影響的研究[J]. 廣東林業(yè)科技, 2008(5): 8-13.

[6] 史薔, 鮑甫成, 呂建雄,等. 熱處理對(duì)圓盤豆木材尺寸穩(wěn)定性的影響[J]. 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 31(7):24-28.

[7] 曲保雪, 祝彥忠, 孫照斌, 等. 三種季銨鹽防腐劑對(duì)木材尺寸穩(wěn)定性和材色的影響[J]. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2007,30(4): 46-49.

[8] 國(guó)家林業(yè)局. 木材含水率測(cè)定方法GB/T 1931—2009 [S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[9] 國(guó)家林業(yè)局. 木材濕脹性測(cè)定方法GB/T 1934.2—2009 [S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[10] 劉一星, 趙廣杰. 木質(zhì)資源環(huán)境學(xué)[M]. 北京:中國(guó)林業(yè)出版社, 2007.

(責(zé)任編輯 曹 龍)

Influence of Paraffin-Oil Impregnation on Six Species of Tree Dimensional Stability

Guan Jian1, Lü Huan1, Cao Yonghong2,Yi Songlin1

(1 .College of Materials Science and Technology，Beijing Forestry University，Key Laboratory of Beijing for Wood Materials and Engineering, Beijing 100083, China；2. Yazhen Furniture Co.，LTD, Shanghai 200436, China)

With dimension of 20 mm×20 mm×20 mm, six species of tree (Betulaalbosinensis,Tiliaendochrysea,Zelkovaschneideriana,Catalpafargesiif.duclouxii,Swieteniamacrophylla,Tectonagrandis) were treated for 4 h and 8 h in order to explore the influence of paraffin-oil impregnation on woods dimensional stability. The results showed that, under the conditions of the same temperature and treatment time, the dimensional stability of treated wood was significantly better than untreated one. In moisture measurement, the line swelling rate of treated wood was 93.29% lower than the control group, the minimum can reach more than 45%; for different species, there were big differences in the dimensional stability among the treated wood.Tectonagrandisis the most suitable for this method.

paraffin-oil impregnation; tree species; dimensional stability

2015-03-19

林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)(201404502)資助。

伊松林(1970—)，男，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：木材干燥與改性。Email：ysonglin@126.com。

10.11929/j.issn.2095-1914.2015.05.015

S781. 62

A

2095-1914(2015)05-0083-05

第1作者：關(guān)健(1988—)，女，碩士生。研究方向：木材干燥與改性。Email：gjbjfu@126.com。