云南松木材脫脂工藝的研究

劉 彬，邱 堅(jiān)，趙毅力，夏 炎*

(1．南京市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院，南京210019;2．西南林業(yè)大學(xué)材料工程學(xué)院，昆明650224;3．西南林業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，昆明650224)

云南松是云南省儲蓄量較大，分布較廣的針葉樹種，生長速度快，樹干通直，經(jīng)濟(jì)性好。云南松木材紋理清晰美觀，自然氣息濃郁，色淺，硬度適中，強(qiáng)度和彈性模量較大，制品經(jīng)久耐用［1-2］。松木家具不論在我國還是在西歐、北美、日本等地區(qū)都有很大的市場，但是松木的松脂含量較高，易導(dǎo)致木材變色、膠粘性能下降、漆膜附著力降低，且由于松脂的高含量，導(dǎo)致松木木材難于進(jìn)行改性處理，因此，常對松木木材進(jìn)行脫脂處理，以降低松木木材內(nèi)脂類化合物的含量，提高松木木材的實(shí)用價(jià)值［3-7］。

本文采用不同的藥劑與處理方案對云南松木材進(jìn)行脫脂處理，通過索氏抽提物含量、脫脂后木材對改性藥劑的載藥量、力學(xué)強(qiáng)度等綜合分析評價(jià)最佳的脫脂藥劑與處理方案，以期為云南松木材的脫脂，以及進(jìn)一步的改性處理提供理論依據(jù)與技術(shù)指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1．1 脫脂處理方案

實(shí)驗(yàn)以云南松木材為研究對象，利用化學(xué)藥劑對云南松木材進(jìn)行浸泡脫脂的方法。脫脂處理的實(shí)驗(yàn)方案共有4個(gè)因素:處理時(shí)間、預(yù)處理?xiàng)l件、藥劑濃度、脫脂藥劑。各因素對應(yīng)的水平分別為［8-11］:

處理時(shí)間:常溫常壓條件下處理3 h和6 h，2個(gè)水平。

預(yù)處理?xiàng)l件:先將云南松木材放在冷水中浸泡24 h，進(jìn)而升溫至70℃，保溫浸泡24 h。分為進(jìn)行預(yù)處理與不進(jìn)行預(yù)處理2個(gè)水平。

藥劑濃度:1%和2%，2個(gè)水平。

脫脂藥劑:NaOH、甲醇、NH4HCO3、乙醇，共4個(gè)水平。

實(shí)驗(yàn)采用正交實(shí)驗(yàn)L8(24×4)的設(shè)計(jì)方案，脫脂處理方案見表1。

表1 脫脂處理的正交實(shí)驗(yàn)方案Tab．1 Orthogonal experimental design of degreasing process

1．2 評價(jià)指標(biāo)與試件情況

實(shí)驗(yàn)以云南松木材為研究對象，實(shí)驗(yàn)前將木材加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣30 mm×20 mm×20 mm。每組脫脂處理的試件數(shù)目均為20個(gè)，處理后進(jìn)行烘干，每組取10個(gè)脫脂試件進(jìn)行索氏抽提，評價(jià)脫脂情況。每組取5個(gè)脫脂試件進(jìn)行改性處理，評價(jià)脫脂處理是否改善松木木材對于改性藥劑的吸收，改性藥劑為木材防腐劑。每組取5個(gè)脫脂試件進(jìn)行順紋抗壓強(qiáng)度的檢測，評定脫脂處理對于木材力學(xué)性質(zhì)的影響情況。

脫脂處理后在80℃條件下對木材試件進(jìn)行烘干，干燥至含水率為12%左右，干燥后粉碎成40～60目的木粉，再依據(jù)索氏抽提法對脫脂后的云南松木粉進(jìn)行有機(jī)溶劑的抽提，具體實(shí)驗(yàn)步驟、計(jì)算方法均按照《GB/T 2677．6-1994造紙?jiān)嫌袡C(jī)溶劑抽出物含量的測定》進(jìn)行［12-14］。

木材進(jìn)行脫脂處理后，對改性木材進(jìn)行力學(xué)性能的檢測，以分析比較脫脂處理對木材力學(xué)性質(zhì)的影響。檢測項(xiàng)目為順紋抗壓強(qiáng)度，這是因?yàn)轫樇y抗壓強(qiáng)度與其它力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)存在相關(guān)關(guān)系，是較為重要的強(qiáng)度指標(biāo)，因此本文選擇了順紋抗壓強(qiáng)度作為參考的力學(xué)性能參數(shù)，并同時(shí)與未脫脂處理的木材順紋抗壓強(qiáng)度對比，分析脫脂處理對云南松木材順紋抗壓強(qiáng)度的影響。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2．1 不同處理方案的脫脂效果

依照表1中的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行云南松木材的脫脂處理，處理后根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)索氏抽提法對松木木材中的含脂量進(jìn)行計(jì)算分析，進(jìn)而評價(jià)不同處理方案的脫脂效果。索氏抽提物含量為:

式中:G1為抽提前木粉絕干重，g;G2為抽提后木粉的絕干重，g。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 2677．6-1994計(jì)算得到脫脂處理后，松木木材中的含脂量情況購見表2。

表2 脫脂木材與對照試件的木材含脂率Tab．2 Resin content of treated Pinus SP．wood and untreated Pinus SP．wood

表2中對照試件為未經(jīng)脫脂處理的云南松木材，1～8分別為依照表1的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行脫脂處理的云南松木材。為判斷脫脂處理的優(yōu)選方案，再根據(jù)含脂率的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)的極差分析，依據(jù)含脂率低的程度分析較優(yōu)的因素及各因素對應(yīng)的較佳水平，分析結(jié)果見表3。

對于脫脂效果而言，處理方案為脫脂藥劑采用NaOH，進(jìn)行預(yù)處理，脫脂處理時(shí)間為6 h，濃度為1%，在這個(gè)處理方案之下，脫脂處理后的木材中含脂量最低，即脫脂程度最高。

表3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析Tab．3 Results of the orthogonal experiments

2．2 脫脂后松木木材對改性藥劑載藥情況的研究

木材進(jìn)行脫脂處理后，在80℃條件下對脫脂木材進(jìn)行烘干處理，烘至含水率12%左右，再將木材試件放在改性藥劑中在常溫常壓條件下進(jìn)行浸泡，浸泡時(shí)間為4 h，以分析脫脂處理是否能夠提高木材對于改性藥劑的載藥情況，改性藥劑為木材防腐劑，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 脫脂木材與對照試件的載藥情況Tab．4 Treatability for wood preservatives of treated Pinus SP．wood and untreated Pinus SP．wood

從表4中可以看出，云南松木材在經(jīng)過脫脂處理后，對于改性藥劑的載藥量明顯高于沒有經(jīng)過脫脂處理的對照試件，這說明脫脂處理可以有效去除木材中的脂類化合物，明顯改善木材對于改性藥劑的吸收情況。

再對載藥率的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)的極差分析，根據(jù)載藥率高的程度分析較優(yōu)的因素及各因素對應(yīng)的較佳水平，得到結(jié)果為脫脂藥劑采用NaOH，不進(jìn)行預(yù)處理，脫脂處理時(shí)間為3h，濃度為2%，在這個(gè)處理方案之下，脫脂處理后的木材對于改性藥劑的吸收程度最高。

分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，對脫脂率影響程度最高的實(shí)驗(yàn)因素為脫脂藥劑，在脫脂藥劑采用NaOH的水平下，脫脂處理后對改性藥劑的吸收情況最好。此外還可以得出，預(yù)處理?xiàng)l件/脫脂處理時(shí)間及藥劑濃度對于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響程度均要次于脫脂藥劑。對于預(yù)處理?xiàng)l件、處理時(shí)間和藥劑濃度，可以根據(jù)指標(biāo)重要性的原則進(jìn)行選擇，如果處理目的僅為脫除脂類化合物，則可以依據(jù)脫脂率低的優(yōu)選處理方案;如果處理目的為提高松木對于改性藥劑的吸收，則可以依據(jù)載藥率高的優(yōu)選處理方案。

2．3 脫脂后松木木材的力學(xué)性能測試

木材進(jìn)行脫脂處理后，對改性木材進(jìn)行力學(xué)性能的檢測，以分析脫脂處理對木材力學(xué)性質(zhì)的影響。檢測項(xiàng)目為順紋抗壓強(qiáng)度，這是因?yàn)轫樇y抗壓強(qiáng)度與其它力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)存在相關(guān)關(guān)系，是較為重要的強(qiáng)度指標(biāo)，因此本文選擇了順紋抗壓強(qiáng)度作為考慮的力學(xué)性能參數(shù)。測量結(jié)果見表5和如圖1所示。

表5 脫脂木材與對照試件抗壓強(qiáng)度的平均值Tab．5 Averages of compressive strength of treated Pinus SP．wood and untreated Pinus SP．wood

圖1 脫脂木材與對照試件的抗壓強(qiáng)度Fig．1 Compressive strength of treatedPinus SP．wood and untreated Pinus SP．wood

從圖1中可以看出，經(jīng)脫脂處理后松木木材順紋抗壓強(qiáng)度并沒有出現(xiàn)明顯的下降，甚至有的脫脂木材抗壓強(qiáng)度高于對照試件，這可能是因?yàn)槟静淖陨砩锊町愋缘脑颍舱f明了脫脂處理沒有顯著影響木材的抗壓性能，脫脂處理后木材還保持了自身的力學(xué)性質(zhì)，不會(huì)對后面的加工、使用產(chǎn)生不良影響。

3 結(jié)論

(1)利用索氏抽提法對脫脂處理后松木木材中的含脂率進(jìn)行計(jì)算分析，對于脫脂效果而言，較佳的工藝是脫脂藥劑為NaOH，進(jìn)行預(yù)處理，浸泡處理時(shí)間為6h，濃度為1%，在這個(gè)處理方案之下，脫脂處理后的木材中含脂量最低，即脫脂效果相對最好。

(2)云南松木材脫脂處理后再進(jìn)行改性處理，對于改性藥劑的載藥率，較佳的脫脂方案是藥劑為NaOH，不進(jìn)行預(yù)處理，脫脂處理時(shí)間為3h，濃度為2%，在這個(gè)處理方案之下，脫脂處理后的木材對于改性藥劑的吸收程度最高。

綜合分析脫脂效果和松木木材對于改性藥劑的吸收情況，可以得出脫脂藥劑采用NaOH的處理效果最好。對于預(yù)處理?xiàng)l件、處理時(shí)間和藥劑濃度，可以根據(jù)指標(biāo)重要性的原則結(jié)合實(shí)際應(yīng)用目的進(jìn)行選擇。

(3)木材順紋抗壓強(qiáng)度測定表明脫脂處理沒有顯著影響木材的抗壓性能，脫脂處理后木材能夠保持自身的力學(xué)性質(zhì)，不會(huì)對后面的加工、使用產(chǎn)生不良影響。

［1］秦麗紅，劉曉玲，藍(lán)柳鳳，等．細(xì)葉云南松天然林和人工林的生材性質(zhì)研究［J］．西北林學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，30(3):217-223．

［2］鐵筱睿．關(guān)于云南松的生長特性分析研究［J］．中國農(nóng)業(yè)信息，2015(5):51．

［3］于惠銘，李鳳江．對興安落葉松原條造材增值的探討［J］．森林工程，2002，18(3):7-8．

［4］李 堅(jiān)．木材保護(hù)學(xué)［M］．哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué)出版社，1999．

［5］俞 津．松木的脫脂改性處理及應(yīng)用［J］．家具，2012(2):97-99．

［6］李 媛，彭萬喜，吳義強(qiáng)，等．國內(nèi)外松木脫脂技術(shù)的研究現(xiàn)狀與趨勢［J］．湖南林業(yè)科技，2006，33(3):99-100．

［7］楊 霞，劉 元．松木脫脂技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］．廣西輕工業(yè)，2008(11):18-20．

［8］衛(wèi)佩行，周定國．堿性脫脂處理對馬尾松單板表面特性的影響［J］．浙江農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，29(5):778-782．

［9］張志文，陳廣元．水煮處理對松木樹脂移動(dòng)及分布影響研究［J］．森林工程，2011，27(2):38-40．

［10］余夢潔．微爆破預(yù)處理對落葉松干燥及脫脂效果的影響［D］．北京:北京林業(yè)大學(xué)，2012．

［11］齊華春，朱 志，劉一星，等．落葉松高溫高壓脫脂后的顏色和涂飾性能［J］．中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，33(12):135-139．

［12］龔明星，程瑞香，宋羿彤，等．木材無機(jī)改性的方法［J］．森林工程，2013，29(1):65-68．

［13］張志文，陳廣元．高溫高濕處理對落葉松鋸材樹脂脫除及分布影響分析［J］．森林工程，2011，27(3):61-63．

［14］GB/T 2677．6-1994，造紙?jiān)嫌袡C(jī)溶劑抽出物含量的測定［S］．北京，中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1994．