不同溶劑抽提對杉木聲學振動性能的影響?

武亞峰 黃文娟 趙紫劍 何正斌 伊松林

杉木[Cunninghamia lanceolata(Lamb.)Hook. ]是我國特有的速生材樹種，分布較廣，是我國重要的樹種之一[1]。其生長速度較快，紋理通直，有香味，密度較小且具有良好的振動性能，因此被廣泛應用于建筑、家具、樂器等[2]。杉木聲學振動性能的好壞直接決定了其制作樂器質(zhì)量的優(yōu)劣。為了能夠制作出優(yōu)質(zhì)的樂器，研究合理的工藝處理方法來提高杉木的聲學振動特性則具有了非常現(xiàn)實的意義[3]。木材的抽提物可影響木材的聲學振動性能，杉木抽提物豐富，因此研究不同溶劑抽提及抽提物化學成分對杉木聲學振動性能的影響，可為杉木改性提供新的處理工藝和一定的理論基礎(chǔ)[4]。

2010年，Kazuya Minato研究了尖葉飽食桑木抽提物對木材聲學振動性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)用尖葉飽食桑抽提物浸漬西加云杉試件，使得云杉試件的損耗角正切值得到下降，提升了云杉的聲學振動性能[5]。2011年，Iris Bre'maud研究了非洲紫檀抽提物對聲學振動特性的影響，非洲紫檀阻尼系數(shù)偏低，并且與比動彈性模量有關(guān)，抽提處理之后會增加阻尼系數(shù)。其中用甲醇每抽提13%抽提物（大約6%細胞壁抽提物），tanδ增加60%。因抽提物的抽出造成平衡含水率的變化也對tanδ有一定的影響[6]。2015年，沙汀鷗研究發(fā)現(xiàn)苯醇、1%NaOH、熱水抽提物分別對水杉的對數(shù)衰減系數(shù)有顯著性影響，且總體上對數(shù)衰減系數(shù)隨抽提物含量的減少而減小[7]。2015年，Mehran Roohnia研究了不同抽提處理對楓木的聲學振動性能的影響。研究表明楓木抽提有助于提高木材的聲學性能，用乙醇/丙酮抽提相對于熱水更有助于提高聲學性能，但聯(lián)合抽提會有更好的效果[8]。

綜上，抽提物對木材的聲學振動性能的影響因樹種的不同而變化[9]，筆者主要研究不同溶劑抽提對杉木聲學振動性能的影響，并分析杉木不同溶劑抽提物的主要化學成分，比較分析抽提物化學成分對杉木聲學振動性能的影響，旨在為提高杉木的聲學振動性能提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 試驗材料與方法

1.1 材料

杉木，產(chǎn)于中國廣西，試件為230 mm (長)×50 mm(寬)×3 mm (厚)的四面光試件，木材的初含水率介于8%～10%。木材試件為邊材，且無開裂、腐朽、變色等可見缺陷。

1.2 儀器與設(shè)備

恒溫鼓風干燥箱（DHG-9240A型）;索氏抽提器；燒杯；天平（精確至0.01g）；薄板木質(zhì)材料力學性能檢測分析儀；在線前處理氣質(zhì)聯(lián)用儀（GPC-GCMS）。

1.3 方法

1）將30個試件平均分為3組，并在103℃的條件下烘至絕干，稱重，得試件初始重量為M，初始密度為ρ；測量其振動性能，得初始試件的動態(tài)彈性模量為E'，對數(shù)衰減系數(shù)為δ；

2）將3組試件分別用冷水、二氯甲烷、苯醇（2∶1）（按照GB/T 2677.6—94《造紙原料有機溶劑抽出物含量的測定》）進行抽提處理，處理時間為48 h，收集抽提溶液進行GC-MS檢測（其中對冷水抽提液進行濃縮、干燥，并用二氯甲烷萃取后再進行檢測），將試件氣干至含水率為8%～10%后103 ℃烘至絕干。稱重，得試件最終重量為M'，最終密度為ρ'，并測量其振動性能，得試件的最終動態(tài)彈性模量為E"，最終對數(shù)衰減系數(shù)為δ'。

3）計算公式：

2 結(jié)果與分析

2.1 不同溶劑抽提對聲學振動性能的影響

2.1.1 不同溶劑抽提對重量減少率的影響

圖1 不同溶劑抽提與木材重量減少率的關(guān)系Fig.1 The relationship between different solvent extraction and wood weight lose rate

雖然水的極性較大，但從圖1可以看出有機溶劑相對于無機溶劑（冷水）能夠溶出杉木中更多的抽提物，其中，冷水抽提處理后，木材的平均重量減少率只有0.91%，而二氯甲烷和苯醇抽提處理后，木材的平均重量減少率分別達到了1.82%和1.78%。杉木抽提物中，有機溶劑抽提物如樹脂酸、脂肪和萜類化合物等所占比例較多，而水溶性抽提物如糖類、單寧和無機鹽類則相對含量較少[10]。

2.1.2 不同溶劑抽提對比動態(tài)彈性模量的影響

比動彈性模量（E'/ρ）是衡量木材聲學振動性能的重要指標，代表了木材細胞壁動彈性模量在順紋方向的平均值，從比動彈性模量的大小可以判斷振動加速度的大小[11]。比動彈性模量越大的木材，即具有較大動態(tài)彈性模量（E'）和較小密度（ρ）的木材有更好的聲學振動性能[12]。所以提高木材的比動彈性模量可以提高木材的聲學振動性能[13]。

圖2 不同抽提處理對比動態(tài)彈性模量的影響Fig.2 The relationship between different solvent extraction and the specific Young's modulus

由圖2可以看出，杉木試件經(jīng)過冷水抽提后，比動彈性模量出現(xiàn)了下降趨勢，平均下降率為1.25%，說明冷水抽提物的存在有利于維持杉木較高的動態(tài)彈性模量；而試件經(jīng)二氯甲烷和苯醇抽提處理后，杉木試件的比動彈性模量分別平均上升了2.91%和5.59%，說明二氯甲烷和乙醇抽提處理在降低了木材密度的同時，也一定程度地提高了杉木的動態(tài)彈性模量值。由此可見，有機溶劑抽提物在杉木中的存在降低了杉木的彈性模量值，而有機溶劑抽提處理可以有效提高杉木的比動態(tài)彈性模量值，其中苯醇抽提改善比動彈性模量效果較好。

2.1.3 不同溶劑抽提對對數(shù)衰減系數(shù)的影響

圖3 不同抽提處理對對數(shù)衰減系數(shù)的影響Fig.3 The relationship between different solvent extraction and the logarithmic decrement coefficients

木材在受瞬時沖擊力產(chǎn)生橫向振動，或在受迫振動過程中突然中止外部激振力，隨著時間的變化，木材振動能量逐漸減小、消失，振幅逐漸降低，直至處于靜止狀態(tài)。原因在于能量在振動過程中被消耗而衰減[14]。

木材的振動能量消耗衰減分成兩個部分：內(nèi)摩擦衰減（克服木材內(nèi)部分子間摩擦和與界面的摩擦，動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮鼙幌模┖吐曒椛渌p（以聲波的形式向空氣中輻射能量克服空氣阻力）[15]。木材因內(nèi)摩擦損耗所引起的能量損耗用對數(shù)衰減系數(shù)δ來表示，δ=lnA1/lnA2，其中A1、A2為兩個連續(xù)振動周期的振幅。聲振動衰減系數(shù)越小，木材振動能量損失越小，振動效率越高，樂音越飽滿宏亮[16]，即對數(shù)衰減系數(shù)δ越小，木材的聲學振動性能越好[17]。

圖3為不同溶劑抽提處理后杉木的對數(shù)衰減系數(shù)的變化率，杉木經(jīng)過冷水抽提后，其對數(shù)衰減系數(shù)δ出現(xiàn)了輕微的上升趨勢，平均上升率為4.28%，而經(jīng)二氯甲烷和苯醇抽提后，杉木的對數(shù)衰減系數(shù)出現(xiàn)了下降，平均下降率分別為13.05%和13.73%，由此說明，冷水（極性較大的溶劑）抽提或能破壞細胞壁的結(jié)構(gòu)，造成杉木的機械性能輕微下降，故對數(shù)衰減系數(shù)出現(xiàn)輕微提升[5]。而有機溶劑抽提物一般存在于細胞腔中，其存在則消耗了杉木在振動過程中的能量，有機溶劑抽提物的抽出，有效地降低了杉木在振動過程中的能量損失，提高了杉木的聲學振動性能。

2.2 抽提物減少率與聲學振動性能變化率的關(guān)系

2.2.1 抽提物減少率對動態(tài)彈性模量變化率的影響

木材的抽提物對木材的聲學振動性能有一定的影響，且存在著一定的聯(lián)系[18]。因此找到抽提物含量變化與木材的聲學振動性能變化間的關(guān)系具有很重要的研究意義。

圖4 水抽提物減少率ΔM水與動態(tài)彈性模量變化率ΔE'水的關(guān)系Fig.4 The relationship between ΔM water andΔE'water

圖5 二氯甲烷抽提物減少率ΔM二氯甲烷與動態(tài)彈性模量變化率ΔE'二氯甲烷的關(guān)系Fig.5 The relationship betweenΔM dichloromethane and ΔE' dichloromethane

圖6 苯醇抽提物減少率ΔM苯醇與動態(tài)彈性模量變化率ΔE'苯醇的關(guān)系Fig.6 The relationship between ΔM benzene-ethanol and ΔE' benzene-ethanol

圖4 可以看出動態(tài)彈性模量隨著水抽提物的減少而降低，且變化率絕對值隨著水抽提物減少率的增加而增大，而圖5和圖6則顯示了動態(tài)彈性模量的增加率隨著二氯甲烷和苯醇抽提物減少率的增加而增大，且苯醇抽提物減少率對動態(tài)彈性模量的增加率影響較大。

2.2.2 抽提物減少率對對數(shù)衰減系數(shù)變化率的影響

圖7 水抽提物減少率ΔM水與對數(shù)衰減系數(shù)變化率Δδ水的關(guān)系Fig.7 The relationship between ΔM water and Δδ water

圖7 可看出，對數(shù)衰減系數(shù)變化率隨著水抽提物減少率的增加而增加，而圖8和圖9顯示對數(shù)衰減系數(shù)變化率絕對值隨著二氯甲烷和苯醇抽提物減少率的增加而增大，且通過對圖8和圖9趨勢線斜率的計算表明：L二氯甲烷=-4.23，L苯醇=-5.99。故表明苯醇抽提物減少率對對數(shù)衰減系數(shù)減少率影響較大。說明有機溶劑的抽出有利于杉木聲學振動性能的提高，而冷水抽提物的抽出則會降低杉木的聲學振動性能。

圖8 二氯甲烷抽提物減少率ΔM二氯甲烷與對數(shù)衰減系數(shù)變化率Δδ二氯甲烷的關(guān)系Fig.8 The relationship between ΔM dichloromethane and Δδ dichloromethane

圖9 苯醇抽提物減少率ΔM苯醇與對數(shù)衰減系數(shù)變化率Δδ苯醇的關(guān)系Fig.9 The relationship between ΔM benzene-ethanol and Δδ benzene-ethanol

綜上，杉木的抽提物對聲學振動性能有一定的影響，且存在著一定的數(shù)值變化關(guān)系，其中水抽提物與苯醇抽提物對杉木試件的動態(tài)彈性模量影響較大，三種溶劑抽提均對杉木試件的對數(shù)衰減系數(shù)影響較大，苯醇抽提物的抽出可以更大程度地提高杉木試件的聲學振動性能。

2.3 抽提物的成分與振動性能的關(guān)系

表1所列為不同抽提物化合物種類相對含量（部分），從表中可以看出苯醇和二氯甲烷抽提物的主要成分較為相似，主要為萜烯類、醇類以及酸類化合物，其中苯醇抽提物萜烯類化合物和醇類化合物相對于二氯甲烷抽提物的含量較多，而酸類化合物則在二氯甲烷抽提物中含量較多。二氯甲烷和苯醇抽提對杉木的聲學振動性能有相同的影響，說明萜烯類、醇類和酸類化合物的抽出有利于杉木振動性能的提高，而當抽提物含量相同時，苯醇抽提能夠更大程度地提高杉木的聲學振動性能，尤其能夠更大程度地提高杉木的動態(tài)彈性模量。由此可以推斷出，萜烯類和醇類化合物對杉木的聲學振動性能尤其是動態(tài)彈性模量影響較大，萜烯類和醇類化合物的抽出能更有效地改善杉木的聲學振動性能。二氯甲烷和苯醇抽提對杉木的對數(shù)衰減系數(shù)的影響幾乎相同，所以萜烯類、醇類以及酸類化合物對杉木振動能量的消耗均有正面影響，這類化合物的抽出可以有效地降低杉木振動過程中能量的消耗，延長其自由振動時間。

表1 不同抽提物化合物種類相對含量（部分）Tab.1 The relative contents of different extract of compound types (partial)

表1還可以看出杉木的冷水抽提物以烴類、菲類和酯類化合物為主，水抽提處理后，杉木的動態(tài)彈性模量出現(xiàn)了下降，對數(shù)衰減系數(shù)出現(xiàn)了上升趨勢。這也說明烴類、菲類等化合物對杉木的振動性能有促進作用，這些物質(zhì)的抽出降低了杉木的動態(tài)彈性模量且提高了杉木的對數(shù)衰減系數(shù)，這主要是因為水的極性較高，在冷水浸泡抽提的過程中可能會抽出少量杉木的細胞壁中固定細胞壁結(jié)構(gòu)的物質(zhì)[6]。所以，杉木的抽提改性溶劑應選用有機溶劑，其中苯醇為較好的有機改性溶劑。

3 結(jié)論

1）冷水抽提后，杉木的平均失重率為0.91%，平均比動彈性模量降低了1.25%，平均對數(shù)衰減系數(shù)提高了4.28%，說明冷水抽提處理一定程度地降低了杉木的聲學振動性能。

2）二氯甲烷和苯醇抽提后，杉木的平均失重率分別為1.82%和1.78%，平均比動彈性模量分別提高了2.91%和5.59%，平均對數(shù)衰減系數(shù)分別降低了13.05%和13.73%，有機溶劑抽提處理對杉木的聲學振動性能有提升作用，且苯醇抽提處理效果較好。

3）杉木經(jīng)過抽提處理后，抽提物減少率與其振動性能的變化率存在一定的線性關(guān)系，其中冷水抽提物減少越多振動性能越差，冷水抽提物對動態(tài)彈性模量影響較大；有機溶劑抽提物減少越多，聲學振動性能越好，苯醇抽提物對對數(shù)衰減系數(shù)影響較大。

4）抽提物中萜烯類、醇類和酸類化合物的抽出可以改善杉木的聲學振動性能，其中以萜烯類化合物的抽出效果最好；而烴類、菲類和脂類化合物等抽提物的抽出則不利于杉木聲學振動性能的提高。

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