預(yù)處理方式對黑胡桃木干縮濕脹特性的影響

魏 路，孫照斌 ，陳鳳義 ，邵利英，馬淑玲，相廣東

（1.南京林業(yè)大學(xué) 家具與工業(yè)設(shè)計學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，河北 保定 071000；3.廊坊華日家具股份有限公司，河北 廊坊 065001）

干縮與濕脹是木材本身固有的特性，木材的干縮濕脹特性與其內(nèi)含物的種類、含量有很多聯(lián)系，內(nèi)含物的存在不僅影響木材的干燥周期，還影響干燥質(zhì)量，導(dǎo)致木材變形和開裂，影響木材拼接質(zhì)量[1]。美國黑胡桃木Juglansspp.（英文名為black walnut）的材色和材性較好，目前主要用作家具、箱柜、地板和室內(nèi)裝飾等，其木材和制品深受國人喜愛。在生產(chǎn)實踐中，發(fā)現(xiàn)黑胡桃木干燥困難，干燥周期長，干燥過程中有深色物質(zhì)析出。有研究表明，木材抽提物含量對木材干縮濕脹有一定影響[2-3]，采用各種木材預(yù)處理措施可以改善木材的某些性質(zhì)和加工工藝[4-5]。本文通過冷水處理，熱水處理，苯醇處理，1%NaoH處理和汽蒸處理等5種處理方式對黑胡桃木進(jìn)行預(yù)處理，探究預(yù)處理對其干縮濕脹的影響，旨在為黑胡桃木的加工利用提供有益參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

所取的板材為美國進(jìn)口黑胡桃木(具體產(chǎn)地不明），取自河北廊坊華日家具股份有限公司。黑胡桃木板材長2 000mm，寬150mm，厚25mm，初含水率均大于30%。測得黑胡桃木氣干密度是0.69 g/cm3，絕干密度是0.63 g/cm3。

1.2 實驗儀器

尼康生物顯微鏡(Nikon80i)，游標(biāo)卡尺，精度0.01mm，天平，精度0.001 g，烘箱，玻璃干燥器和稱量瓶。恒溫水?。囟确秶菏覝亍?00 ℃可調(diào)），具有可以調(diào)節(jié)溫度23±2 ℃的恒溫裝置，恒溫烘箱，30 mL的玻璃濾器（1 G2），錐形瓶，冷凝管。

1.3 實驗方法

1.3.1 解剖結(jié)構(gòu)的觀察

木材切片制作方法按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T29894-2013《木材鑒別方法通則》[6]執(zhí)行。切片制作后放在尼康生物顯微鏡(Nikon80i)上進(jìn)行觀察。

1.3.2 抽提物含量的測定

冷水抽出物含量的測定依據(jù)GB/T 2677.4-93[7]，熱水抽出物含量的測定依據(jù)GB/T 2677.4-93[7]，苯醇抽出物含量的測定依據(jù)GB/T 2677.6-94[8]，1% NaoH抽出物含量的測定依據(jù)GB/T 2677.5-93[7]。

1.3.3 溫濕度控制方法

在干燥器內(nèi)，配制20℃下亞硝酸鈉的飽和鹽溶液，營造相對濕度為(65±5)%的環(huán)境。配制20℃下氯化鉀和氯化鎂的飽和鹽溶液各500 mL，用來營造86%和33%的相對濕度環(huán)境，干燥器置于可恒溫的調(diào)溫箱內(nèi)。

1.3.4 抽提預(yù)處理方法

本實驗選取了黑胡桃試件360個，試樣尺寸為20mm×20mm×20mm。分別進(jìn)行編號和標(biāo)示，其中A組試件不作處理；B組試件用熱水處理3 h，浴比為20；C組試件用冷水處理24 h，浴比為20；D組4件用1%氫氧化鈉處理1 h，浴比為20；E組試件用2:1的苯醇處理3 h，浴比為20；F組試件用蒸汽處理3 h[9]。

1.3.5 干縮濕脹實驗方法

①在溫度為(20±2) ℃，相對濕度為(65±5)%條件下對所有試件進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理至質(zhì)量恒定[10]。②測量各試件的尺寸和質(zhì)量，并把試件分成兩組。③一組試件置于試驗條件為：溫度(20±2) ℃，相對濕度(30±5)%。二組試件置于試驗條件為：溫度(20±2) ℃，相對濕度(85±5)%。④隔24、48、96小時抽樣稱質(zhì)量，直至平衡。⑤按規(guī)定的方法測量試樣平衡時的尺寸和質(zhì)量，并目測檢查試樣的狀態(tài)[11]。⑥平衡后一組試件置于烘箱中，開始溫度60℃保持6 h，然后按GB/T1931-2009中的規(guī)定烘干，另一組試件按GB/T1931-2009中的規(guī)定進(jìn)行吸濕處理。⑦隔24、48、96小時抽樣稱質(zhì)量，直至平衡，并測出各試樣全干時和吸水飽和時的質(zhì)量和徑向、弦向、縱向尺寸。⑧具體數(shù)據(jù)處理、計算方法參照木材干燥學(xué)[12]教材。

1.3.6 吸濕解吸實驗方法

①試材鋸解和試樣截取按GB/T 1929-2009第3章的規(guī)定進(jìn)行[13]。②在溫度為(20±2) ℃，相對濕度為(65±5)%條件下對所有試件進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理至質(zhì)量恒定[14]。③測量各試件的尺寸和質(zhì)量，并把試件分成兩組。④一組編號試件置于試驗條件A：溫度(20±2) ℃，相對濕度(30±5)%。二組編號試件置于試驗條件B：溫度(20±2) ℃，相對濕度(85±5)%。將盛放兩組試件的干燥器放于同一個維持20℃的恒溫箱內(nèi)。⑤隔24、48、96 h抽樣稱質(zhì)量，直至平衡后取出。⑥按規(guī)定的方法測量試樣尺寸和質(zhì)量，并目測檢查試樣的狀態(tài)[15]。⑦具體數(shù)據(jù)處理、計算方法參照木材干燥學(xué)[12]教材。

2 結(jié)果與分析

2.1 美國黑胡桃木構(gòu)造特性

圖1為黑胡桃木3個切面解剖結(jié)構(gòu)觀察圖。由圖1可知，黑胡桃木為半環(huán)孔材，管孔圓形及橢圓形，部分導(dǎo)管內(nèi)具侵填體，散生或斜列，單管孔及短徑列復(fù)管孔2～5個。單穿孔，管間紋孔式互列，含樹膠。環(huán)管管胞位于早材導(dǎo)管周圍。軸向薄壁組織為離管帶狀（通常1列），少數(shù)星散-聚合狀，及環(huán)管狀與星散狀，含樹膠，菱形晶體常見。木纖維壁薄。木射線非疊生，射線組織同形單列及多列，單列射線，高1～20個細(xì)胞，多列射線高5～17個細(xì)胞，射線細(xì)胞含樹膠，晶體未見，端壁節(jié)狀加厚及水平壁紋孔明顯。無樹膠道。

圖1 美國黑胡桃木微觀構(gòu)造Fig.1 American black walnut microcosmic structure diagram

從上述對于黑胡桃木微觀構(gòu)造顯示圖可知，黑胡桃木中含有較多的樹膠及內(nèi)含物，而樹膠與抽提物對于木材中水分移動具有一定影響[2]，進(jìn)而影響木材的干燥速度。

2.2 抽提物含量

分別用冷水抽提，熱水抽提，苯醇抽提和1%NaOH抽提4種方法對黑胡桃進(jìn)行抽提，得出抽提物含量與4種其它木材對比如表1所示。

表1 黑胡桃抽提含量和其他四種木材抽提含量對比[16]（占絕干材重量%）?Table 1 Extraction content comparison of black walnut and other four kinds of timber

由表1可知，采用不同提取方式的抽提物含量從大到小關(guān)系依次是：NaOH抽提方式、熱水抽提方式、冷水抽提方式、苯醇抽提方式。這與王金滿[16]在對紅松、興安落葉松、白樺、山櫟進(jìn)行所得出的四種木材抽提含量從大到小關(guān)系：NaOH抽提方式、苯醇抽提方式、熱水抽提方式、冷水抽提方式基本相符；并且從此表1中還可以看出，黑胡桃木抽提物含量明顯高于闊葉材白樺，與針葉材興安落葉松接近。

相對于日常常見的4種木材，黑胡桃木的抽提物含量較高。這與在對其微觀構(gòu)造圖分析中導(dǎo)管內(nèi)具侵填體，以及含有比較多的膠體相吻合，在相關(guān)企業(yè)中出現(xiàn)的黑胡桃木在干燥的過程中出現(xiàn)的冒黑色物質(zhì)的問題，與其抽提物的含量高有密切的關(guān)系。在高溫高濕的干燥初始階段，部分黑胡桃抽提物被抽提出來，從木材內(nèi)部遷移到木材表面。

2.3 干縮性能

（1) RH65%→RH33%不同預(yù)處理對黑胡桃干縮性能影響

從RH65%→RH33%，不同預(yù)處理對黑胡桃木干縮性能的影響，如圖2所示。

圖2 RH65%→RH33%不同預(yù)處理對黑胡桃干縮性能的影響Fig.2 RH65% → RH33% different pretreatment on the black walnut drying shrinkage performance influence diagram

由圖2可知：①在徑向上，黑胡桃木在5種預(yù)處理條件下，干縮率分別為：0.59%、0.87%、0.83%、0.55%、0.84%。5種處理材的干縮率相差不大，冷水處理黑胡桃木的干縮率較高于另外4種處理材的干縮率。②在弦向上，黑胡桃木在5種預(yù)處理條件下，干縮率分別為：0.57%、1.02%、0.59%、0.64%、1.13%。蒸汽處理黑胡桃木的干縮率較高于另外4種處理材的干縮率。冷水處理的干縮率大約是氫氧化鈉處理的干縮率的2倍。③體積上，黑胡桃木在5種預(yù)處理條件下，干縮率分別為：3.24%、1.89%、2.95%、2.72%、3.53%。蒸汽處理黑胡桃木的干縮率顯著高于另外4種處理材的干縮率。④在5種預(yù)處理下，對黑胡桃木徑向干縮率影響最小。⑤蒸汽處理過的黑胡桃木的干縮率最大，熱水處理的黑胡桃干縮率最小，苯醇處理過的黑胡桃的干縮率居中。⑥處理過的黑胡桃木干縮性能比未處理材的好。

從RH33%→絕干，不同預(yù)處理對黑胡桃木干縮性能的影響，如圖3所示。

圖3 RH33%→絕干不同預(yù)處理對黑胡桃干縮性能的影響Fig.3 RH33% to oven dry different pretreatment on the black walnut drying shrinkage performance influence diagram

由圖3可知：①在徑向上，黑胡桃木在5種預(yù)處理條件下，干縮率分別為：1.37%、1.61%、3.00%、1.54%、1.48%。氫氧化鈉處理的黑胡桃木的干縮率顯著高于另外4種處理材的干縮率，氫氧化鈉處理的約是未處理的2倍。②在弦向上，黑胡桃木在5種預(yù)處理條件下，干縮率分別為：1.79%、1.84%、1.97%、2.06%、1.90%。未處理的黑胡桃的干縮率較高于另外5種處理材的干縮率。③體積上，黑胡桃木在5種預(yù)處理條件下，干縮率分別為：1.95%、3.77%、5.38%、2.63%、2.10%。氫氧化鈉處理的黑胡桃的干縮率顯著高于另外4種處理材的干縮率。氫氧化鈉處理的約是未處理的2倍。④在5種預(yù)處理條件下，對黑胡桃徑向干縮率影響最小。⑤氫氧化鈉處理過的黑胡桃的干縮率最大，熱水處理的黑胡桃干縮率最小。⑥處理過的黑胡桃木干縮性能比未處理材的好。

2.4 濕脹性能

（1）RH65%→RH86%不同預(yù)處理對黑胡桃濕脹性能影響

從RH65%→RH86%，不同預(yù)處理對黑胡桃木濕脹性能的影響（如圖4所示）。

由圖4可知：①在徑向上，黑胡桃木在五種預(yù)處理條件下，濕脹率分別為：0.81%、0.67%、1.07%、0.86%、0.27%。氫氧化鈉處理過的黑胡桃木的濕脹率顯著高于另外四種處理材的濕脹率，氫氧化鈉處理過的黑胡桃木的濕脹率約是蒸汽處理的4倍。②在弦向上，黑胡桃木在五種預(yù)處理條件下，濕脹率分別為：1.09%、0.82%、1.81%、0.85%、0.58%。被氫氧化鈉處理過的黑胡桃木的濕脹率高于另外四種處理材的濕脹率，被熱水處理過的黑胡桃木的濕脹率約是蒸汽處理的2倍。③體積上，黑胡桃木在五種預(yù)處理條件下，濕脹率分別為：0.27%、1.63%、3.14%、1.68%、0.71%。被氫氧化鈉處理過的黑胡桃木的濕脹率顯著高于另外四種處理材的濕脹率，被氫氧化鈉處理過的黑胡桃木的濕脹率約是熱水處理的10倍。④在5種預(yù)處理下，對黑胡桃木徑向濕脹率影響最小。⑤氫氧化鈉處理對黑胡桃木濕脹率影響最大，未處理對黑胡桃木濕脹率影響最小，冷水處理對黑胡桃木影響居中。

（2）RH86%→飽水不同預(yù)處理對黑胡桃濕脹性能影響

從RH86%→飽水，不同預(yù)處理對黑胡桃木濕脹性能的影響（如圖5所示）。

由圖5可知：①在徑向上，黑胡桃木在5種預(yù)處理條件下，濕脹率分別是2.07%、4.78%、4.46%、1.96%、1.82%。冷水處理過的黑胡桃木的濕脹率高于另外4種處理材的濕脹率。②在弦向上，黑胡桃木在5種預(yù)處理條件下，濕脹率分別是2.97%、3.26%、5.69%、3.32%、3.12。被氫氧化鈉處理過的黑胡桃木的濕脹率高于另外4種處理材的濕脹率。③體積上，黑胡桃木在5種預(yù)處理條件下，濕脹率分別是7.07%、9.71%、10.93%、6.08%、5.44%。被氫氧化鈉處理過的黑胡桃木的濕脹率高于另外4種處理材的濕脹率。④在5種預(yù)處理下，對黑胡桃木徑向濕脹率影響最小。⑤氫氧化鈉處理對黑胡桃木濕脹率影響最大，汽蒸處理對黑胡桃木濕脹率影響最小，熱水處理對黑胡桃木影響居中。

(2)濾餅外在水分為25.80%，脫水率達(dá)82.98%，濾餅中所含水量僅是入料水量的17.02%。這與使用80網(wǎng)目單絲濾布有關(guān)，因為濾布的孔隙較大，過濾阻力減小，所以該廠還將壓濾機(jī)入料壓力控制在0.45 MPa水平。

圖4 RH65%→RH86%不同預(yù)處理對黑胡桃濕脹性能的影響Fig.4 RH65%→ RH86% different pretreatment of black walnut is wet bilge performance influence diagram

圖5 RH86%→飽水不同預(yù)處理對黑胡桃濕脹性能的影響Fig.5 RH86% →飽水 different pretreatment of black walnut is wet bilge performance influence diagram

2.5 解吸與吸濕性能

（1）RH65%→RH33%不同預(yù)處理對黑胡桃解吸性能影響

從圖6可看出：4種大小的試件解吸率剛開始都是快速的上升，之后呈波動的上升的趨勢。在解吸過程中，每種不同對于黑胡桃的處理方式與剛開始的含水率基本一致。

解吸率最大為未處理的黑胡桃，其數(shù)值為5.08%，最小為苯醇抽處理，其數(shù)值為2.93%。他們的解吸率關(guān)系為未處理＞蒸汽處理＞NaOH處理＞熱水處理＞冷水處理＞苯醇處理。黑胡桃不同處理方式試件都是在48 h至96 h這個時間段內(nèi)吸濕曲線的斜率最大，說明在此時間段內(nèi)吸濕最快。4種木材小試件在360 h后基本都達(dá)到了吸濕平衡，說明吸濕速率不受處理方式以及處理未處理的影響。

（2）RH65%→RH86%不同預(yù)處理對黑胡桃吸濕性能影響

從圖7可看出：不同處理方式的試件吸濕率在96 h之前都是緩慢的上升，之后呈波動的上升的趨勢，而后在360 h后又呈現(xiàn)平緩的上升的趨勢。且在吸濕過程中，每種不同對于黑胡桃的處理方式與剛開始的含水率基本一致。

吸濕率最大為NaOH處理黑胡桃木，其數(shù)值為4.51%，最小的為未處理黑胡桃木，其數(shù)值為2.70%。他們的吸濕率關(guān)系為未處理＞NaOH處理＞冷水處理未處理＞熱水處理＞苯醇處理＞蒸汽處理。黑胡桃不同處理方式試件都是在96 h以后波動性開始變大，說明在此時間段內(nèi)其內(nèi)部構(gòu)造的差異性導(dǎo)致他們吸濕性不同。4種木材小試件在408h后基本都達(dá)到了吸濕平衡，說明吸濕速率不受處理方式以及處理與否的影響。

圖6 RH65%→RH33%不同預(yù)處理對黑胡桃解吸性能的影響Fig.6 RH65%→RH33% different pretreatment of black walnut desorption performance impact

圖7 RH65%→RH86%不同預(yù)處理對黑胡桃吸濕性能的影響Fig.7 RH65%→RH86% different pretreatment effect on black walnut hygroscopicity

2.6 結(jié)果分析

不同的預(yù)處理對黑胡桃木的干縮濕脹特性有不同的影響。未處理試件干縮率和濕脹率都大于各種預(yù)處理試件。抽提物成分是引起木材干縮濕脹一個重要的原因，抽提物含量多，木材的滲透性就差，干縮濕脹現(xiàn)象也就越明顯，當(dāng)木材抽提物在冷水、熱水或堿中被抽提出來后木材的干縮濕脹性會明顯降低[16]。

冷水預(yù)處理抽提出黑胡桃中的抽提物（一般包含單寧、色素、生物堿、可溶性礦物成分及某些單糖）[17]相對較少；熱水預(yù)處理時，抽提物除含有冷水抽提物成分外,還包含有淀粉和果膠質(zhì)；堿處理也可以抽提出其包含的大部分抽提物；苯醇處理試件，抽提的成份除脂肪酸和樹脂酸外，還有酚類化合物；汽蒸處理的試件，揮發(fā)性成分—萜烯類物質(zhì)隨蒸汽逸出材面，降低抽提物的含量。因此木材經(jīng)預(yù)處理后，其抽提物含量下降，導(dǎo)致了其干縮濕脹率降低。

預(yù)處理對木材結(jié)構(gòu)特性也有影響。熱水預(yù)處理時，木材主要成分的纖維素和半纖維素發(fā)生水解或降解程度越深,使木材表面的極性增強(qiáng),不利于控制黑胡桃干縮性。氫氧化鈉處理的試件，木材中的親水基團(tuán)(O-H、C=O、N-H、N=O、C-O)具有減少的趨勢,與水分子的最高配位數(shù)降低[9]。苯醇處理的試件，紋孔膜上的結(jié)殼物質(zhì)大為減少，塞緣上的微纖絲明顯地顯露出來，從而有效地增大了紋孔膜上微孔的孔徑[18]，為木材中的流體傳導(dǎo)提供了通路，水分更容易排出。汽蒸處理的試件，有一部分半纖維素由于汽蒸的作用造成水解，半纖維素是一種吸濕性較強(qiáng)的物質(zhì)[19]。故預(yù)處理對于黑胡桃中抽提物、木材中的親水基團(tuán)以及紋孔膜的上微孔的孔徑等改變直接影響木材干縮性質(zhì)。

3 結(jié)論與討論

美國黑胡桃木為半環(huán)孔材，管孔圓形及橢圓形，部分導(dǎo)管內(nèi)具侵填體構(gòu)造特性。

黑胡桃不同抽提方式所得抽提物含量不同，其含量由大到小依次為為NaOH抽提、熱水抽提、冷水抽提、苯醇抽提。黑胡桃木抽提物含量明顯高于闊葉材白樺，與針葉材興安落葉松接近。

其干縮性、濕脹性、解析吸濕不同階段其干縮率大小不同。但其整體趨勢與黑胡桃的抽提物含量大小基本相符。

木材干縮濕脹性質(zhì)，不僅僅受一種因素影響。它是由多種因素相互作用決定的，且預(yù)處理對于黑胡桃中抽提物、木材中的親水基團(tuán)以及紋孔膜的上微孔的孔徑等改變直接影響木材干縮濕脹性質(zhì)。

5種預(yù)處理方式對木材干縮濕脹影響程度不同，熱水預(yù)處理可顯著降低黑胡桃木干縮濕脹，是一種較好預(yù)處理方式。

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