速生林杉木活立木改性研究

王 勇，陳澤君，鄧臘云，范友華

（湖南省林業(yè)科學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

速生林杉木活立木改性研究

王 勇，陳澤君，鄧臘云，范友華

（湖南省林業(yè)科學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

對(duì)速生林杉木進(jìn)行了活立木改性研究，分析了改性劑在木材內(nèi)部不同高度位置的分布情況，并利用SEM對(duì)改性劑在木材內(nèi)部的形態(tài)和分布進(jìn)行了進(jìn)一步深入研究，同時(shí)對(duì)改性材主要力學(xué)性能（順紋抗壓強(qiáng)度、靜曲強(qiáng)度及彈性模量）的變化情況進(jìn)行了研究與分析。結(jié)果顯示：經(jīng)改性后，改性劑填充了木材內(nèi)部的導(dǎo)管及孔隙，改性木材的主要力學(xué)性能與素材相比均有不同程度的提高，且改性劑主劑濃度的變化及助劑的加入對(duì)改性劑在木材不同樹高位置的分布均有較大影響，助劑聚乙二醇的加入使主劑在立木內(nèi)部的分散更加均勻。

速生林杉木；活立木改性；掃描電鏡；力學(xué)性能；湖南省長(zhǎng)沙市

速生材作為南方主要用材林樹種，占總采伐量的90%以上，但速生林木材天然缺陷多，價(jià)值低，難以替代優(yōu)質(zhì)珍貴木材[1-2]，因而需對(duì)其進(jìn)行改性處理。傳統(tǒng)浸漬改性技術(shù)因投資大、工藝復(fù)雜、能耗高、污染環(huán)境，不便于邊遠(yuǎn)林區(qū)大規(guī)模推廣應(yīng)用[3-5]。而活立木改性技術(shù)投資小、能耗低，適合在林區(qū)等速生林資源豐富的邊遠(yuǎn)地區(qū)推廣應(yīng)用，因而開展活立木改性技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)，可改善速生林木材材性，延長(zhǎng)其使用壽命，擴(kuò)大其使用范圍，有望緩解優(yōu)質(zhì)材供需矛盾。

活立木研究最早始于日本。20世紀(jì)，飯?zhí)锷氲萚6]利用樹液流動(dòng)注入法對(duì)58種闊葉材和3種針葉材進(jìn)行了立木染色，從而引起了木材學(xué)界的興趣和關(guān)注。采用這種方法，不僅染色速度快，而且經(jīng)過染色的木材顏色鮮明。該染色方法雖然染色不均，但由于染料是沿著樹液流通管道擴(kuò)散的，染色效果獨(dú)特，適合于特定場(chǎng)所的裝飾，如室內(nèi)裝飾材和工藝品用材。在我國，木材染色的歷史悠久，但直到20世紀(jì)90年代，我國才開始對(duì)活立木染色進(jìn)行探索[7-8]。而關(guān)于活立木防腐改性等方面的研究開發(fā)工作，國內(nèi)外鮮有報(bào)道[9-10]。因此，本研究以銅氨（胺）季銨鹽（ACQ）為主劑、聚乙二醇為助劑對(duì)速生林杉木進(jìn)行活立木改性，分析了改性劑在改性材內(nèi)部的分布情況，并對(duì)其主要力學(xué)性能變化進(jìn)行了探索性研究。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用速生林杉木位于湖南省林業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)林場(chǎng)，樹齡15 a?；盍⒛靖男允抢脴淠镜恼趄v作用，將藥劑輸入活體樹木內(nèi)部，經(jīng)樹液流動(dòng)帶入活體樹木各組織，因而，改性樹木選擇需在樹木生長(zhǎng)季節(jié)（在砍伐前3～10個(gè)月內(nèi)）。同時(shí)，目標(biāo)樹生長(zhǎng)正常，樹冠要發(fā)育良好，離水源20 m以上，選擇好改性樹后做好標(biāo)記及準(zhǔn)備工作?；盍⒛靖男孕枰獪?zhǔn)備鉆孔機(jī)、儲(chǔ)液容器、輸液管、錘子、木制支架等。

改性劑主劑為銅氨（胺）季銨鹽（ACQ），有效成分含量為15%。助劑主要為聚乙二醇（相對(duì)分子質(zhì)量400）。配制3個(gè)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的銅氨（胺）季銨鹽（ACQ）溶液，分別為2%、4%、6%。改性劑分為2組，一組為單改性劑，一組為復(fù)合改性劑。復(fù)合改性劑加入助劑，其含量為5%。改性劑最低載藥量參照《防腐木材的使用分類和要求》中C4類規(guī)定的要求進(jìn)行[11]，其中載藥量以改性劑活性成分的總量計(jì)算。

1.2 改性工藝

利用打孔機(jī)在立木主干離地30 cm處，在樹干同一平面圓周等距情況下，向髓心方向向下45°鉆3個(gè)孔道，其孔道深度是以立木樹表到樹木髓心為準(zhǔn)，孔徑在10～15 mm之間；將支架固定在改性樹旁邊，其中木制支架支撐板面與孔的距離在80 cm以上；將儲(chǔ)液容器固定在木制支架上，并與輸液管相連，打開輸液開關(guān)，排空輸液管內(nèi)的空氣后，將輸液管插入孔道內(nèi)密封，并檢查是否漏液。改性劑輸入結(jié)束后，需讓改性劑在立木內(nèi)部固化4～8周，使改性效果達(dá)到最佳。

1.3 測(cè) 試

1.3.1 載藥量的測(cè)定

由于改性劑從立木底部注入，因而為測(cè)定不同高度部位改性劑分布情況，需要對(duì)不同高度位置改性劑濃度進(jìn)行分析。改性劑主劑為銅氨（胺）季銨鹽（ACQ），含有銅元素，因而可以通過測(cè)定不同高度部位銅的含量來分析不同高度位置的改性劑載藥量。

從樹底部注入改性劑部位開始每隔2 m截取一段10 cm長(zhǎng)的試樣，剝?nèi)淦?，在邊材部位取樣，磨粉，過30目篩，按照GB/T 23229-2009《水載型木材防腐劑分析方法》中規(guī)定的含銅防腐木材中銅含量的測(cè)定方法測(cè)試，并計(jì)算不同高度位置的改性劑載藥量。

1.3.2 SEM分析

從經(jīng)改性處理后的杉木試件及未處理材的中間部位截取出20 (R)mm×20 (T)mm×30 (L)mm的小試樣，用滑走式切片機(jī)制取面積為8 mm×8 mm、厚度為1～2 mm的木薄片若干，選取表面結(jié)構(gòu)完好無損、無污染和無變形的木片，將其用導(dǎo)電膠固定在金屬托片上，然后在每1片木片表面鍍上一層鉑金，目的是為了防止充電、放電效應(yīng)，減少電子束對(duì)樣品的損傷作用，同時(shí)增加二次電子的產(chǎn)生率，獲得較好的圖像。

1.3.3 力學(xué)性能測(cè)試

按照GB/T1929-2009規(guī)定的取樣方法將改性材和素材加工成20 (R)mm×20 (T)mm×300 (L)mm和20 (R)mm×20 (T)mm×30 (L)mm 2種規(guī)格的試件，并將試件分別依次編號(hào)。試件的含水率控制在12%左右。素材和改性材的靜曲強(qiáng)度（MOR）及彈性模量（MOE）分別采用GB/T1936.1-2009中《木材抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)方法》和GB/T1936.2-2009中《木材抗彎彈性模量測(cè)定方法》規(guī)定的方法測(cè)定。木材順紋抗壓強(qiáng)度采用GB 1938-1991中《木材順紋抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法》規(guī)定的方法測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 改性劑分布

在活立木改性中，改性劑利用樹木的蒸騰作用，通過木材內(nèi)部的導(dǎo)管及孔隙，隨著輸液流沿垂直方向在樹干中向上擴(kuò)散，并流向樹木的各個(gè)組織中去。改性結(jié)束后，經(jīng)過一段時(shí)間的固化，改性劑在木材導(dǎo)管和孔隙中沉積固化。從圖1(a)中可以看出，改性劑濃度越低，相對(duì)更易于往樹梢方向擴(kuò)散，使得往樹梢方向載藥量明顯升高，最高可達(dá)2.6 kg/m3；而濃度越高，改性劑不能充分的向樹梢方向流動(dòng)，在樹干底部越易形成較高的濃度梯度。但加入聚乙二醇后，改性材載藥量分布有了顯著的變化。從圖(1)b可以看出，加入聚乙二醇后，改性劑在樹干底部和樹干頂部濃度梯度不明顯，且在高濃度（ACQ含量6%）條件下，越往樹梢方向載藥量越大，說明助劑聚乙二醇對(duì)木材有明顯的膨潤(rùn)作用，具有顯著的增容效果[12]。聚乙二醇的加入使得改性劑不易在立木樹干底部聚集固化，堵塞木材導(dǎo)管及孔隙，而是促進(jìn)改性劑在立木內(nèi)部的擴(kuò)散，降低了改性劑在立木內(nèi)部的濃度梯度，使其分布更均勻。

圖1 杉木立木不同高度位置載藥量變化Fig.1 Drug loading variations at different heights of Chinese fi r tree

2.2 SEM分析

通過對(duì)木材微觀形態(tài)的觀察，可以有效掌握改性劑在木材中的分布。通過活立木改性，木材微觀結(jié)構(gòu)有顯著改變，其中圖2(a)為素材剖面圖，圖2(b)、圖2(c)為改性材剖面圖，圖2(b)為僅含ACQ(含量4%)改性材樣品，圖2(c)為ACQ(含量4%)和聚乙二醇復(fù)合改性劑改性材樣品。從木材的組織結(jié)構(gòu)來看，木材除由纖維素組成的骨架及填充在骨架中的半纖維素及木質(zhì)素外，剩余的部分為木材孔隙。這些孔隙一般分為細(xì)胞壁內(nèi)的微孔隙、細(xì)胞腔的粗大孔隙及天然孔隙，這些孔隙交錯(cuò)分布在木材中。改性劑在木材內(nèi)的傳輸主要通過紋孔、樹脂道及細(xì)胞間隙進(jìn)行，在蒸騰作用下，改性劑隨著樹液在木材內(nèi)部擴(kuò)散，逐步填充木材孔隙，并與木材本身的活性基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，達(dá)到強(qiáng)化處理的目的。從圖2(b)、(c)中可以看出，無論是單改性劑還是復(fù)合改性劑改性，杉木木材的樹脂道及部分孔隙均被改性劑填充。改性劑進(jìn)入木材孔隙后先與導(dǎo)管內(nèi)壁形成固化層，多余的改性劑凝聚成微團(tuán)狀，最終固化成小顆粒[13]。其中復(fù)合改性劑改性材的樹脂道及孔隙填充較完全，且多余的改性劑固化后形成絮狀顆粒。

圖2 杉木素材與改性材SEM對(duì)比譜圖Fig.2 Optical micrograph for cross-sectional surface of un-treated wood (a) and treated samples (b,c) of Chinese fi r

2.3 力學(xué)性能

圖3是改性材與素材相比的順紋抗壓強(qiáng)度提高率變化圖。從圖3可以看出，無論何種改性劑條件下，改性材順紋抗壓強(qiáng)度均有不同程度的提高。但改性劑主劑濃度的變化及助劑的加入，對(duì)其變化有較顯著的影響。從圖3(a)可以看出，隨著改性目標(biāo)樹高度位置的變化，順紋抗壓強(qiáng)度提高率逐漸降低。這主要因?yàn)閱胃男詣┲饕奂诟男阅繕?biāo)樹底部，在蒸騰作用下，改性劑往樹中部及頂部移動(dòng)的量少，在樹底部形成了較大的濃度梯度，造成了改性材順紋抗壓強(qiáng)度變化不均勻。而在以聚乙二醇為助劑的復(fù)合改性劑改性中，隨著改性目標(biāo)樹高度位置的變化，改性材順紋抗壓強(qiáng)度提高率呈上升趨勢(shì)。說明從樹根部到樹梢部位，復(fù)合改性劑分布較單改性劑更合理與均勻。

圖4為單改性劑和復(fù)合改性劑立木改性材靜曲強(qiáng)度和彈性模量變化情況。從圖4(a)、4(b)中可以看出，改性劑濃度越低，靜曲強(qiáng)度和彈性模量在不同樹高位置提高率越均衡合理。而高濃度改性劑（改性劑濃度為6%）改性時(shí)，在不同高度位置力學(xué)性能有較明顯的遞減。這可能是低濃度的改性劑不易在木材導(dǎo)管及孔隙內(nèi)聚集并固化，而當(dāng)改性劑濃度升高時(shí)，改性劑極易在短時(shí)間內(nèi)就聚集在樹底部的導(dǎo)管與孔隙內(nèi)，固化并阻塞了改性劑往樹梢方向的流動(dòng)，形成較高的濃度梯度，從而影響了改性劑在立木內(nèi)部的均勻分布，影響了靜曲強(qiáng)度及彈性模量的提高率。同時(shí)，從圖4(b)、4(c)可以看出，在加入聚乙二醇后，靜曲強(qiáng)度及彈性模量在不同樹高位置的提高率更均勻，變化梯度不明顯。其中在樹底部位置與樹干其它位置的提高率沒有明顯的遞減，反而在加入聚乙二醇后，往樹梢位置，樹干的力學(xué)強(qiáng)度變化較樹底部有更顯著的提高。這可能是加入聚乙二醇后，作為一種表面活性劑，其能有效地使改性劑在樹干內(nèi)部擴(kuò)散，而不易于在樹木底部導(dǎo)管及孔隙內(nèi)聚集固化，阻塞改性劑往樹干上部的擴(kuò)散，使得改性劑可以在改性過程中不斷的在樹干中上部富集，從而使得高度越高的位置靜曲強(qiáng)度和彈性模量提高率越大。

圖3 改性材順紋抗壓強(qiáng)度提高率曲線Fig.3 Change rates of compression strength parallel to grain of treated wood under different conditions

圖4 改性材靜曲強(qiáng)度及彈性模量提高率曲線Fig.4 Change rates of MOR and MOE of treated wood under different conditions

3 結(jié) 論

本研究探索了一種新型木材改性方法，利用該技術(shù)對(duì)速生林杉木進(jìn)行了活立木改性，并對(duì)改性杉木木材材性進(jìn)行了分析和研究。通過SEM分析可知，改性劑可以有效地填充木材內(nèi)部導(dǎo)管和孔隙。同時(shí)在系列試驗(yàn)中，聚乙二醇作為助劑，可以有效地改善改性劑在立木內(nèi)部的擴(kuò)散與分布，降低改性劑濃度梯度，使得改性材整體力學(xué)性能顯著且均勻的改善。在未來的試驗(yàn)中，需要進(jìn)一步探索改性材其它方面性能的變化，更全面地考察改性劑在立木不同部位的分布，同時(shí)研試多功能且更易于在樹木內(nèi)部擴(kuò)散的環(huán)保型改性劑。

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Study on stumpage modi fi cation of fast-growing Chinese fi r

WANG Yong,CHEN Ze-jun,DENG La-yun,FAN You-hua
(Hunan Academy of Forestry,Changsha 410004,Hunan,China)

The stumpage modi fi cation on China fi r in fast-growing forest were studied,the distribution and diffusion of modi fi er in activity living trees at different height positions were investigated,and by using SEM,the morphology and distribution of modi fi ers inside the living trees were ulteriorly studied. In addition,the mechanical properties of modi fi ed wood (compressive strength parallel to grain,MOR and MOE) were also investigated. The results show that the vessels and pores were fi lled with modi fi er and the mechanical performance of modi fi ed wood were improved in comparison of wood untreated; The concentration of modi fi er and the added assistant signi fi cantly affected the distribution of modi fi er in the living trees at different height positions. And the addition of PEG made the contribution of modi fi er more uniform.

China fi r in fast-growing forest; activity living tree modi fi cation; SEM; mechanical performance; Changsha city of Hunan province

S781.7

A

1673-923X(2016)01-0146-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.01.025

2014-06-05

湖南省林業(yè)科學(xué)院青年創(chuàng)新基金項(xiàng)目（20130802）；2015年林業(yè)科技計(jì)劃項(xiàng)目（WLK201507）；湖南省科學(xué)技術(shù)廳科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（2012NK2002）

王 勇，助理研究員，碩士研究生 通訊作者：鄧臘云，高級(jí)工程師，碩士研究生；E-mail：deng269@163.com

王 勇，陳澤君，鄧臘云，等. 速生林杉木活立木改性研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016,36(1): 146-150.

[本文編校：謝榮秀]