植物油涂飾處理對(duì)熱改性落葉松耐候特性的影響

鄒佳利 曹凱玥 楊宏玉

摘要：? 參考芬蘭Thermo-Wood○工藝規(guī)程，對(duì)落葉松板材分別在160、180和200 ℃常壓過熱蒸汽環(huán)境下進(jìn)行高溫?zé)岣男蕴幚?隨后對(duì)經(jīng)過熱改性后的板材及常規(guī)室干對(duì)照板材分別進(jìn)行了天然植物油涂飾處理，分別使用商品化木蠟油（底油和面油）、自制木油（預(yù)聚合大豆油）。在人工模擬高濕環(huán)境下測(cè)試各類植物油涂飾后的木材相對(duì)吸濕率、平衡含水率及橫紋相對(duì)變形率等各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。結(jié)果表明，熱改性木材經(jīng)植物油表面涂飾處理后，天然植物油蠟成分有效地浸入木材細(xì)胞壁組織，木材表層組織對(duì)環(huán)境濕度變化的敏感性降低。三種涂飾處理方法中，涂飾商品化木蠟油底油、木蠟油面油的方案最為有效，其木材橫紋相對(duì)變形率均較未涂飾木材顯著降低;隨著熱改性溫度的升高，各類涂飾試件的平衡含水率、相對(duì)吸濕率呈現(xiàn)總體下降趨勢(shì)，加熱溫度對(duì)各類試件的平衡含水率、相對(duì)吸濕率存在顯著影響。

關(guān)鍵詞：? 落葉松;? 尺寸穩(wěn)定性;? 平衡含水率;? 相對(duì)吸濕率;? 耐候性

中圖分類號(hào)：? ?S 781. 43， S 791. 22? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：? ?A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1001 - 9499（2019）03 - 0047 - 06

進(jìn)入21世紀(jì)以來，作為一種自然、環(huán)保的木材改性方法，實(shí)體木材熱改性技術(shù)已經(jīng)成為我國(guó)木材工業(yè)的熱點(diǎn)之一，在工藝探索、設(shè)備研發(fā)、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化推廣等領(lǐng)域均取得了較大進(jìn)展[ 1 ]。熱改性木材被廣泛地應(yīng)用于風(fēng)景園林、木結(jié)構(gòu)建筑、商業(yè)化場(chǎng)所的地面材料鋪裝、外立面裝飾裝修等，如門窗體、墻體裝飾板、室外地板材、木制園林桌椅等。

眾所周知，在熱改性過程中木材化學(xué)成分變化導(dǎo)致其吸濕性降低，因而可被應(yīng)用于室外潮濕或有雨水的環(huán)境[ 2 - 3 ]。針對(duì)纖維素、半纖維素、木素、抽提物等成分在木材熱改性過程中所經(jīng)歷的化學(xué)變化機(jī)制，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已取得了一定的共識(shí)[ 4 ]。大多數(shù)研究聚焦于熱改性方法在改善各類木材吸濕性與尺寸穩(wěn)定性方面，而關(guān)注表面涂飾處理對(duì)熱改性木材環(huán)境耐久性的研究較少[ 5 ]。

木蠟油是一種以天然植物油脂、動(dòng)植物蠟為主要原料，經(jīng)高溫?zé)捴撇⑻砑痈黝愔鷦┖笮纬傻淖匀煌匡棽牧?。作為一種低VOC排放、綠色環(huán)保涂料，木蠟油在建筑室內(nèi)外木質(zhì)材料的涂飾與保護(hù)處理領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景，非常適合各類熱改性木材的表面涂飾與保護(hù)[ 6 ]。

本研究以落葉松板材為原料，木材試件順次經(jīng)歷高溫?zé)岣男?、表面木蠟油涂飾處理、人工模擬等溫吸濕平衡處理。測(cè)試各類表面涂飾試材的平衡含水率、相對(duì)吸濕率、橫紋相對(duì)變形率，探討熱改性工藝、表面涂飾處理等因素對(duì)木材水分吸附特性、尺寸穩(wěn)定性的影響機(jī)制，為木蠟油涂飾熱改性落葉松材料的戶外實(shí)踐應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1. 1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

落葉松鋸材8塊，經(jīng)常規(guī)室干處理后，平均含水率達(dá)到10%～12%，尺寸規(guī)格為2 000 mm（L）×150 mm（T）×40 mm（R），編號(hào)L1～L8。板材表面無(wú)裂紋、蟲眼、節(jié)疤，沒有腐朽等明顯缺陷。

試驗(yàn)設(shè)備包括：恒溫恒濕試驗(yàn)箱HS-240（蘇州市鑫達(dá)實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）、可程式恒溫恒濕試驗(yàn)箱GDS-150（蘇州市鑫達(dá)實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）、電動(dòng)圓鋸機(jī)GKS-190（博世電動(dòng)工具有限公司）、電熱鼓風(fēng)干燥箱101A-2ET（上海實(shí)驗(yàn)儀器廠有限公司）、電子天平SPN501F（梅特勒-托利多常州稱重設(shè)備有限公司）。

1. 2 試驗(yàn)方法

1. 2. 1 熱改性處理

參考芬蘭的Thermo-Wood? 工藝規(guī)程制定相應(yīng)的熱改性工藝方案，以常壓過熱蒸汽為傳熱-保護(hù)介質(zhì)，熱改性溫度分別為160、180、200 ℃，保持1h。熱改性試件編號(hào)設(shè)計(jì)為：L1、L2為160 ℃;L3、L4為180 ℃;L5、L6為200 ℃;L7、L8為對(duì)比試件。熱改性處理過程涉及如下步驟[ 7 ]：

（1）預(yù)熱與干燥： 將試件在2 h內(nèi)由室溫預(yù)熱到103 ℃;在（103±3）℃條件下干燥4 h;在0.5 h 內(nèi)升溫到120 ℃;

（2）高溫?zé)岣男裕?在2.0 h內(nèi)升溫到目標(biāo)溫度，并維持目標(biāo)溫度1 h;

（3）降溫與平衡處理： 在8 h內(nèi)降溫到80 ℃。

熱改性后的各批次試件被置于溫度25 ℃、相對(duì)濕度50%～55%的人工環(huán)境內(nèi)進(jìn)行木材水分平衡處理，時(shí)間為3個(gè)月。

1. 2. 2 涂飾方法

將各類熱改性材及對(duì)比材沿軸向鋸切成規(guī)格為40 mm×40 mm×600 mm的植物油涂飾用試件，隨后沿板材長(zhǎng)度方向按照40 mm×40 mm的尺寸進(jìn)行表面劃線、標(biāo)號(hào)，標(biāo)記過程見圖1。

涂飾用木蠟油分別為：（1）底油L-001（亞麻油）;（2）面油L-002（亞麻油）;（3）自制木油（預(yù)聚合大豆油）。

1. 2. 3 涂飾過程

涂飾過程包括基材處理、涂刷、打磨、干燥，共4個(gè)步驟，詳細(xì)情況見參考文獻(xiàn)[ 8 ]。涂飾分組情況詳見表1，其中200℃熱改性試件的植物油涂飾方案如圖2所示。

1. 2. 4 木材橫紋變形與相對(duì)吸濕率測(cè)試

將涂飾后的試件在溫度（103±2） ℃條件下干燥至絕干狀態(tài)，測(cè)試絕干質(zhì)量，使用游標(biāo)卡尺測(cè)量其橫紋弦向尺寸。隨后將絕干試件放入溫度為40℃、相對(duì)濕度為30%的恒溫恒濕環(huán)境模擬箱內(nèi)進(jìn)行水分平衡處理，定期測(cè)試試件質(zhì)量變化;待相鄰兩次質(zhì)量變化小于0.001 g時(shí)取出所有試件，再次測(cè)試其質(zhì)量、橫紋弦向尺寸。隨后再逐次地將環(huán)境濕度設(shè)定為50%、70%，對(duì)試件進(jìn)行水分平衡處理;待試件與環(huán)境濕度達(dá)到平衡后，再次測(cè)試其質(zhì)量、橫紋弦向尺寸。

2 結(jié)果與分析

2. 1 橫紋弦向相對(duì)變形率分析

經(jīng)過高溫?zé)岣男蕴幚砗?，落葉松試件在環(huán)境溫度為40 ℃條件下，其橫紋吸濕膨脹變形參量DL隨表面涂飾處理方法變化情況如圖3所示。其中，圖3（1）為試件在環(huán)境相對(duì)濕度分別為30%～50%條件下木材—水分吸附達(dá)到平衡態(tài)后橫紋尺寸的相對(duì)變形率，圖3（2）為試件在環(huán)境相對(duì)濕度分別為50%～70%條件下木材—水分吸附達(dá)到平衡態(tài)后橫紋尺寸的相對(duì)變形率。

（1）環(huán)境濕度30%～50%

（2）環(huán)境濕度50%～70%

在固定的環(huán)境溫度、濕度狀態(tài)下，木材橫紋尺寸變化行為（收縮或膨脹）涉及到木材—水分動(dòng)態(tài)吸附、植物組織紋理走向、木材細(xì)胞壁組織結(jié)構(gòu)等諸多因素。Zhan 與Avramidis認(rèn)為[ 9 ]，高溫?zé)岣男蕴幚砜梢燥@著降低臭冷杉表面壓縮材的橫紋徑向膨脹變形，提高表面壓縮材的尺寸穩(wěn)定性。如圖3所示，隨著熱改性溫度升高，落葉松橫紋弦向相對(duì)變形率呈現(xiàn)出波動(dòng)性變化，在本試驗(yàn)設(shè)定條件下DL變量波動(dòng)范圍在-0.2%～1.2%之間，橫紋膨脹變形出現(xiàn)負(fù)值可能源自木材年輪與紋理分布異常，以及表面涂飾植物油后產(chǎn)生的多因素交互影響。雙因素ANOVA分析顯示，在溫度40 ℃、相對(duì)濕度50%的平衡處理?xiàng)l件下，熱改性工藝對(duì)橫紋相對(duì)變形率DL影響顯著（p=0.00）;在溫度40 ℃、相對(duì)濕度70%的平衡處理?xiàng)l件下，熱改性工藝對(duì)橫紋相對(duì)變形率DL影響不顯著[ 10 ]。

落葉松熱改性材經(jīng)3種植物油涂飾處理后，與未涂飾對(duì)比材比較，其橫紋相對(duì)變形率DL均呈現(xiàn)不同程度降低趨勢(shì)（表2）。以涂飾方法a、b為例，落葉松熱改性材經(jīng)過底油涂飾1次、面油涂飾1次后，其DL變量均較僅涂飾底油1次的試件有所降低。針對(duì)涂飾自制木油的落葉松熱改性材，其DL變量在涂飾a、b的試件之間呈波動(dòng)性變化。

雙因素ANOVA分析顯示，在溫度40 ℃、相對(duì)濕度50%的平衡處理?xiàng)l件下，涂飾方法對(duì)橫紋相對(duì)變形率DL影響顯著（p=0.04）;在溫度40 ℃、相對(duì)濕度70%的平衡處理?xiàng)l件下，涂飾方法對(duì)橫紋相對(duì)變形率DL影響不顯著[ 10 ]。

2. 2 平衡含水率分析

在本研究中因涉及木材表面植物油涂飾處理，考慮到植物油蠟涂料對(duì)木材質(zhì)量的影響，涉及試件的平衡含水率的檢測(cè)主要參考了鋸材窯干工藝規(guī)程（LYT1068-2012）中關(guān)于鋸材含水率檢驗(yàn)板的測(cè)試規(guī)程[ 11 ]，即在涂飾處理前首先確定每塊試件的絕干質(zhì)量，隨后確定涂飾植物油試件在涂層實(shí)干后的質(zhì)量，進(jìn)而將植物油蠟對(duì)試件質(zhì)量的影響剔除，根據(jù)吸濕平衡處理過程木材試件質(zhì)量的變化來確定木材平衡含水率。各類熱改性工藝條件、表面涂飾方法下的落葉松木材初始含水率與平衡含水率見表3。

各類處理材經(jīng)過表面植物油涂飾處理后的平衡含水率參量如圖4所示。在溫度40 ℃、相對(duì)濕度50% 和溫度40 ℃、相對(duì)濕度70%的2種水分吸濕平衡階段，各類表面涂飾處理材的平衡含水率均呈現(xiàn)隨處理溫度升高而降低的趨勢(shì)。熱處理工藝—表面涂飾處理雙因素ANOVA分析結(jié)果顯示，熱改性工藝（加熱溫度）對(duì)木材平衡含水率存在顯著的影響（p=0.00）。

植物油涂飾對(duì)木材平衡含水率的影響比較復(fù)雜，木材表面涂飾各類植物油蠟后，其平衡含水率未呈現(xiàn)明顯降低趨勢(shì)。以表面涂飾底油1次、表面涂飾底油面油各1次的兩批試件為例，針對(duì)180℃熱改性材及室干對(duì)比材、200 ℃熱改性材，表面涂飾底油面油各1次試件的平衡含水率要低于只涂飾底油1次試件;然而室干對(duì)比試件與160 ℃熱改性試件則出現(xiàn)相反現(xiàn)象，即表面涂飾底油面油各1次試件的平衡含水率高于只涂飾底油1次試件，這種現(xiàn)象可能是木材熱降解—表面植物油涂飾交互效應(yīng)等因素導(dǎo)致的。這種現(xiàn)象也在熱處理工藝—表面涂飾處理雙因素ANOVA分析中得到了證實(shí)，即表面涂飾植物油蠟對(duì)試件平衡含水率不存在顯著的影響。

2. 3 相對(duì)吸濕率分析

在吸濕區(qū)間30%～50%，隨著熱改性溫度的升高，各類試件的相對(duì)吸濕率整體呈現(xiàn)了降低的趨勢(shì)，但是在加熱溫度200 ℃條件下該參數(shù)出現(xiàn)了小幅回升現(xiàn)象（表4）;比較而言，各類表面涂飾方法對(duì)相對(duì)吸濕率影響不明顯（圖5（1））。

熱處理工藝—表面涂飾處理雙因素ANOVA分析顯示，熱改性工藝參數(shù)對(duì)相對(duì)吸濕率影響顯著（p=0.00），涂飾方法對(duì)相對(duì)吸濕率影響不顯著（p=0.52）。

在隨后的50%～70%吸濕階段（圖5（2）），與上個(gè)吸濕區(qū)間比較，常規(guī)室干、160℃熱改性溫度下的相對(duì)吸濕率明顯降低，各類熱改性試件的相對(duì)吸濕率總體上隨加熱溫度升高而呈現(xiàn)小幅降低，相對(duì)吸濕率數(shù)值在1.0%～3.0%間波動(dòng)變化，各類涂飾方法試件之間的相對(duì)吸濕率差異變化不大。雙因素ANOVA分析顯示，加熱溫度對(duì)相對(duì)吸濕率影響顯著（p=0.00），涂飾方法對(duì)相對(duì)吸濕率影響顯著（p=0.03）。

（1）環(huán)境濕度30%～50%

（2）環(huán)境濕度50%～70%

3 結(jié) 論

3. 1 對(duì)室外用熱改性針葉材進(jìn)行表面植物油涂飾處理是改善木材耐候性、延長(zhǎng)木材使用壽命的有效技術(shù)手段。本研究著重分析了植物油表面涂飾方法、熱改性工藝參數(shù)對(duì)落葉松板材橫紋相對(duì)變形率、平衡含水率、相對(duì)吸濕率的影響機(jī)制。

3. 2 落葉松熱改性材經(jīng)天然植物油涂飾后，其橫紋相對(duì)變形率DL均較未涂飾對(duì)比材呈現(xiàn)出不同程度的降低趨勢(shì)。木材等溫吸濕過程中發(fā)生的橫紋尺寸膨脹現(xiàn)象，源自木材細(xì)胞壁組織結(jié)合水動(dòng)態(tài)吸附過程，植物油蠟在木材表層的浸潤(rùn)有助于束縛木材細(xì)胞壁水分吸附，增加植物油涂飾次數(shù)可降低木材橫紋吸濕膨脹變形率。

3. 3 隨著熱改性溫度水平的升高，表面涂飾植物油的熱改性落葉松板材的平衡含水率呈現(xiàn)總體降低趨勢(shì)，熱改性工藝對(duì)木材平衡含水率存在顯著性影響。

3. 4 在30%～50%與50%～70%兩個(gè)木材吸濕區(qū)間，各類涂飾方案、熱改性溫度下的落葉松板材相對(duì)吸濕率呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示，熱改性工藝對(duì)木材相對(duì)吸濕率存在顯著性影響。

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（責(zé)任編輯：? ?潘啟英）