人工林速生材高值化利用研究進(jìn)展?

楊 洋 張 蕾 宋菲菲 張繼娟 張仲鳳

（1.中南林業(yè)科技大學(xué)，長(zhǎng)沙 410000；2.國(guó)家林業(yè)和草原局綠色家具工程技術(shù)研究中心，長(zhǎng)沙 410000； 3.湖南省綠色家居工程技術(shù)研究中心，長(zhǎng)沙 410000；4.東陽(yáng)市家具研究院，東陽(yáng) 322100）

1 速生材利用研究概況

人工林速生材由于生長(zhǎng)周期短，大部分屬于幼齡材，存在材質(zhì)疏松、密度低、易開(kāi)裂變形、強(qiáng)度低等問(wèn)題，因此其適用范圍受限，通常作為纖維板和刨花板、膠合板等人造板原料使用，間接用于家居等領(lǐng)域，或作為造紙、建筑模板用原材料[1-4]。

為發(fā)揮我國(guó)人工速生工業(yè)林資源優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)劣材優(yōu)用和小材大用，拓寬速生材應(yīng)用領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)學(xué)者通過(guò)研發(fā)相應(yīng)的加工工藝與技術(shù)，對(duì)人工速生材進(jìn)行重組、強(qiáng)化、軟化、塑化、材色處理及防腐阻燃等功能性改良，取得一系列研究成果[5-8]。國(guó)外學(xué)者為應(yīng)對(duì)全球環(huán)境壓力正在探索更加環(huán)保的改性手段和化學(xué)改性劑，同時(shí)從細(xì)胞微觀結(jié)構(gòu)方面進(jìn)一步探究改性機(jī)理，為拓展速生材的利用領(lǐng)域提供支撐[9-10]。目前，木材改性成為人工林速生材高值化加工利用的重要手段之一，速生材改性的相關(guān)研究主要以杉木、桉木、楊木、松木等為研究對(duì)象，常規(guī)的木材改性處理有物理改性與化學(xué)改性兩大類。本文主要介紹了國(guó)內(nèi)外速生材物理改性與化學(xué)改性相關(guān)研究，為我國(guó)人工林速生材功能性改良及速生材高值化利用提供參考。

2 速生材高值化利用研究

2.1 物理改性

熱處理壓縮改性是利用木材多孔、多組織的生物特性，在濕熱條件下對(duì)木材施以機(jī)械壓力，使其內(nèi)部單位體積的細(xì)胞結(jié)構(gòu)密實(shí)化，從而充分發(fā)揮木材的可塑性，改善其力學(xué)性能的物理改性方法，其工藝主要分為預(yù)熱軟化階段和壓縮定型階段。

為了防止壓縮過(guò)程中木材發(fā)生斷裂，需先對(duì)木材進(jìn)行預(yù)熱軟化處理，目前常用的木材軟化方法有水熱處理、高溫高壓蒸煮和微波加熱處理等。高溫加熱預(yù)處理可使木材細(xì)胞中部分纖維素、半纖維素發(fā)生軟化實(shí)現(xiàn)玻璃化轉(zhuǎn)變，從而提高木材的塑性，增加木材壓縮率[11]。Chen[12]等在160℃的條件下用飽和水蒸氣對(duì)日本雪松[Cedrus deodara (Roxb.) G. Don]進(jìn)行汽蒸預(yù)處理和徑向壓縮，測(cè)定了雪松在熱水中形狀的恢復(fù)率、纖維素結(jié)晶度和動(dòng)態(tài)粘彈性，研究發(fā)現(xiàn)：隨著蒸汽處理時(shí)間的延長(zhǎng)，壓縮木材中纖維素的結(jié)晶度和晶體寬度也會(huì)不斷增加。

木材壓縮定型階段主要有整體壓縮、表面壓縮和分層壓縮三種方式，其中壓縮溫度、壓力和保壓時(shí)間是此階段的三大要素。

Li等[13]采用不同溫度對(duì)毛白楊木材（Populus tomentosa）進(jìn)行預(yù)熱處理和徑向壓縮，通過(guò)對(duì)壓縮木材的密度分布、壓縮層的位置和厚度表征，探討了預(yù)熱溫度（60～210 ℃）對(duì)木材壓縮層的影響，研究發(fā)現(xiàn)：根據(jù)預(yù)熱溫度的不同，可以形成表面壓縮木、內(nèi)部壓縮木和中心壓縮木三種結(jié)構(gòu)形式的夾芯壓縮木，升高預(yù)熱溫度可增加壓縮層的密度，且壓縮層和過(guò)渡層發(fā)生的是細(xì)胞壁屈曲而不是細(xì)胞壁裂紋。劉丹丹[14]等研究了高溫?zé)釅簩?duì)奧古曼(Aucoumea klaineana)變形固定和性能的影響。研究表明：熱處理溫度和壓力是熱壓改性的重要影響因素，提高溫度或增加壓力均可有效降低壓縮木材的吸濕率和回彈率，但溫度高于200 ℃時(shí)，提高處理溫度或延長(zhǎng)處理時(shí)間會(huì)導(dǎo)致木材表面硬度和耐磨性的降低以及材色的變化。

當(dāng)木材受壓后，其內(nèi)部便會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，內(nèi)應(yīng)力能夠增大木材中纖維素的能量，促使木材發(fā)生回彈,其中微纖絲的彈性形變是木材回彈的主要原因，微纖維幾乎不受水分和熱量的影響，在壓縮定型完成后微纖絲會(huì)在保持彈性變形的情況下定型，一旦木材再受水、熱作用時(shí), 木材締結(jié)物質(zhì)將重新軟化，微纖絲的彈性復(fù)原力會(huì)導(dǎo)致木材回彈。也有學(xué)者認(rèn)為木材內(nèi)部應(yīng)力與木材壓縮時(shí)內(nèi)部的摩擦阻力有關(guān)，隨著壓縮時(shí)間的延長(zhǎng)，內(nèi)應(yīng)力會(huì)逐漸衰減，且升高溫度有利于內(nèi)應(yīng)力加速衰減[15]。

熱處理壓縮改性可有效改善速生材材質(zhì)，提高性能，且處理工藝環(huán)境友好，符合當(dāng)前國(guó)家綠色家居的建設(shè)需求。但由于速生材密度低，往往需要犧牲較大的木材體積提高壓縮率以保證壓縮木的材性，同時(shí)過(guò)高的處理溫度會(huì)導(dǎo)致纖維素和木質(zhì)素降解引起木材顏色變深、脆性增加。為保證速生材熱壓改性工業(yè)化穩(wěn)定生產(chǎn)，仍需加強(qiáng)工藝條件對(duì)壓縮木回彈協(xié)同影響機(jī)理研究，以及在較低壓縮率條件下提升速生材力學(xué)性能與尺寸穩(wěn)定性等方面的研究。

2.2 化學(xué)改性

化學(xué)改性法是指采用改性劑浸漬速生材使其滲入木材組織內(nèi)部，然后通過(guò)高溫、催化等處理手段使改性劑發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)和縮合反應(yīng)，從而提高木材密實(shí)度和穩(wěn)定性的方法，按照改性劑在木材內(nèi)部的作用方式，可分為細(xì)胞壁反應(yīng)型和細(xì)胞壁非反應(yīng)型[16]。

浸蠟改性、熱固性樹(shù)脂改性是細(xì)胞壁非反應(yīng)型改性的典型方法，其特點(diǎn)為改性劑在改性過(guò)程中只發(fā)揮填充作用，很少與細(xì)胞壁組分發(fā)生反應(yīng)，改性劑在高溫或催化條件下自身發(fā)生縮合反應(yīng)填充細(xì)胞壁和細(xì)胞間隙，增大細(xì)胞非結(jié)晶區(qū)體積，從而提高木材的穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度。

Chen等[17]發(fā)現(xiàn)浸蠟改性可使蠟液填充木材細(xì)胞間隙，顯著降低細(xì)胞自由水含量，從而延緩束縛水吸附，其用石蠟/棕櫚蠟（5∶5 和7∶3）混合蠟乳液體系處理中國(guó)速生青楊（Populus cathayana Rehd.）可得到接觸角為140°的強(qiáng)疏水速生材。Miha Humar[18]先以天然蠟懸浮液為改性劑，以普通浸漬、高壓真空浸漬為預(yù)處理方法浸漬挪威云杉（Norway spruce），然后在不同溫度（185～230 ℃）下進(jìn)行熱處理，研究發(fā)現(xiàn)：蠟浸漬處理與熱改性相結(jié)合，不僅可顯著提高材料的憎水性，降低液體吸水率，減緩水蒸氣吸收，還可提高材料的抗真菌腐蝕能力。Wang等[19]研究發(fā)現(xiàn)，石蠟對(duì)木材的滲透效果與石蠟乳液的粒徑大小、固體含量和木材滲透性有關(guān)，隨著固體含量和粒徑的減小，火炬松（Pinus taeda L.）和樟子松（Pinus sylvestris var. mongolica Litv.）的石蠟乳液滲透性都會(huì)增加，且由于木材滲透性差異，火炬松的石蠟滲透效果優(yōu)于樟子松。Deka等[20]分別采用三聚氰胺-甲醛樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂和脲醛樹(shù)脂浸漬改性速生黃梁木（Anthocephalus chinensis），當(dāng)增重率為33%～35%時(shí)，速生黃梁木尺寸穩(wěn)定性分別提高68%、71%和49%，且酚醛樹(shù)脂改性后，木材力學(xué)性能明顯優(yōu)于其他兩種樹(shù)脂改性。

細(xì)胞壁反應(yīng)型的特點(diǎn)是改性劑會(huì)在一定條件下與細(xì)胞壁中羥基等組分發(fā)生反應(yīng)交聯(lián)形成化學(xué)鍵，不僅可以填充木材的內(nèi)部空間，還可降低木材吸水性，提升速生材的尺寸穩(wěn)定性，并賦予木材抗腐、抗菌等特性[21-22]。主要方法有乙?；男院涂反蓟男裕壳巴ǔ２捎民R來(lái)酸酐、丙烯酸等偶聯(lián)劑來(lái)增強(qiáng)改性劑與木材細(xì)胞壁之間的結(jié)合能力。

Herold等[23]采用糠醇/馬來(lái)酸酐溶液對(duì)木材單板進(jìn)行浸漬密實(shí)化處理，以改善單板塑性性能。結(jié)果表明：糠醇在高溫下形成的復(fù)合聚合物主要駐留在細(xì)胞壁上，與水塑化樣品相比，用糠醇/馬來(lái)酸酐溶液浸漬后的單板可塑性更高，且回彈效應(yīng)明顯降低。沈曉雙等[24]以馬來(lái)酸酐為催化劑、硼砂為穩(wěn)定劑、水為稀釋劑與糠醇單體配制預(yù)聚體混合物改性溶液浸漬速生毛白楊（Populus tomentosa），糠醇單體與預(yù)聚體質(zhì)量比為35∶15 時(shí)改性楊木的增重率為90.47%，徑向、弦向和體積抗?jié)衩浡史謩e為 77.76%、62.56%和 70.02%，順紋抗壓強(qiáng)度為 69.93 MPa，但楊木改性后的彎曲強(qiáng)度和彈性模量卻略有降低。

乙?；男灾饕怯靡阴；〈静闹械牧u基形成酯鍵，在增大細(xì)胞壁體積的同時(shí)降低木材親水性，改性對(duì)木材化學(xué)和物理性能的改善與乙酰化程度直接相關(guān)，其中增重率（WPG）是影響改性木材力學(xué)性能的重要因素。

Nagarajappa[25]在105℃和120℃的油浴中，用乙酸酐（AC2O）和N-溴代丁二酰亞胺（NBS）作催化劑，對(duì)橡膠木（Hevea brasiliensis Mull.Arg）進(jìn)行了無(wú)溶劑乙?；磻?yīng)，研究催化劑濃度、溫度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)乙?；磻?yīng)的影響。研究表明：NBS和微波加熱很大程度提高了乙?；俾剩?20 ℃下反應(yīng)60 min后，改性材增重率從無(wú)催化劑的8.1%增加到2%NBS濃度下的22.1%，當(dāng)NBS濃度為3%，105 ℃下反應(yīng)60 min后，改性材的增重率從相同反應(yīng)條件下未催化的7.6%提升到19.0%。牛偉強(qiáng)[26]以乙酸酐作為乙?；噭?，以濃硫酸作為催化劑，研究反應(yīng)溫度、催化劑用量、反應(yīng)時(shí)間、試件尺寸以及處理方式等因素對(duì)乙?；瘲钅驹鲋芈实挠绊懀?duì)乙?；瘲钅具M(jìn)行熱壓試驗(yàn)。結(jié)果表明：試樣體積越小，乙?；匠浞郑鲋芈试酱?，當(dāng)濃硫酸用量為反應(yīng)液的0.05%時(shí)催化效果較佳。

通常情況下，經(jīng)化學(xué)改性后速生材的尺寸穩(wěn)定性與力學(xué)性能都會(huì)有較大提升，但改性后木材表面接觸角增加、潤(rùn)濕性下降，不利于漆膜附著，且工藝復(fù)雜，反應(yīng)條件不易精確控制，生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)釋放有害氣體。因此，速生材化學(xué)改性未來(lái)發(fā)展要以工藝優(yōu)化，環(huán)保高效和降低成本為方向，同時(shí)深入研究改性劑與細(xì)胞壁的反應(yīng)機(jī)理。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著天然林及珍貴木材的逐漸減少，如何實(shí)現(xiàn)人工林速生材的高效增值利用，已成為木材科學(xué)研究熱點(diǎn)之一?？茖W(xué)合理利用木材優(yōu)化改良技術(shù)，克服人工林速生材存在的缺陷，提高其使用性能及附加值，對(duì)緩解木材供需矛盾，推進(jìn)木材工業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。未來(lái)人工林速生材高值化加工利用應(yīng)以工藝優(yōu)化、環(huán)保高效、低成本為發(fā)展方向，通過(guò)科技創(chuàng)新手段，實(shí)現(xiàn)人工林速生材的環(huán)保高效、高值利用。