不同處理方法改善桉木滲透性研究?

覃引鸞 盧翠香 李建章 莫引優(yōu)

（1.北京林業(yè)大學，北京 100083； 2.廣西生態(tài)工程職業(yè)技術學院，柳州 545004；3.廣西林業(yè)科學院，南寧 530002； 4.廣西林業(yè)勘測設計院，南寧 530000）

桉樹是廣西最主要的人工林樹種，其種植面積達到200多萬 hm2。2018年廣西木材產(chǎn)量達到3 100萬 m3，其中桉樹木材產(chǎn)量占70%左右。桉樹木材產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為廣西第9個超千億元產(chǎn)業(yè)[1-2]。桉樹生長快，木材密度高（可達0.45～0.58 g/cm3），材質(zhì)細致、紋理美麗，但存在易開裂、變形、加工性和耐腐性差等缺點，嚴重制約了桉木利用。速生材的改性處理成為其高效利用重要環(huán)節(jié)，而速生木材的滲透性直接影響到改性處理效果。

Siau[3]指出不同樹種木材的滲透性變化較大，不同木材解剖構造對滲透性影響極大。Stamm[4]指出木材紋孔膜上小孔尺寸對縱向滲透性起主要決定作用。Bonner[5]認為導管間紋孔膜上的空隙是木材滲透性良好的主要原因。此外，半具緣紋孔和單紋孔對木材的橫向滲透性具有一定的影響[6-8]。木材中有效紋孔膜的微孔多且大，其滲透性好；此外，木材中無定形物、樹膠/浸填體等影響其滲透性[9-10]。同種木材橫向滲透性小于縱向滲透性[11]；心材滲透性小于邊材[12]；橫向滲透中，弦徑向滲透性、早晚材滲透性因樹種不同而存在差異[13]。

學者們對木材滲透性改善方法進行了深入探究。楊琳[14]采用不同微波功率和時間處理落葉松，發(fā)現(xiàn)微波處理通過破壞細胞壁上薄弱位置，形成了流體通道，使落葉松滲透性得到改善，且不改變木材的力學性能。呂建雄等[15]用酒精對長白魚鱗云杉心、邊材和臭冷杉生材進行置換處理，結果表明：置換材平均滲透性比普通氣干材提高101.5倍。置換處理使得木材紋孔保持了生材時的狀態(tài)，同時溶解部分抽提物。

從20世紀90年代開始，國內(nèi)外采用微波技術、蒸汽、爆破技術等處理桉木，對桉木微觀構造和滲透性研究[16-20]發(fā)現(xiàn)，桉木滲透性均得到改善，其原理可歸納為通過上述方法處理，桉木內(nèi)部水分汽化或是空氣壓力增大，對紋孔膜等薄弱部位產(chǎn)生沖擊，形成裂隙，木材微觀結構被破壞，從而提高木材透氣性。

盧翠香[21]對桉樹的木材結構、木材抽提物等對其滲透性的影響進行研究，發(fā)現(xiàn)桉木的導管是液體軸向流通通道，流體通過導管并經(jīng)末端穿孔板與相連的導管相流通，桉樹導管中含有較多侵填體和抽提物，阻礙導管的軸向流通通道，這些都是影響其滲透性的主要因素。本文在總結前人研究的基礎上，采用簡單工藝處理桉木，測試桉木滲透性，揭示不同處理對桉木滲透性能影響，為桉木改性利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

尾葉桉（Eucalyptus urophyllaS.T.Blake）采自廣西國有三門江林場。經(jīng)氣干后，試樣制取參考文獻[22]中方法鋸取，除去開裂、節(jié)疤等缺陷。由髓心向邊材制取試件，試件尺寸為11 mm（徑向）×11 mm（弦向）×11 mm（縱向），無毛刺，從髓心至邊材共7個編號（2,4,5,6,7，編號數(shù)字越小越靠近心材，其中1,3號試樣本研究未用），包括對照材在內(nèi)共21組，每組10塊試材。乙醇和苯采購于北京化工廠。尿素，分析純（純度99.9%），購于西隴科學股份有限公司。

1.2 設備

水上升水置換法測量木材滲透性的試驗裝置，自制；FA2004B電子天平（0.000 1g），上海精科天美科學儀器有限公司；101-2AB型電熱鼓風干燥箱，天津市泰斯特儀器有限公司。電子顯微鏡(ZeissEVO18SEM，德國);光學顯微鏡(NOVELDN-10, 中國)。四口燒瓶（1 000 mL），四川蜀玻（集團）有限責任公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 苯-乙醇抽提

將試樣放入盛有苯-乙醇混合液（體積比為2：1）的燒杯內(nèi)浸泡10 d（液體沒過試樣表面）。然后取出放入鼓風干燥箱內(nèi)，在(103±2) ℃條件下干燥8 h，測定質(zhì)量和尺寸。

1.3.2 真空處理

將試樣放入真空罐內(nèi)，抽真空15 min（真空度0.095 MPa），大氣壓30 min。重復以上步驟3次。

1.3.3 尿素浸漬

將試樣放入濃度為10%、20%、30%的尿素水溶液中常壓浸漬36 h（室溫），然后測定試樣質(zhì)量和尺寸。

1.4 木材滲透性測定

采用水上升容積置換法測定上述3種處理試樣的滲透性。用橡膠管包裹住木材，木材被包裹住的兩面緊貼橡膠管，確保只有不被包住那個方向通氣。打開水上升容積置換裝置，抽真空，在試件兩端形成一定的壓力差（P1-P2），在此壓力差作用下，封閉系統(tǒng)內(nèi)的空氣便通過試件進行流動，完成滲透過程，當封閉系統(tǒng)內(nèi)空氣逐漸減少時，引起另一側置換管內(nèi)水位上升h，同時通過水銀壓力計測出試件兩端的壓力差ΔPm。采用文獻[22]中的方法計算滲透性。

1.5 處理材SEM觀察

先用鋒利小刀將木材表面切削平滑，再利用掃描電子顯微鏡對桉木弦切面進行觀測，加速電壓為10～15 kV。

1.6 光學顯微鏡

在木材試樣上切取約35 μm的切片，用1%的番紅水溶液染色后，在不同酒精濃度下脫水，制成永久玻片。在光學顯微鏡下對玻片進行觀察和拍照，記錄其微觀特征。

2 結果與分析

2.1 有機溶劑處理材氣體滲透性

處理桉木（木材平均含水率為6.41%）和對照材（平均含水率7.16%）氣體滲透性比較結果見表1。

從表1可知，經(jīng)苯-乙醇溶液浸泡抽提后的桉木滲透性略有提高，2號試材徑向滲透性從對照材的6.01×10-5cm3/(cm.Pa.s)提高至6.18×10-5cm3/(cm.Pa.s)，弦向從5.79×10-5cm3/(cm.Pa.s)提高至6.00×10-5cm3/(cm.Pa.s)，處理材滲透性最大提高幅度為4%?？拷牟牟课坏哪静谋冗叢臐B透性改善效果略好，6號徑向從對照材的6.35×10-5cm3/(cm.Pa.s)提高至6.46×10-5cm3/(cm.Pa.s)，滲透性明顯比2號試材提升幅度小。其結果可能與桉木本身含有的樹脂有關，有機溶劑可溶解部分侵填體/樹膠，減少木材細胞壁被侵填體/樹膠堵塞[23]，從而增加或是改善木材流體滲透通道，達到改善滲透性的作用。王金滿[24]用苯-乙醇抽提紅松、興安落葉松，其紋孔膜上結殼物質(zhì)大幅度減少，塞緣上微纖絲明顯顯露，增大了流體滲透孔徑，使木材滲透性得到改善。李凱夫[25]用堿抽提、熱水抽提和冷水抽提尾巨桉，發(fā)現(xiàn)尾巨桉木材干縮性的各向異性降低，從側面證明抽提對桉木滲透性的影響。

表1 有機溶劑和真空處理材桉木的氣體滲透性Tab.1 Eucalyptus air permeability with organic solvents and vacuum treatment methods

從圖1可知，桉木細胞中含有樹脂和侵填體。本研究中桉木經(jīng)有機溶劑浸提后，木材滲透性改善效果不明顯，可能由于木材本身所含的侵填體/樹膠少，或是木材所含侵填體/樹膠不溶或較少溶于苯-乙醇溶液所致。從徑向、弦向和縱向上看，經(jīng)有機溶劑浸提后，木材徑向滲透性均得到提高，而弦向和縱向均降低。

圖1 桉木（對照材）橫切面和弦切面Fig.1 Microstructures of eucalyptus cross section and tangential section

與對照材相同，處理材的縱向滲透性均大于橫向滲透性。因為木材中細胞絕大多數(shù)縱向排列，流體沿著導管、纖維等細胞縱向流動時，遇到的阻力主要是細胞間穿孔，尾葉桉導管間穿孔為單穿孔，對流體的阻力較??；而流體橫向流動時，主要的流體以木射線、細胞間紋孔為通道，阻力大于縱向，因此流體沿著縱向移動時遇到的阻力小于橫向。橫向滲透受紋孔結構、分布以及狀態(tài)，木射線的滲透程度和數(shù)量等多種因素的影響。

從表1可知，徑、弦向滲透性差異很小。從圖2桉木的微觀結構可以看出，桉木導管壁上的紋孔雖多，但其紋孔多為附物紋孔，紋孔上的微孔小，使得紋孔大致處于半關閉狀態(tài)，進而造成桉木徑向和弦向滲透性差別不大。

從表1中可以看出，苯-乙醇處理的部分試材的滲透性小于未處理材，處理2號試材縱向滲透性較未處理材小0.13×10-5cm3/(cm.Pa.s)，4、6號試材的弦向和縱向也出現(xiàn)了類似的情況。根據(jù)文獻[22]中有關赤桉的滲透性研究，認為含水率減小，木材內(nèi)的流體流通途徑增加，滲透性增大；但毛細管張力變大，使得流體流動受阻，滲透性減小。本研究中的處理桉木的木材平均含水率為6.41%和對照材為7.16%，受毛細管張力的影響，處理材的滲透性減小。在文獻[15]中出現(xiàn)了苯醇浸提處理后云杉和冷杉滲透性分別比未處理材小29.61%和25.82%。

圖2 桉木弦切面微觀構造圖Fig.2 Microstructures of eucalyptus tangential section

2.2 真空處理材滲透性

采用真空-大氣壓處理，仿蒸汽-爆破/真空蒸汽處理木材，研究其處理后木材的氣體滲透性。桉木處理材（木材平均含水率為4.35%）和對照材（平均含水率7.16%）滲透性比較結果見表1。由表可知，經(jīng)真空處理后的桉木滲透性略有提高，5號試材徑向從對照材6.58×10-5cm3/(cm.Pa.s)提高至6.91×10-5cm3/(cm.Pa.s)，縱向從6.99×10-5cm3/(cm.Pa.s)提高至7.26×10-5cm3/(cm.Pa.s)，處理材滲透性較未處理材提高了5%，提升幅度不大，滲透性改善效果不明顯；徑向滲透性改性效果優(yōu)于弦向、縱向，2號處理材徑向與弦向的滲透性均比對照材提高，縱向滲透性降低。江濤[26]采用微波處理落葉松，吸水增重率提高，含水率越高處理材的滲透性越好。在高強度微波場中，落葉松木材細胞內(nèi)的水分迅速汽化，產(chǎn)生蒸汽壓力，突增的蒸汽壓力使紋孔膜產(chǎn)生細微破裂，從而使得落葉松木材滲透性增強。本研究中處理材滲透性提高不大原因可能在于：1）在常溫下，木材含水率較低，在真空時木材內(nèi)部水分少，不能如微波或是蒸汽處理時形成大蒸汽壓力，因此無法破壞木材組織，形成流體滲透通道；2）大氣壓壓力低，木材薄弱組織的細胞無法被低壓力的氣體破壞；3）桉木木材本身結構致密，細胞壁厚度較大，大氣壓形成的壓力無法破壞木材構造形成流體通道。

2.3 尿素溶液處理材滲透性

采用不同濃度的尿素溶液處理木材并研究其滲透性。其結果如圖3、4、5所示。對照材平均含水率41.63%，尿素處理材平均含水率42.23%。從圖中所知，經(jīng)尿素溶液處理后，木材滲透性均有不同程度的提高，滲透性提高范圍為18.91%～41.41%。按照文獻[27]分析，由于堿性溶液與木材中的樹脂酸發(fā)生反應，樹脂酸溶解形成樹脂酸鈉鹽，使得阻塞木材細胞壁的樹脂酸或是木材化學成分的樹脂酸減少，破壞了木材結構，形成微小孔隙，從而改善了木材滲透性（圖2）。本研究中木材經(jīng)10%～30%尿素溶液浸泡后，木材滲透明顯改善，其原因可能在于：1）尿素溶液中的（—NH2）基團，使水溶液呈現(xiàn)弱堿性，與木材細胞壁物質(zhì)反應，使細胞壁變薄或受到破壞（圖2），形成氣體流體通道，氣體滲透性得以改善；2）尿素水溶液具有軟化功能，木材浸漬后，木材細胞壁、紋孔等微細結構被軟化[28]，木材塑性提高，當氣體在大氣壓力作用下滲透時，紋孔口輕易被打開使得木材滲透性提高。

從圖3、4、5中可知，尿素濃度為10%時，處理材的滲透性增加迅速，徑向滲透性從4.29×10-5cm3/(cm.Pa.s)（平均值，下同）提高到5.77×10-5cm3/(cm.Pa.s)，基本接近滲透性最大值[5.89×10-5cm3/(cm.Pa.s）]。當濃度繼續(xù)增加時，滲透性增加幅度減小，因此處理桉木，并不是尿素溶液濃度越高越好。

不同濃度尿素溶液處理木材的滲透性，在徑向、弦向、縱向上基本類似。不論心、邊材，縱向滲透性最大值出現(xiàn)在尿素濃度為20%處[6.0×10-5cm3/(cm.Pa.s)]。橫向上不論是徑向還是弦向，2號心材滲透性均最小，如圖3、4、5所示。在尿素濃度為10%時處，2號徑向滲透性5.63×10-5cm3/(cm.Pa.s)，縱向滲透性為6.23×10-5cm3/(cm.Pa.s)，縱向滲透性大于橫向。在縱向上，當尿素濃度為10%時2號心材滲透性6.23×10-5cm3/(cm.Pa.s)，6 號滲透性5.79×10-5cm3/(cm.Pa.s)；濃度為20%和 30%時2號試樣的滲透性均大于7號試樣滲透性，說明心材滲透性大于邊材。

圖3 不同濃度尿素處理材徑向氣體滲透性Fig.3 Radial air permeability of treated wood with different urea concentrations

圖4 不同濃度尿素處理材弦向氣體滲透性Fig.4 Tangential air permeability of treated wood with different urea concentrations

圖5 不同濃度尿素處理材縱向氣體滲透性Fig.5 Longitudinal air permeability of treated wood with different urea concentrations

3 結論

1）桉木處理與未處理材縱向滲透性均大于橫向滲透性；桉木滲透性差主要原因是導管壁上的篩狀紋孔（附物紋孔），阻塞水分流動的管間通道，流體滲透困難。

2）真空、苯-乙醇、尿素處理均能改善桉木滲透性能，其改善原理均為打通了流體滲透通道。三種處理方法中，尿素處理對桉木滲透性改善效果最為明顯，尿素可使木材的抽提物減少，改變木材微觀結構；能軟化木材組織。但是用尿素處理桉木并非濃度越高越好。