苯甲?；瘜?duì)橡膠木尺寸穩(wěn)定性的影響

蔣匯川李 凱寧淑慧何吉來(lái)馬雪梅胡志勇

（1.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所農(nóng)業(yè)農(nóng)村部橡膠樹(shù)生物學(xué)與遺傳資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地—海南省熱帶作物栽培生理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南 ?？?571101；2.中北大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030051；3.中北大學(xué)化工綜合（國(guó)家級(jí)）實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，山西 太原 030051）

橡膠樹(shù)（Hevea brasiliensis）是我國(guó)海南地區(qū)主要的經(jīng)濟(jì)樹(shù)種，種植面積已經(jīng)高達(dá)1 500萬(wàn)畝，每年都有大量的原木更新[1-2]，目前已廣泛應(yīng)用于家具生產(chǎn)。橡膠木與楊樹(shù)（Populussp.）、杉木（Cunninghamia lanceolata）等人工速生林品質(zhì)相似，密度低易形變，使用壽命大大受限。通過(guò)改性技術(shù)對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)母男?，可以提高橡膠木的尺寸穩(wěn)定性，拓展使用范圍。

目前，木材尺寸穩(wěn)定性研究在國(guó)內(nèi)外備受關(guān)注。研究指出木材吸水的原因主要有2個(gè)[3-4]：一是木材本身含有較多的毛細(xì)孔道，可以儲(chǔ)存較多水分；二是木材是一種含有較多游離羥基的高分子材料，游離的羥基可與水分子以氫鍵形式結(jié)合，造成纖維素、半纖維素溶脹。因此，封閉木材毛細(xì)孔道或減少木材中游離的羥基都可降低木材的吸水性，提高其尺寸穩(wěn)定性。熱處理最早用于提高木材尺寸穩(wěn)定性，在高溫低氧的環(huán)境下木材纖維素、半纖維素發(fā)生降解重排，游離羥基含量顯著降低[5-7]。樹(shù)脂填充、石蠟改性、涂層改性、乙?；雀男允侄我脖挥糜谀静母男?，以提高木材尺寸穩(wěn)定性。樹(shù)脂填充和石蠟改性通過(guò)樹(shù)脂或石蠟直接填充胞間孔道，包裹其游離的羥基并對(duì)細(xì)胞壁起到固定作用，防止木材吸水形變[1,8-10]；涂層改性直接在木材表面構(gòu)建疏水涂層，封閉胞間孔道，阻隔水分子與木材的接觸通道，如何構(gòu)建均一穩(wěn)定的疏水涂層是亟待解決的主要問(wèn)題之一[11-12]；乙?；ㄟ^(guò)乙酸酐與木材中的羥基發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而降低木材中羥基含量，以提高木材尺寸穩(wěn)定性[4,13-14]。乙?；男院蟛粌H能提高木材的尺寸穩(wěn)定性還具有顯著的抑菌效果，可進(jìn)一步的延長(zhǎng)木材使用壽命[15]。但近年來(lái)有關(guān)于乙酰化的研究已逐漸減少，主要是因?yàn)橐宜狒麨橐字贫舅幤?，采?gòu)極大受限，同時(shí)乙?；幚砗蟮哪静臍馕洞瘫牵艽蟪潭壬舷拗屏四静牡氖褂梅秶?，但乙?；男圆牡膬?yōu)異性能卻不可否認(rèn)。本研究采用苯甲酸酐為原料對(duì)木材進(jìn)行?；幚碇荚诳朔宜狒麃?lái)源受限、乙?；幚須馕洞蟮娜秉c(diǎn)，同時(shí)比較兩者尺寸穩(wěn)定性，為后續(xù)的橡膠木改性提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

橡膠木采自海南省儋州市中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)場(chǎng)。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)采用4水平3因素（43）正交實(shí)驗(yàn)法，如表1。分別考慮反應(yīng)時(shí)間（A）、反應(yīng)溫度（B）、反應(yīng)液配比（C）3個(gè)因素對(duì)橡膠木疏水的影響，反應(yīng)液配比分別為m（苯甲酸酐）∶V（乙醇）=1∶6（108 g/650 mL）、1∶7（93 g/650 mL）、1∶8（81 g/650 mL）、1∶9（72 g/650 mL）。優(yōu)選最佳工藝并與乙?；幚硐鹉z木進(jìn)行對(duì)比。

表 1 正交實(shí)驗(yàn)因素與水平Table 1 Factors and levels of orthogonal experiment

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 試樣制備

取無(wú)裂紋，無(wú)腐蝕且木質(zhì)均勻的成熟橡膠木邊材，裁取20 mm×20 mm×20 mm（縱向×徑向×弦向）規(guī)格的木塊。將木塊在60 ℃烘干4 h，(103±2)℃烘干至絕干備用。

1.3.2 試樣處理

將烘干的木塊放置于密封的GSH?5 L高溫高壓浸漬釜（威海環(huán)宇化工機(jī)械有限公司，中國(guó)），在真空度?0.08 MPa下維持30 min。平衡大氣壓并同時(shí)將配制的苯甲酸酐乙醇溶液導(dǎo)入浸漬釜，加壓至0.7 MPa，常溫浸漬2 h。完成浸漬，排出多余的反應(yīng)液，?0.08 MPa下維持30 min。取出試樣，室溫靜置24 h，最后40 ℃烘干8 h用于后續(xù)反應(yīng)。乙酰化浸漬過(guò)程與苯甲?；襟E相同，反應(yīng)條件根據(jù)文獻(xiàn)[4]所述的最優(yōu)條件進(jìn)行設(shè)置。浸漬完成的木塊按照正交實(shí)驗(yàn)表設(shè)計(jì)（表2）所設(shè)計(jì)的反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行處理并計(jì)算增重率（WPG）。

1.4 性能測(cè)試

根據(jù)參考文獻(xiàn)[7]測(cè)試橡膠木的抗吸水體積膨脹率（ASE），每個(gè)處理?xiàng)l件選5個(gè)試樣重復(fù)；參考文獻(xiàn)[8]測(cè)試橡膠木的吸水性每個(gè)處理?xiàng)l件選5個(gè)試樣重復(fù)。利用DSA25動(dòng)態(tài)表面張力儀（德國(guó)Kruss公司，德國(guó)）對(duì)其接觸角進(jìn)行測(cè)量，TENSOR 27紅外波譜儀（德國(guó)Bruker公司，德國(guó)）（FTIR）、JSM?7200F掃描電子顯微鏡（日本JEDL公司，日本）（SEM）對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 正交實(shí)驗(yàn)分析及驗(yàn)證試驗(yàn)

ASE是衡量木材尺寸穩(wěn)定性的一項(xiàng)重要指標(biāo)，同時(shí)WPG一定程度上可以反映木材苯甲酰化的程度，兩者結(jié)合可以進(jìn)一步推斷苯甲酰化對(duì)木材的尺寸穩(wěn)定性的影響。橡膠木乙酰化苯甲?；瘜?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2，同時(shí)表中列出了木材的ASE與WPG。

由表2可知，影響因素的主次順序?yàn)镃＞A＞B，最優(yōu)組合為A3B3C1。因此，在整個(gè)橡膠木改性過(guò)程以反應(yīng)液配比影響為主。按照正交試驗(yàn)確定的最佳工藝對(duì)橡膠木進(jìn)行改性處理。料液比為1∶6，120 ℃反應(yīng)3 h，改性材WPG為8.17%，ASE高達(dá)92.87%。與乙?；啾缺郊柞；梢愿玫奶岣呦鹉z木的尺寸穩(wěn)定性。

表 2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析Table 2 Analysis of orthogonal experiment results

2.2 不同因素對(duì)橡膠木ASE的影響

圖1為各因素對(duì)改性橡膠木ASE的影響，其中圖1a為在不考慮反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響下，以反應(yīng)液配比為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試樣分組，并對(duì)不同組別的試樣ASE進(jìn)行求和作圖，主要考察反應(yīng)液配比對(duì)ASE的影響；圖1b以反應(yīng)時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)；圖1c以反應(yīng)溫度為標(biāo)準(zhǔn)?？煽闯龇磻?yīng)液配比對(duì)ASE的影響最大，反應(yīng)時(shí)間影響次之，反應(yīng)溫度影響最弱。由圖1a可知，反應(yīng)液配比增大，橡膠木的ASE也隨之增大。最佳的反應(yīng)液配比為1∶6，這可能是因?yàn)楸郊姿狒臐舛仍酱竽苓M(jìn)入橡膠木內(nèi)部的反應(yīng)物越多，發(fā)生苯甲?；某潭染驮礁?。圖1b顯示，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，ASE先增加后降低，最佳的反應(yīng)時(shí)間為3 h。隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)苯甲?；潭忍岣?，同時(shí)產(chǎn)生的苯甲酸就越多，高溫酸性環(huán)境會(huì)促進(jìn)木材纖維素酸解，破壞纖維素結(jié)構(gòu)結(jié)晶度降低進(jìn)而降低了木材的ASE[3,8]，所以隨著橡膠木苯甲?；瘯r(shí)間的延長(zhǎng)ASE為先增加后降低的趨勢(shì)。圖1c中ASE的變化較為平緩，但120、130 ℃較高一些，這是因?yàn)殡S著溫度升高，苯甲?；潭忍岣邔?dǎo)致木材羥基減少，吸水能力下降A(chǔ)SE提高，但高溫酸性環(huán)境下也會(huì)破壞木材結(jié)構(gòu)，故而120 ℃時(shí)的ASE較高。由圖1可得出苯甲酰化的最佳工藝條件為反應(yīng)液配比1∶6，反應(yīng)時(shí)間3 h，反應(yīng)溫度120 ℃。這與表2的結(jié)果相一致，主次因素的分析也同表2結(jié)論一致。

圖 1 不同因素對(duì)ASE的影響Fig.1 Effect of different factors on ASE of samples

2.3 反應(yīng)溫度與反應(yīng)時(shí)間對(duì)吸水率的影響

由圖2可知，浸泡時(shí)間與吸水率成正比，整個(gè)測(cè)試過(guò)程原木吸水率遠(yuǎn)高于?；鹉z木吸水率。在0～30 h內(nèi)，乙酰化橡膠木與苯甲?；鹉z木的吸水率基本保持一致，但低于原木。在吸水初期，木材處于干燥狀態(tài)，水分可以迅速進(jìn)入木材胞腔，所以試樣的吸水量迅速增加。30～144 h?；鹉z木吸水率增長(zhǎng)緩慢，苯甲酰化橡膠木的吸水率低于乙?；鹉z木，但差異較小。在100 h后?；鹉z木吸水已經(jīng)接近飽和，原木吸水率依然在持續(xù)增加。

圖 2 木材吸水動(dòng)態(tài)平衡Fig.2 Dynamic balance of wood water absorption

2.4 苯甲?；瘜?duì)橡膠木接觸角的影響

由圖3可知，隨著時(shí)間延長(zhǎng)試橡膠木接觸角逐漸趨于平穩(wěn)。原木（圖3a）的接觸角迅速降低，在臨近12 s時(shí)接觸角為0°，疏水效果差。乙?；鹉z木（圖3b）在前20 s接觸角下降非?？?，80 s左右趨于平穩(wěn)接觸角為50°，131 s之后接觸角維持在40.53°，疏水效果明顯優(yōu)于原木。11號(hào)苯甲酰化橡膠木（圖3c）接觸角15 s內(nèi)下降迅速，在50 s左右趨于穩(wěn)定，比乙?；静奶嵩?0 s左右，最終穩(wěn)定的接觸角為70.69°，遠(yuǎn)高于乙?；鹉z木。苯甲酰化橡膠木疏水性能明顯優(yōu)于乙?；鹉z木，說(shuō)明苯甲?；幚砀芨纳葡鹉z木的疏水性。正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，影響木材疏水性的主要因素是料液比，其次是反應(yīng)時(shí)間，所以控制反應(yīng)時(shí)間，忽略反應(yīng)溫度進(jìn)行比較。選擇11、12號(hào)處理進(jìn)行比較。對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)12號(hào)處理（圖d）平衡時(shí)間明顯較11號(hào)大約延長(zhǎng)了50 s，且最終的平衡接觸角為55.38°，明顯低于11號(hào)處理?？梢?jiàn)隨著浸漬濃度的升高橡膠木的平衡接觸角也隨之增大。?；鹉z木的接觸角升高的主要原因可能是?；磻?yīng)降低了橡膠木中游離羥基的數(shù)量，木材親水性降低[3-4]。

2.5 ?；男詸C(jī)理分析

2.5.1 酰化橡膠木FTIR分析

由圖4知，?；幚砬昂笙鹉z木的紅外吸收峰有明顯的變化。3 423～3 431 cm?1為O—H的伸縮振動(dòng)峰，2 927～2 933 cm?1為C—H的伸縮振動(dòng)峰，1 720～1 745 cm?1為C=O伸縮振動(dòng)峰，1 231～1 259 cm?1為酯基[16]、木質(zhì)素中C—O的伸縮振動(dòng)峰，1 048～1 055 cm?1為纖維素半纖維素C—O的伸縮振動(dòng)[4]。改性橡膠木的O—H吸收峰減弱C=O吸收峰顯著增強(qiáng)，說(shuō)明橡膠木被有效?；?。乙酰化C=O吸收峰高于苯甲?；?，進(jìn)一步說(shuō)明橡膠木乙?；鼮轱@著。在指紋區(qū)1 231～1 259 cm?1處酯基中C—O吸收峰也顯著增強(qiáng)，進(jìn)一步說(shuō)明橡膠木被有效?；?/p>

圖 3 木材接觸角隨時(shí)間變化曲線Fig.3 Curve of wood contact angle with time

圖 4 木材紅外光譜Fig.4 The FTIR of samples

2.5.2 ?；鹉z木SEM分析

由圖5可知，改性前后橡膠木的木材結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變[14]，但苯甲酰化改性材胞腔有較多沉積物。結(jié)合圖4可推測(cè)苯甲酰化改性材發(fā)生?；磻?yīng)的程度較低，苯甲酸酐以沉淀形式沉積于胞間，填充胞間孔道。苯甲酸酐本身不溶于水，具有較強(qiáng)的疏水性，沉積于胞間孔道可有效阻止水分子進(jìn)入。已有研究表明醇類(lèi)溶劑對(duì)木材具有良好的滲透作用[17]，本研究使用乙醇為溶劑，有助于苯甲酸酐進(jìn)入胞間孔道發(fā)生?；磻?yīng)并沉積，故而苯甲?；男圆某叽绶€(wěn)定性及疏水性均優(yōu)于乙?；男圆摹?/p>

圖 5 木材掃描電鏡圖Fig.5 The SEM of samples

3 結(jié)論與討論

橡膠木苯甲?；淖罴烟幚砉に嚍榉磻?yīng)液配比為1∶6，120 ℃反應(yīng)3 h。苯甲酰化WPG為8.12%，ASE為94%，接觸角為70.69°。乙酰化增重12.61%，ASE為64%，接觸角為55.38°，苯甲?；纫阴；欣诟纳葡鹉z木的尺寸穩(wěn)定性。

木材本身是一種多孔隙的多羥基材料，其吸水的主要原因是水分子進(jìn)入胞腔并占據(jù)胞腔位置，同時(shí)羥基作為親水基團(tuán)也會(huì)與水分子以氫鍵方式相結(jié)合。水分子的結(jié)合與滲透作用會(huì)使得細(xì)胞壁中大分子物質(zhì)發(fā)生溶脹，分子間氫鍵發(fā)生斷裂，使一些比較難以結(jié)合的活性位點(diǎn)得以顯露，產(chǎn)生新的親水活性位點(diǎn)，表現(xiàn)為木材吸水量進(jìn)一步加大，并發(fā)生形變。?；幚硎抢盟狒c木材中的羥基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，減少木材中游離的羥基數(shù)量，使木材親水性降低，尺寸穩(wěn)定性提高。

FTIR與SEM結(jié)果顯示苯甲?；潭鹊陀谝阴；?，但苯甲酰化改性效果卻優(yōu)于乙?；?。這可能是因?yàn)楸郊柞；男赃^(guò)程中不僅發(fā)生了?；磻?yīng)降低木材中游離羥基的含量，苯甲酸酐還以沉淀的形式沉積于木材胞間孔道，阻礙水分子進(jìn)入木材內(nèi)部。并且苯甲酸酐不溶于水，其防水效果會(huì)進(jìn)一步提高。而乙酰化則主依靠降?；磻?yīng)低木材中羥基的含量，并未填充胞間孔道。