木材脫脂研究現(xiàn)狀分析

趙犀羽, 唐麒, 張雪侖, 張優(yōu), 邱翀鵬, 齊錦秋, 黃興彥

四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，四川 成都 611130

我國(guó)作為全球第二大木材消耗國(guó)，2018年消耗的木材達(dá)到55 675萬(wàn)m3，其中用于家具和建筑用材的木材量高達(dá)22 686萬(wàn)m3。針葉材是家具用材和建筑用材的主要來(lái)源，需求量極大，平均每年的需求量為5 000萬(wàn)～6 000萬(wàn)m3。針葉材中松屬、落葉松屬、銀杉屬、云杉屬、黃杉屬和油杉屬木材都含有樹脂道[1]，當(dāng)樹脂道中的樹脂溢出木材表面時(shí)，會(huì)使得木材的刨光表面砂光效果差，油膩感強(qiáng)，從而影響木材著色和涂漆。逐漸滲出的樹脂也可能會(huì)造成涂料分解脫落及污染有色涂料，嚴(yán)重影響木制品的品質(zhì)[2]。因此，木材脫脂是有脂材木制品生產(chǎn)過(guò)程中必不可少的環(huán)節(jié)。鑒于脫脂方法與有脂材樹種的差異會(huì)造成不同脫脂效果的情況，綜述了木材脫脂研究現(xiàn)狀，以期為木材的脫脂工藝研究提供參考。

1 木材脫脂工藝研究現(xiàn)狀

1.1 不同脫脂工藝的比較

木材脫脂分為物理脫脂法和化學(xué)脫脂法（見表1），其中物理法主要包括干燥脫脂法、溶劑萃取法、溶劑汽相法和微波爆破法。干燥脫脂法是通過(guò)加熱木材或提高木材內(nèi)外壓力差以提高樹脂的流動(dòng)性，脫脂方法簡(jiǎn)單有效，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)木材脫脂與木材干燥的目的。高溫蒸汽干燥法比常規(guī)干燥法的脫脂效果更好，二者主要使用常規(guī)的高溫加熱設(shè)備[3-6]，設(shè)備投入相對(duì)較低，適用于常規(guī)木材的脫脂。真空干燥法對(duì)滲透性好的木材脫脂效果較好，但該方法所需的設(shè)備的密閉性較高[7-9]，設(shè)備投入成本相對(duì)于常規(guī)的高溫加熱設(shè)備更大，適用于常規(guī)木材的快速脫脂。溶劑萃取法和溶劑汽相法是利用相似相溶的原理，將樹脂溶解于有機(jī)溶劑中，使其隨溶劑一起排出木材，脫脂效率可達(dá)木制家具制造要求，該方法對(duì)溶劑和操作人員的技術(shù)要求較高，并且有機(jī)溶劑對(duì)設(shè)備的耐腐蝕性要求較高[10-11]。微波爆破法是通過(guò)微波介電性加熱木材，改善木材內(nèi)部通道，在提高樹脂流動(dòng)性的同時(shí)，增加木材滲透性，該方法處理時(shí)間短，脫脂效率高，但該方法不太適用于厚度較大且滲透性較差的木材脫脂[12]。

化學(xué)脫脂法是將化學(xué)藥劑滲透到木材內(nèi)部與樹脂發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)脫脂目的，主要包括堿液脫脂法、酸液脫脂法和催化聚合法[13-16]。堿液脫脂法與酸液脫脂法的脫脂原理分別是脫脂液與樹脂發(fā)生皂化反應(yīng)和水解反應(yīng)，脫脂效率非常高，適用范圍較廣，但是脫脂液對(duì)設(shè)備耐腐蝕性的要求較高，脫脂完畢后產(chǎn)生的廢液處理也是一大難題，且有可能會(huì)造成木材性能的損失[13-16]。催化聚合法主要是聚合固定樹脂中的蒎烯，木材表層的脫脂效率高，但脫脂深度不夠，僅適用于淺層木材脫脂[10]。

表1 不同脫脂工藝的對(duì)比分析Tab.1 Comparative analysis on different wood deresination technologies

1.2 不同樹種的脫脂工藝研究現(xiàn)狀

從表2可知，目前木材脫脂研究的主要樹種為松科松屬的馬尾松和落葉松屬的興安落葉松，而柏木的脫脂研究相對(duì)較少。主要原因有二，其一，馬尾松與興安落葉松分布范圍廣，而柏木分布范圍較小，主要分布于長(zhǎng)江流域及以南溫暖地區(qū)[16]。其二，馬尾松和興安落葉松具有能夠分泌與儲(chǔ)存樹脂的正常樹脂道，而柏木不具有正常樹脂道，樹脂主要存儲(chǔ)于薄壁細(xì)胞中，并且柏木生長(zhǎng)緩慢，材質(zhì)細(xì)膩，細(xì)胞運(yùn)輸通道較小[16]。

常見的馬尾松與興安落葉松的木材脫脂方法有堿液脫脂法、酸液脫脂法、微波爆破法及高溫汽蒸干燥法等。馬尾松木材脫脂率范圍為55.04%～92.30%，其中堿液法脫脂率最高，微波爆破法脫脂率最低，但其單位時(shí)間內(nèi)脫脂率最大[11,13,10,18-21]。興安落葉松脫脂率范圍是12.28%～92.10%，其中堿液脫脂法與酸液脫脂法的脫脂率均達(dá)到90%以上。堿液脫脂法在樟子松木材脫脂中的脫脂率為86.50%，酸液脫脂法對(duì)濕地松木材的脫脂效果也十分明顯，達(dá)到了92.60%[21-26]。由于堿液脫脂法的脫脂率高，相對(duì)于酸液脫脂法對(duì)木材材料的影響較小，因此堿液脫脂法研究數(shù)量較多，占比27.8%，酸液脫脂法研究數(shù)量占比11.1%。另一研究較多的方法為高溫蒸汽干燥法，占比27.8%（見表2）。最主要的原因是該方法操作簡(jiǎn)單，常規(guī)的加熱設(shè)備在企業(yè)的普及率高，并且該方法可同時(shí)實(shí)現(xiàn)木材干燥與木材脫脂。此外，對(duì)于同一樹種，木材厚度不同，脫脂效率也不同，這與木材的滲透性、熱能、化學(xué)試劑和樹脂的運(yùn)輸有關(guān)[22-23]。

2 木材脫脂存在的問題

2.1 木材脫脂工藝研究不足

目前，高溫蒸汽脫脂法和堿液脫脂法是應(yīng)用較為廣泛的兩種脫脂方法。高溫加熱設(shè)備在企業(yè)的普及率較高，主要用于木材干燥，而高溫蒸汽脫脂法可根據(jù)現(xiàn)有的木材干燥基準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整，以作為木材干燥和木材脫脂兩用的實(shí)施方案，可行性較高，易于操作，應(yīng)用成熟。堿液脫脂法是根據(jù)已知松木樹脂的成分配制的高效脫脂劑，因此該方法的應(yīng)用基礎(chǔ)是對(duì)樹脂成分的充分了解。雖然該方法的脫脂效率較高，應(yīng)用前景大，但堿液對(duì)設(shè)備具有一定的腐蝕性，環(huán)境影響較大，且該方法對(duì)操作人員的專業(yè)知識(shí)要求高。

表2 不同樹種的脫脂工藝研究現(xiàn)狀Tab.2 Research status on wood deresination technologies of different tree species

微波爆破脫脂法是一種十分快速的脫脂方法，已有學(xué)者針對(duì)馬尾松在微波脫脂過(guò)程中泌脂細(xì)胞受力情況建立了理論預(yù)測(cè)模型[30]，并且系統(tǒng)研究了馬尾松初含水率和微波輻射時(shí)間及微波功率密度之間的關(guān)系[31]。微波在木材中的穿透性有限且微波是選擇性加熱極性水分子，因此對(duì)木材厚度與含水率要求較高。此外，微波設(shè)備投入相對(duì)于高溫加熱設(shè)備更高，企業(yè)普及率較低，因此，若想普及微波脫脂工藝，仍需進(jìn)一步研究微波高效脫脂的相關(guān)設(shè)備與工藝參數(shù)。

2.2 不同樹種脫脂工藝研究不平衡

目前，木材脫脂研究最主要的樹種是馬尾松與興安落葉松，而柏木脫脂研究稀少。柏木是一種材質(zhì)堅(jiān)韌細(xì)密、耐水性較好的木材，在家具、建筑領(lǐng)域具有較大的潛力。柏木雖無(wú)樹脂道，但柏木薄壁細(xì)胞豐富，分泌樹脂較多[32]。尤其是四川地區(qū)擁有大面積的低效柏木林，其更新替代研究已經(jīng)成為重要任務(wù)之一。在有限的柏木脫脂技術(shù)現(xiàn)狀下，柏木表面只能做透明漆，無(wú)法進(jìn)一步擴(kuò)大柏木的應(yīng)用領(lǐng)域，限制了川產(chǎn)柏木的行業(yè)發(fā)展。

2.3 木材脫脂工藝標(biāo)準(zhǔn)尚不完善

現(xiàn)有研究表明，不同脫脂工藝的脫脂效率差異較大，而不同有脂材的脫脂研究程度也呈現(xiàn)不均衡現(xiàn)象。此外，木材使用目的不同，板材厚度不同，所采用的木材脫脂方案也有差異。因此，從行業(yè)實(shí)際出發(fā)，有必要針對(duì)不同樹種的不同使用目的，選用不同的脫脂方法，制定不同的木材脫脂標(biāo)準(zhǔn)。

3 討論

木材脫脂是有脂材加工過(guò)程中重要的前處理工藝，是保證木制品質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。研究較多的兩種方法是高溫汽蒸法與堿液脫脂法，前者設(shè)備普及率高，應(yīng)用成熟，后者脫脂效率高，應(yīng)用潛力大。脫脂速度最快的方法是微波爆破法，但是該方法的應(yīng)用范圍較小。根據(jù)現(xiàn)有木材脫脂研究現(xiàn)狀，提出建議如下：

（1）從工藝角度看：各類脫脂方法都具有一定的局限性，因此，可考慮低成本與高效率脫脂方法的聯(lián)用，優(yōu)化木材脫脂工藝流程，從而降低木材脫脂成本，提高木材脫脂效率。

（2）從樹種來(lái)看：柏木木材結(jié)構(gòu)與松科植物差異甚大，且尚不清楚柏木木材內(nèi)部樹脂儲(chǔ)存分布及移動(dòng)方式，因此，有必要解析柏木木材結(jié)構(gòu)，構(gòu)建柏木樹脂在木材內(nèi)的分布流向圖譜；柏木無(wú)樹脂道且滲透性較差，可考慮先提高木材滲透性，而后再結(jié)合其他脫脂方法對(duì)木材進(jìn)行脫脂處理；堿液脫脂法與酸液脫脂法的高脫脂率，且脫脂液的配置需考慮樹脂成分，因此，應(yīng)加強(qiáng)柏木樹脂成分的分析。

（3）從滿足需要來(lái)看：鑒于木材使用目的不同，板材厚度差異，脫脂方法各有優(yōu)劣點(diǎn)，因此，有必要考慮使用目的、硬件基礎(chǔ)、方法融合等，實(shí)行木材脫脂的分類、分級(jí)全面研究。同時(shí)針對(duì)不同樹種的不同使用目的，選用不同的脫脂方法，制定不同的木材脫脂標(biāo)準(zhǔn)。