木材高溫?zé)崽幚砑夹g(shù)研究進(jìn)展

赫 亮

(遼寧省林業(yè)科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110032)

木材作為一種天然可再生的環(huán)境友好型材料，因其具有優(yōu)良的環(huán)境學(xué)視覺特性及其優(yōu)異的力學(xué)性能和可加工性能，近年來一直深受人們喜愛，在生產(chǎn)生活和社會經(jīng)濟(jì)建設(shè)方面發(fā)揮著不可替代的作用。但木材某些自身固有屬性限制了其應(yīng)用范圍，例如易發(fā)生吸濕膨脹、干燥開裂變形及生物侵害腐朽等。為提高木材材性及其多功能性附加值，實(shí)現(xiàn)劣材優(yōu)用，剩材再用，拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域，就必須對木材進(jìn)行改性處理，達(dá)到木材高效利用的目的。較常用的木材改性方法主要有化學(xué)改性和物理改性兩種方式，而木材物理改性過程中不需要添加任何化學(xué)藥劑，產(chǎn)生的污染少且處理工藝簡單，處理后的木材更不會對人和居住環(huán)境產(chǎn)生任何危害[1]，如今正以其獨(dú)有的特點(diǎn)贏得更多研究者的青睞，研究日趨深化。高溫?zé)崽幚砑夹g(shù)是木材物理改性常用的有效手段之一，在功能上賦予木材良好的尺寸穩(wěn)定性、生物耐久性及改善木材的聲學(xué)性能等，具有較為廣闊的應(yīng)用前景，同時(shí)也是人工林速生材和普通木材一種有效的改性增值手段，對我國木材加工行業(yè)的發(fā)展具有較為重要的意義。本文著重闡述高溫?zé)崽幚砀男阅静牡男阅茏兓?，簡述其改性機(jī)理，最后對木材高溫?zé)崽幚砑夹g(shù)的研究應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)與展望。

1 熱處理木材性能研究進(jìn)展

1.1 物理力學(xué)性能

在高溫?zé)崽幚砀男阅静牡倪^程中，木材細(xì)胞壁組分中的半纖維素、纖維素和木質(zhì)素會發(fā)生重組排列或者熱降解反應(yīng)，從而對木材的物理力學(xué)性能指標(biāo)產(chǎn)生不同程度的影響，其中木材的抗彎強(qiáng)度受高溫?zé)崽幚砀男缘挠绊懽顬轱@著。總體來說，木材抗彎強(qiáng)度隨高溫?zé)崽幚砀男猿潭鹊脑黾佣饾u呈現(xiàn)出下降的趨勢。Kubojima等[2]研究了不同導(dǎo)熱介質(zhì)下云杉高溫?zé)崽幚砗蟮目箯潖?qiáng)度，發(fā)現(xiàn)楊氏彈性模量、抗彎強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度在熱處理前期呈現(xiàn)上升趨勢，后期逐漸降低，在空氣介質(zhì)中的熱處理材，其力學(xué)性能指標(biāo)要比在氮?dú)庵邢陆档母?，氮?dú)饨橘|(zhì)能夠更好地保護(hù)熱處理材的沖擊韌性。黃榮鳳等[3]研究不同處理時(shí)間-溫度對毛白楊物理力學(xué)性能影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，熱處理溫度185 ℃，處理時(shí)間300 min時(shí)，抗脹縮率可以提高20%以上，MOR的損失率低于10%。與熱處理材的其他力學(xué)性能相比，處理材的硬度指標(biāo)沒有受到太大的影響，相反處理后還略有上升。合適的熱處理?xiàng)l件會顯著提高木材的彈性模量，使木材擁有更高的剛性，熱處理后木材的順紋抗壓強(qiáng)度同樣會有所上升[4]。

1.2 尺寸穩(wěn)定性

熱處理溫度影響處理材的尺寸穩(wěn)定性，當(dāng)高溫?zé)崽幚頊囟却笥?00 ℃時(shí)，木材尺寸穩(wěn)定性受溫度的影響最為顯著[5]。高溫?zé)崽幚砀男阅静牡某叽绶€(wěn)定性有較大程度的提高，這主要是因?yàn)槟静慕?jīng)過高溫?zé)崽幚砗?，?nèi)部的生長應(yīng)力和干燥應(yīng)力部分被除去或得到了緩和，且木材細(xì)胞壁組分半纖維素，尤其是多糖醛苷將發(fā)生裂解反應(yīng)，形成具有吸濕性能較弱的單體，在高溫少氧的環(huán)境中，這些小分子物質(zhì)可聚合形成不溶于水的聚合物，從而顯著降低木材的吸濕性及提高木材的尺寸穩(wěn)定性。同時(shí)，高溫?zé)崽幚砗?，木材組分中的半纖維素含量會明顯減少，親水性的羥基基團(tuán)也會隨之降低，從而降低了木材的吸濕性。Navi等[6]在高溫?zé)岣男阅静牡倪^程中同時(shí)對其進(jìn)行壓縮密實(shí)化處理，處理材的吸濕性能降低，機(jī)械強(qiáng)度及其耐久性提高。Petrissans等[7]對熱處理材的吸濕性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)熱處理材的接觸角變大，疏水性能有了很大程度的提高。Repellin等[8]研究了熱處理后木材的濕脹性能，發(fā)現(xiàn)熱處理材濕脹性減少，不僅僅歸因于半纖維素降解而導(dǎo)致半纖維素吸附點(diǎn)減少，木素的化學(xué)變化也是木材濕脹性減少的重要原因。Tjeerdsma等[9]利用FTIR分析熱處理后山毛櫸和馬尾松成分的化學(xué)變化發(fā)現(xiàn)，高溫?zé)崽幚韺?dǎo)致半纖維素發(fā)生降解，乙酰基團(tuán)斷裂形成乙酸，乙酸可進(jìn)一步加速半纖維素水解形成多糖物質(zhì)，親水性的羥基含量減少。

1.3 材色變化

高溫?zé)崽幚頃鼓静牡拿鞫冉档停伾由?。對于材色較淺的毛白楊、馬尾松、落葉松、樟子松等木材，高溫?zé)崽幚硎歉淖兡静牟纳闹匾夹g(shù)方法，熱處理后木材的材色呈現(xiàn)咖啡色，甚至是深褐色，可滿足市場對深色系木材產(chǎn)品的需求。人工林落葉松熱處理溫度210 ℃、熱處理時(shí)間 6 h后材色均勻加深，趨近于珍貴材交趾黃檀的顏色，提高了低質(zhì)人工林松木材的視覺特性[10]。對于原來材色鮮艷、彩色程度高的樹種，熱處理后材色向低明度和偏紅方向變化，飽和度降低[11]。高溫?zé)崽幚砉に囷@著影響木材的材色變化，隨著處理溫度的升高和處理時(shí)間的延長，木材顏色的變化也更加明顯，部分木材顯現(xiàn)出接近熱帶木材的微觀特征。高溫?zé)崽幚砟静牡牟纳€(wěn)定性與材種有直接關(guān)系，一般針葉材的材色穩(wěn)定性優(yōu)于闊葉材。梅瑞仙[12]利用熱處理方法研究了木材表面紋理的強(qiáng)化工藝，發(fā)現(xiàn)影響最大的因素是熱處理溫度，其次是處理劑使用的濃度和熱處理時(shí)間。高溫?zé)崽幚砀淖兡静牟纳臋C(jī)理一方面因?yàn)闊崽幚硎沟媚静陌肜w維素、木質(zhì)素中的羰基、苯環(huán)、紫丁香基丙烷及醚鍵等發(fā)色基團(tuán)數(shù)量增多，對可見光吸收增加，從而木材顏色加深[13]；另一方面高溫?zé)崽幚磉^程中木材抽提物的揮發(fā)或流失也導(dǎo)致木材材色變化。

2 高溫?zé)崽幚砟静臋C(jī)理

2.1 半纖維素

半纖維素在高溫?zé)崽幚磉^程中的變化是形成熱處理材特有材性的決定性因素。半纖維素是木材細(xì)胞壁纖維素骨架和木質(zhì)素填充物之間的主要粘結(jié)物質(zhì)。當(dāng)高溫?zé)崽幚頊囟冉咏?60 ℃時(shí)，木材細(xì)胞壁化學(xué)組分中的半纖維素首先開始發(fā)生熱降解反應(yīng)，分子鏈中的乙酰基首先會從主鏈中發(fā)生斷裂反應(yīng)形成乙酸物質(zhì)，葡萄糖醛酸聚木糖分子上的少量羧基也會發(fā)生斷裂反應(yīng)生成甲酸等物質(zhì)，乙酸和甲酸這兩種物質(zhì)是木材高溫?zé)崽幚砀男赃^程中的主要揮發(fā)性物質(zhì)，它們在降解斷裂過程中形成的酸性環(huán)境將會對半纖維素的水解產(chǎn)生極大的促進(jìn)作用，可作為催化劑加速半纖維素水解形成更多的糖類物質(zhì)。隨高溫?zé)崽幚砀男詼囟鹊牟粩嗌撸静募?xì)胞壁中的半纖維素分子會發(fā)生降解反應(yīng)生成低聚糖甚至某些單糖分子，單糖分子又可以通過脫水縮合反應(yīng)生成某些醛類物質(zhì)，180 ℃的飽和蒸汽處理?xiàng)l件下，半纖維素中的阿拉伯糖和半乳糖可以完全發(fā)生分解。

2.2 纖維素

木材細(xì)胞壁中的纖維素是具有長分子鏈的骨架結(jié)構(gòu)。由于高溫?zé)崽幚磉^程中木材細(xì)胞壁組分中的半纖維素發(fā)生了熱降解反應(yīng)，以及纖維素準(zhǔn)結(jié)晶區(qū)的部分分子發(fā)生了重新排列而進(jìn)一步結(jié)晶化，導(dǎo)致高溫?zé)崽幚砗竽静募?xì)胞壁中纖維素的結(jié)晶度有所增加[14]。纖維素中的微纖絲在高溫?zé)崽幚磉^程中可能會因半纖維素組分的降解而相互聚集，聚集后的微纖絲斷面尺寸更大，具有更高的剛性，這是高溫?zé)崽幚砀男阅静脑诙虝r(shí)間的溫和條件下物理力學(xué)性能提高的主要原因之一。

2.3 木質(zhì)素

雖然木材細(xì)胞壁化學(xué)組分中的木質(zhì)素在高溫?zé)崽幚砀男赃^程中沒有明顯的發(fā)生熱降解反應(yīng)，但木質(zhì)素的化學(xué)結(jié)構(gòu)在高溫?zé)崽幚磉^程中也發(fā)生了部分重組排列。細(xì)胞壁木質(zhì)素的部分化學(xué)鍵，特別是芳香基醚鍵也會發(fā)生斷裂反應(yīng)生成自由酚羥基、α或β羰基。相關(guān)研究認(rèn)為木質(zhì)素苯環(huán)間以亞甲基相聯(lián)進(jìn)行縮合后形成了更加穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這會使木材的剛性有所加強(qiáng)，從而抑制了木材細(xì)胞壁的膨脹。

3 總結(jié)與展望

高溫?zé)崽幚砀男允悄静母咝г鲋道玫挠行侄沃?，它在維持木材尺寸穩(wěn)定性、生物耐久性和聲學(xué)性能方面具有較好的改善作用，木材高溫?zé)崽幚砀男钥梢詷O大地拓寬人工林木材的使用范圍，實(shí)現(xiàn)人工林木材的高效增值利用。從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀看，高溫?zé)崽幚硌芯恐饕性跓崽幚砉に嚰捌鋵δ静男阅艿挠绊懞妥饔脵C(jī)理，部分學(xué)者研究了多種方式聯(lián)合熱處理木材工藝，例如聯(lián)合增強(qiáng)、弱酸處理、防水劑浸漬、超聲等木材改性手段，進(jìn)一步提高木材性能。在倡導(dǎo)生態(tài)綠色循環(huán)利用可持續(xù)發(fā)展的今天，無化學(xué)成分添加且色澤優(yōu)雅的高溫?zé)崽幚聿囊呀?jīng)成為木材功能化改性的重點(diǎn)研究內(nèi)容之一，建議今后的科研結(jié)構(gòu)及企業(yè)在以下幾個(gè)方面進(jìn)行進(jìn)一步探索，著力提高木材的功能性附加值。

(1)考慮到樹種的多樣化及復(fù)雜性，未來高溫?zé)崽幚砑夹g(shù)應(yīng)該擴(kuò)大樹種的選擇范圍，不應(yīng)該僅僅局限于常用的樹種，還應(yīng)該更多地實(shí)現(xiàn)熱處理產(chǎn)品的多樣化。

(2)尋求熱穩(wěn)定性好且價(jià)格低廉的導(dǎo)熱媒質(zhì)，降低高溫?zé)崽幚砀男猿杀?，?jié)約能源，帶來更多的經(jīng)濟(jì)效益。

(3)綜合利用各種微觀分析儀器，進(jìn)一步探究高溫?zé)崽幚砑夹g(shù)的改性機(jī)理，優(yōu)化高溫?zé)崽幚砀男怨に?，提高熱處理材的質(zhì)量，并且建立熱處理材的統(tǒng)一評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范熱處理產(chǎn)品市場。

(4)高溫?zé)崽幚磉^程中揮發(fā)性有機(jī)物的釋放水平遠(yuǎn)高于常規(guī)干燥，在進(jìn)行高溫?zé)崽幚聿母男缘耐瑫r(shí)，配備廢氣污染凈化處理吸收裝置，以防止有機(jī)揮發(fā)性物釋放而污染空氣，危害人體健康。