栓皮栎软木膨化除杂工艺研究

赵泾峰，宋孝周，冯德君，雷亚芳，张英杰

(1 西北农林科技大学 林学院，陕西 杨凌 712100;2 杨凌职业技术学院，陕西 杨凌 712100)

栓皮栎软木膨化除杂工艺研究

赵泾峰1，宋孝周1，冯德君1，雷亚芳1，张英杰2

(1 西北农林科技大学 林学院，陕西 杨凌 712100;2 杨凌职业技术学院，陕西 杨凌 712100)

【目的】 研究软木膨化除杂的影响因素，确立较优的软木膨化除杂工艺。【方法】 采用正交试验设计，对产自陕西、甘肃、湖北的栓皮栎软木的膨化除杂工艺进行优化。【结果】 膨化压力、保压时间和预处理方式均是栓皮栎软木体积膨胀率和除杂率的主要影响因素，其中膨化压力的影响达到极显著水平，保压时间和预处理方式的影响达到显著或一般显著水平。在试验范围内，栓皮栎软木较优的膨化除杂工艺为膨化压力0.9 MPa，保压时间20 min，预处理方式为沸水蒸煮1 h，软木厚度为15～20 mm。【结论】 在较优工艺下膨化栓皮栎软木的体积膨胀率为 40.35%，除杂率为22.15%，可以获得良好的膨化效果。

栓皮栎软木；膨化；除杂；工艺优化

软木来源于栓皮树发达的树皮,是一种珍稀资源。软木具有的优良特性促使人们对其利用向着附加值高的方向发展，特别是近几年兴起的软木地板、软木墙饰等高档软木装饰制品，尤其受到消费者的青睐，蕴藏着很大的市场潜力[1-2]。我国栓皮栎软木以初生软木为主，质地硬、色泽深，且含有大量杂质，严重影响了软木的加工利用和产品质量，因此软木在加工利用前必须先进行除杂处理，然后再进一步制成各种软木制品[3-5]。传统的热水蒸煮除杂法仅能除去部分溶于水的杂质，对软木层中的夹砂和夹杂不能有效去除；国内外普遍采用的先粉碎再风选、筛选的方法，虽除杂效果较好，但降低了软木的利用率和装饰价值；高温膨化除杂法仅能除去软木表面的部分杂质，除杂效率低，且使软木表面弹性降低，颜色变深，部分地改变了软木的性能，影响了软木的用途[6-9]。因此，目前的软木除杂方法效果并不理想。为了达到软木膨化除杂的目的，还应探索软木膨化除杂工艺以提高软木的均质性和弹性，改善软木性能。

植物纤维蒸汽爆破法是利用高温高压热蒸汽作用于纤维原料，并通过瞬间爆破过程实现纤维分离，该方法用于植物秸秆的膨化加工，拓展了植物纤维的利用空间[10-11]。Silva Carvalho[12]利用这一原理在密闭消毒容器中加入化学物质进行了栓皮槠软木的热化学膨胀试验，获得了较好的体积膨胀效果，但该研究并未涉及软木的除杂率。软木来源于树皮，又不同于一般的纤维材料，其细胞为特殊的密闭结构，细胞壁无纹孔，无细胞间隙，胞间无毛细管作用，具有特殊的木栓脂成分，使软木不透气、不透水，在自然状态下的吸湿性很小，软木的含水率较低，其导热性也很差[13-16]。目前，利用蒸汽爆破除去软木杂质的汽爆膨化方法，以及针对栓皮栎软木的膨化除杂尚未有报道。本研究以国产栓皮栎软木为对象，深入分析和研究其膨化除杂工艺的影响因素，旨在改善栓皮栎软木原材料的性能，提高产品的附加值，扩大软木的应用范围，为国产栓皮栎软木的加工利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

1.1.1 材 料 栓皮栎软木(Quercusvariabilis)：刨去内皮和外层黑皮的软木板，含水率6%～10%，密度0.2～0.36 g/cm3，分别产自陕西佛坪县、甘肃天水市和湖北郧县，由陕西万林有限公司和西安汉鑫科技股份有限公司提供。

1.1.2 试 剂 无水甲醇(分析纯)，西安化学试剂厂产品，配成V(甲醇)∶V(水)=1∶3的甲醇水溶液备用。

1.2 仪器设备

电热蒸汽膨化处理设备，运行电压为380 V，最大运行功率为72 kW，额定工作压力1.6 MPa，陕西东仪联合电气有限公司制造；另有DHG-9123A电热鼓风干燥箱和JA2003分析电子天平(1/1 000)等。

1.3 方 法

1.3.1 检验指标的确定 根据软木膨化的目的，采用体积膨胀率和除杂率作为软木膨化处理效果的检验指标[7-9]。体积膨胀率是指软木在膨化前后的体积增大百分比；除杂率是在不破坏软木组分的前提下脱落杂质的质量分数。处理前后的试件均以烘干质量计。

1.3.2 试验方案的确定 综合影响软木膨化效果的因素，选择膨化压力、保压时间、预处理方式和软木厚度4个因素作为试验因素。通过单因素预试验，参考文献[9,17]的工艺参数并考虑软木膨化的目的等确定试验方案。根据预试验的结果，试验方案选择正交试验，每个因素取3个水平，按照正交表L27(313)安排试验[18]，各因素水平见表1。考虑企业实际生产软木墙饰的原料规格，将试件制成长度×宽度=40 mm×40 mm的软木块。

1.3.3 试验的实施 软木膨化除杂试验工艺参考蒸汽爆破制浆技术[10-11]建立，将经过预处理的软木块经饱和水蒸汽加热到一定压力后，再保压一段时间，处理结束后迅速释放压力(3 s内)，完成软木膨化除杂过程。试验的工艺流程如图1所示。将经过蒸煮预处理的软木块，放入压力爆破罐中，由蒸汽锅炉通入饱和蒸汽于压力爆破罐，并保压一段时间后迅速卸压，完成软木的汽爆膨化过程。

由正交试验设计,进行了27次试验。试验处理中每组试件准备60个，从其中选取有效试件45个，试验结果取平均值。

2 结果与分析

2.1 栓皮栎软木体积膨胀率的影响因素

栓皮栎软木膨化除杂工艺的正交试验结果见表2，对软木体积膨胀率的多因素方差分析结果见表3。从表3可以看出，在试验范围内，影响软木体积膨胀率的主要因素是膨化压力。膨化压力从0.7 MPa升高到0.8 MPa，软木膨化的体积膨胀率随压力的升高平均减少14.93%；当膨化压力从0.8 MPa升高到0.9 MPa，体积膨胀率随压力的升高平均增加了23.52%，增幅较大。软木细胞的膨胀主要是借助卸压时软木内外形成的压力差使水分汽化而膨胀，从而使软木体积膨胀增大。因此适宜的膨化压力为0.9 MPa。

注：F0.01(2,8)=8.65，F0.05(2,8)=4.46，F0.10(2,8)=3.11。当F>F0.01时，用☆☆☆表示达极显著水平；当F0.05

Note:F0.01(2,8)=8.65，F0.05(2,8)=4.46，F0.10(2,8)=3.11.“☆☆☆” indicates extremely significant (F>F0.01)；“☆☆” indicates significant (F0.05

保压时间是影响软木体积膨胀率的次要因素。保压时间从10 min延长到20 min，软木的体积膨胀率平均增加了15.05%。软木的渗透性和导热性均较差，热量和水分进入软木内部比较困难。适当延长保压时间，有助于热量和水分的进入，并使水分获得足够的热量而充分汽化，从而使软木细胞也得到充分膨胀，软木的体积膨胀率也就越大。因此适宜的保压时间为20 min。

预处理方式也是影响软木体积膨胀率的次要因素。未预处理的软木体积膨胀率平均为30.96%，经沸水蒸煮1 h预处理后再膨化的软木体积膨胀率平均为 35.84%，较未预处理软木的体积膨胀率增加了15.76%。因此可通过在膨化前对软木进行预处理以增加软木中的水分，利用水分的汽化达到软木膨化的目的。由此可知，适宜的预处理方式为沸水蒸煮1 h。

软木厚度及各因素的交互作用对软木体积膨胀率的影响都很小。综合分析确定软木体积膨胀率的较佳工艺条件为：厚度10 mm的软木块，经沸水蒸煮1 h后在0.9 MPa压力下保压处理20 min。

2.2 栓皮栎软木除杂率的影响因素

对软木除杂率进行多因素方差分析，结果见表4。从表4可以看出，在试验范围内，影响软木除杂率的主要因素是膨化压力。当膨化压力从0.7 MPa升高到0.8 MPa时，软木膨化的除杂率随膨化压力的升高平均减少5.38%；当膨化压力从0.8 MPa升高到0.9 MPa时，除杂率随膨化压力的升高平均增加17.66%，增幅较大。因此适宜的膨化压力为0.9 MPa。

保压时间是影响软木除杂率的次要因素。保压时间从10 min延长到20 min，软木除杂率平均增加14.66%。预处理方式也是影响软木除杂率的次要因素，未预处理的软木除杂率平均为18.7%，经沸水蒸煮1 h预处理后再膨化的软木除杂率平均为20.71%，较未预处理的软木除杂率增加了10.75%。软木的厚度及各因素的交互作用对软木除杂率的影响都很小。因此适宜的保压时间为20 min，适宜的预处理方式为沸水蒸煮1 h。

注：F0.01(2,6)=10.92，F0.05(2,6)=5.14，F0.10(2,6)=3.46。当F>F0.01时，用☆☆☆表示影响达极显著水平；当F0.05

Note:F0.01(2,6)=10.92，F0.05(2,6)=5.14，F0.10(2,6)=3.46.“☆☆☆” indicates extremely significant (F>F0.01)；“☆☆” indicates significant (F0.05

综合分析得到软木除杂率的较佳工艺条件为：厚度15～20 mm的软木块，经沸水蒸煮1 h后在0.9 MPa压力下保压处理20 min。

从上述分析可以看出，当膨化压力从0.7 MPa上升到0.9 MPa时，软木体积膨胀率、除杂率均先降低后升高，在0.8 MPa时达到最低，其原因可能与0.8 MPa时的卸压速度较慢有关。因为软木细胞的膨胀主要是借助瞬间卸压时在软木内外形成的压力差，如果卸压速度较慢，软木内外在瞬间未能形成较大的压力差，则膨胀效果较差，因此0.8 MPa的卸压速度如果低于0.7 MPa，有可能形成较小的压力差，降低了体积膨胀率和除杂率，影响了膨化效果。

各试验因素对软木体积膨胀率与除杂率的影响是一致的。一般情况下，软木的体积膨胀率越大，杂质脱落就越容易，除杂率也就越大。同时综合试验因素的安全性和试验成本，确定软木高温膨化除杂的较佳工艺条件为：厚度15～20 mm的软木块，经沸水蒸煮1 h后在0.9 MPa压力下保压处理20 min。经试验验证，在该较优工艺下软木的除杂率为22.15%，体积膨胀率为40.35%，均高于试验的平均值，膨化除杂效果良好。

3 结 论

1) 影响栓皮栎软木体积膨胀率和除杂率的主要因素是膨化压力。当膨化压力升高到一定值后，膨化压力越高，在瞬间卸压时形成的压力差越大，水分汽化越充分，体积膨胀就越大，软木体积膨胀率和除杂率都会有大幅的提高。但为了试验的可操作性和设备的安全性，适宜的膨化压力为0.9 MPa。

2) 保压时间和预处理方式是影响栓皮栎软木体积膨胀率和除杂率的次要因素。软木的含水率较低，渗透性和导热性均较差，进行预处理可以增加软木的水分含量；适当延长保压时间，有助于热量和水分的进入，并获得足够的热量而充分汽化，从而使软木细胞得到充分膨胀，软木的体积膨胀率和除杂率也就越大。但蒸煮和保压时间不宜过长，以免使软木表面颜色加深，适宜的预处理方式为沸水蒸煮1 h，保压20 min。软木的厚度对软木体积膨胀率和除杂率的影响较小。

3) 综合考虑试验目的，栓皮栎软木膨化除杂的较佳工艺为: 厚度15～20 mm的软木块，经沸水蒸煮1 h后在0.9 MPa压力下保压处理20 min。该工艺是在有限的试验范围内对软木原料改性处理的初步试验结果，结合生产实际还应进一步探索更好的工艺。

4) 对于质量较差的国产栓皮栎软木，通过膨化除杂进行性能改良，生产高科技含量和高附加值的软木制品蕴育着非常大的市场机遇，目前的研究才刚刚开始，需要大力开展栓皮栎软木原料改性方面的基础理论研究，即充分利用先进研究手段，通过对软木物理化学特性、杂质性能、膨化机理等的更深入研究，为栓皮栎软木膨化除杂的工业化生产和性能提高提供技术参数和理论依据。

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Expansion and impurity removal technology forQuercusvariabiliscork

ZHAO Jing-feng1,SONG Xiao-zhou1,FENG De-jun1,LEI Ya-fang1,ZHANG Ying-jie2

(1CollegeofForestry,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China;2YanglingVocation&TechnicalCollege,Yangling,Shaanxi712100,China)

【Objective】 The research studied the factors influencing expansion and impurity remove fromQuercusvariabiliscork to obtain the optimal technology.【Method】 Orthogonal experimental design was used to investigate the expansion and impurity removing technology forQ.variabiliscork from Shaanxi,Gansu and Hubei province.【Result】 Extrusion pressure,pressure holding time and pretreatment method were the main factors of cork volume expansion and impurity removal rate.Effect of extrusion pressure was extremely significant while effect of holding time and pretreatment method were significant or generally significant.In the experimental range,the optimal conditions were: expansion pressure 0.9 MPa,holding time 20 min,pretreatment with boiling water for 1 h,and thickness 15-20 mm.【Conclusion】 Under the optimal conditions,the volume expansion rate was 40.35% and impurity removal rate was 22.15%.

Quercusvariabiliscork;expansion;impurity removal;technology optimization

2013-12-17

陕西省科技计划项目(2011K01-27)；国家林业局林业公益性行业科研专项(201004011)

赵泾峰(1968-)，女，陕西泾阳人，副教授，博士，主要从事软木性能及其加工利用研究。 E-mail：zhaojf928@nwsuaf.edu.cn

冯德君(1968-)，男，甘肃靖远人，副教授，主要从事木材及木材功能性改良研究。E-mail：mcyjsfdj@nwsuaf.edu.cn

时间:2015-04-13 12:59

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.05.001

S792.160.8；TS65

A

1671-9387(2015)05-0087-06

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150413.1259.001.html