PEG400在樟子松内扩散效率及对干缩特性的影响*

王　硕　王书文　杨亮庆**

（1.黑龙江省木材科学研究所，哈尔滨　150081；2.哈尔滨松江双象木业有限公司，哈尔滨　150036）



PEG400在樟子松内扩散效率及对干缩特性的影响*

王硕1王书文2杨亮庆1**

（1.黑龙江省木材科学研究所，哈尔滨150081；2.哈尔滨松江双象木业有限公司，哈尔滨150036）

摘要：采用PEG预处理方法是解决木材圆盘干燥开裂的重要途径，认识PEG在木材内的扩散效率及其对干缩特性的影响，对于科学制定预处理工艺具有重要意义。本研究以樟子松为试材，采用增重率、增重速率等指标为评价依据，对PEG400沿木材顺纹方向的扩散效率和对干缩的影响进行研究。结果表明：顺纹长度、预处理时间是影响PEG400在木材内部扩散效率的重要因素，PEG400进入量与其对木材干缩特性的影响具有一定的相关性。

关键词：PEG400；扩散效率；干缩特性；樟子松

*黑龙江省财政项目“基于干燥应变理论的木材圆盘可干燥性评价方法研究”

PEG是具有良好基本特性的木材膨胀剂，可显著提高木材的尺寸稳定性能，从而降低各向异性引起的干燥应力、降低干燥缺陷发生的可能[1-2]。杨亮庆等[3]在采用PEG400预处理改良枫桦圆盘的研究中已取得良好的效果，有效地解决了木材圆盘的开裂问题，为木材圆盘类制品的进一步开发应用及该产业的蓬勃发展奠定了良好的理论研究基础。研究中发现，随着圆盘径级的增大，木材可干燥性下降，开裂缺陷发生的概率大幅增加，材料利用的难度增大；同时，因不同树种材性差异较大，对PEG400的吸收也不尽相同[4]。因此，有必要在已有研究的基础上，对不同树种逐步开展相关测试研究，通过认识PEG400的进入量、改良效果与处理时间的关系，为预处理工艺的制定奠定基础，从而推动该项产业的快速发展。

1　试验材料与方法

1.1试验材料

试材所用树种为俄罗斯樟子松，初含水率为26%左右；PEG400，化学纯，天津科密欧化学试剂有限公司提供。

1.2研究方法

由于加工试材的原木并非当年新材，陈放约1年左右时间，使得樟子松板材含水率低于30%，远低于生材含水率水平。考虑到木材含水率与PEG进入效率密切相关，含水率越高时PEG进入效率越高[5-6]，因此预处理前将试件置至于水槽中进行浸水处理，处理时间为72 h；之后擦干表面水分称重，用于计算浸泡处理后的试件含水率。尽管PEG沿木材顺纹方向移动较沿横纹方向移动效率高很多，但由于圆盘制品随用途不同厚度也不一致，因此有必要研究顺纹移动距离（即圆盘厚度方向）对PEG进入效率的影响。按照厚度不同制作3个规格试件，截面规格均为20 mm×20 mm，长度规格分别为20、40和60 mm；处理时间设定为0（对照试件）、4、8、16、24、36、48、72、96和120 h。将所有需要处理的试件根据处理时间要求分别用纱网包覆，以便于取出。冬季哈尔滨室内温度介于18～25℃之间，不需特殊设备即可进行预处理，但为避免温度波动对试验精度产生影响，试验在恒温水浴箱内进行，温度设定为25℃。

2　试验结果与分析

2.1试件厚度对其浸水处理效果的影响

经72 h浸泡处理后，3个规格试件（20、40、60 mm）的含水率由最初的26%分别变为61%、55%和47%，试件顺纹长度越长，木材增重率越低。这一结果说明，尽管水分以顺纹方向进入木材，但水分子移动仍然要受到移动通道的约束，因此试件顺纹长度会对水分子进入速率产生显著影响。这是因为，木材吸着水几乎存在于木材内所有微孔隙内，而微孔隙的内径差异较大，其中处于1 nm以下直径孔隙内的水分约占吸着水总量的50%，2 nm以下直径孔隙内的水分占吸着水总量的约70%，只有极少一部分孔隙的孔径超过3.6 nm（不超过5%）[7]。因此，尽管水分子径级很小，但由于吸着水对微孔隙的占据以及分子间力的相互作用，使得水分子在经过这些通道时变得艰难而缓慢，从而影响了水分子的进入速率。自由水的移动路径尽管未有吸着水般艰难，但随着移动路径的延长，多重移动通道的阻碍作用势必会大幅降低水分子的移动效率，在宏观上表现为随着试件厚度增大，含水率变化逐渐减小。

由于PEG400的分子量远大于水分子，采用溶剂排出法可以计算PEG400粒子的粒径，这种算法也是一种相对理想的假设。Stone采用的聚合物粒子粒径是根据其摩尔体积计算得到的，而聚合物的分子量一般都是范围值，并不是所有的粒径都相同，而且粒径也是将溶剂粒子假设成球体计算，实际的聚合物多为链式结构，因此对试样结果也会产生影响[6]。但通过这种计算可大致得出PEG400的尺寸状况，从而可了解其进入木材内的难易程度，因此可以推测，顺纹长度会对PEG400进入木材产生显著影响，开展这项研究具有重要的意义。

2.2顺纹长度对PEG进入试件效率影响

PEG400进入试件的效率，是指单位时间、单位截面进入木材内PEG400的数量，反映了PEG400在木材内的扩散速率。PEG400进入木材的效率可通过一定时间内木材的增重率来说明，增重率大，则说明木材内PEG400进入量多，反之则说明木材PEG400进入量少。图1为不同处理时间和不同顺纹长度时木材增重率的情况，反映了不同时间段PEG400在木材内含量的变化情况。图2为不同处理时间段PEG400进入木材速率的情况，反映了每个时间段溶液进入木材表层内PEG400的平均量。

图1　不同顺纹长度木材增重率的变化

图2　不同顺纹长度木材增重速率的变化

由图1可知，处理时间和木材顺纹长度均对PEG400进入木材的量产生显著影响。随着处理时间延长，PEG400进入木材的量呈增多趋势；随着试件顺纹方向长度的增大，木材增重率呈下降趋势，实际上进入的PEG400量是增多的，但占木材量的比重（即增重率）是下降的。上述现象的出现，与PEG400在木材内的扩散和木材独特的微孔隙结构密切相关：当木材含水率较高时，PEG400通过扩散的形式在木材内部运动，扩散速率既与移动距离有关，也与扩散移动驱动力有关；PEG400进入木材内部是一个逐渐的过程，其移动驱动力主要依赖于浓度梯度，通过由高浓度区域向低浓度区扩散来实现。木材置于处理溶液中时，由于处理溶液较多，视其浓度为不变量，则开始阶段木材内外溶液浓度差较大，使得木材表层内PEG400移动速率较高；而PEG400在木材内移动时，由于浓度差异的变小这种移动速率逐渐减缓，加上部分移动路径对PEG400的阻碍作用，进一步降低了其在木材内部的移动速率，因此出现了图2中开始阶段PEG400进入木材速率较高、而后进入速率显著下降的现象。从测试分析来看，处理的前8 h是PEG400进入木材的最主要时间段，3种规格（2 cm、4 cm和6 cm）试件在该时间段内PEG400的进入量分别占到整个过程进入量的54%、52%和40%，进一步说明预处理的初期阶段是PEG400进入木材内部的重要时段。由该结论还可以大致计算出，随着木材试件顺纹长度的增大，木材内PEG400的量是呈增大趋势的，反映了PEG400在木材内的扩散规律。

从各个时间段PEG400的增重速率变化曲线（图2）来看，增重速率的变化在整个预处理过程中表现为先迅速下降、而后小幅上升、之后再次下降、最后进入持续低位阶段的变化过程。这一变化过程充分说明，随着PEG400沿木材顺纹方向移动的深入，其在木材内的含量逐渐下降，移动驱动力即浓度梯度降低，加上PEG400对移动微孔隙的堵塞作用，使其在木材内的移动过程逐步变得困难起来，以致在处理36 h后，增重速率达到非常之小的地步，3个规格（2 cm、4 cm和6 cm）试件在该时间段内PEG400的进入量分别占到整个过程进入量的84%、78%和80%。从该数据来看，试件顺纹长度的影响不大，这就为不同厚度木材圆盘预处理方案的制定提供了参考，即一味依靠提高预处理时间的方式并不可取，因为36 h后PEG400在木材内的移动驱动力减弱，此时预处理时间的影响作用已不显著，此时可通过提高预处理溶液温度的方式来提高PEG400在木材内的运行动能，进而提高其在木材内移动的能力，提高PEG400在木材内的含量。在24～36 h时间段，PEG400的增重速率有了一个较大提升，且这一现象并不受顺纹长度的影响，其原因目前还不清楚，这一节点可能是表层或木材内大空隙PEG400填充到一定程度（有可能是趋于饱和）后开始向木材深度方向和微孔隙扩散的一个转折点，之后由于微孔隙孔径较小以及顺纹方向部分孔径的堵塞，向更深深度方向的扩散困难起来，具体体现为增重速率呈现极低的状况。

2.3PEG对木材干缩特性的影响

PEG400对木材的膨胀效果主要体现在对干缩特性的影响上。木材的干缩湿胀，是细胞壁微纤丝间距离因失水缩小和因吸水增大的宏观体现。PEG400对木材干缩的影响作用，体现于处理材中PEG400进入细胞壁量的多少，增重率反映的是PEG400进入木材内的重量程度；而干缩特性变化则反映了PEG400进入细胞壁内量的程度，且这一量值决定了处理效果和处理价值，因此有必要对PEG处理后木材干缩特性进行分析，以进一步认识其对处理工艺及设计的影响，为后续的应用研究奠定理论基础。

表1是不同预处理时间情况下木材弦向、径向干缩率的变化情况。由表1可知，随着处理时间的增加，木材两项干缩率都呈下降趋势，可说明PEG400能够进入到细胞壁内，对微纤丝间的距离变化产生影响，这也为鉴定PEG系列药剂能否进入细胞壁提供了一种方法。PEG400在常温下为无色、透明液体状存在的一种无定形物，很难通过常规手段如SEM、FTIR以及SRD等进行鉴别分析，其这一特性给PEG处理材的表征带来困难。但随着PEG分子量增大，其进入到木材细胞壁的难度增大，同时其液化状态存在所需的温度也越高，这究竟对干缩性能影响如何还有待进一步探究。

从弦径向干缩系数下降程度来看，与增重率的变化趋势较为一致，这是因为PEG400由细胞腔进入细胞壁的过程也需要在浓度差的作用力下针对微空隙径级有序扩散，由于细胞壁大多数微空隙径级较小，因此处理开始阶段PEG400以进入细胞腔等大空隙结构为主，而在微孔隙内的移动更多取决于时间因素，当然环境浓度的影响仍然存在，这就是每个时间段干缩尺寸变化存在一定差异的原因。PEG400在木材内的扩散移动过程对提高处理效果、改良处理工艺具有重要的意义，因此该部分内容还有待进一步研究。从增重率和干缩率随处理时间的变化来看，处理前8 h的时间段是一个重要的阶段，24～36 h阶段也是比较重要的时间节点，之后对增重率和干缩性能的影响作用则明显下降。因此，在对圆盘预处理过程中，可着重从上述两个节点入手展开测试分析。

表1　不同处理时间的木材干缩率　%

3　结　论

3.1本研究主要从PEG400的进入效率、对干缩特性的影响等方面入手，分析了木材顺纹长度对PEG400进入效率的影响，以期为不同厚度、径级圆盘预处理方案的制定提供基础数据和分析依据。

3.2研究结果表明，木材顺纹长度（相当于圆盘厚度）越大，浸水处理时的吸水效应越弱；试件顺纹长度对水分子的进入速率会产生显著的影响，这主要是由于水分子移动要受到移动通道层层约束所致。

3.3预处理时间对PEG400进入量（即木材增重率）有显著影响，但36 h之后处理时间的影响程度明显减弱；相同时间段顺纹长度越大，试件的增重率越小，说明顺纹长度对PEG400进入木材的效率并无明显影响。

3.4预处理试件的弦径向干缩率随着处理时间的增加呈下降趋势，与增重率的变化趋势具有一致性；处理的前8 h左右时间段和24～36 h时间段是影响木材干缩性能的重要时间节点。

参考文献

［1］A.J.Stamm.Factors affecting the bulking and dimensional stabilization of wood with polyethylene glycols.Forest Prod.J.1964,14(9):403-408.

［2］郑海威.PEG400预处理对枫桦尺寸稳定性能影响的研究［J］.林业科技，2015,40(3):24-26.

［3］杨亮庆,刘一星,蔡英春.PEG400预处理枫桦圆盘干燥特性研究［J］.西北林学院学报,2013(4):153-157.

［4］杨亮庆.枫桦圆盘预处理及干燥特性研究［D］.哈尔滨：东北林业大学博士论文，2011.

［5］赵俊卿,王喜明,高志悦等.白桦材聚乙二醇改性技术的研究［J］.内蒙古林业科技,1995(1):44-47.

［6］李筱莉,岳翠银.聚乙二醇处理的木材尺寸稳定性研究［J］.安徽农业大学学报,1993，20(4):353-358.

［7］Stone,J.E.,Scallan,A.M...Structural model for the cell wall of water-swollen wood pulp fibers based on their accessibility to macromolecules［J］.Cellulose Chem.Technol,1968,2(1)：343 -358.

（责任编辑：潘启英）

Diffusion Efficiency of PEG400 Within Sylvestris and Influence of Shrinkage Characteristics

WANGShuo
（Heilongjiang Academy of Forestry Institute of Wood Science,Harbin 150081）

Abstract Using PEG pretreatment method is the important ways to solve lumber disc dry crack,the diffusion efficiency of PEG in wood and its impact on the drying shrinkage characteristics make pretreatment process of science is of great significance.Mongolica as the research object,USES the weight gain rate,rate of weight gain such as indicators for evaluation basis,wood along the grain direction of PEG400 efficiency and study of dry affected by diffusion.The results show that the suitable grain length,the pretreatment of each period is PEG400 in wood diffusion efficiency of important internal factors,PEG400 in quantity and its impact on the drying shrinkage characteristics have a certain correlation.

Key words PEG400; Diffusionefficiency; Dryingshrinkage characteristics; Mongolica

收稿日期：2015-12-16

通讯作者：杨亮庆（1981-），男，副研究员，研究方向：木材干燥。

作者简介：第1王硕（1988-），男，研究实习员，研究方向：木材干燥。

文章编号：1001-9499（2016）02-0021-04

中图分类号：S781.7,S791.22

文献标识码：A