前处理与后处理对木材糠醇浸渍中可渗透性的影响

罗朋朋 斯泽泽 程若愚等

摘要[目的]探讨不同处理木材低压糠醇浸渍改性的效果。[方法]以橡胶木为研究对象，探讨预汽蒸、预水煮处理以及后静置对糠醇浸渍木材渗透性的影响。[结果]水煮时间越长、温度越高，渗透效果越好，以6 h，75 ℃的水煮处理效果为佳；汽蒸处理也可较好地改善糠醇的渗透效果，尤以4 h、126 ℃的汽蒸效果为佳；后静置工艺可以显著提高糠醇在木材中的渗透性。此外，浸渍面积比与糠醇改性木材增重率有明显的线性关系，增重率越大，浸渍面积比越大。[结论]预汽蒸、预水煮和后静置均能提高糠醇在橡胶木内的渗透性。

关键词糠醇；渗透性；水煮；汽蒸；后静置

中图分类号S781.7文献标识码A文章编号0517-6611（2016）04-224-03

Effects of Pre and Posttreatments on the Permeability of Furfuryl Alcohol in Rubberwood

LUO Pengpeng， SI Zeze， CHENG Ruoyu， CHEN Taian* et al （College of Materials Engineering， Southwest Forestry University， Kunming， Yunnan 650224）

Abstract[Objective] To discuss the permeability of furfuryl alcohol in rubberwood under low pressure in different treatments. [Method] With rubberwood as the research material， we researched the effects of presteaming， preboiling and postplacement treatments on rubberwood immersion in furfuryl alcohol. [Result] Longtime boiling and high temperature led to good infiltration effects，especially the 6 h and 75 ℃ boiling. Steaming treatment could effectively improve the infiltration effects， especially the 4 h and 126 ℃ steaming.Besides， postplacement treatment significantly enhanced the permeability of furfuryl alcohol in rubberwood. At the same time， soaking area had significant linear relationship with weight gain rate of furfuryl alcohol. [Conclusion] Presteaming， preboiling and postplacement treatments all enhance the infiltration effects of furfuryl alcohol in rubberwood.

Key wordsFurfuryl alcohol； Permeability； Water boiling； Steaming； Postplacement

云南是我国橡胶的主要产区之一， 每年约有 2万hm2的橡胶林进行更新[1]。橡胶树属大戟科橡胶树属的一种乔木，其树汁是天然橡胶最主要来源，其木材力学性质较优，常用于家具制造，但因其含糖分多，易变色、腐朽和虫蛀，自然条件下伐倒后极易腐蚀变质，因此加工和利用具有一定的局限性。糠醇（C5H6O2）是一种低分子量化学药剂，有毒，易溶于水和乙醇等有机溶剂，可用玉米棒、甘蔗渣等生物质材料作原料制取[2]，属于可再生资源。生命周期评价测试显示，糠醇树脂改性木材在使用及废弃过程中对环境友好，对人畜几乎无毒害作用[3]。国外研究表明，糠醇树脂改性技术可显著增强木材抗生物侵蚀性，提高尺寸稳定性，降低平衡含水率，增加木材表面硬度[4]。

近年来改性木材越来越受到人们重视，而提高其渗透性成为改性木材的一大技术难题。目前是将木材流体渗透性作为一个重要的物理力学指标进行了系统和深入的研究[5-6]，而在增加木材流体渗透性手段方面做的工作相对较少，浸渍过程和效果难以控制，从而影响木材改性技术的推广应用[7]。1.0 MPa及其以上的高压力是浸渍改性中常用的工艺参数，它可以显著提高改性剂的注入量，然而这并不能解决改性剂在木材内部是否均匀分布的问题，同时改性设备的投资成本和运行安全性也需重点考虑。浸渍改性不仅与工艺有关，还与改性剂、木材性质有关。对于糠醇改性研究，重点应在提高木材的糠醇可渗透性和其他工艺环节的优化。为此，笔者以0.4 MPa的低压力浸渍橡胶木，通过浸渍前木材的汽蒸和水煮处理以及浸渍后的静置工艺，探究木材低压糠醇浸渍改性的效果。

1材料与方法

1.1试验材料橡胶木产自云南景洪，含水率为12%～15%，尺寸为2 000 mm×75 mm×20 mm，加工成试验所需的200 mm×75 mm×20 mm，备用。

主剂：糠醇，化学纯，由上海金山亭新化工试剂厂提供，淡黄色液体，糠醇体积分数≥98%；催化剂：马来酸酐，分析纯，由阿拉丁试剂（上海）有限公司提供；稳定剂：硼酸，分析纯，由天津市风船化学试剂科技有限公司提供。

1.2橡胶木预处理所有试件以防水玻璃胶进行端封处理。水煮处理在水浴箱中进行，温度分别为75 ℃和91 ℃（受限于昆明高海拔），处理时间分别为2、4和6 h。汽蒸处理在立式压力蒸汽灭菌锅中进行，温度分别为105 ℃和126 ℃，处理时间分别为2、4和6 h。将预处理试件室内自然晾干后，放入烘箱干燥獲得绝干质量，之后再在室内自然调节水分至稳定。预处理试件共分12组，每组5个；后静置工艺处理组与对照组各10个试件。

1.3木材改性工艺

1.3.1糠醇处理液配制。浸渍液中主剂糠醇与催化剂马来酸酐质量比为1∶0.06，糠醇浓度为75%，稳定剂硼酸用量为主剂的1%。

1.3.2加压浸渍。参照国内工艺[1]，采用满细胞法，将加工好的试件置于真空加压浸渍罐中，先抽真空30 min，利用负压加入配制好的糠醇溶液，然后进行加压工艺，压力为0.4 MPa，时间1 h，加压完成后进行后真空15 min。

1.3.3后静置处理。后静置处理时，用透明塑料将浸渍试件包裹，室内静置5 h。

1.3.4固化干燥。汽蒸、水煮处理以及后静置试件用铝箔纸包裹，置于103 ℃烘箱内固化3 h，待糠醇树脂固化后去除铝箔纸，再将试件在60 ℃下干燥2 h去缩合水，再在103 ℃下烘至绝干[4]。

1.4浸渍可渗透性评价以糠醇化木材的增重率、浸渍面积比来表征改性剂在木材内的渗透能力。增重率（WPG）计算公式如下：

WPG=（M0-m0）/m0×100%（Ⅰ）

式中，M0为浸渍固化后试件的绝干质量（g）；m0为浸渍前试件的绝干质量（g）。

将试件从中间截断，扫描图片后，利用软件测算相关面积，以未浸渍的面积占整个横断面的比例来计算浸渍面积比（IAP）公式如下：

IAP=（S0-S1）/S0×100% （Ⅱ）

式中，S0为浸渍固化后试件中部断面面积（μm2）；S1为浸渍固化后试件中部断面未浸渍到的面积（μm2）。

2结果与分析

2.1水煮处理对糠醇改性木材渗透性的影响由图1可知，水煮处理可以提高糠醇改性木材的渗透性。无论是改性木材的WPG，还是IAP相对于未作处理的对照组都有一定的提高。处理的时间越长，改性木材的WPG、IAP越大。75 ℃，水煮2 h，改性木材的WPG增加最少，是对照组的1.03倍，IAP是对照组的1.19倍；91 ℃，水煮6 h，改性木材的WPG增加最多，是對照组的1.38倍，IAP是对照组的1.27倍。随着水煮时间的延长，改性木材的WPG、IAP增加幅度有所减小。水煮处理的温度越高，改性木材的渗透效果越好。注：图中0 h对应数据为未作处理试件的WPG、IAP值，下同。

2.2汽蒸处理对糠醇改性木材渗透性的影响由图2可知，汽蒸处理改性木材的WPG和IAP随温度、时间的变化呈现不同的变化。105 ℃汽蒸处理随时间的增加，改性木材的WPG与IAP未出现增加的趋势，只有当处理时间达到6 h时，糠醇改性木材的WPG与IAP才接近对照组，在2、4 h的汽蒸处理时间下，改性木材的WPG、IAP要差于对照组。126 ℃汽蒸处理改性木材的WPG、IAP呈先上升后下降的趋势，4 h汽蒸处理改性木材的浸渍效果最佳，此时改性木材的WPG是对照组的1.15倍，IAP是对照组的1.43倍。图2汽蒸105 ℃（a）、126 ℃（b）处理对木材糠醇渗透性的影响

2.3后静置工艺对糠醇改性木材渗透性的影响浸渍后，木材内部糠醇分布不均匀，直接进行固化干燥会导致糠醇树脂多存在于木材表层。经过浸渍后的糠醇化木直接固化干燥的浸渍效果较差，而增加自然静置工艺（后静置）后的糠醇化木浸渍效果有显著提高，结果如表1所示。

由表1可见，经过5 h后静置处理的糠醇改性木材WPG是对照组1.66倍，与之相对应的IAP也显著提高，端面86.10%的面积被糠醇浸渍，较对照组增大近1倍。分析其原因，可能由于浸渍后木材内部还存在一定的浓度差，改性剂多囤积于木材表层，未能进入内部，立即进行固化干燥直接导致糠醇反应变为固态；而经过后静置处理的木材，改性剂在内外层浓度梯度的作用下，以分子扩散的方式逐渐渗入木材内部，固化后木材内部可见一定量的糠醇树脂；木材的材性对糠醇浸渍效果有一定影响，从表1可以看出边材的WPG、IAP要高于心材，尤其是在WPG、IAP较大时这一差异更加明显。

2.4糠醇改性木材IAP与WPG关系WPG取值范围为10.82%～64.73%，IAP取值范围为10.39%～100%，共78组，WPG与IAP的测定系数R2=0.757 1。由图3可知，WPG与IAP有明显的线性关系，随着WPG的增加，试件中心断面IAP也在增加。

2.5三种预处理方式对糠醇改性木材渗透性影响的比较通过水煮、汽蒸、后静置3种预处理方式提高改性木材的渗透性，结果表明3种预处理方式不同程度地提高了糠醇改图4不同处理方式的效果对比

性木材的渗透性。图4为3种预处理改性木材WPG、IAP的比较，其中水煮和汽蒸处理对应的值为相同温度下不同时间最佳的浸渍效果。3种预处理工艺中，后静置工艺对渗透性提高效果最明显；汽蒸105 ℃、6 h处理的效果与对照组相似，是3种预处理工艺中渗透性能最差的1种；汽蒸126 ℃、4 h处理改性木材的渗透性显著提高；2种温度下水煮处理6 h的IAP差异性不大。

安徽农业科学2016年由图5明显可以看出后静置工艺浸渍效果最优；在水煮、汽蒸2种工艺条件下，以汽蒸126 ℃浸渍的整体效果最好。含有心材的试件，其心材部位很难浸住，图中部分试件发白部位即心材。

3结论与讨论

（1）水煮处理、汽蒸处理和后静置处理均可提高糠醇改性木材的渗透性。从时间和温度来看，水煮处理温度越高，时间越长渗透性改善的程度越好，但汽蒸处理不具有此规律。苗平等[8]研究表明随着汽蒸处理温度的提高，木材渗透性有较大提高，汽蒸处理时间对不同木材渗透性的影响有所不同。该研究汽蒸处理下改性木材的IAP呈现不同的变化趋势，与国内学者关于汽蒸处理提高木材渗透性的结论有差异。4 h是汽蒸处理变化的关键点，但是不同温度下变化趋势相异，笔者猜测不同温度下的汽蒸处理对橡胶木的内部结构有一定的影响，需要在今后的研究中确定其原因。增加改性木材渗透性水煮处理较优条件为6 h、75 ℃，汽蒸处理较优条件为4 h、126 ℃。

（2）WPG是衡量糠醇化木材性能的重要指标。Epmeier等[9]研究表明，WPG为48%的改性樟子松在65%的相对湿度下边材密度增加了36%，抗湿胀系数达到40%～70%；Lande[10]发现改性木材的尺寸稳定性与WPG呈正比；Lande[11]研究还表明，WPG大于35%的糠醇化木，在地面接触使用条件下质量损失小于铜铬砷（CCA）处理样品。在此基础上，笔者探讨了IAP与WPG的关系。在今后的试验中，可以以WPG为标准初步判定IAP的效果。

（3）3种方式不同程度地提高了木材的渗透性。在木材工业中，笔者认为后静置工艺较优，只需将浸渍好的木材放置一段时间，较汽蒸、水煮工艺简化工艺程序，减少人力和物力。从IAP可知，后静置工艺试件断面颜色较均匀，但有部分试件未能浸染完全，所以在后静置工艺方面有待更加全面的研究。3种工艺中，板材类型对后静置工艺影响较大，心（边）材WPG、IAP差异明显，建议工厂在改性木材时尽量避免含心材的板材。

参考文献

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