速生林杉木活立木改性研究

王 勇，陈泽君，邓腊云，范友华

（湖南省林业科学院，湖南 长沙 410004）

速生林杉木活立木改性研究

王 勇，陈泽君，邓腊云，范友华

（湖南省林业科学院，湖南 长沙 410004）

对速生林杉木进行了活立木改性研究，分析了改性剂在木材内部不同高度位置的分布情况，并利用SEM对改性剂在木材内部的形态和分布进行了进一步深入研究，同时对改性材主要力学性能（顺纹抗压强度、静曲强度及弹性模量）的变化情况进行了研究与分析。结果显示：经改性后，改性剂填充了木材内部的导管及孔隙，改性木材的主要力学性能与素材相比均有不同程度的提高，且改性剂主剂浓度的变化及助剂的加入对改性剂在木材不同树高位置的分布均有较大影响，助剂聚乙二醇的加入使主剂在立木内部的分散更加均匀。

速生林杉木；活立木改性；扫描电镜；力学性能；湖南省长沙市

速生材作为南方主要用材林树种，占总采伐量的90%以上，但速生林木材天然缺陷多，价值低，难以替代优质珍贵木材[1-2]，因而需对其进行改性处理。传统浸渍改性技术因投资大、工艺复杂、能耗高、污染环境，不便于边远林区大规模推广应用[3-5]。而活立木改性技术投资小、能耗低，适合在林区等速生林资源丰富的边远地区推广应用，因而开展活立木改性技术研究和产品开发，可改善速生林木材材性，延长其使用寿命，扩大其使用范围，有望缓解优质材供需矛盾。

活立木研究最早始于日本。20世纪，饭田生穗等[6]利用树液流动注入法对58种阔叶材和3种针叶材进行了立木染色，从而引起了木材学界的兴趣和关注。采用这种方法，不仅染色速度快，而且经过染色的木材颜色鲜明。该染色方法虽然染色不均，但由于染料是沿着树液流通管道扩散的，染色效果独特，适合于特定场所的装饰，如室内装饰材和工艺品用材。在我国，木材染色的历史悠久，但直到20世纪90年代，我国才开始对活立木染色进行探索[7-8]。而关于活立木防腐改性等方面的研究开发工作，国内外鲜有报道[9-10]。因此，本研究以铜氨（胺）季铵盐（ACQ）为主剂、聚乙二醇为助剂对速生林杉木进行活立木改性，分析了改性剂在改性材内部的分布情况，并对其主要力学性能变化进行了探索性研究。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验用速生林杉木位于湖南省林业科学院试验林场，树龄15 a。活立木改性是利用树木的蒸腾作用，将药剂输入活体树木内部，经树液流动带入活体树木各组织，因而，改性树木选择需在树木生长季节（在砍伐前3～10个月内）。同时，目标树生长正常，树冠要发育良好，离水源20 m以上，选择好改性树后做好标记及准备工作。活立木改性需要准备钻孔机、储液容器、输液管、锤子、木制支架等。

改性剂主剂为铜氨（胺）季铵盐（ACQ），有效成分含量为15%。助剂主要为聚乙二醇（相对分子质量400）。配制3个不同质量分数的铜氨（胺）季铵盐（ACQ）溶液，分别为2%、4%、6%。改性剂分为2组，一组为单改性剂，一组为复合改性剂。复合改性剂加入助剂，其含量为5%。改性剂最低载药量参照《防腐木材的使用分类和要求》中C4类规定的要求进行[11]，其中载药量以改性剂活性成分的总量计算。

1.2 改性工艺

利用打孔机在立木主干离地30 cm处，在树干同一平面圆周等距情况下，向髓心方向向下45°钻3个孔道，其孔道深度是以立木树表到树木髓心为准，孔径在10～15 mm之间；将支架固定在改性树旁边，其中木制支架支撑板面与孔的距离在80 cm以上；将储液容器固定在木制支架上，并与输液管相连，打开输液开关，排空输液管内的空气后，将输液管插入孔道内密封，并检查是否漏液。改性剂输入结束后，需让改性剂在立木内部固化4～8周，使改性效果达到最佳。

1.3 测 试

1.3.1 载药量的测定

由于改性剂从立木底部注入，因而为测定不同高度部位改性剂分布情况，需要对不同高度位置改性剂浓度进行分析。改性剂主剂为铜氨（胺）季铵盐（ACQ），含有铜元素，因而可以通过测定不同高度部位铜的含量来分析不同高度位置的改性剂载药量。

从树底部注入改性剂部位开始每隔2 m截取一段10 cm长的试样，剥去树皮，在边材部位取样，磨粉，过30目筛，按照GB/T 23229-2009《水载型木材防腐剂分析方法》中规定的含铜防腐木材中铜含量的测定方法测试，并计算不同高度位置的改性剂载药量。

1.3.2 SEM分析

从经改性处理后的杉木试件及未处理材的中间部位截取出20 (R)mm×20 (T)mm×30 (L)mm的小试样，用滑走式切片机制取面积为8 mm×8 mm、厚度为1～2 mm的木薄片若干，选取表面结构完好无损、无污染和无变形的木片，将其用导电胶固定在金属托片上，然后在每1片木片表面镀上一层铂金，目的是为了防止充电、放电效应，减少电子束对样品的损伤作用，同时增加二次电子的产生率，获得较好的图像。

1.3.3 力学性能测试

按照GB/T1929-2009规定的取样方法将改性材和素材加工成20 (R)mm×20 (T)mm×300 (L)mm和20 (R)mm×20 (T)mm×30 (L)mm 2种规格的试件，并将试件分别依次编号。试件的含水率控制在12%左右。素材和改性材的静曲强度（MOR）及弹性模量（MOE）分别采用GB/T1936.1-2009中《木材抗弯强度试验方法》和GB/T1936.2-2009中《木材抗弯弹性模量测定方法》规定的方法测定。木材顺纹抗压强度采用GB 1938-1991中《木材顺纹抗拉强度试验方法》规定的方法测定。

2 结果与分析

2.1 改性剂分布

在活立木改性中，改性剂利用树木的蒸腾作用，通过木材内部的导管及孔隙，随着输液流沿垂直方向在树干中向上扩散，并流向树木的各个组织中去。改性结束后，经过一段时间的固化，改性剂在木材导管和孔隙中沉积固化。从图1(a)中可以看出，改性剂浓度越低，相对更易于往树梢方向扩散，使得往树梢方向载药量明显升高，最高可达2.6 kg/m3；而浓度越高，改性剂不能充分的向树梢方向流动，在树干底部越易形成较高的浓度梯度。但加入聚乙二醇后，改性材载药量分布有了显著的变化。从图(1)b可以看出，加入聚乙二醇后，改性剂在树干底部和树干顶部浓度梯度不明显，且在高浓度（ACQ含量6%）条件下，越往树梢方向载药量越大，说明助剂聚乙二醇对木材有明显的膨润作用，具有显著的增容效果[12]。聚乙二醇的加入使得改性剂不易在立木树干底部聚集固化，堵塞木材导管及孔隙，而是促进改性剂在立木内部的扩散，降低了改性剂在立木内部的浓度梯度，使其分布更均匀。

图1 杉木立木不同高度位置载药量变化Fig.1 Drug loading variations at different heights of Chinese fi r tree

2.2 SEM分析

通过对木材微观形态的观察，可以有效掌握改性剂在木材中的分布。通过活立木改性，木材微观结构有显著改变，其中图2(a)为素材剖面图，图2(b)、图2(c)为改性材剖面图，图2(b)为仅含ACQ(含量4%)改性材样品，图2(c)为ACQ(含量4%)和聚乙二醇复合改性剂改性材样品。从木材的组织结构来看，木材除由纤维素组成的骨架及填充在骨架中的半纤维素及木质素外，剩余的部分为木材孔隙。这些孔隙一般分为细胞壁内的微孔隙、细胞腔的粗大孔隙及天然孔隙，这些孔隙交错分布在木材中。改性剂在木材内的传输主要通过纹孔、树脂道及细胞间隙进行，在蒸腾作用下，改性剂随着树液在木材内部扩散，逐步填充木材孔隙，并与木材本身的活性基团发生反应，达到强化处理的目的。从图2(b)、(c)中可以看出，无论是单改性剂还是复合改性剂改性，杉木木材的树脂道及部分孔隙均被改性剂填充。改性剂进入木材孔隙后先与导管内壁形成固化层，多余的改性剂凝聚成微团状，最终固化成小颗粒[13]。其中复合改性剂改性材的树脂道及孔隙填充较完全，且多余的改性剂固化后形成絮状颗粒。

图2 杉木素材与改性材SEM对比谱图Fig.2 Optical micrograph for cross-sectional surface of un-treated wood (a) and treated samples (b,c) of Chinese fi r

2.3 力学性能

图3是改性材与素材相比的顺纹抗压强度提高率变化图。从图3可以看出，无论何种改性剂条件下，改性材顺纹抗压强度均有不同程度的提高。但改性剂主剂浓度的变化及助剂的加入，对其变化有较显著的影响。从图3(a)可以看出，随着改性目标树高度位置的变化，顺纹抗压强度提高率逐渐降低。这主要因为单改性剂主要聚集在改性目标树底部，在蒸腾作用下，改性剂往树中部及顶部移动的量少，在树底部形成了较大的浓度梯度，造成了改性材顺纹抗压强度变化不均匀。而在以聚乙二醇为助剂的复合改性剂改性中，随着改性目标树高度位置的变化，改性材顺纹抗压强度提高率呈上升趋势。说明从树根部到树梢部位，复合改性剂分布较单改性剂更合理与均匀。

图4为单改性剂和复合改性剂立木改性材静曲强度和弹性模量变化情况。从图4(a)、4(b)中可以看出，改性剂浓度越低，静曲强度和弹性模量在不同树高位置提高率越均衡合理。而高浓度改性剂（改性剂浓度为6%）改性时，在不同高度位置力学性能有较明显的递减。这可能是低浓度的改性剂不易在木材导管及孔隙内聚集并固化，而当改性剂浓度升高时，改性剂极易在短时间内就聚集在树底部的导管与孔隙内，固化并阻塞了改性剂往树梢方向的流动，形成较高的浓度梯度，从而影响了改性剂在立木内部的均匀分布，影响了静曲强度及弹性模量的提高率。同时，从图4(b)、4(c)可以看出，在加入聚乙二醇后，静曲强度及弹性模量在不同树高位置的提高率更均匀，变化梯度不明显。其中在树底部位置与树干其它位置的提高率没有明显的递减，反而在加入聚乙二醇后，往树梢位置，树干的力学强度变化较树底部有更显著的提高。这可能是加入聚乙二醇后，作为一种表面活性剂，其能有效地使改性剂在树干内部扩散，而不易于在树木底部导管及孔隙内聚集固化，阻塞改性剂往树干上部的扩散，使得改性剂可以在改性过程中不断的在树干中上部富集，从而使得高度越高的位置静曲强度和弹性模量提高率越大。

图3 改性材顺纹抗压强度提高率曲线Fig.3 Change rates of compression strength parallel to grain of treated wood under different conditions

图4 改性材静曲强度及弹性模量提高率曲线Fig.4 Change rates of MOR and MOE of treated wood under different conditions

3 结 论

本研究探索了一种新型木材改性方法，利用该技术对速生林杉木进行了活立木改性，并对改性杉木木材材性进行了分析和研究。通过SEM分析可知，改性剂可以有效地填充木材内部导管和孔隙。同时在系列试验中，聚乙二醇作为助剂，可以有效地改善改性剂在立木内部的扩散与分布，降低改性剂浓度梯度，使得改性材整体力学性能显著且均匀的改善。在未来的试验中，需要进一步探索改性材其它方面性能的变化，更全面地考察改性剂在立木不同部位的分布，同时研试多功能且更易于在树木内部扩散的环保型改性剂。

[1]Hill C A. Wood Modi fi cation: An update[J]. Bioresources,2011,6(2):918-919.

[2]Callum A S,Antonios N,Damian P. Chemical modification employed as a means of probing the cell-wall micropore of pine sapwood [J]. Wood Science and Technology,2004,37:475-488.

[3]Carsten M,Militz H. Modification of wood with silicon compounds. Treatment systems based on organic silicon compounds-a review[J]. Wood Science and Technology,2004,37: 453-461.

[4]史 蔷,张守攻,吕建雄,等. 落叶松木材改性的研究现状及发展趋势[J]. 中南林业科技大学学报,2012,32(4):210-215.

[5]陈泽君,王 勇,马 芳,等. 聚乙烯醇缩甲醛胶对杉木木材的物理与力学性能的影响[J].湖南林业科技,2012,39(5):29-32.

[6]饭田生穗,野村隆哉,森囚茂胜. 利用树液流对木材进行染色以及尺寸稳定化处理[J]. 京都府大学报：农学,1989,40:64-70.

[7]赵广杰. 立木染色技术方法: 中国,98102444.0[P]. 1999.

[8]陈利虹. 毛白杨立木染色技术研究[D]. 石家庄: 河北农业大学,2005.

[9]Yoshinori Kobayashi,Lkuho Iida,Yuji Imamura,et al.Improvement of penetrability of sugi wood by impregnation of bacteria using sap-flow method [J]. Journal of Wood Science,1998,44:48-485.

[10]彭万喜,李凯夫,范智才,等. 木材染色工艺研究的现状与发展[J]. 木材工业,2005,19(6):1-3.

[11]LY-T1636-2005.防腐木材的使用分类和要求[S]. 北京: 中国标准出版社,2005.

[12]李 坚. 木材保护学[M]. 哈尔滨: 东北林业大学出版社,1999.

[13]Papadopoulos A N,Pougioula G. Mechanical behaviour of pine wood chemically modified with a homologous series of linear chain carboxylic acid anhydrides[J]. Bioresource Technology,2010,101(15):6147-6150.

Study on stumpage modi fi cation of fast-growing Chinese fi r

WANG Yong,CHEN Ze-jun,DENG La-yun,FAN You-hua
(Hunan Academy of Forestry,Changsha 410004,Hunan,China)

The stumpage modi fi cation on China fi r in fast-growing forest were studied,the distribution and diffusion of modi fi er in activity living trees at different height positions were investigated,and by using SEM,the morphology and distribution of modi fi ers inside the living trees were ulteriorly studied. In addition,the mechanical properties of modi fi ed wood (compressive strength parallel to grain,MOR and MOE) were also investigated. The results show that the vessels and pores were fi lled with modi fi er and the mechanical performance of modi fi ed wood were improved in comparison of wood untreated; The concentration of modi fi er and the added assistant signi fi cantly affected the distribution of modi fi er in the living trees at different height positions. And the addition of PEG made the contribution of modi fi er more uniform.

China fi r in fast-growing forest; activity living tree modi fi cation; SEM; mechanical performance; Changsha city of Hunan province

S781.7

A

1673-923X(2016)01-0146-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.01.025

2014-06-05

湖南省林业科学院青年创新基金项目（20130802）；2015年林业科技计划项目（WLK201507）；湖南省科学技术厅科技计划重点项目（2012NK2002）

王 勇，助理研究员，硕士研究生 通讯作者：邓腊云，高级工程师，硕士研究生；E-mail：deng269@163.com

王 勇，陈泽君，邓腊云，等. 速生林杉木活立木改性研究[J].中南林业科技大学学报，2016,36(1): 146-150.

[本文编校：谢荣秀]