防腐处理木材耐候性研究进展

于丽丽，蔡 杰，唐镇忠，朱俊艳，朱礼智，马晓军

(1.天津科技大学包装与印刷工程学院，天津 300222；2.木材节约发展中心，北京 100834)



综 述

防腐处理木材耐候性研究进展

于丽丽1，蔡 杰1，唐镇忠2，朱俊艳1，朱礼智1，马晓军1

(1.天津科技大学包装与印刷工程学院，天津 300222；2.木材节约发展中心，北京 100834)

防腐处理木材主要应用于户外园林木制品的制作，木制品在长期的户外使用过程中极易发生开裂、变色等老化问题。从木质材料耐候性研究入手，对防腐处理材的耐候性研究现状及研究趋势进行了分析展望，以期为防腐处理材的健康发展提供借鉴。

防腐处理木材；耐候性；纳米技术；光降解

由于防腐处理木材具有强重比大、加工性能好、防生物危害能力强、纹理自然、美观等优势，已逐渐成为户外园林木制品的首选材料之一[1]。然而，防腐处理木材在户外使用过程中，由于受到各种气候条件的影响，如阳光的照射、雨水的冲淋、风沙的侵蚀等，表面会逐渐变得粗糙，颜色变得暗淡，并出现翘曲、开裂等现象，严重影响了防腐处理木材的正常使用，增加了后期维修成本，并对防腐木结构的安全埋下隐患。对防腐处理木材进行合理的耐候处理，是有效提高其抗老化能力的重要途径，对延长防腐木制品的使用寿命、降低其维护成本具有非常重要的意义。

1 木质材料老化机理

通过考察木材的老化机理可以发现，木材的老化过程是化学、机械和光能因素共同作用的结果。首先，光化学降解会导致处理木材颜色发生改变，随后伴随的是质量损失、表面变粗糙及发生开裂、翘曲等。处理材表面颜色的变化主要是由太阳光中的紫外线照射引起的，木材是良好的光吸收体，木质素是木材组分中对老化最敏感的成分。在木材的不同组分中具有不同的反应基团和反应场所，如羟基、羧基、酚基，羰基等，这些基团可以和紫外线相互作用生成自由基，从而吸收80%～95%的紫外线。木材中聚合物的破坏主要是由自由基反应引发的，这也导致了木质素的降解，呈现白色至灰色的材色。因此，处理材材色的变化是其发生化学变化或生物破坏最直接的指标。紫外光还与周围环境中的水分、热量、大气污染物及氧化剂(如氧气、木材细胞壁中的木素及纤维素)共同作用[2-4]，致使木材细胞壁中的木素及纤维素被大量分解，周围环境中存在的水分又会将产生的降解产物从木材中冲刷出来[5]。水分的存在还会导致木材产生干缩湿胀现象，尤其是在户外使用时，由于处理材的表面直接与水分及阳光接触，使得由水分导致的干缩湿胀变化更为频繁[6]，这使处理材的表层干燥变得更慢，从而限制了表层的收缩，最终导致木材表面产生拉应力，当拉应力超过木材顺纹抗压强度时木材表面就会产生开裂。木材在户外使用时由于长期受日光的照射，尤其是紫外线的照射，使得木材表层的开裂程度加剧。光线造成的木质素降解削弱了木材细胞壁的力学性能，从而使照射生成的细小裂纹沿着纵向加深，并与其他相似的裂纹结合在一起形成可见的大裂纹。这表明由木质素光降解所形成的细胞微观构造变化与所形成的木材可见大裂纹间存在着相关性[7]。从这些研究结果中可以发现，太阳辐射中的光子能量是室外环境中最具破坏力的因素，是引发木材表面各种老化现象的主要原因。

2 木质材料耐候性改良研究

国内外对提高木质材料的耐候性都进行了广泛的研究，如对木材进行乙酰化[8]、高温高湿热处理[9]、呋喃化处理[10-11]，这些方法均可以显著提高木材的尺寸稳定性及颜色的稳定性；使用树脂/石蜡防水剂处理木材可以显著降低毛细管中水分的流动，从而提高木材在潮湿环境中的尺寸稳定性[12]；木材的防变色处理措施可根据引起该木材变色的不同诱因来采用不同的物理或化学方法。木材防变色的物理方法可利用萃取剂萃取浸提物，控制温湿度抑制并杀死变色菌，或在木材表层涂饰能起到阻水和挡光作用的薄膜等[13]；化学方法可在木材表层涂饰紫外线吸收剂或使用抗氧化剂溶液，如含二氧化硅、二氧化锌或二氧化钛等物质的溶液[14]，或者采用pH调节剂溶液处理木材表面[15]。

3 防腐处理材耐候性研究现状

木质材料耐候性处理技术已相当成熟，但对木质材料进行耐候性处理的技术却不一定适合防腐处理木材，如Denes[16]的研究表明，普通涂料涂饰处理就可以显著提高素材表面的材色稳定性，但对于防腐处理木材而言，未经涂饰处理的防腐木材与普通涂料涂饰的防腐木材在自然环境中都容易褪色。另外，性能较好的木材疏水剂在防腐木材中使用时也有一些特殊要求，如要保证与木材防腐剂的混溶性及稳定性，不影响防腐剂对木材的渗透性等。

一些研究表明，使用含铬元素的防腐剂可以改善处理材的户外抗光解性[17-18]，但这只是延缓紫外线降解木材的进程，并未从根本上提高处理材的抗光降解能力，况且含有铬元素的防腐剂正被越来越多的国家所禁止或限制使用，如美国、日本、澳大利亚和欧洲等[19]。目前，国内外在木材防腐行业中占主导地位的防腐剂仍然为水载型防腐剂，如铜氨(胺)季铵盐(ACQ)、铜唑(CBA-A、CA-B)、微化季铵铜(MCQ)、微化铜唑(MCA)等，这类防腐剂本身的活性成分不具有抗光降解能力及疏水性，处理材在长期的户外使用过程中自然老化严重[20]。防腐处理材的老化不仅会降低其使用寿命，增加防腐木制品的维修成本，而且替换下来的防腐废弃材还需要通过专业技术、耗费大量资金进行专门处理，这给防腐处理材的使用带来了巨大的经济压力。

近年来，国内外研究人员在防腐木材的耐候性研究领域做了大量工作，并取得了一定的成果。如美国Hickson公司开发出一种具有防水性的乳化液添加剂应用体系，可以使铬化砷酸铜(CCA)处理木材具有更好的尺寸稳定性；国内外很多学者还尝试在防腐剂中加入疏水成分，如石蜡、合成树脂、防水涂料等来降低处理材的含水率，从而降低处理材的开裂和翘曲，提高防腐木材在户外使用过程中的尺寸稳定性及防腐剂成分的抗流失性。陈人望等[21]利用石蜡对CCA及ACQ木材防腐剂进行改性，结果表明在CCA和ACQ 防腐剂中加入防水剂可以降低处理材的吸水性和吸水速度，但对改善防腐处理材的尺寸稳定性效果并不显著；王剑菁等[22]选用吐温80、司盘80和单硬脂酸甘油酯复配成58#石蜡乳液，探索出适宜的乳化工艺条件，并制备出稳定的石蜡乳液防水剂，该复配石蜡乳液作为防水添加剂加入ACQ木材防腐剂中处理木材，可极大地提高处理材的防水性能；Levin等[23]在硼酸中加入一定比例的石蜡乳液处理木材，实验结果表明，处理材不仅具有较好的耐腐性能，而且可以使硼的流失率降低20%～50%；Bostjan等[24]利用石蜡乳液或由植物油和矿物油组成的热油对含有唑类及戊唑醇的木材防腐剂进行改性，经野外埋桩试验表明，经石蜡和热油改性后的防腐剂处理后，试材的防腐性能与对照试样差别不大，但处理材的户外耐久性明显增强。

纵观近年来的研究成果可以发现，目前防腐处理材的研究还主要集中在疏水剂研发领域，然而，仅仅将疏水剂单独施加到木材防腐剂中，虽然可以改善处理材的一些物理性能，如降低处理材在户外使用时的开裂和翘曲程度[25-26]，但却无法从根本上解决防腐木材天然抗老化性差的问题。

4 防腐处理材耐候性研究展望

要想从根本上改善防腐处理材的户外耐候性，就必须有效地提高防腐处理材的抗光降解能力，而利用具有较强光线吸收能力的光稳定剂对现有木材防腐剂进行改性是最有效、最经济的途径。然而，目前国内外对改善防腐处理材抗光降解方面的研究还鲜见报道。

随着近年来纳米技术的迅速发展，国内外学者如中户莞二[27]、赵广杰[28]等积极将无机纳米材料引入到木材科学领域，并已取得了引人瞩目的成果。如木材内部细胞壁上的微细纤维之间具有容纳纳米粒子的纳米空间，并存在能与纳米粒子结合的活性基团，可用溶胶-凝胶法、原位插层合成法、注入填充法等，形成木材/无机纳米复合材料，使木材的原有性能均有不同程度的提高，甚至可能产生新的性能[29]；利用溶胶-凝胶法可制备具有纳米结构的SiO2气凝胶，通过真空/加压注入木材中形成性能优异的木材纳米复合材料[30]；以酚醛树脂为中间介质将蒙脱土引入木材中，制得木材/蒙脱土纳米插层复合材料的吸水膨胀性显著降低，顺纹抗压强度增大，热稳定性明显提高[31]；利用脲醛树脂(UF)和纳米SiO2等试剂通过减压-加压方法浸渍处理杨木，并经加热制成的UF/SiO2/木材复合材料的尺寸稳定性、阻燃性、抗吸水性和硬度均有一定程度的提高[32-34]。

可以预见，有效利用无机纳米材料的小尺寸效应、量子效应、界面或表面效应，可以为防腐处理材的抗光降解性研究提供新的发展空间。其中，无机纳米SiO2、TiO2具有极强的紫外线吸收、红外线反射特性，且具有较强的杀菌抗虫性能，无毒、无味、无污染、不含有重金属元素，用于改性木材防腐剂溶液后对于提高防腐处理材的抗光降解能力及环保性能均具有很好的发展潜力。

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(责任编辑 王琦)

Research Process in the Weathering of Preservative-treated Wood

YU Li-li1，CAI Jie1，TANG Zhen-zhong2，ZHU Jun-yan1，ZHU Li-zhi1，MA Xiao-jun1

(1.College of Packaging and Engineering，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300222，China；2.Timber Value Promotion and Substitution Administration Center，Beijing 100834，China)

Preservative-treated wood is widely used in the outdoor landscape carpentry.However，it is easily cracked and discolored due to the aging process when exposed outdoor.Starting from the weathering of wooden materials，the research status and tendency and future prospect of the weathering of preservative-treated wood are analyzed，with the aim to provide reference for the sound development preservative-treated wood.

preservative-treated wood；weathering；nano technology；photodegradation

2017-03-21

国家自然科学基金青年科学基金项目(31400499)；国家大学生创新创业训练计划项目(201610057018)；天津科技大学大学生实验室创新基金项目(1606A213)

于丽丽(1983-)，女，副教授，博士，主要从事木/竹材保护与改性的研究，E-mail：yulilucky@tust.edu.cn。