植物油涂饰处理对热改性落叶松耐候特性的影响

邹佳利 曹凯玥 杨宏玉

摘要：  参考芬兰Thermo-Wood○工艺规程，对落叶松板材分别在160、180和200 ℃常压过热蒸汽环境下进行高温热改性处理;随后对经过热改性后的板材及常规室干对照板材分别进行了天然植物油涂饰处理，分别使用商品化木蜡油（底油和面油）、自制木油（预聚合大豆油）。在人工模拟高湿环境下测试各类植物油涂饰后的木材相对吸湿率、平衡含水率及橫纹相对变形率等各项技术指标。结果表明，热改性木材经植物油表面涂饰处理后，天然植物油蜡成分有效地浸入木材细胞壁组织，木材表层组织对环境湿度变化的敏感性降低。三种涂饰处理方法中，涂饰商品化木蜡油底油、木蜡油面油的方案最为有效，其木材横纹相对变形率均较未涂饰木材显著降低;随着热改性温度的升高，各类涂饰试件的平衡含水率、相对吸湿率呈现总体下降趋势，加热温度对各类试件的平衡含水率、相对吸湿率存在显著影响。

关键词：  落叶松;  尺寸稳定性;  平衡含水率;  相对吸湿率;  耐候性

中图分类号：   S 781. 43， S 791. 22                  文献标识码：   A                  文章编号：1001 - 9499（2019）03 - 0047 - 06

进入21世纪以来，作为一种自然、环保的木材改性方法，实体木材热改性技术已经成为我国木材工业的热点之一，在工艺探索、设备研发、产品标准化推广等领域均取得了较大进展[ 1 ]。热改性木材被广泛地应用于风景园林、木结构建筑、商业化场所的地面材料铺装、外立面装饰装修等，如门窗体、墙体装饰板、室外地板材、木制园林桌椅等。

众所周知，在热改性过程中木材化学成分变化导致其吸湿性降低，因而可被应用于室外潮湿或有雨水的环境[ 2 - 3 ]。针对纤维素、半纤维素、木素、抽提物等成分在木材热改性过程中所经历的化学变化机制，国内外学者已取得了一定的共识[ 4 ]。大多数研究聚焦于热改性方法在改善各类木材吸湿性与尺寸稳定性方面，而关注表面涂饰处理对热改性木材环境耐久性的研究较少[ 5 ]。

木蜡油是一种以天然植物油脂、动植物蜡为主要原料，经高温炼制并添加各类助剂后形成的自然涂饰材料。作为一种低VOC排放、绿色环保涂料，木蜡油在建筑室内外木质材料的涂饰与保护处理领域具有广泛应用前景，非常适合各类热改性木材的表面涂饰与保护[ 6 ]。

本研究以落叶松板材为原料，木材试件顺次经历高温热改性、表面木蜡油涂饰处理、人工模拟等温吸湿平衡处理。测试各类表面涂饰试材的平衡含水率、相对吸湿率、横纹相对变形率，探讨热改性工艺、表面涂饰处理等因素对木材水分吸附特性、尺寸稳定性的影响机制，为木蜡油涂饰热改性落叶松材料的户外实践应用提供理论依据。

1 材料与方法

1. 1 试验材料及设备

落叶松锯材8块，经常规室干处理后，平均含水率达到10%～12%，尺寸规格为2 000 mm（L）×150 mm（T）×40 mm（R），编号L1～L8。板材表面无裂纹、虫眼、节疤，没有腐朽等明显缺陷。

试验设备包括：恒温恒湿试验箱HS-240（苏州市鑫达实验设备有限公司）、可程式恒温恒湿试验箱GDS-150（苏州市鑫达实验设备有限公司）、电动圆锯机GKS-190（博世电动工具有限公司）、电热鼓风干燥箱101A-2ET（上海实验仪器厂有限公司）、电子天平SPN501F（梅特勒-托利多常州稱重设备有限公司）。

1. 2 试验方法

1. 2. 1 热改性处理

参考芬兰的Thermo-Wood  工艺规程制定相应的热改性工艺方案，以常压过热蒸汽为传热-保护介质，热改性温度分别为160、180、200 ℃，保持1h。热改性试件编号设计为：L1、L2为160 ℃;L3、L4为180 ℃;L5、L6为200 ℃;L7、L8为对比试件。热改性处理过程涉及如下步骤[ 7 ]：

（1）预热与干燥： 将试件在2 h内由室温预热到103 ℃;在（103±3）℃条件下干燥4 h;在0.5 h 内升温到120 ℃;

（2）高温热改性： 在2.0 h内升温到目标温度，并维持目标温度1 h;

（3）降温与平衡处理： 在8 h内降温到80 ℃。

热改性后的各批次试件被置于温度25 ℃、相对湿度50%～55%的人工环境内进行木材水分平衡处理，时间为3个月。

1. 2. 2 涂饰方法

将各类热改性材及对比材沿轴向锯切成规格为40 mm×40 mm×600 mm的植物油涂饰用试件，随后沿板材长度方向按照40 mm×40 mm的尺寸进行表面划线、标号，标记过程见图1。

涂饰用木蜡油分别为：（1）底油L-001（亚麻油）;（2）面油L-002（亚麻油）;（3）自制木油（预聚合大豆油）。

1. 2. 3 涂饰过程

涂饰过程包括基材处理、涂刷、打磨、干燥，共4个步骤，详细情况见参考文献[ 8 ]。涂饰分组情况详见表1，其中200℃热改性试件的植物油涂饰方案如图2所示。

1. 2. 4 木材横纹变形与相对吸湿率测试

将涂饰后的试件在温度（103±2） ℃条件下干燥至绝干状态，测试绝干质量，使用游标卡尺测量其横纹弦向尺寸。随后将绝干试件放入温度为40℃、相对湿度为30%的恒温恒湿环境模拟箱内进行水分平衡处理，定期测试试件质量变化;待相邻两次质量变化小于0.001 g时取出所有试件，再次测试其质量、横纹弦向尺寸。随后再逐次地将环境湿度设定为50%、70%，对试件进行水分平衡处理;待试件与环境湿度达到平衡后，再次测试其质量、横纹弦向尺寸。

2 结果与分析

2. 1 横纹弦向相对变形率分析

经过高温热改性处理后，落叶松试件在环境温度为40 ℃条件下，其横纹吸湿膨胀变形参量DL随表面涂饰处理方法变化情况如图3所示。其中，图3（1）为试件在环境相对湿度分别为30%～50%条件下木材—水分吸附达到平衡态后横纹尺寸的相对变形率，图3（2）为试件在环境相对湿度分别为50%～70%条件下木材—水分吸附达到平衡态后横纹尺寸的相对变形率。

（1）环境湿度30%～50%

（2）环境湿度50%～70%

在固定的环境温度、湿度状态下，木材横纹尺寸变化行为（收缩或膨胀）涉及到木材—水分动态吸附、植物组织纹理走向、木材细胞壁组织结构等诸多因素。Zhan 与Avramidis认为[ 9 ]，高温热改性处理可以显著降低臭冷杉表面压缩材的横纹径向膨胀变形，提高表面压缩材的尺寸稳定性。如图3所示，随着热改性温度升高，落叶松横纹弦向相对变形率呈现出波动性变化，在本试验设定条件下DL变量波动范围在-0.2%～1.2%之间，横纹膨胀变形出现负值可能源自木材年轮与纹理分布异常，以及表面涂饰植物油后产生的多因素交互影响。双因素ANOVA分析显示，在温度40 ℃、相对湿度50%的平衡处理条件下，热改性工艺对横纹相对变形率DL影响显著（p=0.00）;在温度40 ℃、相对湿度70%的平衡处理条件下，热改性工艺对横纹相对变形率DL影响不显著[ 10 ]。

落葉松热改性材经3种植物油涂饰处理后，与未涂饰对比材比较，其横纹相对变形率DL均呈现不同程度降低趋势（表2）。以涂饰方法a、b为例，落叶松热改性材经过底油涂饰1次、面油涂饰1次后，其DL变量均较仅涂饰底油1次的试件有所降低。针对涂饰自制木油的落叶松热改性材，其DL变量在涂饰a、b的试件之间呈波动性变化。

双因素ANOVA分析显示，在温度40 ℃、相对湿度50%的平衡处理条件下，涂饰方法对横纹相对变形率DL影响显著（p=0.04）;在温度40 ℃、相对湿度70%的平衡处理条件下，涂饰方法对横纹相对变形率DL影响不显著[ 10 ]。

2. 2 平衡含水率分析

在本研究中因涉及木材表面植物油涂饰处理，考虑到植物油蜡涂料对木材质量的影响，涉及试件的平衡含水率的检测主要参考了锯材窑干工艺规程（LYT1068-2012）中关于锯材含水率检验板的测试规程[ 11 ]，即在涂饰处理前首先确定每块试件的绝干质量，随后确定涂饰植物油试件在涂层实干后的质量，进而将植物油蜡对试件质量的影响剔除，根据吸湿平衡处理过程木材试件质量的变化来确定木材平衡含水率。各类热改性工艺条件、表面涂饰方法下的落叶松木材初始含水率与平衡含水率见表3。

各类处理材经过表面植物油涂饰处理后的平衡含水率参量如图4所示。在温度40 ℃、相对湿度50% 和温度40 ℃、相对湿度70%的2种水分吸湿平衡阶段，各类表面涂饰处理材的平衡含水率均呈现随处理温度升高而降低的趋势。热处理工艺—表面涂饰处理双因素ANOVA分析结果显示，热改性工艺（加热温度）对木材平衡含水率存在显著的影响（p=0.00）。

植物油涂饰对木材平衡含水率的影响比较复杂，木材表面涂饰各类植物油蜡后，其平衡含水率未呈现明显降低趋势。以表面涂饰底油1次、表面涂饰底油面油各1次的两批试件为例，针对180℃热改性材及室干对比材、200 ℃热改性材，表面涂饰底油面油各1次试件的平衡含水率要低于只涂饰底油1次试件;然而室干对比试件与160 ℃热改性试件则出现相反现象，即表面涂饰底油面油各1次试件的平衡含水率高于只涂饰底油1次试件，这种现象可能是木材热降解—表面植物油涂饰交互效应等因素导致的。这种现象也在热处理工艺—表面涂饰处理双因素ANOVA分析中得到了证实，即表面涂饰植物油蜡对试件平衡含水率不存在显著的影响。

2. 3 相对吸湿率分析

在吸湿区间30%～50%，随着热改性温度的升高，各类试件的相对吸湿率整体呈现了降低的趋势，但是在加热温度200 ℃条件下该参数出现了小幅回升现象（表4）;比较而言，各类表面涂饰方法对相对吸湿率影响不明显（图5（1））。

热处理工艺—表面涂饰处理双因素ANOVA分析显示，热改性工艺参数对相对吸湿率影响显著（p=0.00），涂饰方法对相对吸湿率影响不显著（p=0.52）。

在随后的50%～70%吸湿阶段（图5（2）），与上个吸湿区间比较，常规室干、160℃热改性温度下的相对吸湿率明显降低，各类热改性试件的相对吸湿率总体上随加热温度升高而呈现小幅降低，相对吸湿率数值在1.0%～3.0%间波动变化，各类涂饰方法试件之间的相对吸湿率差异变化不大。双因素ANOVA分析显示，加热温度对相对吸湿率影响显著（p=0.00），涂饰方法对相对吸湿率影响显著（p=0.03）。

（1）环境湿度30%～50%

（2）环境湿度50%～70%

3 结 论

3. 1 对室外用热改性针叶材进行表面植物油涂饰处理是改善木材耐候性、延长木材使用寿命的有效技术手段。本研究着重分析了植物油表面涂饰方法、热改性工艺参数对落叶松板材横纹相对变形率、平衡含水率、相对吸湿率的影响机制。

3. 2 落叶松热改性材经天然植物油涂饰后，其横纹相对变形率DL均较未涂饰对比材呈现出不同程度的降低趋势。木材等温吸湿过程中发生的横纹尺寸膨胀现象，源自木材细胞壁组织结合水动态吸附过程，植物油蜡在木材表层的浸润有助于束缚木材细胞壁水分吸附，增加植物油涂饰次数可降低木材横纹吸湿膨胀变形率。

3. 3 随着热改性温度水平的升高，表面涂饰植物油的热改性落叶松板材的平衡含水率呈现总体降低趋势，热改性工艺对木材平衡含水率存在显著性影响。

3. 4 在30%～50%与50%～70%两个木材吸湿区间，各类涂饰方案、热改性温度下的落叶松板材相对吸湿率呈现出不同的变化趋势，统计分析结果显示，热改性工艺对木材相对吸湿率存在显著性影响。

参考文献

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[9] Zhan Jian-feng， Avramidis Stavros. Needle fir wood modified by surface densification and thermal post-treatment： hygroscopicity and swelling behavior[J]. European Journal of Wood and Wood Products， 2016， 74： 49 - 56.

[10] 薛毅，  陈立萍.  實用数据分析与MATLAB软件[M].  北京：北京工业大学出版社，  2015.

[11] 中华人民共和国国家林业局.  LYT1068-2012 锯材窑干工艺规程[S].  北京： 中国标准出版社， 2012.

（责任编辑：   潘启英）