冷冻技术在木材加工中的应用探讨

(南京林业大学家居与工业设计学院，江苏 南京 210037)

我国天然林资源匮乏，而经济的迅速发展使我国的木材消耗量巨大，导致木材供需矛盾日益突出。随着国外对木材出口限制及国内天然林保护措施的加强，高效开发利用速生人工林木材是解决木材供需的关键。速生人工林木材密度小、强度低、硬度差，很难在实木家具及制品上应用。此外速生人工林木材由于应力大、内含物多、渗透性差等问题导致其干燥困难，严重阻碍了人工林木材高附加值实木化利用的进程[1]。因此，国内外学者把研究重点放在人工林木材的干燥和改性上面，通过木材改性和干燥来有效提高木材的密度、硬度、力学强度及加工性能，进而实现人工林木材的高效加工及高值利用。冷冻技术是将木材中的水通过低温冻结成冰，使其体积产生膨胀，进而改变木材的微观结构，提高木材的渗透性，提高水分和改性药剂在木材内部的迁移速度和程度，有助于木材后期的干燥和改性处理[2]。本文介绍了木材冷冻对木材材性及木材干燥的影响，阐述冷冻处理改变木材材性的机理，以期为冷冻技术在木材加工领域的应用提供技术参考和理论依据。

1 木材冷冻技术概述

木材冷冻是指用低温的方法将木材中的液态水分冻结成固态的过程。冷冻包括速冻和缓冻，相较于缓冻，速冻时冰晶多在细胞内形成，细小而量多，分布均匀，对木材细胞和原生质损伤程度较低；而缓冻过程产生较大的冰晶，大冰晶会破坏细胞壁，导致木材微观结构产生变化[3-4]。液氮速冻是新兴的速冻方式，可与不规则形状制品密切接触，降低传热阻力，快速降低制品温度，使组织内部水分部分呈现玻璃化的状态，进而延缓物理化学变化。液氮速冻主要有3种：液氮浸渍冻结、液氮冷气循环式冻结和液氮喷淋冻结。

木材中的水分大致分为自由水和结合水。当含水率高于纤维饱和点(FSP)时，表明木材的细胞腔内有液态水。因此对木材进行冷冻处理，木材中的水分凝结成冰的过程会导致细胞壁结构改变，进而改变木材的性能。此外，木材细胞壁中的结合水在冷冻过程中也会发生一定的变化，影响木材细胞壁的结构。因此，木材冷冻处理会影响木材的微观结构，进而改变其渗透性、物理及力学性能。

2 冷冻处理对木材材性及干燥的影响

2.1 冷冻处理对木材材性的影响

国内外学者对木材冷冻进行了研究。王喜明[5]指出冷冻处理使桉木细胞壁发生冷收缩，并使细胞变得更加坚硬。冷冻使细胞腔内水冻结成冰，体积变大，破坏了细胞壁上的纹孔膜，疏通了自由水移动的途径。张耀丽等[6]研究了微波、冷冻预处理对尾巨桉木材干燥性能的影响，将木材在-18 ℃条件下冷冻48 h，结果表明冷冻处理能够不同程度地改善木材的渗透性，提高木材的干燥速度，减少木材的皱缩。王欣等[7]指出冷冻处理后融冰过程中，水中的气泡在细胞腔内会存留一定时间，可以缓解或消除水分蒸发张力对木材细胞的作用，进而减少皱缩。刘元[8]分析了冷冻处理后细胞腔和细胞壁尺寸变化，计算了细胞壁强度的增加范围，并用电镜观察木材冻结过程细胞壁的结构变化。Choong[9]的研究指出，木材冷冻预处理过程水结冰时形成气泡，这些气泡能够缓解水分通过纹孔时产生对细胞壁的张力，进而减小木材皱缩变形。顾东兰等[10]对单板进行冷冻预处理研究，结果表明冷冻处理能够提高杨木单板LVL的尺寸稳定性。刘宏达等[11]对尾巨桉进行-20 ℃和-40 ℃冷冻处理，研究结果指出试材的干缩性和机械性能均有降低，木材的尺寸稳定性和色彩稳定性均有提高。Leszek[12]的研究中指出，古文物松材保存的最佳方法是真空冷冻干燥。

2.2 冷冻处理对木材干燥的影响

家具及木质品的价值除了受设计理念、方法及文化等影响外[13]，木材的质量是确保其制品品质和价值的首要因素。木材干燥是木材加工过程的首要环节，是确保木材质量的关键技术[14]。目前常规蒸汽干燥是最主要的干燥方法[15]，但由于传热和传质过程会引起温度和含水量梯度变化，所以容易产生开裂、弯曲、翘曲、扭曲、皱缩等干燥缺陷。为了满足不同质量需求，木材干燥上还开发了高频真空[16-19]、超临界二氧化碳[20]、冷冻干燥等技术[21]。干燥应力受木材的渗透性、解剖结构、密度和机械强度的特征以及木材的预处理和干燥条件影响，而超临界二氧化碳干燥和冷冻干燥能够改变木材的微观结构和渗透性，能够显著提高干燥速度，降低木材的变形和开裂。

Llic[22]研究指出对木材进行-20 ℃的冷冻处理可以降低木材皱缩和内部开裂。研究表明冷冻过程中细胞壁发生压缩，进而导致干燥速度产生差异，此外冷冻可能导致细胞壁内木材抽提物重新排列，使水分容易脱除。杨琳等在-50 ℃下冷冻尾巨桉木材，并进行干燥对比，研究发现冷冻材干燥速度高于未处理材。美国明尼苏达大学林学院林产研究所利用液氮冷冻红杉和黑核桃，然后进行人工干燥，结果表明冷冻极大程度地改善了木材的干燥特性，内裂和皱缩降低。经过冷冻处理的木材一般都可以进行高温干燥，极大地缩短了干燥时间，提高了干燥质量并降低干燥成本。

2.3 冷冻处理对木材材性机理的影响

冷冻处理改变木材材性主要原因有三个方面。第一，木材细胞腔内自由水处于饱和状态，冷冻过程液态自由水冻结成冰过程密度减小，体积变大，超过自由水原来占据的空间，因此细胞壁将受到挤压，当压力超过细胞壁的承受极限时，细胞壁的结构将被破坏，导致缘纹孔的纹孔膜破裂，提高了木材的渗透性，疏通了水分等液体的迁移通道。此外，冷冻减小了因水分蒸发引起的毛细管张力，破坏了细胞皱缩的条件。第二，冷冻过程木材内的抽提物会迁移到细胞壁内，提高了细胞壁的弹性，增加了其抗变形能力，可以减小细胞壁的干缩和皱缩程度。第三，细胞腔自由水变成冰的过程将产生大量气泡，冰融化后气泡以微粒形式存在于部分细胞腔中。如果细胞腔中有气泡存在，干燥过程中由于蒸发引起的毛细管张力传递到气泡，引起其变大，降低了细胞壁承受的张力，进而减小其变形和皱缩程度。

2.4 冷冻处理对木材改性的影响

木材是天然可再生的生物材料，因此它具有生物材料的普遍共性，容易受到水分影响，进而导致其相关性能的变化。例如木材在潮湿的环境中容易吸湿膨胀，导致制品变形或开裂，容易受到菌类和其它生物的侵袭，出现腐朽及发霉等现象。因此，为了保障木材制品的质量、延长其使用期限，需要对木材进行改性处理来提高其尺寸稳定性及耐候性等。木材改性大体上包括物理改性和化学改性，其中化学改性对木材防腐、阻燃、防霉及尺寸稳定性提高等效果最好。化学改性通常要将配置好的各种性能的化学药剂浸渍到木材内部，因此木材的液体渗透性对药剂的浸渍难易程度及浸渍量影响显著。冷冻处理木材能够破坏木材细胞壁上的纹孔膜及其他脆弱的细胞组织，增强细胞间的联通，有效提高木材细胞的渗透性。此外，冷冻木材能够改变抽提物的分布，也有助于木材渗透性的改善。因此，木材在进行化学浸渍改性处理前先经冷冻处理能够明显提高药剂的浸渍速率、浸渍量及浸渍深度，确保化学改性提高木材性能的综合效果。

3 结论与展望

木材冷冻处理能够改变木材的微观结构、渗透性、抽提物的分布以及水分迁移特性。木材这些特性的改变有利于其后续的干燥及其他防腐、阻燃、防霉、浸渍处理。能够有效提高木材的干燥质量和其他综合材性，延长木材的使用寿命，拓展其应用领域。木材冷冻技术在将来的研究及应用应该加强冷冻工艺的研究，制定优化的冷冻工艺参数及冷冻方法。此外，应该开发木材冷冻与其他改性的联合处理技术，有效地利用各种技术的优势，提高木材的综合性能和附加值。