硅酸钠改性处理杨木主要成分分析*

潘学宗 白 山 刘明鑫 李春风 刘 宇 刘明利

（1 北华大学材料与工程学院，吉林 132013；2.吉林省林业调查规划院，长春 130022； 3.抚松金隆木业集团有限公司，白山 134300）

为满足国内市场对木制品日益增长的需求，速生人工林已成为解决市场需求的主要木材来源[1-2]。合适的改性方法可使速生材拥有甚至超越天然林木材的性能，提高速生材的利用率与经济价值[3-4]。无机木材功能改良试剂因价格低廉，天然且无毒副作用等特点，越来越受到人们的关注,其中利用水玻璃对速生杨进行改性，可提高速生杨的阻燃性[5-6]、硬度、抗白蚁性[7]、抗菌性[8]、稳定性[9]和抗流失性[10-11]等性能。在浸渍、加压、热处理条件下改性木材，木材内各成分发生热降解、缩聚等一系列反应，从而使木材性能得以改变[12-14]。硅酸钠溶液的碱性在木材进行浸渍时会使细胞壁产生水解反应[15]。本研究以硅酸钠水溶液浸渍改性处理速生杨，探讨改性处理对杨木主要成分含量的影响，以期为木材成分的变化和控制以及浸渍处理中工艺参数优化提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

速生杨木(Populus tomentosa Carr.)：采购于吉林省蛟河，规格100 mm×20 mm×5 mm，试验时含水率为10%，密度为0.386 g/cm3；硅酸钠：pH值为12，模数分别为M2.3(300 mPa·s)、M2.8(360 mPa·s)、M3.3(450 mPa·s)；乙醇：化学纯（天津市凯信化学工业有限公司）；乙醚、冰醋酸，化学纯（天津市永大化学试剂有限公司）；硝酸-乙醇混合液、苯-乙醇混合液（实验室自制）；72%硫酸溶液（德州金和化工经贸有限公司）；10%氯化钡溶液（河南欣之源化工产品有限公司）。

1.2 设备

缺氧高温改性处理窑（星楠干燥设备有限公司，型号：SX-4-10）；数显恒温水浴锅（金坛市富华仪器有限公司）；循环水式多用真空泵（郑州长城科工贸有限公司，型号：SHB—B95）；高速多功能粉碎机（永康市哈瑞工贸有限公司，型号：LEP-1000A）；电热恒温鼓风干燥箱（上海新苗医疗器械制造有限公司，型号：DHG-903385-Ⅲ）；精密推台锯（顺德区新马木工机械设备有限公司）；容量150 mL索氏抽提器（福州泰美实验仪器有限公司）。

1.3 试验方法

采用真空-加压浸渍处理方法，首先将试件烘干至恒重，称重记为M1。常温下，将浸渍罐抽真空至-0.09 MPa，保压0.5 h；然后通过负压的方式，分别导入2.3、2.8、3.3 三种不同模数的硅酸钠溶液，通过加压泵，分别在不同压力(1.2、1.5、1.8 MPa)和时间(0.5、1.0、1.5 h)条件下进行加压处理，每组6 个试样，取出，擦去试件表面的残留试剂；接着在温度为（103±2）℃下干燥2 h，再在160 ℃度下干燥30 min，取出称重记为M2，精确到0.01 g。增重率计算公式如下：

式中：M1为浸注前质量，g；M2为浸注干燥后质量，g；W为增重率，%。记录增重率并根据增重效果选取增重率分别为20%、50%、80%的试块进行成分含量测定。

依据GB/T 2677.10—1995[16]《造纸原料综纤维素含量的测定》、GB/T 744—2004《纸浆抗碱性的测定》和GB/T 2677.8—1994[17]《造纸原料酸不溶木素含量的测定》分别测定改性杨木中的综纤维素、α-纤维素和木质素含量。

2 结果与分析

2.1 改性处理对杨木主要成分含量的影响

由表1、2 可知不同模数硅酸钠改性处理对杨木综纤维素、α-纤维素和木质素含量的影响。其中，模数为2.8，增重率为80%时对综纤维素含量影响最大。对α-纤维素含量、木质素含量影响最大的模数分别为3.3、2.3，增重率同样为80%。增重率的相关性值（R）均大于模数，可得出影响杨木主要成分含量的主要因素为增重率，其次为模数。硅酸钠改性处理杨木导致综纤维素，α-纤维素和木质素含量的降低，可能是由于硅酸钠的碱性对杨木细胞壁的组分产生了降解[15]。

表1 改性处理对杨木主要成分含量的影响Tab.1 Effect of modification on the content of main components in poplar

表2 改性处理对杨木主要成分含量影响的极差分析Tab.2 Range analysis of the effect of modification on the content of main components in poplar

2.2 硅酸钠模数与增重率对改性杨木主要成分含量的影响

2.2.1 相同模数硅酸钠、不同增重率对改性杨木主要成分含量的影响

由图1 可见，综纤维素、α-纤维素和木质素，三者均随着增重率的增加而降低。因杨木内部孔隙被浸注固化的硅酸钠溶液填充[18-19]，使杨木的三个主要组成成分下降。对比同模数下硅酸钠处理材的主要成分变化可知，随增重率增加，模数为2.3 的硅酸钠处理材木质素含量相对减少最多；而模数为2.8 的硅酸钠处理材综纤维素含量相对减少最多；模数为3.3 的硅酸钠处理材的α-纤维素含量相对减少最多。浸渍液模数为2.3 时，随增重率的增加，硅酸钠处理材的综纤维素和α-纤维素的含量相对减少较少，分别为5.72%和5.96%；木质素含量相对减少最多为6.13%。浸渍液模数为2.8 时，随增重率的增加，硅酸钠处理材的综纤维素含量相对减少最多，为11.64%；α-纤维素和木质素的含量分别减少7.56%和3.77%。浸渍液模数为3.3时，随着增重率的增加，硅酸钠处理材的综纤维素含量变化，接近模数为2.8的硅酸钠处理材，减少10.34%；α-纤维素含量相对减少较多，为9%；木质素含量相对减少最少，为3.12%。

图1 相同模数硅酸钠、不同增重率对改性杨木主要成分含量的影响Fig.1 Effect of sodium silicate with the same modulus and different weight gain rate on the content of main components in modified poplar

2.2.2 相同增重率、不同模数硅酸钠对改性杨木主要成分含量的影响

由图2 可知，增重率越高，硅酸钠处理材的综纤维素、α-纤维素和木质素含量越低。增重率为20%时，模数为3.3 的硅酸钠处理材综纤维素含量最高，接近未处理材；而模数为2.8 的硅酸钠处理材木质素含量最高，接近未处理材；随浸渍液模数增加，α-纤维素含量相对减少最少，仅减少2.16%。增重率为50%时，综纤维素和木质素含量的变化分别为先减后增和先增后减；不同模数对综纤维素和木质素的含量影响较大；模数分别为2.3、3.3 的两种硅酸钠处理材木质素含量相近。增重率为80%时，模数为2.8 的硅酸钠处理材的综纤维素含量最少为60.78%，随模数增加，α-纤维素含量相对减少最多，减少5.2%。三大素成分的减少可能是由于低模数硅酸钠中，硅酸钠溶液内的胶粒和真溶液含量较低，氧化硅的含量相对较少[20]；高模数硅酸钠中，分子体积大，大分子容易堵塞[21-22]，且模数高的硅酸钠中，低聚态结构向架状结构转变时，自由水体积分数增多[23-24]，进一步增强了水解反应[25]。

图2 相同增重率、不同模数硅酸钠对改性杨木主要成分含量的影响 Fig.2 Effect of sodium silicate with the same weight gain rate and different modulus on the content of main components in modified poplar

3 结论

以三种不同模数的硅酸钠水溶液浸渍改性处理速生杨，探讨改性处理对杨木主要成分含量的影响，得出以下结论：

1) 对杨木改性材成分的主要影响因素为增重率，次要影响因素为硅酸钠模数。

2) 硅酸钠模数相同时，改性杨木的综纤维素、α-纤维素、木质素含量均随着增重率的增加而减少。

3） 增重率相同时，随着硅酸钠模数的增加，增重率为20%改性杨木的综纤维素含量增加，50%和80%的综纤维素含量先减少后增加，α-纤维素含量减少，木质素含量先增加后减少。硅酸钠模数的增加会增强其在杨木内部的水解反应，且检测方法中酸的使用量可能对实验结果产生影响。