浸渍处理对木材尺寸稳定性影响研究进展∗

秦泽秀 张银亮 刘明利 李春风

（北华大学木质材料科学与工程重点实验室，吉林省 吉林市 132013）

木材是一种天然可再生资源，被广泛应用于工业、农业、建筑等领域，与人类日常生活息息相关。然而，木材作为一种天然产品，在使用过程中具有吸湿性强，尺寸稳定性、抗生物劣化性（真菌、白蚁、海洋蛀虫等）、耐光降解性差，硬度、耐磨性有限等固有缺陷[1-2]。对木材的改性研究始于20 世纪30 年代，通过化学、生物或物理介质作用于木材，增强其尺寸稳定性与防腐性能等[3]。目前木材改性已成为人工林速生材高值化加工利用的重要手段之一。提高木材尺寸稳定性的方法主要有乙酰化处理、浸渍处理、高温热改性、木塑复合等[4-5]。本文主要从浸渍处理速生材角度，概述木材尺寸稳定性改良的相关研究，以期为浸渍改性木材研究提供参考。

1 浸渍改性木材机理研究

木材是一种多孔性高分子材料[6]，大的孔隙如细胞腔和纹孔等，小的如微纤丝间隙，自身具有一定的渗透性。同时木材细胞壁中的三大组分（纤维素、半纤维素和木质素）含有大量的游离羟基，这些亲水性基团的存在，使得空气中的水分很容易渗透到木材内部，与木材中三大素以化学键或氢键形式结合，引起纤丝的润胀，从而使木材尺寸发生变化，即引起木材的干缩湿胀[7]。木材的干缩湿胀及其各向异性导致尺寸的不稳定，包括翘曲、开裂、变形等问题，极大地制约了木材的应用范围，同时也影响到木制品的使用寿命和价值。因此，采取有效方法改善木材的尺寸稳定性对木材的高效利用具有重要意义。

基于木材尺寸稳定性变化的根本原因是由于水分的进入增加了木材中纤丝的缝隙，那么如果在微纤丝充分润胀时，向其中填充某种物质，就可以防止在水分降低时恢复到原来状态，从而提高木材尺寸稳定性。同时减少木材中羟基等亲水基团也能达到提高木材尺寸稳定性的效果[8]。

真空或压力下的化学浸渍处理就是基于上述两种机理以改善木材的尺寸稳定性。采用化学改性剂浸渍改性木材，改性剂通过布朗运动和扩散作用，从木材导管进入木材内部并流通至整个木材，通常采用加压的方式，在压力作用下改性剂扩散并渗透至木材的细胞间隙、细胞壁乃至细胞腔内，在木材内部与其化学组分中的羟基发生反应，或改性剂之间发生交联聚合反应，形成网状结构，使得木材内部结构（纤维素、半纤维素和木质素）之间联系更加紧密，同时也增强了细胞壁、细胞腔和细胞间隙等不同结构之间的联系[9]。经干燥固化后，改性剂沉积在细胞壁上，使得木材的孔隙被填充，降低了木材的孔隙率及木材组分中的羟基数量，从而抑制木材的形变，提高木材的尺寸稳定性。

木材细胞壁空隙的存在为化学改性试剂的固着和反应提供了场所，空隙的数量、尺寸、纹孔闭塞情况等会影响木材改性剂的渗透速率、浸渍量等，从而最终影响木材的改性效果[10]。改性剂与木材细胞发生化学反应，填充于细胞壁和细胞腔中，使木材的物理、力学等性能得以提高。

图1 木材浸渍改性机理[11]Fig.1 Modification mechanism of wood impregnation

2 浸渍改性方法

木材浸渍改性分为浸渍处理和干燥固化两个阶段: 浸渍处理一般采用真空加压方式，干燥固化则采用加热固化方式[12]。不同浸渍改性剂对于改善木材尺寸稳定性均有一定的效果，针对改性剂的种类不同可以将木材浸渍改性分为有机物浸渍改性、无机物浸渍改性以及二者联合浸渍改性等[13]。

2.1 有机物浸渍改性

常见的有机改性剂有树脂改性剂，如酚醛树脂(PF)[14-15]、脲醛树脂(UF)[16]、三聚氰胺甲醛树脂(MF)[17]等不饱和聚酯树脂以及其他有机浸渍改性剂。

王向歌等[18]采用真空-加压浸渍工艺，以不同固体含量（10%、20%、30%）的酚醛树脂浸渍改性杉木，结果表明：杉木平均密度和尺寸稳定性随树脂固体含量的增加而逐渐提高，干缩湿胀性和吸水性得到明显改善，但冲击韧性受树脂固化后脆性大的影响降低。陆全济等[19]采用低分子量脲醛树脂真空加压浸注橡胶木，分析树脂浓度对改性橡胶木尺寸稳定性和硬度的影响。结果表明：当树脂浓度为10%、20%、30%时，处理材宽度耐热尺寸稳定性（收缩率）分别降低51.3%、62.0%和65.3%，耐湿尺寸稳定性（膨胀率）分别降低27.5%、50.0%和58.8%。李志高等[20-21]采用聚乙烯醇缩甲醛改性剂分别对杨木、杉木进行浸渍改性，发现改性材的尺寸稳定性较素材有明显提升，当改性剂浓度为30%时，改性材的吸水率由改性前的198%降至159%，抗干缩系数（ASE）最大值达到47.8%。卞雪桐等[22]采用糠醇树脂，以马来酸酐、柠檬酸为催化剂，制备复合改性剂对杨木进行真空-加压浸渍处理。发现采用2%的马来酸酐作为催化剂、糠醇树脂质量分数为50%时，杨木的力学性能与尺寸稳定性等均达到理想的改善效果，径向、弦向和体积干缩率较素材分别降低了47.29%、25.93%、29.88%，径向、弦向和体积湿胀率较素材分别降低了56.21%、41.04%、48.68%。Nagarajappa等[23-24]以无水氯化铝或碘(I2)作为催化剂，用乙酸异丙酯(IPA)对木材进行改性，改性材表现出良好的尺寸稳定性， ASE随增重率（WPG）的增加而增加，当WPG值为17%和20%，ASE分别为62.9%和64.8%。邓富介[25]发现异氰酸酯能有效提高杨木的尺寸稳定性。此外，研究人员[26-27]针对聚乙二醇（PEG）对木材尺寸稳定性影响进行研究，发现PEG进入木材后向细胞壁扩散并与细胞壁中的水产生置换，使木材细胞壁呈润胀状态，有效提高了木材的尺寸稳定性。

除了合成有机化合物，某些天然有机化合物也能提高木材的尺寸稳定性。Ermeydan等[28]使用黄酮类化合物浸渍木材，制备了“人工心材”，改善了云杉木材的尺寸稳定性。Chen等[29]采用环氧亚麻油（ELO）和棕榈蜡（CW）复合乳液浸渍木材，经过ELO/CW乳液处理的杨木材，具有良好的防水性和尺寸稳定性。

综上可见，通过有机物浸渍，可以不同程度提高木材的尺寸稳定性，但浸渍处理会使木材的韧性降低，因此仍有待深入研究。一些研究者采用无机物对木材进行浸渍处理，已取得初步成效。

2.2 无机物浸渍改性

以醛类树脂为代表的浸渍改性剂会释放大量游离甲醛等问题，因此学者们将目光转向无醛改性剂，研究采用无机物浸渍改性木材，利用无机颗粒扩散到木材孔隙中具有的吸水屏障作用，以期达到相同的改性效果。

Croitoru等[30]以烷基咪唑离子液体为溶剂载体，用二氧化钛（TiO2）、三氧化钨（WO3）、偏硅酸钙（CaSiO3）等无机化合物进行木材表面浸渍。结果表明：无机化合物扩散到木材表面形成均匀的涂层，与素材相比，浸渍材的吸水性与浸入水中20 d后的体积变化程度显著降低，经TiO2、WO3、CaSiO3处理的木材吸水性和体积变化分别降低了86.99%、82.36%、84.33%和87.11%、82.57%、72.45%。范友华等[31]采用硫酸铝和水玻璃等溶液对速生杉木进行浸渍处理，结果表明：改性木材的尺寸稳定性显著提高，抗收缩系数可达34.21%，稳定系数在80%以上，其原因是无机复合改性剂中的硅酸盐在木材细胞内部发生部分水解和聚合，以及干燥时发生部分交联，形成了稳定的化学结合产物沉积在木材内部，堵塞了内外水分交换的通道，从而使得木材吸水性降低，尺寸稳定性得以提高。吕宁[32]采用溶胶-凝胶法实现木材与二氧化硅等无机物在分子水平上的复合，从而提高了人工林速生材的尺寸稳定性。Huang等[33]采用溶胶-凝胶法，以甲基三乙氧基硅烷和正硅酸乙酯等原料为前驱体制备硅溶胶对木材进行浸渍改性处理，浸渍处理24 h后木材的吸水率由96%降至43%，体积膨胀率由9.3%降至3.7%，有效地提高了木材的尺寸和热稳定性。

可见采用无机物浸渍处理木材能够明显改善木材的尺寸稳定性，但单一无机改性木材存在抗流失性差，且大部分无机物在细胞壁中渗透性差、分布不均匀，并且不能与细胞壁组分（纤维素、半纤维素和木质素）发生化学反应。因此将有机/无机物联合浸渍改性成为当前重点研究方向之一。

2.3 有机/无机物联合浸渍改性

采用有机化合物与无机化合物联合浸渍改性木材已成为当前研究的一大热点。郑雅娴等[34]采用无机硅酸盐多效复合改性剂(PMUF+Si)，通过满细胞法浸渍处理杉木，结果发现改性杉木的尺寸稳定性提高，改性材抗胀率较素材提高了45%～50%。东婉茹等[35]以碱式碳酸铜和碱式碳酸锌为原料，制备了一种新型木材纳米复合防腐剂(MCZ)，并使用MCZ 联合酚醛树脂处理橡胶木，研究纳米铜-锌防腐剂联合酚醛树脂对木材性能的影响。结果表明：纳米铜-锌防腐剂与酚醛树脂联合浸渍改性的木材，其湿胀率较只浸渍MCZ的橡胶木降低了11.66%，防腐剂进入木材孔隙沉积与酚醛树脂对木材的增容效果相结合可有效提高木材的尺寸稳定性。Dirna等[36-38]研究了单甘醇(MEG)和纳米SiO2真空浸渍处理对速生木材尺寸稳定性和密度的影响，结果表明：联合浸渍对木材的尺寸稳定性有显著影响，采用0.5%的MEG和SiO2浸渍处理能较好地改善木材的尺寸稳定性。Dong等[39]用糠醇(FA)和纳米SiO2真空浸渍速生杨木，制备木材/聚合物纳米复合材料，发现纳米SiO2在糠醇的作用下成功地与木材组分结合，并渗透至木材管腔和细胞壁中。木材的尺寸稳定性、密度、吸水率和表面硬度等均得到显著改善。而且纳米SiO2的加入在提高木材表面硬度和尺寸稳定性的同时，使糠醇处理材的优良性能得以保持。许佳琪[40]采用聚乙二醇（PEG）和硅溶胶复合体系浸渍改性木材，发现木材尺寸稳定性随PEG含量的提高而提高。

有机无机复合不仅能够减少有机树脂的用量，而且可充分利用其包覆作用（或键结合）来固定无机改性剂以减少流失[41]。二者协同处理木材可使改性材的尺寸稳定性及其他力学性能显著增强，为木材高效利用提供了保障。

3 浸渍改性联合高温热处理

浸渍改性技术作为一种速生材高效利用技术被广泛应用于人工林速生材领域，但单一浸渍处理有一定的局限性。实践证明，高温热处理技术是一种环保型改性技术，在温度为180～250 ℃环境下处理木材，可使木材中的半纤维素降解，细胞壁中的羟基减少，木材的吸湿性能下降，从而有效改善木材的尺寸稳定性[42]。

吴美卉等[43]研究了浸渍热处理对杨木微观结构和尺寸稳定性的影响。研究表明：浸渍材经高温热处理（160、180 ℃和200 ℃）后，其吸湿率、干缩和湿胀率较浸渍材均显著降低，抗吸湿率最高提升至38.66%，表明热处理对浸渍材的尺寸稳定性能够起到进一步改善作用。Schorr等[44]采用有机硅烷浸渍联合热处理对白云杉木材进行改性处理，发现浸渍处理使有机硅烷与木材形成了Si—O—C和Si—O—Si稳定的化学键，同时证实了有机硅烷产生缩合反应，使得处理材的尺寸稳定性提高，减少了水蒸气吸附。杨丽虎等[45]利用脲醛树脂浸渍增强改性处理辐射松，并对浸渍干燥后的木材进行真空热处理，结果表明：浸渍热处理材的湿胀率较浸渍材降低了6.73%，体积抗胀缩率较浸渍材提高了40.91%，可见热处理能进一步提高浸渍材的尺寸稳定性。徐康等[46]探讨了高温热处理对酚醛树脂浸渍改性后的杨木尺寸稳定性的影响，结果表明：高温热处理可显著提高木材的尺寸稳定性。热处理后—OH和CH3CO—吸收峰减弱，表明酚醛树脂浸渍和高温热处理技术减少了木材中的亲水性基团，从而改善了其尺寸稳定性。

上述研究表明，有机/无机复合浸渍处理对木材尺寸稳定性的改善效果显著，而加入高温热处理后可使其性能得到进一步提升，是对浸渍改性方法的优化，从而拓宽改性材的实用价值和应用范围。

4 结语

浸渍改性技术经过不断的发展完善，已建立了较为完备的体系。通过浸渍处理改善速生材的尺寸稳定性，这方面的研究已取得了诸多成果。为进一步提升改性木材的性能与实用价值，拓展应用领域，今后应着重进行以下几方面的研究：1）加强绿色环保的有机/无机复合改性剂对木材浸渍改性的相关研究，最大程度发挥复合改性的效用，以减少浸渍改性剂游离甲醛问题；2）浸渍改性联合热处理技术在改性木材领域有着广阔的发展前景，今后在深入研究浸渍改性剂浓度、热处理时间和温度的同时，还需探究多种因素对木材改性的影响，进一步优化浸渍改性与高温热处理的联合改性工艺；3）目前浸渍处理工序复杂，成本较高，优化浸渍处理工艺，实现木材的低成本、高质量、高效率的改性效果，满足室内家具和建筑设计领域高标准、高质量的要求，依然是今后研究的一个重点。