聚乙烯蜡浸渍处理对纤皮玉蕊木物理力学性能影响*

2022-10-30曹明鑫何幸刚王雪花

林产工业 2022年10期

曹明鑫何幸刚王雪花

（1.南京林业大学家居与工业设计学院，江苏南京 210037 ；2.湖州三一炭化公司，浙江湖州 313009）

在各类室内装饰材料中，具有天然纹理和优良质感的木材深受人们的喜爱[1]。纤皮玉蕊（Couratarispp.），俗称陶阿里（Tauari），属于玉蕊科，主要分布在巴西亚马逊地区，是一种常见的进口木材。纤皮玉蕊木表面略有光泽感，直纹，心材和边材颜色相似，材色接近稻草白，易于加工，常用作室内装饰材料，市场前景广阔[2]。由于木材中的半纤维素具有较强的亲水性，导致木材易吸水，从而发生开裂变形、腐朽、翘边等现象，使其耐久性和尺寸稳定性明显下降[3-5]。因此，若使用纤皮玉蕊作为木基材料，有必要对纤皮玉蕊木进行改性处理。

在我国，蜡作为木材表面防护处理的原材料之一，不仅可在木材表面形成一层薄膜，使其与外界隔绝，降低木材吸湿性，提高木质家居产品的尺寸稳定性，延长其使用寿命[6-7]，还可展现出木材的优美纹理和自然质朴感。郑忠国等[8]用高熔点石蜡处理杨木和辐射松，降低了木材的吸湿性，提高木材的尺寸稳定性和力学性能。刘君良等[9]对粗皮桉木进行了不同时长的热处理（2、4、6、8 h），并进行石蜡浸渍处理，发现浸渍处理材的物理力学性能明显改善。关健等[10]发现处理时间会对注蜡材的尺寸稳定性有很大影响，注蜡4 h后的白榉木比注蜡2 h的尺寸稳定性好。

浸渍处理可以提高木材的某些性能，但尚未见到关于浸渍时间对纤皮玉蕊木材性能方面的报道。本研究主要探讨浸渍时间对纤皮玉蕊木物理力学性能的影响，以期提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

纤皮玉蕊木（Couratarispp.）由湖州三一炭化公司提供，初始含水率为9.80%。试件分成4组，每组锯切加工成尺寸为300 mm×20 mm×20 mm的试件10个，40 mm×40 mm×20 mm的试件10个，20 mm×20 mm×20 mm的试件30个，试件均为无开裂、结疤的径切材。其中3组进行浸渍处理，1组为对照。

试验用蜡为PEW-H110聚乙烯蜡（石家庄多亿化工科技有限公司），分子式为(C2H4)n，常温下为白色颗粒状，黏度100 cps，熔点为106 ℃。

1.2 设备

木材浸渍罐（300 mm×600 mm，诸城市安泰机械有限公司）、电热恒温鼓风干燥箱（DHG-9643BS-Ⅲ，上海新苗器械公司）、电子万能力学试验机（AG-IC/100kN，日本岛津仪器公司）、锡晶邵氏橡胶硬度计（LX-D，无锡市前洲测量仪器）、数显游标卡尺（精度0.01 mm，日本三丰）、电子天平（JA5003N,精度0.001 g，上海精密科学仪器公司）、色彩检测仪（RM200-PT01，潘通）。

1.3 试验方法

浸渍处理：将试件放入木材实验罐内，抽真空，保压2 h后将融化的聚乙烯蜡液倒入木材浸渍罐内，蜡液没过试件后，将浸渍温度设置为150 ℃，压力1 MPa。当温度升至150 ℃，开始计时，分别浸渍8、18、24 h。浸渍处理完后取出试件，并擦除试件表面多余蜡液。

物理力学性能试验方法主要参考GB/T 1933—2009《木材密度测定方法》、GB/T 1934.2—2009《木材湿胀性测定方法》、GB/T 1932—2009《木材干缩性测定方法》、GB/T 1936.1—2009《木材抗弯强度试验方法》、GB/T 1936.2—2009《木材抗弯弹性模量测定方法》。参照JIS Z2101-2009《木材的试验方法》，使用邵氏橡胶硬度计测试试件表面的硬度，包括径面、弦面和端面。采用色彩检测仪在每个试件的弦切面上测量3次，取其平均值，并按公式计算色差值。

2 结果与分析

2.1 全干密度

纤皮玉蕊木全干密度随浸渍时间的变化如图1所示。与未处理材相比，不同浸渍时间处理后，木材的全干密度都有所提高，且随处理时间的延长，增幅有所下降。其中，浸渍8 h的处理材其全干密度最大，较对照材提高了37.40%。密度增加是由于蜡液填充了木材的细胞腔，使得重量变大。浸渍18 h和24 h的处理材密度有所下降，主要原因是处理材长时间处于较高温度（150 ℃）下，木材内的半纤维素、木质素等成分降解，木材中羟基减少[11-13]，使其质量下降，导致其密度低于浸渍8 h的处理组。综合来看，浸渍处理后，纤皮玉蕊木的密度符合实木家具、地板等木制品的密度要求。

2.2 湿胀性

浸渍时间对纤皮玉蕊木全干材至湿材湿胀率的变化如图2所示。未处理材的径向、弦向、体积平均湿胀率分别为6.89%、7.29%、12.63%，浸渍8、18、24 h后的木材湿胀率均有所下降。其中，径向分别降低19.86%、25.52%、38.65%，弦向分别降低5.02%、16.88%、31.54%、体积分别降低5.39%、12.08%、24.09%。

图2 不同浸渍时间下纤皮玉蕊木全干湿胀率Fig. 2 Oven dry swelling ratio of Couratari spp. under different impregnation time

随着浸渍时间的变化，湿胀率逐渐下降，是由于聚乙烯蜡是一种疏水性物质。蜡浸渍到木材中，形成了蜡涂层，并附着在木材细胞壁上，阻碍了细胞壁的吸水[14-15]，从而使纤皮玉蕊木的尺寸稳定性有所提高。而浸渍时间为24 h木材，其尺寸稳定性略高，是由于木材在长时间的热环境下，其中的半纤维素发生降解[16]，降低了木材的吸湿性。此外，疏水性的蜡液覆盖也起到了协同作用[17]。

2.3 干缩性

浸渍时间对纤皮玉蕊木湿材至全干材干缩率的变化如图3所示。未处理材的径向、弦向、体积的平均湿胀率分别为5.88%、7.15%、12.73%，浸渍8、18、24 h后的干缩率均有所下降。其中，径向分别降低了55.95%、66.53%、70.61%，弦向分别降低了45.82%、45.74%、37.99%、体积分别降低了49.60%、53.98%、21.24%。

图3 不同浸渍时间下纤皮玉蕊木全干干缩率Fig. 3 Oven dry shrinkage ratio of Couratari spp. under different impregnation time

随着浸渍时间的变化，干缩率逐渐下降，主要原因是聚乙烯蜡完全或部分浸渍到细胞腔中，占据一定的空间，使细胞腔内吸水空间减少，阻碍了水分迁移路径[18]，尺寸稳定性明显提高。浸渍18 h木材与浸渍24 h木材之间差距不大，由于是在150 ℃高温浸渍下，蜡附着于木材细胞壁上减少了羟基失去与水分子结合的机会[19]。

2.4 色差

颜色随浸渍时间的变化如图4所示。ΔE*数值越大，表示浸渍后的木材颜色变化越大。浸渍18 h后，纤皮玉蕊木的ΔE*值最大，而浸渍24 h后ΔE*最小。结合图5的颜色变化可知，浸渍24 h颜色相对较浅，8 h其次，18 h颜色相对较深。木材颜色和木材中的木质素以及木材中的抽提物有关，浸渍处理过程中的高温使木材中半纤维素降解，使木质素相对含量增加，从而颜色变深[20]。至于24 h浸渍材色差反而较18 h时减小，主要与木材中助色或发色基团的分解或流失有关[21]。

图4 颜色随浸渍时间的变化Fig. 4 Color deviation with impregnation time prolong

2.5 硬度

纤皮玉蕊木硬度随浸渍时间的变化如图6所示。浸渍处理后，木材弦面、径面、端面的硬度随浸渍时间逐渐增加，这是因为蜡浸渍木材后，填充了木材的空隙，形成了刚性整体，硬度有所提高。

图6 硬度随浸渍时间的变化Fig. 6 Hardness with impregnation time prolong

浸渍24 h的木材硬度值相对较大，这是由于在150 ℃处理下，半纤维素发生部分结构重组或降解，分子链中羟基脱落。纤维素无定形区内水分的散失及相邻纤维素的靠拢，使纤维素分子链排列得更加紧密，分子链之间的羟基发生“架桥”反应，并形成了新的氢键结合，使其结晶度增加[22]。总体而言，浸渍处理后的纤皮玉蕊木硬度增大，与对照材相比，浸渍8、18 h处理材的硬度显著提高，而浸渍24 h处理材趋于平缓，但都有利于提高其在实际应用中的耐磨性。

2.6 抗弯强度

纤皮玉蕊木抗弯强度随浸渍时间的变化如图7所示。由图7可知，处理材的抗弯强度随着浸渍时间先增大后减小，与其密度变化趋势一致[23]。浸渍8 h的木材，其抗弯强度最大，较未处理材相比提高了31.5%。由图1可知，浸渍8 h的木材密度相对较大，浸渍18、24 h的木材密度逐渐下降，其对应木材的抗弯强度有所下降。主要原因是在高温下，浸渍一段时间后，随着浸渍时间的增加，木材中半纤维素和木质素开始加速降解，木材抗弯强度降低[24]。浸渍24 h木材抗弯强度比未处理材低，这是由于在真空加压条件下，浸渍时间过长易使木材内部应力减弱导致开裂，另外在150 ℃下，木材水分随时间延长而接近绝干，这也是导致浸渍24 h木材抗弯强度比未处理材低的原因。

图7 抗弯强度随浸渍时间的变化Fig. 7 Bending strength with impregnation time prolong

2.7 抗弯弹性模量

纤皮玉蕊木抗弯弹性模量随浸渍时间的变化如图8所示。与抗弯强度相似，处理材的抗弯弹性模量随着浸渍时间先增大后减小。在浸渍8 h时，处理材的抗弯强度相对较大，较未处理材相比提高了24.31%。浸渍18、24 h的处理材没有浸渍8 h效果好，是由于在高温下，蜡液浸渍一段时间后，使得半纤维素受到损害，降低了半纤维素与纤维素的联结点数量，导致细胞间层劈裂[25]。总体而言，浸渍处理后，纤皮玉蕊木的抗弯强度、弹性模量得到了改善，但并不是浸渍时间越长效果越好，浸渍8 h效果相对较优，浸渍18、24 h相对较差。