楊木浸漬填充改性實(shí)驗(yàn)

周 群, 魏 象

(中南林業(yè)科技大學(xué), 湖南 長沙 410004)

楊木浸漬填充改性實(shí)驗(yàn)

周 群, 魏 象

(中南林業(yè)科技大學(xué), 湖南 長沙 410004)

通過浸漬填充碳酸鈉和氯化鈣兩種不同的無機(jī)鹽溶液，使浸入木材的鈣離子與碳酸根離子結(jié)合。在木材微纖絲間隙和管胞的胞腔中生成穩(wěn)定的固體化合物碳酸鈣，從而使楊木中填充了大量的無機(jī)物，得到無機(jī)復(fù)合木材。實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)溫度為60℃、CaCl2溶液濃度為40%、Na2CO3溶液濃度為25%時(shí)，木材增重率最大，可達(dá)32.4%；而且處理過的楊木試件的硬度均比未處理高，且硬度平均提高24.36%。

浸漬； CaCl2；Na2CO3；性能；填充；楊木

我國是典型的少林國家，全國森林覆蓋率為20.36%。近年每年進(jìn)口木材1億m3以上(每年消耗量25億m3左右)。隨著國家天然林保護(hù)工程的實(shí)施，人工林資源成為關(guān)注的目標(biāo)。目前全國人工林保存面積為6200萬hm2,居世界第一,其木材在建筑、家具等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。楊樹人工林有產(chǎn)量高，生長快，采伐期短等優(yōu)點(diǎn),但其木材密度低(基本密度0.35g/cm3左右)、材質(zhì)松軟、顏色淺、含水率高且分布不均,易產(chǎn)生干縮變形和單板旋切起毛等加工缺陷且力學(xué)強(qiáng)度差, 表面硬度低、耐磨性低,限制了其使用，與天然林木材相比較,其材性和裝飾性相差甚遠(yuǎn)。因此對楊木進(jìn)行化學(xué)改性極為必要，目前主要采用浸漬填充有機(jī)單體或化合物改性木材，制得無機(jī)復(fù)合木材。我們以溶質(zhì)與木材間的吸附理論為指導(dǎo)展開實(shí)驗(yàn)。

1 材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料與儀器設(shè)備

1.1.1 試件 本實(shí)驗(yàn)采用的試材為人工林楊樹木材,產(chǎn)地為湖南省益陽市,所選木材無節(jié)、無裂紋。試件規(guī)格為90mm×80mm ×10mm和450mm×80mm ×10mm ,含水率為11 %～14 % 。

1.1.2 化學(xué)試劑 無水CaCl2純度不低于96.0%，制造商: 天津市博迪化工有限公司。

無水Na2CO3純度不低于99.8%，制造商: 天津市大茂化學(xué)試劑廠。

1.1.3 儀器設(shè)備 電子恒溫水浴鍋DZKW — C ,減壓浸漬系統(tǒng)(自制) ,恒溫干燥箱，量筒，2000mL燒杯，電子稱。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

(1) 測定試件的原始重量，并按照含水率公式換算成絕干重量。

(2) 采用真空 — 加壓方法對試件進(jìn)行CaCl2溶液浸漬，保持真空20min，加壓20min，并在常溫常壓下浸漬24h，然后取出試件包裹放置24h。

(3)在常壓狀態(tài)下，浸漬Na2CO3溶液，浸漬時(shí)間為72h。

(4)對處理過的試件進(jìn)行水煮脫鹽處理，脫鹽處理后取出恒溫干燥至絕干并稱重，計(jì)算增重率。

(5)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，確定最優(yōu)生產(chǎn)條件。

(6)進(jìn)行物理力學(xué)性能檢測，確定填充改性后試件各方面的物理力學(xué)性能的變化狀況。

具體工藝流程如下：

溶液配制，試件制作 → 抽真空浸漬CaCl2溶液→保持真空20min→加壓20min 取出包裹放置24h →浸漬Na2CO3溶液72h→脫鹽處理→干燥→驗(yàn)證試驗(yàn)→性能檢測

2 結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)過程中，在試件端面產(chǎn)生大量絲狀物質(zhì)，徑切面、弦切面上布滿氣泡狀物質(zhì)，主要沿著木射線方向排列，這是由于溶液滲透的途徑主要是導(dǎo)管、毛細(xì)管、木射線和紋孔等。且隨著反應(yīng)的進(jìn)行，液體表面覆蓋大量白色粘稠物質(zhì)，反應(yīng)溫度越高，現(xiàn)象越明顯，這說明鈣離子和碳酸根離子在交換反應(yīng)時(shí)有一部分鈣離子與木材表面的碳酸根離子發(fā)生反應(yīng)，但不足以堵塞離子進(jìn)出的木材管道，由不斷產(chǎn)生的絲狀物質(zhì)可明顯看出。反應(yīng)進(jìn)行過程中，所生成的NaCl不斷溶解，使木材中原先被NaCl占有的空間不斷得到釋放。

2.1正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。由表1可知，當(dāng)溫度為60℃，CaCl2溶液濃度為40%，Na2CO3溶液濃度為25% 時(shí)增重率最大，可達(dá)32.4%；而常溫條件下，反應(yīng)緩慢，增重率只在10%左右，表明反應(yīng)溫度對增重率的影響很大，這可能與溫度和分子運(yùn)動(dòng)的關(guān)系有關(guān)；另一方面，由圖1、2、3可知，增重率與溫度不是成正比關(guān)系，增重率并不隨著溫度的升高而一直增大，在溫度為90℃時(shí)，增重率反而下降，這說明在常溫與90℃之間有一個(gè)最佳反應(yīng)溫度；CaCl2濃度對增重率的影響也不是正比關(guān)系，而是在某個(gè)范圍內(nèi)達(dá)到最大值，Na2CO3濃度對增重率的影響是在兩端增重效果好，是一個(gè)先減后增的過程；由極差分析可知反應(yīng)溫度對增重率影響最大，其次是CaCl2溶液濃度，Na2CO3溶液濃度對增重率的影響最小。

表1 正交實(shí)驗(yàn)表次數(shù)反應(yīng)溫度(℃)CaCl2濃度(%)Na2CO3濃度(%)增重率(%)1常溫30159.62常溫402012.13常溫50259.2460302013.9560402532.4660501527.9790302517.1890401519.6990502023.1K130.940.557K274.164.249.2K359.760.358.8k110.313.519.0k224.721.416.4k319.920.119.6R14.47.93.2

圖1 Na2CO3溶液濃度趨勢圖圖2 反應(yīng)溫度趨勢圖圖3 CaCl2溶液濃度趨勢圖

2.2電鏡顯微分析

由圖4可知，在木材微纖絲間隙和管胞的胞腔中填充了大量固體化合物CaCO3且分布較均勻，CaCO3分子與分子聚集在一起形成團(tuán)狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步放大顯示這種化合物在木材中呈柱狀分布，排列比較規(guī)整，徑切面CaCO3固體化合物在木材胞腔、胞壁中均勻分布, 緊貼于其表面, 與木材結(jié)合較好。

圖4 處理試件微觀圖

3 性能檢測

本次木材改性后性能檢測實(shí)驗(yàn)，均采用對比實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行，即改性木材與未改性木材硬度對比。本實(shí)驗(yàn)主要考慮楊木木材使用的前景，主要測定其弦面硬度?？紤]到改性增重率對木材硬度的影響，選取增重率為32.4% 的改性試件進(jìn)行硬度檢測。

首先，分別從試驗(yàn)?zāi)静闹虚g及端部上鋸制尺寸為50mm×50mm×20mm，即幅面為50mm×50mm的試樣各2個(gè)，并分別標(biāo)記為G1、G2、G3、G4；然后從未處理木材上鋸制同樣尺寸的對比試樣，分別標(biāo)記為W1、W2、W3、W4。

采用MWD — 50微機(jī)控制電子式木材萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)測試木材硬度，結(jié)果見表2。由表2可見，經(jīng)強(qiáng)化脫鹽處理后的試材，由于Na2CO3和CaCl2在木材內(nèi)反應(yīng)形成了CaCO3沉積在木材組織中，使木材結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，與未處理的木材試件硬度對比可以看出，所有處理過的楊木試件在弦面硬度上均比未處理的高，且弦面硬度平均提高24.36%。

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)證明在溫度為60℃、CaCl2溶度為40%、Na2CO3溶度為25%的條件時(shí)，浸漬填充效果最好，改性處理后的試件增重率可達(dá)到32.4%，硬度有明顯提高，達(dá)到了強(qiáng)化速生材的目的，而且處理后的試件保持了木材原有的色澤紋理，加工性能與普通木材相同，能最大限度地保留木材的環(huán)境學(xué)特性。本實(shí)驗(yàn)工藝簡單，可進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，這對擴(kuò)大速生材的使用范圍，解決木材短缺的難題有深遠(yuǎn)的意義。

表2 硬度檢測結(jié)果(kN)試件種類第一次第二次平均W12.5452.3502.448W23.0853.8003.443W33.5002.9953.248W43.4753.5903.533G13.7903.8353.813G23.9003.8403.870G33.4653.1553.514G44.4004.7204.560

[1] 王愷，管寧.森林資源保護(hù)和社會(huì)產(chǎn)品材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].木材工業(yè), 2000, 14(1):3-4.

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(責(zé)任編輯：唐效蓉)

(英文編譯：張 珉)

Modificationofpoplarwoodpropertiesbyimpregnation

ZHOU Qun, WEI Xiang

(Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China)

Poplar impregnated with CaCl2and Na2CO3solutions, so that the Ca2+and CO32-reacted and combined in the wood and formed stable compound CaCO3in microfibril space and tracheid lumen. Therefore the inorganic composite wood filled a large number of inorganic substances was obtained. The results showed that, under the temperature was 60℃ and the concentration of CaCl2and Na2CO3solutions were 40% and 25% respectively, the wetght growth rate of wood reached 32.4%. The hardnesses of treated poplar were better than those of untreated ones,and the average hardness raised 24.36%.

impregnation; CaCl2; Na2CO3; performance; filling;popla

2009 — 11 — 30

2010 — 01 — 06

中南林業(yè)科技大學(xué)研究生科技創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(2006 SX 05);湖南省研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目

S 792.11

A

1003 — 5710(2010)01 — 0017 — 03