王永貴 岳金權(quán)

(東北林業(yè)大學(xué)生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點實驗室，黑龍江哈爾濱，150040)

木材流體滲透特性研究一直是木材物理性能理論研究的主要內(nèi)容，其與制漿造紙、木材干燥、膠合、軟化、油漆及染色等木材加工處理和木材阻燃、防腐、增硬等木材功能改良有密切的關(guān)系［1-2］。在制漿造紙領(lǐng)域，預(yù)浸漬液或蒸煮藥液在木材中的流體滲透性能對化學(xué)漿和高得率漿的制漿過程，如成漿性能、蒸煮時間、磨漿能耗等［3-4］，均具有較大的影響。隨著化機漿的發(fā)展，傳統(tǒng)的以脫木素為主的經(jīng)典蒸煮理論已無法滿足造紙工業(yè)的要求，急需形成一套完整的針對化機漿的制漿基礎(chǔ)理論，而木材流體滲透性能對化機漿化學(xué)軟化過程具有顯著影響［5］，對完善化機漿制漿基礎(chǔ)理論具有重要意義。

木材屬于非均一三相體系，藥液從不同方向向各向異性的木材內(nèi)部傳輸，需要依靠不同的傳輸方式來完成，通常流體在木材中的傳輸方式主要有兩種［6-7］，第一種是擴散，即在濃度梯度或含水率梯度或蒸汽壓力梯度的作用下，浸漬藥液中的溶質(zhì)或木材內(nèi)部水分子從高濃區(qū)向低濃區(qū)遷移。第二種是滲透，即流體在外加壓力梯度或內(nèi)部毛細(xì)管壓力梯度作用下沿木材中的毛細(xì)管系統(tǒng)移動。木材滲透是流體以分子基團的整體沿著毛細(xì)管系統(tǒng)流動，是木材內(nèi)部流體傳輸?shù)闹饕绞?。木材?xì)胞腔內(nèi)的流體流動主要是黏流，因此，符合Darcy法則或Poiseuille法則［8］。

目前，相關(guān)工作者基于Darcy定律提出了多種木材流體滲透理論模型，如均勻并聯(lián)毛細(xì)管模型［1，9］、Sebatian針葉木材模型［9-11］、Bramhall木材縱向滲透有效截面衰減模型［12-13］、Petty 模型［14-15］、Comstock針葉木材模型［9，16］、針葉木材縱向氣體滲透三維流阻網(wǎng)絡(luò)模型［17-18］等。但大多數(shù)模型均是以針葉木材為對象、以氣體為滲透流體的基礎(chǔ)上得出的，而對于細(xì)胞結(jié)構(gòu)復(fù)雜的闊葉木材至今未形成合理的理論結(jié)構(gòu)模型。同時，由于氣體的滲透與液體滲透存在較大差異，限制了基于氣體滲透理論模型的應(yīng)用。因此，有必要對闊葉木材液體滲透過程進(jìn)行研究。本實驗通過自制設(shè)備對楊木NaOH浸漬滲透過程進(jìn)行了研究。

1 實驗

1.1 原料

本實驗所用木材原料為山地楊，產(chǎn)自黑龍江省帽兒山實驗林場的自然林中，所選取的樹種為25年生試材 (單株)。將試材在距地高度分別為1.5、3.5、5.5及7.5 m處截取長度為1 m的4段木材置于冷庫中備用。

1.2 主要儀器和藥品

SMV8精密裁板鋸;MBP204自動木工刨床;自制NaOH浸漬滲透裝置;CAV214C型分析天平;日立S-570型掃描電子顯微鏡。

NaOH，酚酞指示劑。

1.3 自制滲透實驗裝置

圖1和圖2分別為NaOH浸漬自制設(shè)備示意圖及實物照片。該滲透裝置是一體積連續(xù)測定裝置，其主體結(jié)構(gòu)如圖1所示，該部分主要由試樣槽、熱水循環(huán)套管、冷凝水循環(huán)套管、加液槽及刻度管等部件組成，該部分除試樣槽和試樣固定裝置為不銹鋼材料外，其余部件均為玻璃試件，所有接口采用磨口對接。此外，如圖2所示，自制滲透實驗裝置還有加熱水循環(huán)系統(tǒng) (如圖2中A所示)、數(shù)據(jù)測量和采集系統(tǒng)(如圖2中B所示)，其中加熱水循環(huán)系統(tǒng)主要由加熱槽和循環(huán)泵組成，可使加熱套管中水溫保持恒定，數(shù)據(jù)測量元件采用佛山市普量電子有限公司生產(chǎn)的PT500-708型壓力變送器，數(shù)據(jù)采集采用杭州美控自動化技術(shù)有限公司生產(chǎn)的TB210B型無紙記錄儀。因此，本實驗裝置可以對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行自動測量和記錄。

圖1 NaOH浸漬滲透裝置示意圖

圖2 NaOH浸漬滲透裝置實物照片

1.4 方法

1.4.1 木塊試樣制備及處理

將采伐的木段去皮后，用精密裁板鋸進(jìn)行木塊試樣的切割。木塊的規(guī)格為20 mm(長) ×20 mm(寬)的不同厚度的正方形，切好的木塊置于冰箱中冷藏備用。

1.4.2 NaOH浸漬過程滲透體積測定

實驗開始時，將NaOH浸漬液從中間加液槽中加入，打開加液槽閥門使浸漬液進(jìn)入左右兩管中，當(dāng)左邊液位達(dá)到木塊架頂端時關(guān)閉加液槽閥門停止加液。然后，打開熱水循環(huán)泵使已經(jīng)預(yù)熱到一定溫度的熱水進(jìn)入左側(cè)加熱套管中預(yù)熱浸漬液。同時，打開與控溫套管相連的冷凝水，使右側(cè)刻度管內(nèi)的浸漬液保持室溫。當(dāng)左側(cè)預(yù)熱結(jié)束溫度恒定時，用溫度計測量木塊架處浸漬液溫度，作為浸漬溫度。將一定規(guī)格的木塊試樣 (制備方法與擴散實驗相同)置于左側(cè)木塊架上，使木塊剛好與NaOH浸漬液接觸，立即記錄起始時間，并用固定蓋將木塊試樣固定。此時，浸漬液會通過木塊試樣的毛細(xì)管通道進(jìn)入其內(nèi)部，由于左右兩管相連，左側(cè)吸收液體會使右側(cè)液面下降，通過讀取刻度管的刻度值或測定其壓力變化值便可求得某一時間滲入木塊試樣的浸漬液體積總量。本實驗通過測定壓力變化值來求取單位滲透體積量 (從起始到某一時刻單位接觸面積浸漬液通過滲透進(jìn)入木塊試樣總體積量)，計算公式見式 (1)。

式中，Q為單位滲透體積量 (mL/m2)，V為從起始到某時刻進(jìn)入木塊的體積總量 (mL)，A為木塊與浸漬液的實際接觸面積 (m2)，K為壓力體積轉(zhuǎn)換系數(shù) (mL/Pa)，ΔP為刻度管壓力差(Pa)。實驗所用木塊試樣浸漬面尺寸為20 mm(長) ×20 mm(寬)，由于起密封作用的木塊邊緣未與浸漬液接觸，木塊試樣與浸漬液實際接觸面積為260.02×10-6m2。

1.4.3 壓力體積轉(zhuǎn)換系數(shù)測定

將室溫下一定濃度的NaOH浸漬液通過加液槽加入，當(dāng)右側(cè)刻度管的讀數(shù)為0時停止加入，記錄數(shù)據(jù)記錄儀上的壓力值為P1。然后繼續(xù)加浸漬液到達(dá)一定高度后停止加液，記錄刻度管刻度值為ΔV，數(shù)據(jù)記錄儀上的壓力值為P2，由式 (2)計算壓力體積轉(zhuǎn)換系數(shù)。

式中，K為壓力體積轉(zhuǎn)換系數(shù) (mL/Pa)，ΔV為體積差 (mL)，P1-P2為壓力差 (Pa)。

1.4.4 單因素實驗

本實驗主要以邊材為對象，考察溫度、NaOH濃度、木塊試樣厚度、試樣含水率4個因素對楊木NaOH浸漬滲透過程的影響。同時對邊材和心材、縱向和橫向之間的差異進(jìn)行了研究。實驗所用木塊試樣浸漬面尺寸為20 mm(長) ×20 mm(寬)。

2 結(jié)果與討論

2.1 滲透路徑分析

圖3為楊木邊材在一定條件下經(jīng)NaOH浸漬后并用酚酞試劑染色的滲透路徑數(shù)碼照片分析，其中橫向浸漬滲透條件為:厚度7 mm、溫度35℃、NaOH濃度10 g/L、含水率8.10%、時間48 h;縱向浸漬滲透條件為:厚度 15 mm、溫度35℃、NaOH濃度 10 g/L、含水率8.21%、時間5 h。

由圖3可知，楊木橫向和縱向NaOH浸漬滲透存在明顯差異?？v向滲透木塊試樣兩側(cè)與木塊架接觸，滲透量較小，著色高度較小，中部為主要滲透區(qū)域，且該區(qū)域的滲透高度也參差不齊，與未滲透區(qū)無明顯界限?？v向滲透過程，導(dǎo)管腔中的浸漬液在縱向傳輸?shù)耐瑫r，會發(fā)生橫向運動，通過紋孔進(jìn)入相鄰木纖維細(xì)胞中，或經(jīng)由射線細(xì)胞通過紋孔進(jìn)入木纖維細(xì)胞中。因此，縱向滲透過程，導(dǎo)管中浸漬液的滲透速率要快于木纖維，不同導(dǎo)管的內(nèi)徑不同，其產(chǎn)生的毛細(xì)管壓力也不同［19］，導(dǎo)致不同導(dǎo)管間滲透速率存在差異，從而導(dǎo)致縱向滲透的界面參差不齊。而橫向浸漬滲透為逐層滲透過程，著色區(qū)與未著色區(qū)界限明顯整齊，即各部位滲透高度基本一致，同時與木塊架接觸區(qū)和非接觸區(qū)也無明顯差異。

圖3 滲透路徑數(shù)碼照片

2.2 邊材和心材滲透差異性分析

圖4和圖5分別為楊木NaOH浸漬橫向和縱向滲透曲線。由圖4可知，楊木橫向NaOH浸漬滲透曲線基本呈一直線，即滲透速率基本不隨時間變化。同時，對比心材和邊材的滲透曲線可以發(fā)現(xiàn)，兩者的差異較小，其中心材的擬合曲線為:y=0.242x(R2=0.995)，邊材的擬合曲線為:y=0.295x(R2=0.994)。

圖4 楊木橫向NaOH浸漬滲透曲線

圖5 楊木縱向NaOH浸漬滲透曲線

由圖5可以看出，楊木縱向NaOH浸漬滲透過程中單位滲透體積量隨時間的變化由快到慢，曲線逐漸趨于平緩，即縱向滲透的滲透速率隨時間逐漸減小。一般認(rèn)為，木材縱向滲透可分為兩個階段，第一階段為快速滲透階段，動力主要由毛細(xì)管壓力或外加壓力提供，受木材內(nèi)部殘余氣體影響較小，但該階段持續(xù)的時間及最終達(dá)到的滲透程度與木材內(nèi)部的殘余氣體壓力有密切關(guān)系;第二階段為慢速滲透階段，此階段的滲透速率主要由木材內(nèi)部氣體溶解或向外擴散的速率決定，液體向木材內(nèi)部滲透所能達(dá)到的最高滲透程度主要由第一階段決定［20］。同時，對比心材和邊材的縱向滲透曲線可以發(fā)現(xiàn)，兩者之間存在顯著差異，邊材的縱向滲透明顯快于心材。這兩者之間的差異性主要是由其毛細(xì)管結(jié)構(gòu)差異性造成的。由于木材液體滲透速率對單根毛細(xì)管直徑等結(jié)構(gòu)非常敏感，木材本身的毛細(xì)管結(jié)構(gòu)變化對液體滲透影響很大。因此，如果出現(xiàn)紋孔堵塞或細(xì)胞腔形成薄膜等情況時，將會對液體的滲透產(chǎn)生較大的負(fù)面影響［20］。本實驗所用楊木原料心材的導(dǎo)管中存在大量隔膜 (如圖6所示)，會嚴(yán)重影響滲透過程殘余空氣的排除，增加滲透阻力;同時心材中較多的沉積物也會堵塞紋孔，使縱向滲透過程的流體橫向傳輸受阻。

2.3 單因素實驗

2.3.1 溫度對滲透的影響

圖7和圖8分別為溫度對邊材橫向和縱向NaOH浸漬滲透效果的影響。由圖7可以看出，橫向NaOH浸漬滲透效果隨著溫度的升高而改善，其中橫向滲透過程中當(dāng)溫度從35℃增加到55℃時，單位滲透體積量與時間關(guān)系曲線的擬合曲線斜率從3.295增加到了5.048。由圖8可以看出，當(dāng)溫度從35℃增加到55℃時，縱向滲透效果的提高并不明顯，這主要由于溫度對滲透的影響是多方面的。提高溫度，可以降低浸漬液黏度，軟化木材中樹脂類成分，減少浸漬滲透阻力，改善滲透效率［20-21］。此外，提高溫度還會導(dǎo)致木材內(nèi)部混合蒸汽壓增加，殘余空氣溶解度降低，表面張力降低［22］，毛細(xì)管壓力減小，從而對滲透過程產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，溫度對滲透的影響需綜合考慮多方面的因素。

圖6 楊木原料導(dǎo)管結(jié)構(gòu)

圖7 溫度對邊材橫向NaOH浸漬滲透效果的影響

圖8 溫度對邊材縱向NaOH浸漬滲透效果的影響

2.3.2 NaOH濃度對滲透的影響

圖9和圖10分別為NaOH濃度對邊材橫向和縱向NaOH浸漬滲透效果的影響。由圖9和圖10可知，橫向和縱向浸漬滲透效果均隨NaOH濃度的升高而改善。一般來說，NaOH濃度越低，黏度越小，滲透阻力越小，越利于液體在木材中的滲透［23］。由于本實驗所用NaOH浸漬液為反應(yīng)性浸漬液，滲透過程會改變木材的化學(xué)組成及毛細(xì)管結(jié)構(gòu)，從而使得NaOH濃度越高，滲透效果越好。研究表明，浸漬液的pH值對其在木材中的傳輸有較大影響。當(dāng)浸漬液的pH值大于13時，浸漬液能使纖維細(xì)胞壁發(fā)生潤脹，pH值越高，潤脹作用越大。潤脹作用使纖維細(xì)胞壁出現(xiàn)“暫時紋孔”增加了流體傳輸?shù)拿?xì)管通道，改善了浸漬滲透效果［20，24］。因此，NaOH濃度越高，pH值越大，潤脹作用越強，毛細(xì)管通道越多，使得滲透阻力越小。

圖9 NaOH濃度對邊材橫向浸漬滲透效果的影響

圖10 NaOH濃度對邊材縱向浸漬滲透效果的影響

2.3.3 木塊試樣厚度對滲透的影響

圖11和圖12分別為木塊試樣厚度對邊材橫向和縱向NaOH浸漬滲透效果的影響。由圖11和圖12分別可以看出，木塊試樣厚度對橫向浸漬滲透效果影響較小，對縱向浸漬效果有顯著影響。如圖11所示，橫向浸漬過程，3種厚度的木塊試樣滲透曲線斜率差異較小，分別為3.019、3.295和3.436，即滲透速率基本不隨厚度的變化而變化。厚度為2 mm的木塊試樣在2000 min左右時，基本達(dá)到飽和，后續(xù)浸漬過程單位滲透體積量不再增加。如前所述，橫向滲透屬于逐層滲透過程，細(xì)胞壁會阻礙滲透的連續(xù)性，使得各層之間的相互影響較小。此外，木材中的殘余氣體在滲透過程中主要沿纖維縱向排除，厚度方向的變化對其影響較小。因此，木塊試樣厚度對橫向滲透速率影響較小。但是，木材厚度方向液體傳輸阻力較大，滲透速率遠(yuǎn)低于縱向，仍是浸漬液最終滲透是否達(dá)到完全的決定因素。而縱向浸漬過程，縱向厚度增加，殘余氣體排出路徑增加，氣體排出阻力增加，從而導(dǎo)致滲透速率下降。

圖11 厚度對邊材橫向NaOH浸漬滲透效果的影響

圖12 厚度對邊材縱向NaOH浸漬滲透效果的影響

2.3.4 木塊試樣含水率對滲透影響

圖13和圖14分別為木塊試樣含水率對邊材橫向和縱向NaOH浸漬滲透效果的影響。由圖13和圖14可以看出，在低于纖維飽和點條件下 (高于纖維飽和點時流體傳輸以擴散為主)，提高木塊試樣含水率對其橫向和縱向滲透過程均產(chǎn)生負(fù)面影響。這主要由于本實驗為常壓浸漬過程，滲透動力為毛細(xì)管壓力，較高的含水率會使細(xì)胞壁上的微毛細(xì)管系統(tǒng)被水填充，毛細(xì)管壓力減小，使得浸漬流體傳輸過程較早從以體積流的滲透過程轉(zhuǎn)向擴散階段。就橫向而言 (如圖13所示)，會使?jié)B透速率減慢，單位滲透體積量與時間關(guān)系曲線的斜率降低;就縱向而言 (如圖14所示)，會使?jié)B透過程較早地由快速滲透階段 (第一階段)進(jìn)入慢速滲透階段 (第二階段)。相反，傳統(tǒng)制漿過程為壓力浸漬過程，滲透動力主要為外加壓力，一定的含水率會使纖維潤脹，流體傳輸阻力減小，從而提高滲透速率。因此，含水率因素對常壓浸漬和壓力浸漬會產(chǎn)生不同的影響效果。

圖13 含水率對邊材橫向NaOH浸漬滲透效果的影響

圖14 含水率對邊材縱向NaOH浸漬滲透效果的影響

3 結(jié)論

3.1 通過滲透路徑分析得出楊木NaOH浸漬橫向滲透為逐層滲透過程，滲透區(qū)與非滲透區(qū)界限基本呈一直線;縱向滲透過程NaOH浸漬液首先在導(dǎo)管胞腔毛細(xì)管壓力作用下進(jìn)入木材，然后經(jīng)由細(xì)胞壁紋孔或通過橫向射線細(xì)胞經(jīng)由紋孔進(jìn)入相鄰的木纖維細(xì)胞中，且浸漬滲透區(qū)與非滲透區(qū)界面參差不齊。

3.2 橫向滲透過程單位滲透體積量與滲透時間基本呈線性關(guān)系，即滲透速率基本不隨時間的變化而變化，且邊材與心材的差異較小?？v向滲透過程，單位滲透體積量的增加量隨滲透時間的增加而減小，即滲透速率隨時間逐漸減小，且邊材的縱向滲透性能顯著優(yōu)于心材。同時，通過分析發(fā)現(xiàn)縱向滲透過程可分為兩個階段，即快速滲透階段 (第一階段)和慢速滲透階段 (第二階段)。

3.3 在本實驗條件下，適當(dāng)提高浸漬溫度和浸漬液NaOH濃度均能不同程度地提高浸漬滲透效果。木塊試樣厚度對橫向滲透過程無明顯影響，但增加木塊厚度會使縱向滲透過程的殘余氣體排出阻力增加，對縱向滲透產(chǎn)生負(fù)面影響。此外，提高含水率會使浸漬流體傳輸過程較早的進(jìn)入擴散階段，從而對滲透過程產(chǎn)生負(fù)面影響。

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