閆文濤 孫耀星 龐久寅 元正龍

(北華大學(xué)，吉林，132013) (吉林省蛟河林業(yè)實驗區(qū)管理局)

責(zé)任編輯:戴芳天。

木材的防護(hù)處理是以提高木材的防腐性能、阻燃性能或尺寸穩(wěn)定性等為目的，通過對木材進(jìn)行物理加工或化學(xué)加工來改變或改良木材原有性質(zhì)的方法。在科學(xué)研究和行業(yè)生產(chǎn)中，將防護(hù)性藥劑浸注到木材內(nèi)一定深度，便能達(dá)到相應(yīng)的功能指標(biāo)要求，該法被證明是行之有效的木材改性方法［1－6］。藥劑浸注方法包括常壓法和加壓法兩類，常壓法是在大氣壓下操作，包括浸泡、噴淋、涂刷等方法，主要用于防護(hù)期短、防護(hù)性要求不高的場合［7－9］;加壓法是使用壓力容器將藥劑壓注到木材內(nèi)一定深度［10－12］，該方法雖然藥劑浸注深、防護(hù)性高，但操作繁瑣、工藝復(fù)雜、生產(chǎn)效率低，因使用壓力容器而存在安全隱患。

輥壓浸注法是一種高效率的木材改性劑注入方法。在改性劑液面下，木材板材在壓縮變形—變形回復(fù)的瞬間，因負(fù)壓吸液效應(yīng)和紋孔膜破裂特征的協(xié)同作用將改性劑注入其中［13－16］。以往研究表明，輥壓法能夠?qū)崿F(xiàn)防腐劑對木材板材的浸注處理，并使木材具有相應(yīng)的防腐性能［17－18］;因機(jī)械壓輥的壓縮作用，處理材的力學(xué)性能會有所降低，降低的幅度與壓縮率呈正相關(guān)［19－20］;在壓縮率受到限制的情況下，增加壓縮次數(shù)就成為提高藥劑浸注量(載藥量)的重要選擇。本研究以大青楊為試材，輥壓浸注DDAC 和ACQ 兩種水溶性防腐劑，探討輥壓壓縮次數(shù)對處理材的防腐性能和主要力學(xué)指標(biāo)的影響。

1 材料與方法

1.1 材料及設(shè)備

實驗試材樹種為大青楊(Populus ussuriensis Kom.)，采自吉林省上營森林經(jīng)營局正陽林場，樹齡30～35 a，原木長6 000 mm，直徑400～600 mm，鋸制為標(biāo)準(zhǔn)的徑切板和弦切板，同一塊板材內(nèi)材性相近、無節(jié)疤、紋理均勻通直，板材尺寸800 mm(長)×250 mm(寬)×20 mm(高)。

木材防腐劑:DDAC(二癸基二甲基氯化銨)，ACQ(按m(CuO)∶ m(DDAC)=2∶ 1 復(fù)配，溶劑為乙醇胺)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%、1.0%和1.5%。

接種試菌:采絨革蓋菌［Coriolus vcrsioolor (Fr.)Cooke］。

輥壓機(jī)(上輥為主動輥，轉(zhuǎn)速16 r/min，下輥為從動輥，壓輥直徑250 mm);微機(jī)控制電子式木材萬能力學(xué)試驗機(jī)(WDW －100E);壓力—真空處理罐，250 mm(直徑)×400 mm(高);電熱干燥箱(DHG －9075A);電子天平(精度0.001 g);恒溫恒濕箱(Climacell404)。

1.2 研究方法

壓縮率根據(jù)不同的研究內(nèi)容設(shè)定，防腐性能測試為10%和30%，力學(xué)性能測試為10%、20% 和30%;壓縮方向為徑向和弦向，即對弦切板施行徑向壓縮，對徑切板施行弦向壓縮(見圖1);壓縮次數(shù):1、3、5 次，在同一壓縮率下的多次壓縮，在上次壓縮結(jié)束后，迅速進(jìn)行下一次輥壓。

圖1 試件年輪與輥壓壓縮方向示意圖

沿每塊徑切板和弦切板的長度方向橫向鋸為兩塊試材，一塊用于未處理材試件的制作，另一塊用于輥壓處理材的試件制作;輥壓處理后，來源于同一塊板材的未處理材和輥壓處理材按照鋸開以前的位置擺放在一起，作為一塊板材進(jìn)行防腐性能和力學(xué)性能測試試件的對應(yīng)制作。力學(xué)強(qiáng)度檢測僅測試輥壓壓縮方向，即對徑向壓縮的木材，測量徑向的力學(xué)強(qiáng)度，對弦向壓縮的木材，測量弦向的力學(xué)強(qiáng)度。

將待輥壓浸注防腐劑的大青楊板材先行飽水處理;飽水處理的方法是將試材放入壓力—真空處理罐中，經(jīng)過抽真空(真空度0.098 MPa，20 min)—注水—加壓—保壓(壓力4 MPa，25 min)—卸壓，取出罐中試材，常溫常壓下在清水中浸泡24 h 以上，至其達(dá)到飽水狀態(tài)(含水率150%～170%)。

輥壓處理后的試材經(jīng)過氣干與對應(yīng)的未處理材在室溫條件下存放30 d 后，根據(jù)木材力學(xué)試驗方法國家標(biāo)準(zhǔn)和木材耐久性試驗方法國家標(biāo)準(zhǔn)［21］，進(jìn)行各種力學(xué)強(qiáng)度和防腐性能試件的加工制作、含水率調(diào)整和測試。

木材橫紋抗拉強(qiáng)度的測試根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)［22］，采用兩個等腰梯形短邊相連的形狀，紋理方向與長邊平行;對徑切板(弦向壓縮)，順紋抗剪強(qiáng)度和橫紋抗拉強(qiáng)度測試的破壞面均為弦切面，對弦切板(徑向壓縮)，破壞面均為徑切面。

2 結(jié)果與分析

2.1 載藥量

使用DDAC(質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%、1.0%和1.5%)和ACQ(質(zhì)量分?jǐn)?shù)同DDAC)兩種水溶性木材防腐劑對大青楊徑切板和弦切板進(jìn)行2 個壓縮方向(弦向和徑向)、2 種壓縮率(10%和30%)和每一種壓縮率下3 種壓縮次數(shù)(1 次、3 次和5 次)的輥壓浸注防腐劑處理，并對被防腐劑浸注處理板材的載藥量進(jìn)行了測試，結(jié)果見表1。

表1 輥壓浸注防腐劑的載藥量

可知，使用輥壓法能夠?qū)崿F(xiàn)木材板材對水溶性防腐劑的浸注，浸注量(載藥量)與輥壓浸注工藝相關(guān)。當(dāng)壓縮率為10%，浸注DDAC 防腐劑時，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%達(dá)到的載藥量為2.710～4.213 kg·m－3，質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%達(dá)到的載藥量為5.336～7.934 kg·m－3，質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%達(dá)到的載藥量為7.816～9.991 kg·m－3;浸注ACQ 防腐劑時，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%達(dá)到的載藥量為2.594～3.991 kg·m－3，質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%達(dá)到的載藥量為4.877～6.098 kg·m－3，質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%達(dá)到的載藥量7.103～8.820 kg·m－3。當(dāng)壓縮率為30%，浸注DDAC 防腐劑時，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%達(dá)到的載藥量為4.457～6.293 kg·m－3，質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%達(dá)到的載藥量為8.743～9.841 kg·m－3，質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%達(dá)到的載藥量為11.254～15.423 kg·m－3;浸注ACQ 防腐劑時，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%達(dá)到的載藥量為4.197～5.930 kg·m－3，質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%達(dá)到的載藥量為7.891～8.826 kg·m－3，質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%達(dá)到的載藥量為10.405～13.338 kg·m－3。由此，載藥量與防腐劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)和壓縮率呈正相關(guān)關(guān)系。

在同一輥壓工藝條件下，DDAC 的載藥量高于ACQ，如弦向壓縮、壓縮率10%、輥壓1 次、質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%時，DDAC 的載藥量為6.214 kg·m－3，ACQ為5.006 kg·m－3;同樣，載藥量也因壓縮方向而異，弦向壓縮徑切板材的載藥量大于徑向壓縮的弦切板材，如輥壓浸注質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%的ACQ 防腐劑，在壓縮率10%、壓縮次數(shù)為5 次時，弦向壓縮的載藥量為8.820 kg·m－3，徑向壓縮的為8.135 kg·m－3。這是因為由薄壁細(xì)胞組成的大青楊木材的木射線更多地暴露在徑切板材的表面，在壓輥機(jī)械力的作用下更易吸附和浸注防腐劑。

在相同輥壓浸注工藝條件下，防腐處理材的載藥量隨著輥壓壓縮次數(shù)的增加而增大，如徑向壓縮(壓縮率10%)輥壓浸注質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%的DDAC防腐劑，輥壓1、3、5 次對應(yīng)的載藥量分別是5.336、6.417、6.822 kg·m－3;同時，輥壓3 次與1 次相比，載藥量的增加值大于輥壓5 次與3 次的差值，如弦向壓縮(壓縮率30%)輥壓浸注質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%的ACQ 防腐劑，輥壓3 次與1 次相比，載藥量的增加量為0.792 kg·m－3，而輥壓5 次與3 次相比，增加量僅為0.079 kg·m－3，隨著輥壓次數(shù)的增加，載藥量增加的幅度逐漸減小。

根據(jù)國家林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)LY/T 1636—2005《防腐木材的使用分類和要求》中對于載藥量的規(guī)定，在本研究中，使用DDAC 或ACQ 防腐劑，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于1.0%，壓縮率為10%的防腐處理材即能達(dá)到C3 類(載藥量4.0 kg/m3，用于戶外環(huán)境中使用，不接觸土壤，避免長期浸泡在水中，能有效抵抗蛀蟲、白蟻、木腐菌的侵蝕)的要求。

2.2 質(zhì)量損失率

對使用DDAC 和ACQ 兩種木材防腐劑輥壓浸注后的大青楊木材、未處理材依據(jù)GB/T 13942.1—92 進(jìn)行實驗室防腐性能檢測，計算質(zhì)量損失率，實驗結(jié)果見表2?？芍?jīng)過輥壓浸注防腐劑DDAC 和ACQ 處理木材的質(zhì)量損失率均小于未處理材，處理材具有了不同程度的防腐能力，質(zhì)量損失率的大小與輥壓浸注工藝相關(guān)。忽略壓縮方向的影響，當(dāng)壓縮率10%，浸注DDAC 防腐劑，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%時，試材的質(zhì)量損失率為24.18%～19.82%;質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%時，試材的質(zhì)量損失率為21.22%～17.22%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%時，試材的質(zhì)量損失率為19.16%～16.72%;浸注ACQ 防腐劑，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、1.0%和1.5%時，對應(yīng)的試材的質(zhì)量損失率分別為22.27%～16.93%、20.78%～15.44%和17.70%～13.81%。當(dāng)壓縮率為30%，浸注DDAC 防腐劑時，上述3 種質(zhì)量分?jǐn)?shù)對應(yīng)的試材的質(zhì)量損失率分別是23.12%～17.30%、20.75%～16.08%和17.60%～14.37%;浸注ACQ 防腐劑時，3 種質(zhì)量分?jǐn)?shù)對應(yīng)的試材的質(zhì)量損失率依次是20.97%～16.93%、18.79%～11.08% 和15.36%～10.01%?？梢?，質(zhì)量損失率隨著防腐劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)和壓縮率的增大而減小，與二者呈負(fù)相關(guān)。

表2 輥壓浸注防腐劑的木材質(zhì)量損失率

對照表2和表1可知，在同一輥壓浸注工藝條件下，DDAC 的載藥量高于ACQ，而質(zhì)量損失率卻大于后者，如壓縮率10%、弦向壓縮5 次時，DDAC 的載藥量為4.213 kg·m－3、質(zhì)量損失率為19.82%，ACQ 的載藥量為3.991 kg·m－3、質(zhì)量損失率為16.93%，說明ACQ 比DDAC 具有更強(qiáng)的抵御采絨革蓋菌侵蝕的能力。

在相同輥壓浸注工藝條件下，防腐處理材的質(zhì)量損失率隨著輥壓壓縮次數(shù)的增加而減小，如弦向壓縮(壓縮率30%)輥壓浸注質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0% 的ACQ 防腐劑，輥壓1、3 和5 次對應(yīng)的質(zhì)量損失率分別是16.33%、13.35%和11.08%;同時，輥壓3 次與1 次相比，質(zhì)量損失率的變化值大于輥壓5 次與3 次的差值，如徑向壓縮(壓縮率30%)輥壓浸注質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%的DDAC 防腐劑，輥壓3 次與1 次相比，質(zhì)量損失率的變化值為1.26%，而輥壓5 次與3次相比，變化值為0.28%，隨著輥壓次數(shù)的增加，質(zhì)量損失率變小的幅度逐漸收窄。

對照GB/T 13942.1—92《木材天然耐久性試驗方法、木材天然耐腐性實驗室試驗方法》中耐腐等級評定標(biāo)準(zhǔn)，使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%以上的DDAC 防腐劑或質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%以上的ACQ 防腐劑輥壓浸注處理木材，處理材的耐腐等級即能達(dá)到耐腐級別(質(zhì)量損失率11%～24%)以上。

2.3 壓縮次數(shù)對力學(xué)性質(zhì)變異的影響

對大青楊的徑切板和弦切板進(jìn)行兩個壓縮方向(弦向和徑向)、3 種壓縮率(10%、20%和30%)和每一種壓縮率下3 種壓縮次數(shù)(1 次、3 次和5 次)的輥壓壓縮處理，通過對未處理材和輥壓處理材抗彎強(qiáng)度等7 種力學(xué)指標(biāo)數(shù)值的測試，以處理材的力學(xué)強(qiáng)度值減去未處理材對應(yīng)強(qiáng)度的差值占未處理材強(qiáng)度的百分比，定義為強(qiáng)度變化率，作為分析和研究輥壓處理因壓縮次數(shù)致木材力學(xué)強(qiáng)度變異的指標(biāo)。測試與計算結(jié)果見表3。

表3 輥壓次數(shù)對大青楊木材力學(xué)性質(zhì)的影響

可知，忽略僅有的幾個為正值的數(shù)據(jù)，絕大多數(shù)力學(xué)強(qiáng)度變化率為負(fù)值，可見因輥壓壓縮處理，木材7 種力學(xué)強(qiáng)度值與未處理材相比，均有所下降。在低壓縮率和1 次壓縮的情況下，存在處理木材個別力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)略有增大的情況，如壓縮率10%、徑向壓縮1 次時，順紋抗壓強(qiáng)度增大了2.391%，硬度增大了2.360%;壓縮率20%、弦向壓縮1 次時，順紋抗壓強(qiáng)度增大了0.499%、硬度增大了0.742%，但增大的數(shù)值很小，且當(dāng)輥壓次數(shù)增加至3 次時，7 種力學(xué)強(qiáng)度變化率均為負(fù)值，力學(xué)強(qiáng)度下降特征明顯。7 種力學(xué)強(qiáng)度中，抗彎強(qiáng)度變化率為2.254%～－20.037%，抗彎彈性模量變化率1.457%～－18.343%，沖擊韌性變化率－0.178%～－22.741%，順紋抗壓強(qiáng)度變化率2.391%～－5.509%，順紋抗剪強(qiáng)度變化率－2.071%～－15.908%，橫紋抗拉強(qiáng)度變化率－0.217%～－15.527%，硬度變化率2.360%～－12.084%。

隨著壓縮次數(shù)的增加，7 種力學(xué)強(qiáng)度變化率均有進(jìn)一步減小的趨勢，木材的力學(xué)損失繼續(xù)增大，但力學(xué)損失下降的幅度逐漸收窄。弦向壓縮、壓縮率20%，壓縮次數(shù)由1 次增加到3 次時，抗彎強(qiáng)度變化率的差值為4.873%;壓縮次數(shù)由3 次增加到5 次，強(qiáng)度變化率的差值為2.110%。徑向壓縮、壓縮率30%，壓縮次數(shù)由1 次增加到3 次時，抗彎彈性模量變化率的差值為2.459%;壓縮次數(shù)由3 次增加到5次，強(qiáng)度變化率的差值為1.653%。徑向壓縮、壓縮率10%，壓縮次數(shù)由1 次增加到3 次時，硬度變化率的差值為7.272%;壓縮次數(shù)由3 次增加到5 次，硬度變化率的差值為1.143%。

在所測試的7 種木材力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)中，受輥壓壓縮的影響，力學(xué)變異性最小的是順紋抗壓強(qiáng)度，當(dāng)壓縮次數(shù)增至為5 次，弦向壓縮、壓縮率30%時的強(qiáng)度變化率為－5.509%，力學(xué)損失小于6%。力學(xué)變異最大的是沖擊韌性，在壓縮率30%、弦向壓縮、壓縮5 次的情況下，大青楊木材弦向的沖擊韌性損失達(dá)到22.741%。

從表3中數(shù)據(jù)可知，因輥壓壓縮處理致大青楊木材力學(xué)變異，在僅測試壓縮方向力學(xué)強(qiáng)度的前提下，弦向壓縮引起的力學(xué)損失大于徑向壓縮;如沖擊韌性，壓縮率20%、壓縮次數(shù)5 次，弦向壓縮致弦向的強(qiáng)度變化率為－18.213%，徑向壓縮致徑向的強(qiáng)度變化率為－15.328%，力學(xué)損失增加2.885%;如順紋抗剪強(qiáng)度，壓縮率30%、壓縮次數(shù)5 次，弦向壓縮的強(qiáng)度變化率為－15.908%，徑向壓縮的強(qiáng)度變化率為－11.278%，力學(xué)損失增加4.630%。

3 結(jié)論

輥壓浸注法能夠?qū)崿F(xiàn)水溶性防腐劑對大青楊板材的浸注處理，防腐劑浸注量(載藥量)與輥壓工藝中防腐劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)、壓縮率呈正相關(guān);同時，隨著輥壓壓縮次數(shù)的增加，防腐劑的載藥量增大，輥壓浸注DDAC(質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%)5 次的載藥量達(dá)到15.423 kg·m－3;輥壓3 次與1 次相比，載藥量的增加值大于輥壓5 次與3 次的差值，載藥量增加的幅度逐漸減小。

經(jīng)過輥壓浸注防腐劑處理的大青楊木材，防腐性能主要指標(biāo)即質(zhì)量損失率均小于未處理材，處理材的防腐性能明顯提高;處理材的質(zhì)量損失率與防腐劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)、壓縮率呈負(fù)相關(guān);隨著輥壓壓縮次數(shù)的增加，質(zhì)量損失率呈減小趨勢，減小的幅度逐漸收窄，輥壓浸注ACQ(質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%)5 次的質(zhì)量損失率達(dá)到10.01%。

經(jīng)過輥壓處理的大青楊木材7 種力學(xué)性能指標(biāo)均有所降低，力學(xué)性能變異最小的是順紋抗壓強(qiáng)度，最大的是沖擊韌性，當(dāng)壓縮次數(shù)為5 次時，二者的力學(xué)損失分別為5.509%和22.741%;隨著輥壓壓縮次數(shù)的增加，處理材的力學(xué)損失增大，但增大的幅度逐漸減小。

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