曹明鑫， 何幸剛， 王 超， 王雪花*

(1.南京林業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210037；2.湖州三一炭化公司，浙江 湖州 313009；3.山東諸城安泰機械有限公司，山東 諸城 262200)

木材是易加工、質(zhì)輕、強度高的材料，具有天然色澤和花紋，與其他材料相比，木材的冷暖感、軟硬感、粗滑感等環(huán)境學(xué)特性都更適合人的生理和心理需要，被廣泛應(yīng)用于建筑、家具等工作生活場所[1]。纖皮玉蕊(Couratari spp)，俗稱陶阿里(Tauari)，屬于玉蕊科，其色澤金黃，給人溫馨祥和的感覺，目前多用于生產(chǎn)地板[2]，對尺寸穩(wěn)定性要求較高，但目前關(guān)于此方面的研究較少。橡膠木(Hevea brasiliensis)為熱帶常綠喬木，材色淡雅，在家具、地板中廣泛使用[3]，但吸濕性亦是限制其應(yīng)用和造成產(chǎn)品質(zhì)量問題的關(guān)鍵。為了減少木材濕脹干縮，需要對木材進行改性，以提高木制品使用壽命和應(yīng)用價值。

蠟浸漬改性是常見的木材被動改性方法，具有潛在商業(yè)價值[4-5]。聚乙烯蠟無毒，對人類環(huán)境健康友好，可以通過利用廢舊塑料獲得，用于處理木材，可以減少水分的吸收并提高木材在潮濕環(huán)境中尺寸的穩(wěn)定性[6-7]。同時，蠟使木材表面更富有光澤感[8]，這符合消費者生理和心理需要，是一種經(jīng)濟效益高的材料。炭化工藝是常見提高木材尺寸穩(wěn)定性的方法，綠色環(huán)保，經(jīng)濟效益高[9-10]。高晶晶[11]等采用低溫(120 ℃、140 ℃、160 ℃)和處理時間(6 h、8 h)研究3種木材在不同處理條件下顏色、尺寸穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)相比較熱處理時間，溫度對木材顏色影響較大；隨著溫度和時間的增加，3種木材的尺寸穩(wěn)定性均有所提高。屠心微[12]等研究了炭化溫度(140 ℃、160 ℃、180 ℃)和處理時間(2 h、4 h)對2種木材顏色和尺寸穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)隨著炭化溫度和處理時間的增加，木材顏色加深，尺寸穩(wěn)定性提高。楊航[13]對高紫光檀在150 ℃、180 ℃，熱處理3 h后進行注蠟處理，發(fā)現(xiàn)熱處理后木材顏色明度和E隨時間增加而減弱；熱處理后進行注蠟?zāi)苡行岣吣静某叽绶€(wěn)定性。

以上研究表明，木材顏色和尺寸穩(wěn)定性基本隨熱處理溫度和時間的增加而增加，但關(guān)于浸漬時間對木材顏色和尺寸穩(wěn)定性的研究較少。由于處理溫度對木材強度等存在較大影響，而延長處理時間有助于提高處理材的溫度分布均勻性，減少木材內(nèi)應(yīng)力以提高尺寸穩(wěn)定性。為保持木材強度的同時提高其尺寸穩(wěn)定性，本試驗研究浸漬時間對纖皮玉蕊、橡膠木顏色和尺寸穩(wěn)定性的影響，旨在確定最優(yōu)工藝。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗選用纖皮玉蕊木、橡膠木為試驗對象，同時，每種木材分為預(yù)炭化處理和素材兩組。預(yù)炭化纖皮玉蕊木(簡稱CT)、纖皮玉蕊木素材(簡稱T)、預(yù)炭化橡膠木(簡稱CX)及橡膠木素材(簡稱X)由湖州三一炭化公司提供，預(yù)炭化溫度160 ℃、時間4 h。試件在諸城安泰機械有限公司木材實驗罐內(nèi)以聚乙烯蠟為浸漬液進行浸漬處理，浸漬溫度150 ℃，壓力1 MPa，時間分別為8 h、18 h、24 h，處理完成后取出，并擦除試件表面多余蠟液。

1.2 試驗儀器

日本三豐數(shù)顯卡尺(精度0.01 mm)、電子天平(精度0.001 g)、潘通色彩檢測儀(RM200-PT01)等。

1.3 木材顏色測定

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(3)

(4)

1.4 木材濕脹性測定

以濕脹性衡量浸漬處理材的尺寸穩(wěn)定性，參照GB/T 1934.2-2009《木材濕脹性測定方法》進行測試。用游標(biāo)卡尺測量實驗材氣干狀態(tài)和吸水飽和狀態(tài)下弦向、徑向和縱向值，計算試件從氣干至吸水飽和時的徑向、弦向和體積濕脹率

2 結(jié)果與分析

2.1 浸漬時間對木材顏色的影響

浸漬時間對L*的影響如圖1所示。L*代表木材顏色明度值，明度L*值越大，木材顏色越白[14]。浸漬時間對L*的影響如圖1所示，聚乙烯蠟浸漬處理可使木材L*值降低，與纖皮玉蕊木素材相比，浸漬24 h纖皮玉蕊木的L*值降低了51.85%，這可能是木質(zhì)素中的苯環(huán)、羰基和乙烯基等發(fā)色基團和助色基團醚、醇羥基等發(fā)生化學(xué)作用[15]；浸漬時間的延長使素材、預(yù)炭化材L*值整體呈現(xiàn)降低趨勢，當(dāng)浸漬時間從8 h延長至24 h，橡膠木素材L*值降低了52.94%～62.72%，這可能是木材中纖維素和半纖維素在浸漬溫度150 ℃下進行分解，羥基被大量氧化成羧基和羰基，隨著時間的延長，生成糠醛等發(fā)色基團[16]；當(dāng)浸漬時間相同時，預(yù)炭化材L*值比素材L*值低，浸漬8 h預(yù)炭化橡膠木L*值比浸漬8 h橡膠木素材L*值低10.03%，這可能是炭化后，木材中木質(zhì)素增加，綜纖維素、α-纖維素含量降低[17]；當(dāng)浸漬時間相同時，不同樹種L*值存在差異，浸漬18 h預(yù)炭化纖皮玉蕊木、橡膠木L*值分別為33.07、31.67，可能由于木材是一種具有大毛細(xì)管系統(tǒng)和微毛細(xì)管系統(tǒng)的多孔膠體，蠟?zāi)芨脻B透毛細(xì)管，但不同樹種內(nèi)部結(jié)構(gòu)的木射線、樹脂道、紋孔位置大小也不同[18]。

圖1 浸漬時間對L*的影響

浸漬時間對a*的影響如圖2所示。紅綠值a*若為正，則顏色偏紅，若為負(fù)，則顏色偏綠。聚乙烯蠟浸漬處理可使木材a*值增加，與橡膠木素材相比，浸漬8 h橡膠木a*值增加了13.68%；浸漬時間的延長使素材、預(yù)炭化材a*值整體呈現(xiàn)上升趨勢，當(dāng)浸漬時間從8 h延長至24 h，纖皮玉蕊木素材a*值增加了12.04%～37.42%；當(dāng)浸漬時間相同時，預(yù)炭化材a*值比素材a*值高，浸漬24 h預(yù)炭化橡膠木a*值比浸漬24 h橡膠木素材a*值高10.65%；當(dāng)浸漬時間相同時，不同樹種a*值存在差異，浸漬18 h預(yù)炭化纖皮玉蕊木、橡膠木a*值分別為12.34、14.17。

圖2 浸漬時間對a*的影響

浸漬時間對b*的影響如圖3所示。黃藍(lán)值b*若為正，則顏色偏黃，若為負(fù)，則顏色偏藍(lán)。聚乙烯蠟浸漬處理可使木材b*值降低，與橡膠木素材相比，浸漬8 h橡膠木b*值降低了6.85%；浸漬時間的延長使素材、預(yù)炭化材b*值整體呈現(xiàn)下降趨勢，浸漬8 h、18 h、24 h纖皮玉蕊木素材b*值分別為11.30、10.88、7.77；當(dāng)浸漬時間相同時，預(yù)炭化材b*值比素材b*值高，浸漬24 h預(yù)炭化橡膠木b*值比浸漬24 h橡膠木素材b*值高2.57%；當(dāng)浸漬時間相同時，不同樹種b*值存在差異，浸漬18 h預(yù)炭化纖皮玉蕊木、橡膠木b*值分別為15.40、16.93。

圖3 浸漬時間對b*的影響

相比L*，a*和b*值對ΔE*影響較小，ΔE*整體受ΔL*影響，基本上呈鏡像關(guān)系[19]。浸漬時間對ΔL*的影響如圖4所示。浸漬時間的延長使素材、預(yù)炭化材ΔL*值整體呈現(xiàn)下降趨勢，浸漬24 h橡膠木素材比浸漬8 h、18 h橡膠木素材ΔL*值分別降低了18.96%、13.81%；當(dāng)浸漬時間相同時，預(yù)炭化材ΔL*值比素材ΔL*值高，浸漬24 h預(yù)炭化纖皮玉蕊木ΔL*值比浸漬24 h纖皮玉蕊木素材ΔL*值高6.85%；當(dāng)浸漬時間相同時，不同樹種ΔL*值存在差異，浸漬18 h預(yù)炭化纖皮玉蕊木、橡膠木ΔL*值分別為-25.62、-29.03。

圖4 浸漬時間對ΔL*的影響

浸漬時間對ΔE*的影響如圖5所示，整體符合ΔE*和ΔL*呈鏡像關(guān)系這一規(guī)律。色差ΔE*數(shù)值小，表明與素材顏色相差不大[20]。聚乙烯蠟浸漬處理可使木材ΔE*值增加；浸漬時間的延長使素材、預(yù)炭化材ΔE*值整體呈現(xiàn)上升趨勢，浸漬24 h纖皮玉蕊木素材比浸漬8 h、18 h纖皮玉蕊木素材ΔE*分別增加了21.29%、12.11%；當(dāng)浸漬時間相同時，素材ΔE*值比預(yù)炭化材ΔE*值高，浸漬24 h橡膠木素材ΔE*值比浸漬24 h預(yù)炭化橡膠木素材ΔE*值高22.96%；當(dāng)浸漬時間相同時，不同樹種ΔE*值存在差異，浸漬18 h預(yù)炭化纖皮玉蕊木、橡膠木ΔE*值分別為26.92、31.63。

圖5 浸漬時間對ΔE*的影響

2.2 浸漬時間對木材尺寸穩(wěn)定性的影響

浸漬時間對兩種樹種從氣干至吸水飽和狀態(tài)下弦向、徑向和體積濕脹率的影響如圖6所示。聚乙烯蠟浸漬處理可使木材徑向、弦向、體積濕脹率降低，這可能是聚乙烯蠟在浸漬過程中滲透到木材細(xì)胞腔中，液態(tài)水難以進入木材內(nèi)部[21]；徑向、弦向、體積濕脹率不同，體積濕脹率大于弦向濕脹率，弦向濕脹率大于徑向濕脹率，是由于木射線限制徑向收縮，早晚材影響弦向收縮、徑向壁上木質(zhì)素含量比弦向小、弦切面上紋孔數(shù)量大于徑切面上紋孔數(shù)量[22]；隨著浸漬時間延長，木材濕脹率逐漸降低，尺寸穩(wěn)定性逐漸增加，浸漬24 h纖皮玉蕊木素材徑向、弦向、體積濕脹率分別降低了32.57%、38.20%、38.85%，這可能是木材半纖維素中的多糖裂解，導(dǎo)致羥基減少，使得相鄰分子鏈距離縮短，從而濕脹率降低[23]；當(dāng)浸漬時間相同時，預(yù)炭化材濕脹率值比素材濕脹率值低，浸漬8 h預(yù)炭化橡膠木徑向濕脹率比浸漬8h橡膠木素材徑向濕脹率值低6.44%，這可能是高溫下木材細(xì)胞壁中纖維素和半纖維素?zé)o定形區(qū)形成不可逆的氫鍵，之前吸收水分的部分不再和水分子相結(jié)合[24]；當(dāng)浸漬時間相同時，不同樹種濕脹率值存在差異，浸漬18 h預(yù)炭化纖皮玉蕊木、橡膠木弦向值分別為4.74%、3.79%，可能是不同樹種的材性有所差異，在浸漬過程中，木材羥基的降解使不同樹種中親水官能團減少的程度不一樣[25-27]。

圖6 浸漬時間對兩種樹種濕漲率的影響

3 結(jié)論

采用聚乙烯蠟在150 ℃條件下對纖皮玉蕊木和橡膠木素材、預(yù)炭化材進行浸漬處理，研究浸漬時間(8 h、18 h、24 h)對材色和濕脹率的影響，得出浸漬時間對木材材色、濕脹率有影響。通過聚乙烯蠟浸漬可顯著提高木材尺寸穩(wěn)定性，木材色差ΔE*值增加；隨著浸漬時間延長，尺寸穩(wěn)定性逐漸提高，浸漬24 h效果好；當(dāng)浸漬時間相同時，預(yù)炭化材比素材尺寸穩(wěn)定性更好；當(dāng)浸漬時間相同時；不同樹種尺寸穩(wěn)定性、色差E*存在差異。在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)木制品最終用途及對顏色需求、尺寸穩(wěn)定性，合理選擇最佳浸漬時間范圍，最大程度上發(fā)揮時間在浸漬改性中的作用。