曹明鑫 何幸剛 王雪花

（1.南京林業(yè)大學家居與工業(yè)設(shè)計學院，江蘇 南京 210037 ；2.湖州三一炭化公司，浙江 湖州 313009）

在各類室內(nèi)裝飾材料中，具有天然紋理和優(yōu)良質(zhì)感的木材深受人們的喜愛[1]。纖皮玉蕊（Couratarispp.），俗稱陶阿里（Tauari），屬于玉蕊科，主要分布在巴西亞馬遜地區(qū)，是一種常見的進口木材。纖皮玉蕊木表面略有光澤感，直紋，心材和邊材顏色相似，材色接近稻草白，易于加工，常用作室內(nèi)裝飾材料，市場前景廣闊[2]。由于木材中的半纖維素具有較強的親水性，導(dǎo)致木材易吸水，從而發(fā)生開裂變形、腐朽、翹邊等現(xiàn)象，使其耐久性和尺寸穩(wěn)定性明顯下降[3-5]。因此，若使用纖皮玉蕊作為木基材料，有必要對纖皮玉蕊木進行改性處理。

在我國，蠟作為木材表面防護處理的原材料之一，不僅可在木材表面形成一層薄膜，使其與外界隔絕，降低木材吸濕性，提高木質(zhì)家居產(chǎn)品的尺寸穩(wěn)定性，延長其使用壽命[6-7]，還可展現(xiàn)出木材的優(yōu)美紋理和自然質(zhì)樸感。鄭忠國等[8]用高熔點石蠟處理楊木和輻射松，降低了木材的吸濕性，提高木材的尺寸穩(wěn)定性和力學性能。劉君良等[9]對粗皮桉木進行了不同時長的熱處理（2、4、6、8 h），并進行石蠟浸漬處理，發(fā)現(xiàn)浸漬處理材的物理力學性能明顯改善。關(guān)健等[10]發(fā)現(xiàn)處理時間會對注蠟材的尺寸穩(wěn)定性有很大影響，注蠟4 h后的白櫸木比注蠟2 h的尺寸穩(wěn)定性好。

浸漬處理可以提高木材的某些性能，但尚未見到關(guān)于浸漬時間對纖皮玉蕊木材性能方面的報道。本研究主要探討浸漬時間對纖皮玉蕊木物理力學性能的影響，以期提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

纖皮玉蕊木（Couratarispp.）由湖州三一炭化公司提供，初始含水率為9.80%。試件分成4組，每組鋸切加工成尺寸為300 mm×20 mm×20 mm的試件10個，40 mm×40 mm×20 mm的試件10個，20 mm×20 mm×20 mm的試件30個，試件均為無開裂、結(jié)疤的徑切材。其中3組進行浸漬處理，1組為對照。

試驗用蠟為PEW-H110聚乙烯蠟（石家莊多億化工科技有限公司），分子式為(C2H4)n，常溫下為白色顆粒狀，黏度100 cps，熔點為106 ℃。

1.2 設(shè)備

木材浸漬罐（300 mm×600 mm，諸城市安泰機械有限公司）、電熱恒溫鼓風干燥箱（DHG-9643BS-Ⅲ，上海新苗器械公司）、電子萬能力學試驗機（AG-IC/100kN，日本島津儀器公司）、錫晶邵氏橡膠硬度計（LX-D，無錫市前洲測量儀器）、數(shù)顯游標卡尺（精度0.01 mm，日本三豐）、電子天平（JA5003N,精度0.001 g，上海精密科學儀器公司）、色彩檢測儀（RM200-PT01，潘通）。

1.3 試驗方法

浸漬處理：將試件放入木材實驗罐內(nèi)，抽真空，保壓2 h后將融化的聚乙烯蠟液倒入木材浸漬罐內(nèi)，蠟液沒過試件后，將浸漬溫度設(shè)置為150 ℃，壓力1 MPa。當溫度升至150 ℃，開始計時，分別浸漬8、18、24 h。浸漬處理完后取出試件，并擦除試件表面多余蠟液。

物理力學性能試驗方法主要參考GB/T 1933—2009《木材密度測定方法》、GB/T 1934.2—2009《木材濕脹性測定方法》、GB/T 1932—2009《木材干縮性測定方法》、GB/T 1936.1—2009《木材抗彎強度試驗方法》、GB/T 1936.2—2009《木材抗彎彈性模量測定方法》。參照JIS Z2101-2009《木材的試驗方法》，使用邵氏橡膠硬度計測試試件表面的硬度，包括徑面、弦面和端面。采用色彩檢測儀在每個試件的弦切面上測量3次，取其平均值，并按公式計算色差值。

2 結(jié)果與分析

2.1 全干密度

纖皮玉蕊木全干密度隨浸漬時間的變化如圖1所示。與未處理材相比，不同浸漬時間處理后，木材的全干密度都有所提高，且隨處理時間的延長，增幅有所下降。其中，浸漬8 h的處理材其全干密度最大，較對照材提高了37.40%。密度增加是由于蠟液填充了木材的細胞腔，使得重量變大。浸漬18 h和24 h的處理材密度有所下降，主要原因是處理材長時間處于較高溫度（150 ℃）下，木材內(nèi)的半纖維素、木質(zhì)素等成分降解，木材中羥基減少[11-13]，使其質(zhì)量下降，導(dǎo)致其密度低于浸漬8 h的處理組。綜合來看，浸漬處理后，纖皮玉蕊木的密度符合實木家具、地板等木制品的密度要求。

2.2 濕脹性

浸漬時間對纖皮玉蕊木全干材至濕材濕脹率的變化如圖2所示。未處理材的徑向、弦向、體積平均濕脹率分別為6.89%、7.29%、12.63%，浸漬8、18、24 h后的木材濕脹率均有所下降。其中，徑向分別降低19.86%、25.52%、38.65%，弦向分別降低5.02%、16.88%、31.54%、體積分別降低5.39%、12.08%、24.09%。

圖2 不同浸漬時間下纖皮玉蕊木全干濕脹率Fig. 2 Oven dry swelling ratio of Couratari spp. under different impregnation time

隨著浸漬時間的變化，濕脹率逐漸下降，是由于聚乙烯蠟是一種疏水性物質(zhì)。蠟浸漬到木材中，形成了蠟涂層，并附著在木材細胞壁上，阻礙了細胞壁的吸水[14-15]，從而使纖皮玉蕊木的尺寸穩(wěn)定性有所提高。而浸漬時間為24 h木材，其尺寸穩(wěn)定性略高，是由于木材在長時間的熱環(huán)境下，其中的半纖維素發(fā)生降解[16]，降低了木材的吸濕性。此外，疏水性的蠟液覆蓋也起到了協(xié)同作用[17]。

2.3 干縮性

浸漬時間對纖皮玉蕊木濕材至全干材干縮率的變化如圖3所示。未處理材的徑向、弦向、體積的平均濕脹率分別為5.88%、7.15%、12.73%，浸漬8、18、24 h后的干縮率均有所下降。其中，徑向分別降低了55.95%、66.53%、70.61%，弦向分別降低了45.82%、45.74%、37.99%、體積分別降低了49.60%、53.98%、21.24%。

圖3 不同浸漬時間下纖皮玉蕊木全干干縮率Fig. 3 Oven dry shrinkage ratio of Couratari spp. under different impregnation time

隨著浸漬時間的變化，干縮率逐漸下降，主要原因是聚乙烯蠟完全或部分浸漬到細胞腔中，占據(jù)一定的空間，使細胞腔內(nèi)吸水空間減少，阻礙了水分遷移路徑[18]，尺寸穩(wěn)定性明顯提高。浸漬18 h木材與浸漬24 h木材之間差距不大，由于是在150 ℃高溫浸漬下，蠟附著于木材細胞壁上減少了羥基失去與水分子結(jié)合的機會[19]。

2.4 色差

顏色隨浸漬時間的變化如圖4所示。ΔE*數(shù)值越大，表示浸漬后的木材顏色變化越大。浸漬18 h后，纖皮玉蕊木的ΔE*值最大，而浸漬24 h后ΔE*最小。結(jié)合圖5的顏色變化可知，浸漬24 h顏色相對較淺，8 h其次，18 h顏色相對較深。木材顏色和木材中的木質(zhì)素以及木材中的抽提物有關(guān)，浸漬處理過程中的高溫使木材中半纖維素降解，使木質(zhì)素相對含量增加，從而顏色變深[20]。至于24 h浸漬材色差反而較18 h時減小，主要與木材中助色或發(fā)色基團的分解或流失有關(guān)[21]。

圖4 顏色隨浸漬時間的變化Fig. 4 Color deviation with impregnation time prolong

2.5 硬度

纖皮玉蕊木硬度隨浸漬時間的變化如圖6所示。浸漬處理后，木材弦面、徑面、端面的硬度隨浸漬時間逐漸增加，這是因為蠟浸漬木材后，填充了木材的空隙，形成了剛性整體，硬度有所提高。

圖6 硬度隨浸漬時間的變化Fig. 6 Hardness with impregnation time prolong

浸漬24 h的木材硬度值相對較大，這是由于在150 ℃處理下，半纖維素發(fā)生部分結(jié)構(gòu)重組或降解，分子鏈中羥基脫落。纖維素無定形區(qū)內(nèi)水分的散失及相鄰纖維素的靠攏，使纖維素分子鏈排列得更加緊密，分子鏈之間的羥基發(fā)生“架橋”反應(yīng)，并形成了新的氫鍵結(jié)合，使其結(jié)晶度增加[22]?？傮w而言，浸漬處理后的纖皮玉蕊木硬度增大，與對照材相比，浸漬8、18 h處理材的硬度顯著提高，而浸漬24 h處理材趨于平緩，但都有利于提高其在實際應(yīng)用中的耐磨性。

2.6 抗彎強度

纖皮玉蕊木抗彎強度隨浸漬時間的變化如圖7所示。由圖7可知，處理材的抗彎強度隨著浸漬時間先增大后減小，與其密度變化趨勢一致[23]。浸漬8 h的木材，其抗彎強度最大，較未處理材相比提高了31.5%。由圖1可知，浸漬8 h的木材密度相對較大，浸漬18、24 h的木材密度逐漸下降，其對應(yīng)木材的抗彎強度有所下降。主要原因是在高溫下，浸漬一段時間后，隨著浸漬時間的增加，木材中半纖維素和木質(zhì)素開始加速降解，木材抗彎強度降低[24]。浸漬24 h木材抗彎強度比未處理材低，這是由于在真空加壓條件下，浸漬時間過長易使木材內(nèi)部應(yīng)力減弱導(dǎo)致開裂，另外在150 ℃下，木材水分隨時間延長而接近絕干，這也是導(dǎo)致浸漬24 h木材抗彎強度比未處理材低的原因。

圖7 抗彎強度隨浸漬時間的變化Fig. 7 Bending strength with impregnation time prolong

2.7 抗彎彈性模量

纖皮玉蕊木抗彎彈性模量隨浸漬時間的變化如圖8所示。與抗彎強度相似，處理材的抗彎彈性模量隨著浸漬時間先增大后減小。在浸漬8 h時，處理材的抗彎強度相對較大，較未處理材相比提高了24.31%。浸漬18、24 h的處理材沒有浸漬8 h效果好，是由于在高溫下，蠟液浸漬一段時間后，使得半纖維素受到損害，降低了半纖維素與纖維素的聯(lián)結(jié)點數(shù)量，導(dǎo)致細胞間層劈裂[25]?？傮w而言，浸漬處理后，纖皮玉蕊木的抗彎強度、彈性模量得到了改善，但并不是浸漬時間越長效果越好，浸漬8 h效果相對較優(yōu)，浸漬18、24 h相對較差。

圖8 抗彎彈性模量隨浸漬時間的變化Fig. 8 Bending modulus of elasticity of impregnation time prolong

3 結(jié)論

使用聚乙烯蠟，在高溫高壓條件下（溫度150 ℃，壓力1 MPa），對纖皮玉蕊木進行浸漬處理，對比了不同浸漬時間（8、18、24 h）對纖皮玉蕊木物理力學性能的影響，主要結(jié)論如下：

1）浸漬處理后，纖皮玉蕊木的全干密度明顯增大，浸漬8 h時全干密度值相對較大。然而，隨著浸漬時間的延長，18、24 h全干密度逐漸降低。濕脹率隨著浸漬時間延長而逐漸下降，浸漬24 h尺寸穩(wěn)定性相對較優(yōu)。干縮率在浸漬18、24 h時差距不大，但效果優(yōu)于浸漬8 h；

2）浸漬處理后，纖皮玉蕊木的硬度隨浸漬時間逐漸增加，浸漬24 h時值相對最大?？箯潖姸入S著浸漬時間先增大后減小，浸漬8 h效果好，24 h時效果不理想。彈性模量隨浸漬時間先增大后減小，浸漬8 h比18、24 h效果好。色差隨浸漬時間加深，浸漬8 h與未處理材顏色差異大，和18、24 h差距不大；

3）聚乙烯蠟浸漬改性可明顯改善纖皮玉蕊木的物理力學性能，可根據(jù)木材的不同用途，選擇合適的浸漬時間。