杨木浸渍填充改性实验

周 群, 魏 象

(中南林业科技大学, 湖南 长沙 410004)

杨木浸渍填充改性实验

周 群, 魏 象

(中南林业科技大学, 湖南 长沙 410004)

通过浸渍填充碳酸钠和氯化钙两种不同的无机盐溶液，使浸入木材的钙离子与碳酸根离子结合。在木材微纤丝间隙和管胞的胞腔中生成稳定的固体化合物碳酸钙，从而使杨木中填充了大量的无机物，得到无机复合木材。实验表明当温度为60℃、CaCl2溶液浓度为40%、Na2CO3溶液浓度为25%时，木材增重率最大，可达32.4%；而且处理过的杨木试件的硬度均比未处理高，且硬度平均提高24.36%。

浸渍； CaCl2；Na2CO3；性能；填充；杨木

我国是典型的少林国家，全国森林覆盖率为20.36%。近年每年进口木材1亿m3以上(每年消耗量25亿m3左右)。随着国家天然林保护工程的实施，人工林资源成为关注的目标。目前全国人工林保存面积为6200万hm2,居世界第一,其木材在建筑、家具等领域具有广泛的应用前景。杨树人工林有产量高，生长快，采伐期短等优点,但其木材密度低(基本密度0.35g/cm3左右)、材质松软、颜色浅、含水率高且分布不均,易产生干缩变形和单板旋切起毛等加工缺陷且力学强度差, 表面硬度低、耐磨性低,限制了其使用，与天然林木材相比较,其材性和装饰性相差甚远。因此对杨木进行化学改性极为必要，目前主要采用浸渍填充有机单体或化合物改性木材，制得无机复合木材。我们以溶质与木材间的吸附理论为指导展开实验。

1 材料与方法

1.1实验材料与仪器设备

1.1.1 试件 本实验采用的试材为人工林杨树木材,产地为湖南省益阳市,所选木材无节、无裂纹。试件规格为90mm×80mm ×10mm和450mm×80mm ×10mm ,含水率为11 %～14 % 。

1.1.2 化学试剂 无水CaCl2纯度不低于96.0%，制造商: 天津市博迪化工有限公司。

无水Na2CO3纯度不低于99.8%，制造商: 天津市大茂化学试剂厂。

1.1.3 仪器设备 电子恒温水浴锅DZKW — C ,减压浸渍系统(自制) ,恒温干燥箱，量筒，2000mL烧杯，电子称。

1.2实验方法

(1) 测定试件的原始重量，并按照含水率公式换算成绝干重量。

(2) 采用真空 — 加压方法对试件进行CaCl2溶液浸渍，保持真空20min，加压20min，并在常温常压下浸渍24h，然后取出试件包裹放置24h。

(3)在常压状态下，浸渍Na2CO3溶液，浸渍时间为72h。

(4)对处理过的试件进行水煮脱盐处理，脱盐处理后取出恒温干燥至绝干并称重，计算增重率。

(5)进行验证试验，确定最优生产条件。

(6)进行物理力学性能检测，确定填充改性后试件各方面的物理力学性能的变化状况。

具体工艺流程如下：

溶液配制，试件制作 → 抽真空浸渍CaCl2溶液→保持真空20min→加压20min 取出包裹放置24h →浸渍Na2CO3溶液72h→脱盐处理→干燥→验证试验→性能检测

2 结果与分析

实验过程中，在试件端面产生大量丝状物质，径切面、弦切面上布满气泡状物质，主要沿着木射线方向排列，这是由于溶液渗透的途径主要是导管、毛细管、木射线和纹孔等。且随着反应的进行，液体表面覆盖大量白色粘稠物质，反应温度越高，现象越明显，这说明钙离子和碳酸根离子在交换反应时有一部分钙离子与木材表面的碳酸根离子发生反应，但不足以堵塞离子进出的木材管道，由不断产生的丝状物质可明显看出。反应进行过程中，所生成的NaCl不断溶解，使木材中原先被NaCl占有的空间不断得到释放。

2.1正交实验结果

实验结果见表1。由表1可知，当温度为60℃，CaCl2溶液浓度为40%，Na2CO3溶液浓度为25% 时增重率最大，可达32.4%；而常温条件下，反应缓慢，增重率只在10%左右，表明反应温度对增重率的影响很大，这可能与温度和分子运动的关系有关；另一方面，由图1、2、3可知，增重率与温度不是成正比关系，增重率并不随着温度的升高而一直增大，在温度为90℃时，增重率反而下降，这说明在常温与90℃之间有一个最佳反应温度；CaCl2浓度对增重率的影响也不是正比关系，而是在某个范围内达到最大值，Na2CO3浓度对增重率的影响是在两端增重效果好，是一个先减后增的过程；由极差分析可知反应温度对增重率影响最大，其次是CaCl2溶液浓度，Na2CO3溶液浓度对增重率的影响最小。

表1 正交实验表次数反应温度(℃)CaCl2浓度(%)Na2CO3浓度(%)增重率(%)1常温30159.62常温402012.13常温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

图1 Na2CO3溶液浓度趋势图图2 反应温度趋势图图3 CaCl2溶液浓度趋势图

2.2电镜显微分析

由图4可知，在木材微纤丝间隙和管胞的胞腔中填充了大量固体化合物CaCO3且分布较均匀，CaCO3分子与分子聚集在一起形成团状结构，进一步放大显示这种化合物在木材中呈柱状分布，排列比较规整，径切面CaCO3固体化合物在木材胞腔、胞壁中均匀分布, 紧贴于其表面, 与木材结合较好。

图4 处理试件微观图

3 性能检测

本次木材改性后性能检测实验，均采用对比实验的方法进行，即改性木材与未改性木材硬度对比。本实验主要考虑杨木木材使用的前景，主要测定其弦面硬度。考虑到改性增重率对木材硬度的影响，选取增重率为32.4% 的改性试件进行硬度检测。

首先，分别从试验木材中间及端部上锯制尺寸为50mm×50mm×20mm，即幅面为50mm×50mm的试样各2个，并分别标记为G1、G2、G3、G4；然后从未处理木材上锯制同样尺寸的对比试样，分别标记为W1、W2、W3、W4。

采用MWD — 50微机控制电子式木材万能实验机测试木材硬度，结果见表2。由表2可见，经强化脱盐处理后的试材，由于Na2CO3和CaCl2在木材内反应形成了CaCO3沉积在木材组织中，使木材结构发生变化，与未处理的木材试件硬度对比可以看出，所有处理过的杨木试件在弦面硬度上均比未处理的高，且弦面硬度平均提高24.36%。

4 结论

实验证明在温度为60℃、CaCl2溶度为40%、Na2CO3溶度为25%的条件时，浸渍填充效果最好，改性处理后的试件增重率可达到32.4%，硬度有明显提高，达到了强化速生材的目的，而且处理后的试件保持了木材原有的色泽纹理，加工性能与普通木材相同，能最大限度地保留木材的环境学特性。本实验工艺简单，可进行大规模工业化生产，这对扩大速生材的使用范围，解决木材短缺的难题有深远的意义。

表2 硬度检测结果(kN)试件种类第一次第二次平均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] 王恺，管宁.森林资源保护和社会产品材料结构优化[J].木材工业, 2000, 14(1):3-4.

[2] 孙炳合, 张获, 范同祥，等.木质材料陶瓷化的研究进展[J].功能材料,2003,34(1): 20-28.

[3] 侯知正, 王恺.2010年我国木材供需达到平衡问题的探讨[J].木材工业, 1997, 12(1): 5-8.

[4] 李定一.林业重点工程为推动湖南林业实现历史性跨越做出了巨大贡献[J].湖南林业科技，2005，32(6)：1-5.

[5] 宋孝金.杉木间伐材的材性和工业化利用[J].林业科技开发, 2004, 14(2): 27-29.

[6] 彭镇华.中国杉木[M].北京:中国林业出版社, 1999.

(责任编辑：唐效蓉)

(英文编译：张 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

中南林业科技大学研究生科技创新基金资助项目(2006 SX 05);湖南省研究生创新基金项目

S 792.11

A

1003 — 5710(2010)01 — 0017 — 03