注蜡处理对6个树种木材尺寸稳定性的影响

关 健 吕 欢 曹永宏 伊松林

(1.北京林业大学材料科学与技术学院，木材科学与工程北京市重点实验室，北京 100083；2.亚振家具股份有限公司，上海 200436)



注蜡处理对6个树种木材尺寸稳定性的影响

关 健1吕 欢1曹永宏2伊松林1

(1.北京林业大学材料科学与技术学院，木材科学与工程北京市重点实验室，北京 100083；2.亚振家具股份有限公司，上海 200436)

以尺寸规格为20 mm× 20 mm×20 mm的楸木、柚木、赤桦木、桃花心木、椴木、榉木6个树种的木材为试验材料，在烘箱温度为130 ℃，处理时间分别为4 h和8 h的条件下，探究注蜡处理对试材尺寸稳定性的影响。结果表明：在相同的温度和处理时间条件下，注蜡处理材的尺寸稳定性要明显优于未处理材，在吸湿性测量中，注蜡材与素材相比，线湿胀率的降低幅度范围在45.00 % ～ 93.29 %；对于不同树种，注蜡处理对其木材尺寸稳定性提高的幅度也有较大的差异，效果最好的为柚木。

木材注蜡；树种；尺寸稳定性

木材主要由纤维素、半纤维素和木素组成，在纤维素和半纤维素分子上存在着大量的羟基，使得木材内部水分会随着环境温度和湿度的变化而发生变化，而木材内部水分在解吸或吸湿过程中会使木材发生干缩湿胀，使得木材的各个方向随木材含水率变化而不均匀胀缩，易产生翘曲、变形、开裂等缺陷，制约了木材的应用范围。因此，改善木材的尺寸稳定性对木材的高效利用具有重要的意义[1]。为了提高木材的尺寸稳定性，很多学者对木材进行物理或化学处理，在一定程度上提高了木材尺寸的稳定性[2-7]，但是，化学改性过程中化学改性剂的引入势必对环境及人们的健康带来一定的危害，且很难被消费者接受。

注蜡技术是一种较新的木材改性方法，它在不损坏木材本身的前提下，以注入的方式将高分子合成蜡成功沁入木材内部，从而将多余的水分排出，同时填充封闭木材的管孔和细胞间的间隙，达到既不降低木材力学性能，又能提高木材尺寸稳定性的目的。因此，本研究就不同树种间注蜡材与素材的尺寸稳定性进行分析研究，为该技术的工业化应用提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选取尺寸为20 mm×20 mm×20 mm的赤桦木(Betulaalbosinensis)、椴木(Tiliaendochrysea)、榉木(Zelkovaschneideriana)、楸木(Eusideroxylonzwageri)、桃花心木(Swieteniamacrophylla)、柚木(Tectonagrandis)等6个树种木材为试验材料，其平均初含水率分别为：12%、11%、13%、7%、11%、18%。

1.2 试验设备

干燥箱为上海一恒科技有限公司生产的电热鼓风干燥箱(DHG-9240A型)，温控范围为10 ～ 250 ℃，额定功率2 050 W。

恒温恒湿箱为北京雅士林试验设备有限公司生产的恒温恒湿试验箱(DHS-500)，温度范围0 ～ 150 ℃，控制精度为±2 ℃，湿度范围30% ～ 98%，偏差2%～3%，总功率4 500 W。

电子天平为奥豪斯仪器(上海)有限公司生产的电子天平(AR124CN型)，最大称量120 g，精度0.000 1 g。

1.3 试验方法

1.3.1 干燥处理 根据GB/T 1931—2009《木材含水率测定方法》[8]，将待处理试件放入温度为(103 ± 2)℃的烘箱中干燥至绝干状态。

1.3.2 注蜡处理

1) 取无明显节子及可见缺陷，端面无毛刺，且含水率分布均匀的90个赤桦木试件，分成3组并编号，其中1组作为对照组。

2) 将高分子合成蜡放入温度为130 ℃的烘箱内进行融化。

3) 当高分子合成蜡融化后，将其余2组试件放入注蜡槽中，在烘箱温度为130 ℃的条件下进行注蜡处理，注蜡时间分别为4 h和8 h。

4) 注蜡完毕后用洁净的镊子将试件从注蜡槽中取出，继续放置在干燥箱内1 h，以除去残留在试件表面的蜡液。

5) 以楸木、柚木、桃花心木、椴木和榉木为试验试材，重复步骤(1)～(4)。

6) 每组试验重复3次，求平均值。

1.3.3 湿胀性测定 根据GB/T 1934.2—2009《木材湿胀性测定方法》[9]，在温度为20 ℃，相对湿度65 %的条件下对处理材和对照组进行吸湿性试验，并在蒸馏水中进行湿胀性试验。

2 结果与分析

2.1 注蜡处理对木材吸湿湿胀率的影响

不同处理时间下不同树种吸湿过程中的径向湿胀率、弦向湿胀率和体积湿胀率见图1～3。

从图1～3可以看出，6种木材吸湿趋势大体相同，对于同一种树种而言，在温度相同的情况下，随着注蜡时间的增加，径向、弦向以及体积湿胀率均明显下降，4 h处理材与素材相比的下降幅度较大；吸湿性测量中，径向湿胀率、弦向湿胀率以及体积湿胀率降幅最大可达89.93 %、87.84、97.21 %，最小降幅也在45.00 %以上。这主要是由于注蜡过程是将高分子合成蜡注入到木材内部纤维间隙、纹孔以及细胞腔内，阻塞水分进出的通道，此外，石蜡具有憎水基因，可包围木材内部的羟基，进一步隔断水分的移动，有效地降低了木材的干缩湿胀。

另外，从图1～3中还可以看出，8 h处理材与素材相比线湿胀率以及体积湿胀率下降幅度最大值分别为93.29 %、93.01 %、98.04 %，较4 h处理材下降幅度明显减缓。这主要是由于试材经过4 h的注蜡处理，木材内的高分子合成蜡已经含量很高，甚至在一些地方已经达到饱和状态，继续延长4 h的注蜡处理，蜡分子很难进入木材内部，且游离于木材表面的蜡分子形成了致密的高分子蜡层，外界的高分子合成蜡也很难突破表层的蜡进入内部。

2.2 注蜡处理对木材吸水湿胀率的影响

不同处理时间下不同树种吸水过程中径向湿胀率、弦向湿胀率、体积湿胀率见图4～6。

从图4～6可以看出，6种木材吸水的趋势与吸湿过程类似，在相同树种且温度相同的情况下，随着注蜡时间的增加，径向、弦向以及体积湿胀率均明显下降，4 h处理材与素材相比的下降幅度较大。吸水性测量中径向湿胀率、弦向湿胀率以及体积湿胀率3者降幅的最大值分别为28.88 %、22.94 %、34.20 %。8 h处理材与素材相比线湿胀率以及体积湿胀率下降幅度最大值分别为51.01 %、33.66 %、43.40 %，较4 h处理材下降幅度也有减缓的趋势。

另外，从图1～6可以看出，在处理时间相同的情况下，不同树种的尺寸稳定性有很大的差异。吸湿性和吸水性测量结果表明，注蜡技术对于提高柚木的尺寸稳定性有较好的效果，明显优于其他5种木材。在线湿胀率方面，桃花心木和楸木较为相似，在吸湿性测量中，2个树种4 h处理材的径向与弦向湿胀率与素材相比降低的幅度都在70%左右，8 h处理材降低的幅度在80%左右。余下的3种木材，在吸湿性测量线湿胀率方面，注蜡材尺寸稳定性表现较好的是榉木，赤桦木和椴木的试验结果相似，椴木4 h处理材的径向与弦向湿胀率与素材相比降低的幅度达到40%以上，8 h处理材降低的幅度在50%以上，效果也很明显。不同树种的试材表现出不同的试验结果，这可能是由于木材内部结构的影响所致，柚木木纤维的最大弦向直径明显大于其他5种木材，约为359 μm，而椴木的较小，约为83 μm。

2.3 不同处理条件对木材增重率、增容率的影响

为了研究不同注蜡工艺条件对不同树种吸收石蜡量的影响，不同处理时间下不同树种的增重率、增容率见表1。

表1 不同处理时间不同树种的增重率及增容率Tab.1 The weight gain rate and volume swelling rate of woods with different processing time

从表1可以看出，高分子蜡在不同树种中的渗透能力区别较大。柚木注蜡材的增重率最低，椴木的增重率最大，但柚木注蜡材的尺寸稳定性提高的幅度最大，椴木最小。说明对于柚木而言，高分子石蜡在试材中的渗透性较小，进入木材高分子合成蜡可以较好地分布在木材表面，有效阻止水分的进出，在椴木中高分子石蜡的渗透性较好，留在试材表面的石蜡相对柚木而言较少，分布情况较差。

2.4 理论模型的建立

由于木材的向异性，使得木材吸湿或解吸后，不同方向尺寸发生的改变不一样，其中弦向>径向>纵向[10]，所以了解弦向尺寸变化对实际生产的意义最大。现将得到的数据进行理论回归，得到不同树种在不同条件下吸湿过程中的尺寸变化图(图7)和尺寸变化理论模型。

各树种尺寸变化理论模型如下：

赤桦木：s=4.088-0.602τ-0.05τ2+0.014τ3+ 0.000 488τ4-0.000 116τ5，R2=0.9326

椴木：s=3.476-0.602τ-0.05τ2+0.014τ3+ 0.000 488τ4-0.000 116τ5，R2=0.932 0

榉木：s=4.644-0.602τ-0.05τ2+0.014τ3+ 0.000 488τ4-0.000 116τ5，R2=0.932 3

楸木：s=4.352-0.602τ-0.05τ2+0.014τ3+ 0.000 488τ4-0.000 116τ5，R2=0.932 3

桃花心木：s=5.600-0.602τ-0.05τ2+0.014τ3+ 0.000 488τ4-0.000 116τ5，

R2=0.9325

柚木：s=7.788-0.602τ-0.05τ2+0.014τ3+ 0.000 488τ4-0.000 116τ5，R2=0.932 1

式中：s表示湿胀率(%)。

从式中的相关系数可以看出，得到的模型能够用于模拟6种树种在不同条件下注蜡处理后的湿胀率，可以根据实际需要，选择适当的条件得到所需的尺寸稳定性，以节约能源，提高生产效率。

3 结 论

1) 注蜡技术可以显著提高木材的尺寸稳定性，与素材相比，注蜡材的尺寸稳定性显著提高，注蜡8 h与注蜡4 h的木材相比，湿胀率的减少量较小。

2) 不同树种间注蜡材尺寸稳定性提高的幅度有较大差别，柚木的尺寸稳定性改善效果最好，而椴木的改善效果相对较小。

3) 高分子合成蜡在不同树种间的渗透性差别很大，与石蜡在木材中增加的质量相比，其分布程度更加重要。

4) 注蜡处理对不同树种的处理效果差异明显，因此对于不同树种注蜡的最优工艺需要进一步研究。

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[9] 国家林业局. 木材湿胀性测定方法GB/T 1934.2—2009 [S]. 北京：中国标准出版社，2009.

[10] 刘一星, 赵广杰. 木质资源环境学[M]. 北京:中国林业出版社, 2007.

(责任编辑 曹 龙)

Influence of Paraffin-Oil Impregnation on Six Species of Tree Dimensional Stability

Guan Jian1, Lü Huan1, Cao Yonghong2,Yi Songlin1

(1 .College of Materials Science and Technology，Beijing Forestry University，Key Laboratory of Beijing for Wood Materials and Engineering, Beijing 100083, China；2. Yazhen Furniture Co.，LTD, Shanghai 200436, China)

With dimension of 20 mm×20 mm×20 mm, six species of tree (Betulaalbosinensis,Tiliaendochrysea,Zelkovaschneideriana,Catalpafargesiif.duclouxii,Swieteniamacrophylla,Tectonagrandis) were treated for 4 h and 8 h in order to explore the influence of paraffin-oil impregnation on woods dimensional stability. The results showed that, under the conditions of the same temperature and treatment time, the dimensional stability of treated wood was significantly better than untreated one. In moisture measurement, the line swelling rate of treated wood was 93.29% lower than the control group, the minimum can reach more than 45%; for different species, there were big differences in the dimensional stability among the treated wood.Tectonagrandisis the most suitable for this method.

paraffin-oil impregnation; tree species; dimensional stability

2015-03-19

林业公益性行业科研专项经费(201404502)资助。

伊松林(1970—)，男，教授，博士生导师。研究方向：木材干燥与改性。Email：ysonglin@126.com。

10.11929/j.issn.2095-1914.2015.05.015

S781. 62

A

2095-1914(2015)05-0083-05

第1作者：关健(1988—)，女，硕士生。研究方向：木材干燥与改性。Email：gjbjfu@126.com。