不同溶剂抽提对杉木声学振动性能的影响∗

武亚峰 黄文娟 赵紫剑 何正斌 伊松林

杉木[Cunninghamia lanceolata(Lamb.)Hook. ]是我国特有的速生材树种，分布较广，是我国重要的树种之一[1]。其生长速度较快，纹理通直，有香味，密度较小且具有良好的振动性能，因此被广泛应用于建筑、家具、乐器等[2]。杉木声学振动性能的好坏直接决定了其制作乐器质量的优劣。为了能够制作出优质的乐器，研究合理的工艺处理方法来提高杉木的声学振动特性则具有了非常现实的意义[3]。木材的抽提物可影响木材的声学振动性能，杉木抽提物丰富，因此研究不同溶剂抽提及抽提物化学成分对杉木声学振动性能的影响，可为杉木改性提供新的处理工艺和一定的理论基础[4]。

2010年，Kazuya Minato研究了尖叶饱食桑木抽提物对木材声学振动性能的影响。研究发现用尖叶饱食桑抽提物浸渍西加云杉试件，使得云杉试件的损耗角正切值得到下降，提升了云杉的声学振动性能[5]。2011年，Iris Bre'maud研究了非洲紫檀抽提物对声学振动特性的影响，非洲紫檀阻尼系数偏低，并且与比动弹性模量有关，抽提处理之后会增加阻尼系数。其中用甲醇每抽提13%抽提物（大约6%细胞壁抽提物），tanδ增加60%。因抽提物的抽出造成平衡含水率的变化也对tanδ有一定的影响[6]。2015年，沙汀鸥研究发现苯醇、1%NaOH、热水抽提物分别对水杉的对数衰减系数有显著性影响，且总体上对数衰减系数随抽提物含量的减少而减小[7]。2015年，Mehran Roohnia研究了不同抽提处理对枫木的声学振动性能的影响。研究表明枫木抽提有助于提高木材的声学性能，用乙醇/丙酮抽提相对于热水更有助于提高声学性能，但联合抽提会有更好的效果[8]。

综上，抽提物对木材的声学振动性能的影响因树种的不同而变化[9]，笔者主要研究不同溶剂抽提对杉木声学振动性能的影响，并分析杉木不同溶剂抽提物的主要化学成分，比较分析抽提物化学成分对杉木声学振动性能的影响，旨在为提高杉木的声学振动性能提供一定的理论基础。

1 试验材料与方法

1.1 材料

杉木，产于中国广西，试件为230 mm (长)×50 mm(宽)×3 mm (厚)的四面光试件，木材的初含水率介于8%～10%。木材试件为边材，且无开裂、腐朽、变色等可见缺陷。

1.2 仪器与设备

恒温鼓风干燥箱（DHG-9240A型）;索氏抽提器；烧杯；天平（精确至0.01g）；薄板木质材料力学性能检测分析仪；在线前处理气质联用仪（GPC-GCMS）。

1.3 方法

1）将30个试件平均分为3组，并在103℃的条件下烘至绝干，称重，得试件初始重量为M，初始密度为ρ；测量其振动性能，得初始试件的动态弹性模量为E'，对数衰减系数为δ；

2）将3组试件分别用冷水、二氯甲烷、苯醇（2∶1）（按照GB/T 2677.6—94《造纸原料有机溶剂抽出物含量的测定》）进行抽提处理，处理时间为48 h，收集抽提溶液进行GC-MS检测（其中对冷水抽提液进行浓缩、干燥，并用二氯甲烷萃取后再进行检测），将试件气干至含水率为8%～10%后103 ℃烘至绝干。称重，得试件最终重量为M'，最终密度为ρ'，并测量其振动性能，得试件的最终动态弹性模量为E"，最终对数衰减系数为δ'。

3）计算公式：

2 结果与分析

2.1 不同溶剂抽提对声学振动性能的影响

2.1.1 不同溶剂抽提对重量减少率的影响

图1 不同溶剂抽提与木材重量减少率的关系Fig.1 The relationship between different solvent extraction and wood weight lose rate

虽然水的极性较大，但从图1可以看出有机溶剂相对于无机溶剂（冷水）能够溶出杉木中更多的抽提物，其中，冷水抽提处理后，木材的平均重量减少率只有0.91%，而二氯甲烷和苯醇抽提处理后，木材的平均重量减少率分别达到了1.82%和1.78%。杉木抽提物中，有机溶剂抽提物如树脂酸、脂肪和萜类化合物等所占比例较多，而水溶性抽提物如糖类、单宁和无机盐类则相对含量较少[10]。

2.1.2 不同溶剂抽提对比动态弹性模量的影响

比动弹性模量（E'/ρ）是衡量木材声学振动性能的重要指标，代表了木材细胞壁动弹性模量在顺纹方向的平均值，从比动弹性模量的大小可以判断振动加速度的大小[11]。比动弹性模量越大的木材，即具有较大动态弹性模量（E'）和较小密度（ρ）的木材有更好的声学振动性能[12]。所以提高木材的比动弹性模量可以提高木材的声学振动性能[13]。

图2 不同抽提处理对比动态弹性模量的影响Fig.2 The relationship between different solvent extraction and the specific Young's modulus

由图2可以看出，杉木试件经过冷水抽提后，比动弹性模量出现了下降趋势，平均下降率为1.25%，说明冷水抽提物的存在有利于维持杉木较高的动态弹性模量；而试件经二氯甲烷和苯醇抽提处理后，杉木试件的比动弹性模量分别平均上升了2.91%和5.59%，说明二氯甲烷和乙醇抽提处理在降低了木材密度的同时，也一定程度地提高了杉木的动态弹性模量值。由此可见，有机溶剂抽提物在杉木中的存在降低了杉木的弹性模量值，而有机溶剂抽提处理可以有效提高杉木的比动态弹性模量值，其中苯醇抽提改善比动弹性模量效果较好。

2.1.3 不同溶剂抽提对对数衰减系数的影响

图3 不同抽提处理对对数衰减系数的影响Fig.3 The relationship between different solvent extraction and the logarithmic decrement coefficients

木材在受瞬时冲击力产生横向振动，或在受迫振动过程中突然中止外部激振力，随着时间的变化，木材振动能量逐渐减小、消失，振幅逐渐降低，直至处于静止状态。原因在于能量在振动过程中被消耗而衰减[14]。

木材的振动能量消耗衰减分成两个部分：内摩擦衰减（克服木材内部分子间摩擦和与界面的摩擦，动能转变为热能被消耗）和声辐射衰减（以声波的形式向空气中辐射能量克服空气阻力）[15]。木材因内摩擦损耗所引起的能量损耗用对数衰减系数δ来表示，δ=lnA1/lnA2，其中A1、A2为两个连续振动周期的振幅。声振动衰减系数越小，木材振动能量损失越小，振动效率越高，乐音越饱满宏亮[16]，即对数衰减系数δ越小，木材的声学振动性能越好[17]。

图3为不同溶剂抽提处理后杉木的对数衰减系数的变化率，杉木经过冷水抽提后，其对数衰减系数δ出现了轻微的上升趋势，平均上升率为4.28%，而经二氯甲烷和苯醇抽提后，杉木的对数衰减系数出现了下降，平均下降率分别为13.05%和13.73%，由此说明，冷水（极性较大的溶剂）抽提或能破坏细胞壁的结构，造成杉木的机械性能轻微下降，故对数衰减系数出现轻微提升[5]。而有机溶剂抽提物一般存在于细胞腔中，其存在则消耗了杉木在振动过程中的能量，有机溶剂抽提物的抽出，有效地降低了杉木在振动过程中的能量损失，提高了杉木的声学振动性能。

2.2 抽提物减少率与声学振动性能变化率的关系

2.2.1 抽提物减少率对动态弹性模量变化率的影响

木材的抽提物对木材的声学振动性能有一定的影响，且存在着一定的联系[18]。因此找到抽提物含量变化与木材的声学振动性能变化间的关系具有很重要的研究意义。

图4 水抽提物减少率ΔM水与动态弹性模量变化率ΔE'水的关系Fig.4 The relationship between ΔM water andΔE'water

图5 二氯甲烷抽提物减少率ΔM二氯甲烷与动态弹性模量变化率ΔE'二氯甲烷的关系Fig.5 The relationship betweenΔM dichloromethane and ΔE' dichloromethane

图6 苯醇抽提物减少率ΔM苯醇与动态弹性模量变化率ΔE'苯醇的关系Fig.6 The relationship between ΔM benzene-ethanol and ΔE' benzene-ethanol

图4 可以看出动态弹性模量随着水抽提物的减少而降低，且变化率绝对值随着水抽提物减少率的增加而增大，而图5和图6则显示了动态弹性模量的增加率随着二氯甲烷和苯醇抽提物减少率的增加而增大，且苯醇抽提物减少率对动态弹性模量的增加率影响较大。

2.2.2 抽提物减少率对对数衰减系数变化率的影响

图7 水抽提物减少率ΔM水与对数衰减系数变化率Δδ水的关系Fig.7 The relationship between ΔM water and Δδ water

图7 可看出，对数衰减系数变化率随着水抽提物减少率的增加而增加，而图8和图9显示对数衰减系数变化率绝对值随着二氯甲烷和苯醇抽提物减少率的增加而增大，且通过对图8和图9趋势线斜率的计算表明：L二氯甲烷=-4.23，L苯醇=-5.99。故表明苯醇抽提物减少率对对数衰减系数减少率影响较大。说明有机溶剂的抽出有利于杉木声学振动性能的提高，而冷水抽提物的抽出则会降低杉木的声学振动性能。

图8 二氯甲烷抽提物减少率ΔM二氯甲烷与对数衰减系数变化率Δδ二氯甲烷的关系Fig.8 The relationship between ΔM dichloromethane and Δδ dichloromethane

图9 苯醇抽提物减少率ΔM苯醇与对数衰减系数变化率Δδ苯醇的关系Fig.9 The relationship between ΔM benzene-ethanol and Δδ benzene-ethanol

综上，杉木的抽提物对声学振动性能有一定的影响，且存在着一定的数值变化关系，其中水抽提物与苯醇抽提物对杉木试件的动态弹性模量影响较大，三种溶剂抽提均对杉木试件的对数衰减系数影响较大，苯醇抽提物的抽出可以更大程度地提高杉木试件的声学振动性能。

2.3 抽提物的成分与振动性能的关系

表1所列为不同抽提物化合物种类相对含量（部分），从表中可以看出苯醇和二氯甲烷抽提物的主要成分较为相似，主要为萜烯类、醇类以及酸类化合物，其中苯醇抽提物萜烯类化合物和醇类化合物相对于二氯甲烷抽提物的含量较多，而酸类化合物则在二氯甲烷抽提物中含量较多。二氯甲烷和苯醇抽提对杉木的声学振动性能有相同的影响，说明萜烯类、醇类和酸类化合物的抽出有利于杉木振动性能的提高，而当抽提物含量相同时，苯醇抽提能够更大程度地提高杉木的声学振动性能，尤其能够更大程度地提高杉木的动态弹性模量。由此可以推断出，萜烯类和醇类化合物对杉木的声学振动性能尤其是动态弹性模量影响较大，萜烯类和醇类化合物的抽出能更有效地改善杉木的声学振动性能。二氯甲烷和苯醇抽提对杉木的对数衰减系数的影响几乎相同，所以萜烯类、醇类以及酸类化合物对杉木振动能量的消耗均有正面影响，这类化合物的抽出可以有效地降低杉木振动过程中能量的消耗，延长其自由振动时间。

表1 不同抽提物化合物种类相对含量（部分）Tab.1 The relative contents of different extract of compound types (partial)

表1还可以看出杉木的冷水抽提物以烃类、菲类和酯类化合物为主，水抽提处理后，杉木的动态弹性模量出现了下降，对数衰减系数出现了上升趋势。这也说明烃类、菲类等化合物对杉木的振动性能有促进作用，这些物质的抽出降低了杉木的动态弹性模量且提高了杉木的对数衰减系数，这主要是因为水的极性较高，在冷水浸泡抽提的过程中可能会抽出少量杉木的细胞壁中固定细胞壁结构的物质[6]。所以，杉木的抽提改性溶剂应选用有机溶剂，其中苯醇为较好的有机改性溶剂。

3 结论

1）冷水抽提后，杉木的平均失重率为0.91%，平均比动弹性模量降低了1.25%，平均对数衰减系数提高了4.28%，说明冷水抽提处理一定程度地降低了杉木的声学振动性能。

2）二氯甲烷和苯醇抽提后，杉木的平均失重率分别为1.82%和1.78%，平均比动弹性模量分别提高了2.91%和5.59%，平均对数衰减系数分别降低了13.05%和13.73%，有机溶剂抽提处理对杉木的声学振动性能有提升作用，且苯醇抽提处理效果较好。

3）杉木经过抽提处理后，抽提物减少率与其振动性能的变化率存在一定的线性关系，其中冷水抽提物减少越多振动性能越差，冷水抽提物对动态弹性模量影响较大；有机溶剂抽提物减少越多，声学振动性能越好，苯醇抽提物对对数衰减系数影响较大。

4）抽提物中萜烯类、醇类和酸类化合物的抽出可以改善杉木的声学振动性能，其中以萜烯类化合物的抽出效果最好；而烃类、菲类和脂类化合物等抽提物的抽出则不利于杉木声学振动性能的提高。

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