预处理方式对黑胡桃木干缩湿胀特性的影响

魏 路，孙照斌 ，陈凤义 ，邵利英，马淑玲，相广东

（1.南京林业大学 家具与工业设计学院，江苏 南京 210037；2.河北农业大学 林学院，河北 保定 071000；3.廊坊华日家具股份有限公司，河北 廊坊 065001）

干缩与湿胀是木材本身固有的特性，木材的干缩湿胀特性与其内含物的种类、含量有很多联系，内含物的存在不仅影响木材的干燥周期，还影响干燥质量，导致木材变形和开裂，影响木材拼接质量[1]。美国黑胡桃木Juglansspp.（英文名为black walnut）的材色和材性较好，目前主要用作家具、箱柜、地板和室内装饰等，其木材和制品深受国人喜爱。在生产实践中，发现黑胡桃木干燥困难，干燥周期长，干燥过程中有深色物质析出。有研究表明，木材抽提物含量对木材干缩湿胀有一定影响[2-3]，采用各种木材预处理措施可以改善木材的某些性质和加工工艺[4-5]。本文通过冷水处理，热水处理，苯醇处理，1%NaoH处理和汽蒸处理等5种处理方式对黑胡桃木进行预处理，探究预处理对其干缩湿胀的影响，旨在为黑胡桃木的加工利用提供有益参考。

1 材料与方法

1.1 材 料

所取的板材为美国进口黑胡桃木(具体产地不明），取自河北廊坊华日家具股份有限公司。黑胡桃木板材长2 000mm，宽150mm，厚25mm，初含水率均大于30%。测得黑胡桃木气干密度是0.69 g/cm3，绝干密度是0.63 g/cm3。

1.2 实验仪器

尼康生物显微镜(Nikon80i)，游标卡尺，精度0.01mm，天平，精度0.001 g，烘箱，玻璃干燥器和称量瓶。恒温水浴（温度范围：室温～100 ℃可调），具有可以调节温度23±2 ℃的恒温装置，恒温烘箱，30 mL的玻璃滤器（1 G2），锥形瓶，冷凝管。

1.3 实验方法

1.3.1 解剖结构的观察

木材切片制作方法按国家标准GB/T29894-2013《木材鉴别方法通则》[6]执行。切片制作后放在尼康生物显微镜(Nikon80i)上进行观察。

1.3.2 抽提物含量的测定

冷水抽出物含量的测定依据GB/T 2677.4-93[7]，热水抽出物含量的测定依据GB/T 2677.4-93[7]，苯醇抽出物含量的测定依据GB/T 2677.6-94[8]，1% NaoH抽出物含量的测定依据GB/T 2677.5-93[7]。

1.3.3 温湿度控制方法

在干燥器内，配制20℃下亚硝酸钠的饱和盐溶液，营造相对湿度为(65±5)%的环境。配制20℃下氯化钾和氯化镁的饱和盐溶液各500 mL，用来营造86%和33%的相对湿度环境，干燥器置于可恒温的调温箱内。

1.3.4 抽提预处理方法

本实验选取了黑胡桃试件360个，试样尺寸为20mm×20mm×20mm。分别进行编号和标示，其中A组试件不作处理；B组试件用热水处理3 h，浴比为20；C组试件用冷水处理24 h，浴比为20；D组4件用1%氢氧化钠处理1 h，浴比为20；E组试件用2:1的苯醇处理3 h，浴比为20；F组试件用蒸汽处理3 h[9]。

1.3.5 干缩湿胀实验方法

①在温度为(20±2) ℃，相对湿度为(65±5)%条件下对所有试件进行调质处理至质量恒定[10]。②测量各试件的尺寸和质量，并把试件分成两组。③一组试件置于试验条件为：温度(20±2) ℃，相对湿度(30±5)%。二组试件置于试验条件为：温度(20±2) ℃，相对湿度(85±5)%。④隔24、48、96小时抽样称质量，直至平衡。⑤按规定的方法测量试样平衡时的尺寸和质量，并目测检查试样的状态[11]。⑥平衡后一组试件置于烘箱中，开始温度60℃保持6 h，然后按GB/T1931-2009中的规定烘干，另一组试件按GB/T1931-2009中的规定进行吸湿处理。⑦隔24、48、96小时抽样称质量，直至平衡，并测出各试样全干时和吸水饱和时的质量和径向、弦向、纵向尺寸。⑧具体数据处理、计算方法参照木材干燥学[12]教材。

1.3.6 吸湿解吸实验方法

①试材锯解和试样截取按GB/T 1929-2009第3章的规定进行[13]。②在温度为(20±2) ℃，相对湿度为(65±5)%条件下对所有试件进行调质处理至质量恒定[14]。③测量各试件的尺寸和质量，并把试件分成两组。④一组编号试件置于试验条件A：温度(20±2) ℃，相对湿度(30±5)%。二组编号试件置于试验条件B：温度(20±2) ℃，相对湿度(85±5)%。将盛放两组试件的干燥器放于同一个维持20℃的恒温箱内。⑤隔24、48、96 h抽样称质量，直至平衡后取出。⑥按规定的方法测量试样尺寸和质量，并目测检查试样的状态[15]。⑦具体数据处理、计算方法参照木材干燥学[12]教材。

2 结果与分析

2.1 美国黑胡桃木构造特性

图1为黑胡桃木3个切面解剖结构观察图。由图1可知，黑胡桃木为半环孔材，管孔圆形及椭圆形，部分导管内具侵填体，散生或斜列，单管孔及短径列复管孔2～5个。单穿孔，管间纹孔式互列，含树胶。环管管胞位于早材导管周围。轴向薄壁组织为离管带状（通常1列），少数星散-聚合状，及环管状与星散状，含树胶，菱形晶体常见。木纤维壁薄。木射线非叠生，射线组织同形单列及多列，单列射线，高1～20个细胞，多列射线高5～17个细胞，射线细胞含树胶，晶体未见，端壁节状加厚及水平壁纹孔明显。无树胶道。

图1 美国黑胡桃木微观构造Fig.1 American black walnut microcosmic structure diagram

从上述对于黑胡桃木微观构造显示图可知，黑胡桃木中含有较多的树胶及内含物，而树胶与抽提物对于木材中水分移动具有一定影响[2]，进而影响木材的干燥速度。

2.2 抽提物含量

分别用冷水抽提，热水抽提，苯醇抽提和1%NaOH抽提4种方法对黑胡桃进行抽提，得出抽提物含量与4种其它木材对比如表1所示。

表1 黑胡桃抽提含量和其他四种木材抽提含量对比[16]（占绝干材重量%）†Table 1 Extraction content comparison of black walnut and other four kinds of timber

由表1可知，采用不同提取方式的抽提物含量从大到小关系依次是：NaOH抽提方式、热水抽提方式、冷水抽提方式、苯醇抽提方式。这与王金满[16]在对红松、兴安落叶松、白桦、山栎进行所得出的四种木材抽提含量从大到小关系：NaOH抽提方式、苯醇抽提方式、热水抽提方式、冷水抽提方式基本相符；并且从此表1中还可以看出，黑胡桃木抽提物含量明显高于阔叶材白桦，与针叶材兴安落叶松接近。

相对于日常常见的4种木材，黑胡桃木的抽提物含量较高。这与在对其微观构造图分析中导管内具侵填体，以及含有比较多的胶体相吻合，在相关企业中出现的黑胡桃木在干燥的过程中出现的冒黑色物质的问题，与其抽提物的含量高有密切的关系。在高温高湿的干燥初始阶段，部分黑胡桃抽提物被抽提出来，从木材内部迁移到木材表面。

2.3 干缩性能

（1) RH65%→RH33%不同预处理对黑胡桃干缩性能影响

从RH65%→RH33%，不同预处理对黑胡桃木干缩性能的影响，如图2所示。

图2 RH65%→RH33%不同预处理对黑胡桃干缩性能的影响Fig.2 RH65% → RH33% different pretreatment on the black walnut drying shrinkage performance influence diagram

由图2可知：①在径向上，黑胡桃木在5种预处理条件下，干缩率分别为：0.59%、0.87%、0.83%、0.55%、0.84%。5种处理材的干缩率相差不大，冷水处理黑胡桃木的干缩率较高于另外4种处理材的干缩率。②在弦向上，黑胡桃木在5种预处理条件下，干缩率分别为：0.57%、1.02%、0.59%、0.64%、1.13%。蒸汽处理黑胡桃木的干缩率较高于另外4种处理材的干缩率。冷水处理的干缩率大约是氢氧化钠处理的干缩率的2倍。③体积上，黑胡桃木在5种预处理条件下，干缩率分别为：3.24%、1.89%、2.95%、2.72%、3.53%。蒸汽处理黑胡桃木的干缩率显著高于另外4种处理材的干缩率。④在5种预处理下，对黑胡桃木径向干缩率影响最小。⑤蒸汽处理过的黑胡桃木的干缩率最大，热水处理的黑胡桃干缩率最小，苯醇处理过的黑胡桃的干缩率居中。⑥处理过的黑胡桃木干缩性能比未处理材的好。

从RH33%→绝干，不同预处理对黑胡桃木干缩性能的影响，如图3所示。

图3 RH33%→绝干不同预处理对黑胡桃干缩性能的影响Fig.3 RH33% to oven dry different pretreatment on the black walnut drying shrinkage performance influence diagram

由图3可知：①在径向上，黑胡桃木在5种预处理条件下，干缩率分别为：1.37%、1.61%、3.00%、1.54%、1.48%。氢氧化钠处理的黑胡桃木的干缩率显著高于另外4种处理材的干缩率，氢氧化钠处理的约是未处理的2倍。②在弦向上，黑胡桃木在5种预处理条件下，干缩率分别为：1.79%、1.84%、1.97%、2.06%、1.90%。未处理的黑胡桃的干缩率较高于另外5种处理材的干缩率。③体积上，黑胡桃木在5种预处理条件下，干缩率分别为：1.95%、3.77%、5.38%、2.63%、2.10%。氢氧化钠处理的黑胡桃的干缩率显著高于另外4种处理材的干缩率。氢氧化钠处理的约是未处理的2倍。④在5种预处理条件下，对黑胡桃径向干缩率影响最小。⑤氢氧化钠处理过的黑胡桃的干缩率最大，热水处理的黑胡桃干缩率最小。⑥处理过的黑胡桃木干缩性能比未处理材的好。

2.4 湿胀性能

（1）RH65%→RH86%不同预处理对黑胡桃湿胀性能影响

从RH65%→RH86%，不同预处理对黑胡桃木湿胀性能的影响（如图4所示）。

由图4可知：①在径向上，黑胡桃木在五种预处理条件下，湿胀率分别为：0.81%、0.67%、1.07%、0.86%、0.27%。氢氧化钠处理过的黑胡桃木的湿胀率显著高于另外四种处理材的湿胀率，氢氧化钠处理过的黑胡桃木的湿胀率约是蒸汽处理的4倍。②在弦向上，黑胡桃木在五种预处理条件下，湿胀率分别为：1.09%、0.82%、1.81%、0.85%、0.58%。被氢氧化钠处理过的黑胡桃木的湿胀率高于另外四种处理材的湿胀率，被热水处理过的黑胡桃木的湿胀率约是蒸汽处理的2倍。③体积上，黑胡桃木在五种预处理条件下，湿胀率分别为：0.27%、1.63%、3.14%、1.68%、0.71%。被氢氧化钠处理过的黑胡桃木的湿胀率显著高于另外四种处理材的湿胀率，被氢氧化钠处理过的黑胡桃木的湿胀率约是热水处理的10倍。④在5种预处理下，对黑胡桃木径向湿胀率影响最小。⑤氢氧化钠处理对黑胡桃木湿胀率影响最大，未处理对黑胡桃木湿胀率影响最小，冷水处理对黑胡桃木影响居中。

（2）RH86%→饱水不同预处理对黑胡桃湿胀性能影响

从RH86%→饱水，不同预处理对黑胡桃木湿胀性能的影响（如图5所示）。

由图5可知：①在径向上，黑胡桃木在5种预处理条件下，湿胀率分别是2.07%、4.78%、4.46%、1.96%、1.82%。冷水处理过的黑胡桃木的湿胀率高于另外4种处理材的湿胀率。②在弦向上，黑胡桃木在5种预处理条件下，湿胀率分别是2.97%、3.26%、5.69%、3.32%、3.12。被氢氧化钠处理过的黑胡桃木的湿胀率高于另外4种处理材的湿胀率。③体积上，黑胡桃木在5种预处理条件下，湿胀率分别是7.07%、9.71%、10.93%、6.08%、5.44%。被氢氧化钠处理过的黑胡桃木的湿胀率高于另外4种处理材的湿胀率。④在5种预处理下，对黑胡桃木径向湿胀率影响最小。⑤氢氧化钠处理对黑胡桃木湿胀率影响最大，汽蒸处理对黑胡桃木湿胀率影响最小，热水处理对黑胡桃木影响居中。

(2)滤饼外在水分为25.80%，脱水率达82.98%，滤饼中所含水量仅是入料水量的17.02%。这与使用80网目单丝滤布有关，因为滤布的孔隙较大，过滤阻力减小，所以该厂还将压滤机入料压力控制在0.45 MPa水平。

图4 RH65%→RH86%不同预处理对黑胡桃湿胀性能的影响Fig.4 RH65%→ RH86% different pretreatment of black walnut is wet bilge performance influence diagram

图5 RH86%→饱水不同预处理对黑胡桃湿胀性能的影响Fig.5 RH86% →饱水 different pretreatment of black walnut is wet bilge performance influence diagram

2.5 解吸与吸湿性能

（1）RH65%→RH33%不同预处理对黑胡桃解吸性能影响

从图6可看出：4种大小的试件解吸率刚开始都是快速的上升，之后呈波动的上升的趋势。在解吸过程中，每种不同对于黑胡桃的处理方式与刚开始的含水率基本一致。

解吸率最大为未处理的黑胡桃，其数值为5.08%，最小为苯醇抽处理，其数值为2.93%。他们的解吸率关系为未处理＞蒸汽处理＞NaOH处理＞热水处理＞冷水处理＞苯醇处理。黑胡桃不同处理方式试件都是在48 h至96 h这个时间段内吸湿曲线的斜率最大，说明在此时间段内吸湿最快。4种木材小试件在360 h后基本都达到了吸湿平衡，说明吸湿速率不受处理方式以及处理未处理的影响。

（2）RH65%→RH86%不同预处理对黑胡桃吸湿性能影响

从图7可看出：不同处理方式的试件吸湿率在96 h之前都是缓慢的上升，之后呈波动的上升的趋势，而后在360 h后又呈现平缓的上升的趋势。且在吸湿过程中，每种不同对于黑胡桃的处理方式与刚开始的含水率基本一致。

吸湿率最大为NaOH处理黑胡桃木，其数值为4.51%，最小的为未处理黑胡桃木，其数值为2.70%。他们的吸湿率关系为未处理＞NaOH处理＞冷水处理未处理＞热水处理＞苯醇处理＞蒸汽处理。黑胡桃不同处理方式试件都是在96 h以后波动性开始变大，说明在此时间段内其内部构造的差异性导致他们吸湿性不同。4种木材小试件在408h后基本都达到了吸湿平衡，说明吸湿速率不受处理方式以及处理与否的影响。

图6 RH65%→RH33%不同预处理对黑胡桃解吸性能的影响Fig.6 RH65%→RH33% different pretreatment of black walnut desorption performance impact

图7 RH65%→RH86%不同预处理对黑胡桃吸湿性能的影响Fig.7 RH65%→RH86% different pretreatment effect on black walnut hygroscopicity

2.6 结果分析

不同的预处理对黑胡桃木的干缩湿胀特性有不同的影响。未处理试件干缩率和湿胀率都大于各种预处理试件。抽提物成分是引起木材干缩湿胀一个重要的原因，抽提物含量多，木材的渗透性就差，干缩湿胀现象也就越明显，当木材抽提物在冷水、热水或碱中被抽提出来后木材的干缩湿胀性会明显降低[16]。

冷水预处理抽提出黑胡桃中的抽提物（一般包含单宁、色素、生物碱、可溶性矿物成分及某些单糖）[17]相对较少；热水预处理时，抽提物除含有冷水抽提物成分外,还包含有淀粉和果胶质；碱处理也可以抽提出其包含的大部分抽提物；苯醇处理试件，抽提的成份除脂肪酸和树脂酸外，还有酚类化合物；汽蒸处理的试件，挥发性成分—萜烯类物质随蒸汽逸出材面，降低抽提物的含量。因此木材经预处理后，其抽提物含量下降，导致了其干缩湿胀率降低。

预处理对木材结构特性也有影响。热水预处理时，木材主要成分的纤维素和半纤维素发生水解或降解程度越深,使木材表面的极性增强,不利于控制黑胡桃干缩性。氢氧化钠处理的试件，木材中的亲水基团(O-H、C=O、N-H、N=O、C-O)具有减少的趋势,与水分子的最高配位数降低[9]。苯醇处理的试件，纹孔膜上的结壳物质大为减少，塞缘上的微纤丝明显地显露出来，从而有效地增大了纹孔膜上微孔的孔径[18]，为木材中的流体传导提供了通路，水分更容易排出。汽蒸处理的试件，有一部分半纤维素由于汽蒸的作用造成水解，半纤维素是一种吸湿性较强的物质[19]。故预处理对于黑胡桃中抽提物、木材中的亲水基团以及纹孔膜的上微孔的孔径等改变直接影响木材干缩性质。

3 结论与讨论

美国黑胡桃木为半环孔材，管孔圆形及椭圆形，部分导管内具侵填体构造特性。

黑胡桃不同抽提方式所得抽提物含量不同，其含量由大到小依次为为NaOH抽提、热水抽提、冷水抽提、苯醇抽提。黑胡桃木抽提物含量明显高于阔叶材白桦，与针叶材兴安落叶松接近。

其干缩性、湿胀性、解析吸湿不同阶段其干缩率大小不同。但其整体趋势与黑胡桃的抽提物含量大小基本相符。

木材干缩湿胀性质，不仅仅受一种因素影响。它是由多种因素相互作用决定的，且预处理对于黑胡桃中抽提物、木材中的亲水基团以及纹孔膜的上微孔的孔径等改变直接影响木材干缩湿胀性质。

5种预处理方式对木材干缩湿胀影响程度不同，热水预处理可显著降低黑胡桃木干缩湿胀，是一种较好预处理方式。

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