不同处理方法改善桉木渗透性研究∗

覃引鸾 卢翠香 李建章 莫引优

（1.北京林业大学，北京 100083； 2.广西生态工程职业技术学院，柳州 545004；3.广西林业科学院，南宁 530002； 4.广西林业勘测设计院，南宁 530000）

桉树是广西最主要的人工林树种，其种植面积达到200多万 hm2。2018年广西木材产量达到3 100万 m3，其中桉树木材产量占70%左右。桉树木材产业已经成为广西第9个超千亿元产业[1-2]。桉树生长快，木材密度高（可达0.45～0.58 g/cm3），材质细致、纹理美丽，但存在易开裂、变形、加工性和耐腐性差等缺点，严重制约了桉木利用。速生材的改性处理成为其高效利用重要环节，而速生木材的渗透性直接影响到改性处理效果。

Siau[3]指出不同树种木材的渗透性变化较大，不同木材解剖构造对渗透性影响极大。Stamm[4]指出木材纹孔膜上小孔尺寸对纵向渗透性起主要决定作用。Bonner[5]认为导管间纹孔膜上的空隙是木材渗透性良好的主要原因。此外，半具缘纹孔和单纹孔对木材的横向渗透性具有一定的影响[6-8]。木材中有效纹孔膜的微孔多且大，其渗透性好；此外，木材中无定形物、树胶/浸填体等影响其渗透性[9-10]。同种木材横向渗透性小于纵向渗透性[11]；心材渗透性小于边材[12]；横向渗透中，弦径向渗透性、早晚材渗透性因树种不同而存在差异[13]。

学者们对木材渗透性改善方法进行了深入探究。杨琳[14]采用不同微波功率和时间处理落叶松，发现微波处理通过破坏细胞壁上薄弱位置，形成了流体通道，使落叶松渗透性得到改善，且不改变木材的力学性能。吕建雄等[15]用酒精对长白鱼鳞云杉心、边材和臭冷杉生材进行置换处理，结果表明：置换材平均渗透性比普通气干材提高101.5倍。置换处理使得木材纹孔保持了生材时的状态，同时溶解部分抽提物。

从20世纪90年代开始，国内外采用微波技术、蒸汽、爆破技术等处理桉木，对桉木微观构造和渗透性研究[16-20]发现，桉木渗透性均得到改善，其原理可归纳为通过上述方法处理，桉木内部水分汽化或是空气压力增大，对纹孔膜等薄弱部位产生冲击，形成裂隙，木材微观结构被破坏，从而提高木材透气性。

卢翠香[21]对桉树的木材结构、木材抽提物等对其渗透性的影响进行研究，发现桉木的导管是液体轴向流通通道，流体通过导管并经末端穿孔板与相连的导管相流通，桉树导管中含有较多侵填体和抽提物，阻碍导管的轴向流通通道，这些都是影响其渗透性的主要因素。本文在总结前人研究的基础上，采用简单工艺处理桉木，测试桉木渗透性，揭示不同处理对桉木渗透性能影响，为桉木改性利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

尾叶桉（Eucalyptus urophyllaS.T.Blake）采自广西国有三门江林场。经气干后，试样制取参考文献[22]中方法锯取，除去开裂、节疤等缺陷。由髓心向边材制取试件，试件尺寸为11 mm（径向）×11 mm（弦向）×11 mm（纵向），无毛刺，从髓心至边材共7个编号（2,4,5,6,7，编号数字越小越靠近心材，其中1,3号试样本研究未用），包括对照材在内共21组，每组10块试材。乙醇和苯采购于北京化工厂。尿素，分析纯（纯度99.9%），购于西陇科学股份有限公司。

1.2 设备

水上升水置换法测量木材渗透性的试验装置，自制；FA2004B电子天平（0.000 1g），上海精科天美科学仪器有限公司；101-2AB型电热鼓风干燥箱，天津市泰斯特仪器有限公司。电子显微镜(ZeissEVO18SEM，德国);光学显微镜(NOVELDN-10, 中国)。四口烧瓶（1 000 mL），四川蜀玻（集团）有限责任公司。

1.3 试验方法

1.3.1 苯-乙醇抽提

将试样放入盛有苯-乙醇混合液（体积比为2：1）的烧杯内浸泡10 d（液体没过试样表面）。然后取出放入鼓风干燥箱内，在(103±2) ℃条件下干燥8 h，测定质量和尺寸。

1.3.2 真空处理

将试样放入真空罐内，抽真空15 min（真空度0.095 MPa），大气压30 min。重复以上步骤3次。

1.3.3 尿素浸渍

将试样放入浓度为10%、20%、30%的尿素水溶液中常压浸渍36 h（室温），然后测定试样质量和尺寸。

1.4 木材渗透性测定

采用水上升容积置换法测定上述3种处理试样的渗透性。用橡胶管包裹住木材，木材被包裹住的两面紧贴橡胶管，确保只有不被包住那个方向通气。打开水上升容积置换装置，抽真空，在试件两端形成一定的压力差（P1-P2），在此压力差作用下，封闭系统内的空气便通过试件进行流动，完成渗透过程，当封闭系统内空气逐渐减少时，引起另一侧置换管内水位上升h，同时通过水银压力计测出试件两端的压力差ΔPm。采用文献[22]中的方法计算渗透性。

1.5 处理材SEM观察

先用锋利小刀将木材表面切削平滑，再利用扫描电子显微镜对桉木弦切面进行观测，加速电压为10～15 kV。

1.6 光学显微镜

在木材试样上切取约35 μm的切片，用1%的番红水溶液染色后，在不同酒精浓度下脱水，制成永久玻片。在光学显微镜下对玻片进行观察和拍照，记录其微观特征。

2 结果与分析

2.1 有机溶剂处理材气体渗透性

处理桉木（木材平均含水率为6.41%）和对照材（平均含水率7.16%）气体渗透性比较结果见表1。

从表1可知，经苯-乙醇溶液浸泡抽提后的桉木渗透性略有提高，2号试材径向渗透性从对照材的6.01×10-5cm3/(cm.Pa.s)提高至6.18×10-5cm3/(cm.Pa.s)，弦向从5.79×10-5cm3/(cm.Pa.s)提高至6.00×10-5cm3/(cm.Pa.s)，处理材渗透性最大提高幅度为4%。靠近心材部位的木材比边材渗透性改善效果略好，6号径向从对照材的6.35×10-5cm3/(cm.Pa.s)提高至6.46×10-5cm3/(cm.Pa.s)，渗透性明显比2号试材提升幅度小。其结果可能与桉木本身含有的树脂有关，有机溶剂可溶解部分侵填体/树胶，减少木材细胞壁被侵填体/树胶堵塞[23]，从而增加或是改善木材流体渗透通道，达到改善渗透性的作用。王金满[24]用苯-乙醇抽提红松、兴安落叶松，其纹孔膜上结壳物质大幅度减少，塞缘上微纤丝明显显露，增大了流体渗透孔径，使木材渗透性得到改善。李凯夫[25]用碱抽提、热水抽提和冷水抽提尾巨桉，发现尾巨桉木材干缩性的各向异性降低，从侧面证明抽提对桉木渗透性的影响。

表1 有机溶剂和真空处理材桉木的气体渗透性Tab.1 Eucalyptus air permeability with organic solvents and vacuum treatment methods

从图1可知，桉木细胞中含有树脂和侵填体。本研究中桉木经有机溶剂浸提后，木材渗透性改善效果不明显，可能由于木材本身所含的侵填体/树胶少，或是木材所含侵填体/树胶不溶或较少溶于苯-乙醇溶液所致。从径向、弦向和纵向上看，经有机溶剂浸提后，木材径向渗透性均得到提高，而弦向和纵向均降低。

图1 桉木（对照材）横切面和弦切面Fig.1 Microstructures of eucalyptus cross section and tangential section

与对照材相同，处理材的纵向渗透性均大于横向渗透性。因为木材中细胞绝大多数纵向排列，流体沿着导管、纤维等细胞纵向流动时，遇到的阻力主要是细胞间穿孔，尾叶桉导管间穿孔为单穿孔，对流体的阻力较小；而流体横向流动时，主要的流体以木射线、细胞间纹孔为通道，阻力大于纵向，因此流体沿着纵向移动时遇到的阻力小于横向。横向渗透受纹孔结构、分布以及状态，木射线的渗透程度和数量等多种因素的影响。

从表1可知，径、弦向渗透性差异很小。从图2桉木的微观结构可以看出，桉木导管壁上的纹孔虽多，但其纹孔多为附物纹孔，纹孔上的微孔小，使得纹孔大致处于半关闭状态，进而造成桉木径向和弦向渗透性差别不大。

从表1中可以看出，苯-乙醇处理的部分试材的渗透性小于未处理材，处理2号试材纵向渗透性较未处理材小0.13×10-5cm3/(cm.Pa.s)，4、6号试材的弦向和纵向也出现了类似的情况。根据文献[22]中有关赤桉的渗透性研究，认为含水率减小，木材内的流体流通途径增加，渗透性增大；但毛细管张力变大，使得流体流动受阻，渗透性减小。本研究中的处理桉木的木材平均含水率为6.41%和对照材为7.16%，受毛细管张力的影响，处理材的渗透性减小。在文献[15]中出现了苯醇浸提处理后云杉和冷杉渗透性分别比未处理材小29.61%和25.82%。

图2 桉木弦切面微观构造图Fig.2 Microstructures of eucalyptus tangential section

2.2 真空处理材渗透性

采用真空-大气压处理，仿蒸汽-爆破/真空蒸汽处理木材，研究其处理后木材的气体渗透性。桉木处理材（木材平均含水率为4.35%）和对照材（平均含水率7.16%）渗透性比较结果见表1。由表可知，经真空处理后的桉木渗透性略有提高，5号试材径向从对照材6.58×10-5cm3/(cm.Pa.s)提高至6.91×10-5cm3/(cm.Pa.s)，纵向从6.99×10-5cm3/(cm.Pa.s)提高至7.26×10-5cm3/(cm.Pa.s)，处理材渗透性较未处理材提高了5%，提升幅度不大，渗透性改善效果不明显；径向渗透性改性效果优于弦向、纵向，2号处理材径向与弦向的渗透性均比对照材提高，纵向渗透性降低。江涛[26]采用微波处理落叶松，吸水增重率提高，含水率越高处理材的渗透性越好。在高强度微波场中，落叶松木材细胞内的水分迅速汽化，产生蒸汽压力，突增的蒸汽压力使纹孔膜产生细微破裂，从而使得落叶松木材渗透性增强。本研究中处理材渗透性提高不大原因可能在于：1）在常温下，木材含水率较低，在真空时木材内部水分少，不能如微波或是蒸汽处理时形成大蒸汽压力，因此无法破坏木材组织，形成流体渗透通道；2）大气压压力低，木材薄弱组织的细胞无法被低压力的气体破坏；3）桉木木材本身结构致密，细胞壁厚度较大，大气压形成的压力无法破坏木材构造形成流体通道。

2.3 尿素溶液处理材渗透性

采用不同浓度的尿素溶液处理木材并研究其渗透性。其结果如图3、4、5所示。对照材平均含水率41.63%，尿素处理材平均含水率42.23%。从图中所知，经尿素溶液处理后，木材渗透性均有不同程度的提高，渗透性提高范围为18.91%～41.41%。按照文献[27]分析，由于碱性溶液与木材中的树脂酸发生反应，树脂酸溶解形成树脂酸钠盐，使得阻塞木材细胞壁的树脂酸或是木材化学成分的树脂酸减少，破坏了木材结构，形成微小孔隙，从而改善了木材渗透性（图2）。本研究中木材经10%～30%尿素溶液浸泡后，木材渗透明显改善，其原因可能在于：1）尿素溶液中的（—NH2）基团，使水溶液呈现弱碱性，与木材细胞壁物质反应，使细胞壁变薄或受到破坏（图2），形成气体流体通道，气体渗透性得以改善；2）尿素水溶液具有软化功能，木材浸渍后，木材细胞壁、纹孔等微细结构被软化[28]，木材塑性提高，当气体在大气压力作用下渗透时，纹孔口轻易被打开使得木材渗透性提高。

从图3、4、5中可知，尿素浓度为10%时，处理材的渗透性增加迅速，径向渗透性从4.29×10-5cm3/(cm.Pa.s)（平均值，下同）提高到5.77×10-5cm3/(cm.Pa.s)，基本接近渗透性最大值[5.89×10-5cm3/(cm.Pa.s）]。当浓度继续增加时，渗透性增加幅度减小，因此处理桉木，并不是尿素溶液浓度越高越好。

不同浓度尿素溶液处理木材的渗透性，在径向、弦向、纵向上基本类似。不论心、边材，纵向渗透性最大值出现在尿素浓度为20%处[6.0×10-5cm3/(cm.Pa.s)]。横向上不论是径向还是弦向，2号心材渗透性均最小，如图3、4、5所示。在尿素浓度为10%时处，2号径向渗透性5.63×10-5cm3/(cm.Pa.s)，纵向渗透性为6.23×10-5cm3/(cm.Pa.s)，纵向渗透性大于横向。在纵向上，当尿素浓度为10%时2号心材渗透性6.23×10-5cm3/(cm.Pa.s)，6 号渗透性5.79×10-5cm3/(cm.Pa.s)；浓度为20%和 30%时2号试样的渗透性均大于7号试样渗透性，说明心材渗透性大于边材。

图3 不同浓度尿素处理材径向气体渗透性Fig.3 Radial air permeability of treated wood with different urea concentrations

图4 不同浓度尿素处理材弦向气体渗透性Fig.4 Tangential air permeability of treated wood with different urea concentrations

图5 不同浓度尿素处理材纵向气体渗透性Fig.5 Longitudinal air permeability of treated wood with different urea concentrations

3 结论

1）桉木处理与未处理材纵向渗透性均大于横向渗透性；桉木渗透性差主要原因是导管壁上的筛状纹孔（附物纹孔），阻塞水分流动的管间通道，流体渗透困难。

2）真空、苯-乙醇、尿素处理均能改善桉木渗透性能，其改善原理均为打通了流体渗透通道。三种处理方法中，尿素处理对桉木渗透性改善效果最为明显，尿素可使木材的抽提物减少，改变木材微观结构；能软化木材组织。但是用尿素处理桉木并非浓度越高越好。