聚乙烯蜡浸渍时间对材色和尺寸稳定性的影响

曹明鑫， 何幸刚， 王 超， 王雪花*

(1.南京林业大学，江苏 南京 210037；2.湖州三一炭化公司，浙江 湖州 313009；3.山东诸城安泰机械有限公司，山东 诸城 262200)

木材是易加工、质轻、强度高的材料，具有天然色泽和花纹，与其他材料相比，木材的冷暖感、软硬感、粗滑感等环境学特性都更适合人的生理和心理需要，被广泛应用于建筑、家具等工作生活场所[1]。纤皮玉蕊(Couratari spp)，俗称陶阿里(Tauari)，属于玉蕊科，其色泽金黄，给人温馨祥和的感觉，目前多用于生产地板[2]，对尺寸稳定性要求较高，但目前关于此方面的研究较少。橡胶木(Hevea brasiliensis)为热带常绿乔木，材色淡雅，在家具、地板中广泛使用[3]，但吸湿性亦是限制其应用和造成产品质量问题的关键。为了减少木材湿胀干缩，需要对木材进行改性，以提高木制品使用寿命和应用价值。

蜡浸渍改性是常见的木材被动改性方法，具有潜在商业价值[4-5]。聚乙烯蜡无毒，对人类环境健康友好，可以通过利用废旧塑料获得，用于处理木材，可以减少水分的吸收并提高木材在潮湿环境中尺寸的稳定性[6-7]。同时，蜡使木材表面更富有光泽感[8]，这符合消费者生理和心理需要，是一种经济效益高的材料。炭化工艺是常见提高木材尺寸稳定性的方法，绿色环保，经济效益高[9-10]。高晶晶[11]等采用低温(120 ℃、140 ℃、160 ℃)和处理时间(6 h、8 h)研究3种木材在不同处理条件下颜色、尺寸稳定性的影响，发现相比较热处理时间，温度对木材颜色影响较大；随着温度和时间的增加，3种木材的尺寸稳定性均有所提高。屠心微[12]等研究了炭化温度(140 ℃、160 ℃、180 ℃)和处理时间(2 h、4 h)对2种木材颜色和尺寸稳定性的影响，发现随着炭化温度和处理时间的增加，木材颜色加深，尺寸稳定性提高。杨航[13]对高紫光檀在150 ℃、180 ℃，热处理3 h后进行注蜡处理，发现热处理后木材颜色明度和E随时间增加而减弱；热处理后进行注蜡能有效提高木材尺寸稳定性。

以上研究表明，木材颜色和尺寸稳定性基本随热处理温度和时间的增加而增加，但关于浸渍时间对木材颜色和尺寸稳定性的研究较少。由于处理温度对木材强度等存在较大影响，而延长处理时间有助于提高处理材的温度分布均匀性，减少木材内应力以提高尺寸稳定性。为保持木材强度的同时提高其尺寸稳定性，本试验研究浸渍时间对纤皮玉蕊、橡胶木颜色和尺寸稳定性的影响，旨在确定最优工艺。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验选用纤皮玉蕊木、橡胶木为试验对象，同时，每种木材分为预炭化处理和素材两组。预炭化纤皮玉蕊木(简称CT)、纤皮玉蕊木素材(简称T)、预炭化橡胶木(简称CX)及橡胶木素材(简称X)由湖州三一炭化公司提供，预炭化温度160 ℃、时间4 h。试件在诸城安泰机械有限公司木材实验罐内以聚乙烯蜡为浸渍液进行浸渍处理，浸渍温度150 ℃，压力1 MPa，时间分别为8 h、18 h、24 h，处理完成后取出，并擦除试件表面多余蜡液。

1.2 试验仪器

日本三丰数显卡尺(精度0.01 mm)、电子天平(精度0.001 g)、潘通色彩检测仪(RM200-PT01)等。

1.3 木材颜色测定

(1)

(2)

(3)

(4)

1.4 木材湿胀性测定

以湿胀性衡量浸渍处理材的尺寸稳定性，参照GB/T 1934.2-2009《木材湿胀性测定方法》进行测试。用游标卡尺测量实验材气干状态和吸水饱和状态下弦向、径向和纵向值，计算试件从气干至吸水饱和时的径向、弦向和体积湿胀率

2 结果与分析

2.1 浸渍时间对木材颜色的影响

浸渍时间对L*的影响如图1所示。L*代表木材颜色明度值，明度L*值越大，木材颜色越白[14]。浸渍时间对L*的影响如图1所示，聚乙烯蜡浸渍处理可使木材L*值降低，与纤皮玉蕊木素材相比，浸渍24 h纤皮玉蕊木的L*值降低了51.85%，这可能是木质素中的苯环、羰基和乙烯基等发色基团和助色基团醚、醇羟基等发生化学作用[15]；浸渍时间的延长使素材、预炭化材L*值整体呈现降低趋势，当浸渍时间从8 h延长至24 h，橡胶木素材L*值降低了52.94%～62.72%，这可能是木材中纤维素和半纤维素在浸渍温度150 ℃下进行分解，羟基被大量氧化成羧基和羰基，随着时间的延长，生成糠醛等发色基团[16]；当浸渍时间相同时，预炭化材L*值比素材L*值低，浸渍8 h预炭化橡胶木L*值比浸渍8 h橡胶木素材L*值低10.03%，这可能是炭化后，木材中木质素增加，综纤维素、α-纤维素含量降低[17]；当浸渍时间相同时，不同树种L*值存在差异，浸渍18 h预炭化纤皮玉蕊木、橡胶木L*值分别为33.07、31.67，可能由于木材是一种具有大毛细管系统和微毛细管系统的多孔胶体，蜡能更好渗透毛细管，但不同树种内部结构的木射线、树脂道、纹孔位置大小也不同[18]。

图1 浸渍时间对L*的影响

浸渍时间对a*的影响如图2所示。红绿值a*若为正，则颜色偏红，若为负，则颜色偏绿。聚乙烯蜡浸渍处理可使木材a*值增加，与橡胶木素材相比，浸渍8 h橡胶木a*值增加了13.68%；浸渍时间的延长使素材、预炭化材a*值整体呈现上升趋势，当浸渍时间从8 h延长至24 h，纤皮玉蕊木素材a*值增加了12.04%～37.42%；当浸渍时间相同时，预炭化材a*值比素材a*值高，浸渍24 h预炭化橡胶木a*值比浸渍24 h橡胶木素材a*值高10.65%；当浸渍时间相同时，不同树种a*值存在差异，浸渍18 h预炭化纤皮玉蕊木、橡胶木a*值分别为12.34、14.17。

图2 浸渍时间对a*的影响

浸渍时间对b*的影响如图3所示。黄蓝值b*若为正，则颜色偏黄，若为负，则颜色偏蓝。聚乙烯蜡浸渍处理可使木材b*值降低，与橡胶木素材相比，浸渍8 h橡胶木b*值降低了6.85%；浸渍时间的延长使素材、预炭化材b*值整体呈现下降趋势，浸渍8 h、18 h、24 h纤皮玉蕊木素材b*值分别为11.30、10.88、7.77；当浸渍时间相同时，预炭化材b*值比素材b*值高，浸渍24 h预炭化橡胶木b*值比浸渍24 h橡胶木素材b*值高2.57%；当浸渍时间相同时，不同树种b*值存在差异，浸渍18 h预炭化纤皮玉蕊木、橡胶木b*值分别为15.40、16.93。

图3 浸渍时间对b*的影响

相比L*，a*和b*值对ΔE*影响较小，ΔE*整体受ΔL*影响，基本上呈镜像关系[19]。浸渍时间对ΔL*的影响如图4所示。浸渍时间的延长使素材、预炭化材ΔL*值整体呈现下降趋势，浸渍24 h橡胶木素材比浸渍8 h、18 h橡胶木素材ΔL*值分别降低了18.96%、13.81%；当浸渍时间相同时，预炭化材ΔL*值比素材ΔL*值高，浸渍24 h预炭化纤皮玉蕊木ΔL*值比浸渍24 h纤皮玉蕊木素材ΔL*值高6.85%；当浸渍时间相同时，不同树种ΔL*值存在差异，浸渍18 h预炭化纤皮玉蕊木、橡胶木ΔL*值分别为-25.62、-29.03。

图4 浸渍时间对ΔL*的影响

浸渍时间对ΔE*的影响如图5所示，整体符合ΔE*和ΔL*呈镜像关系这一规律。色差ΔE*数值小，表明与素材颜色相差不大[20]。聚乙烯蜡浸渍处理可使木材ΔE*值增加；浸渍时间的延长使素材、预炭化材ΔE*值整体呈现上升趋势，浸渍24 h纤皮玉蕊木素材比浸渍8 h、18 h纤皮玉蕊木素材ΔE*分别增加了21.29%、12.11%；当浸渍时间相同时，素材ΔE*值比预炭化材ΔE*值高，浸渍24 h橡胶木素材ΔE*值比浸渍24 h预炭化橡胶木素材ΔE*值高22.96%；当浸渍时间相同时，不同树种ΔE*值存在差异，浸渍18 h预炭化纤皮玉蕊木、橡胶木ΔE*值分别为26.92、31.63。

图5 浸渍时间对ΔE*的影响

2.2 浸渍时间对木材尺寸稳定性的影响

浸渍时间对两种树种从气干至吸水饱和状态下弦向、径向和体积湿胀率的影响如图6所示。聚乙烯蜡浸渍处理可使木材径向、弦向、体积湿胀率降低，这可能是聚乙烯蜡在浸渍过程中渗透到木材细胞腔中，液态水难以进入木材内部[21]；径向、弦向、体积湿胀率不同，体积湿胀率大于弦向湿胀率，弦向湿胀率大于径向湿胀率，是由于木射线限制径向收缩，早晚材影响弦向收缩、径向壁上木质素含量比弦向小、弦切面上纹孔数量大于径切面上纹孔数量[22]；随着浸渍时间延长，木材湿胀率逐渐降低，尺寸稳定性逐渐增加，浸渍24 h纤皮玉蕊木素材径向、弦向、体积湿胀率分别降低了32.57%、38.20%、38.85%，这可能是木材半纤维素中的多糖裂解，导致羟基减少，使得相邻分子链距离缩短，从而湿胀率降低[23]；当浸渍时间相同时，预炭化材湿胀率值比素材湿胀率值低，浸渍8 h预炭化橡胶木径向湿胀率比浸渍8h橡胶木素材径向湿胀率值低6.44%，这可能是高温下木材细胞壁中纤维素和半纤维素无定形区形成不可逆的氢键，之前吸收水分的部分不再和水分子相结合[24]；当浸渍时间相同时，不同树种湿胀率值存在差异，浸渍18 h预炭化纤皮玉蕊木、橡胶木弦向值分别为4.74%、3.79%，可能是不同树种的材性有所差异，在浸渍过程中，木材羟基的降解使不同树种中亲水官能团减少的程度不一样[25-27]。

图6 浸渍时间对两种树种湿涨率的影响

3 结论

采用聚乙烯蜡在150 ℃条件下对纤皮玉蕊木和橡胶木素材、预炭化材进行浸渍处理，研究浸渍时间(8 h、18 h、24 h)对材色和湿胀率的影响，得出浸渍时间对木材材色、湿胀率有影响。通过聚乙烯蜡浸渍可显著提高木材尺寸稳定性，木材色差ΔE*值增加；随着浸渍时间延长，尺寸稳定性逐渐提高，浸渍24 h效果好；当浸渍时间相同时，预炭化材比素材尺寸稳定性更好；当浸渍时间相同时；不同树种尺寸稳定性、色差E*存在差异。在实际应用中，可以根据木制品最终用途及对颜色需求、尺寸稳定性，合理选择最佳浸渍时间范围，最大程度上发挥时间在浸渍改性中的作用。