改性处理对木材涂饰性能影响研究进展*

刘雪莹 秦泽秀 刘明利 李春风

（北华大学木质材料科学与工程重点实验室，吉林省吉林市 132013）

木材作为可再生的环境友好型资源[1]，具有纹理美观、易加工等优点[2]。同时，因其具有优良的机械性能、独特的装饰性能和特殊的环境特性，被广泛应用于建筑和室内装饰领域。

作为木材重要的性能之一, 木材的表面涂饰性能直接影响了木制品外观质量及漆膜寿命[3]，决定其应用范围。目前许多学者对改性木材的表面涂饰性能进行了研究，并取得了一定的成果[4-5]。漆膜附着力是涂饰性能中一项重要的测试指标，反映漆膜与被附着物体表面通过物理和化学力作用结合在一起的坚固程度[6]。漆膜附着力表明漆膜能很好的附着在木材表面，对木材具有保护和装饰作用，让其在使用过程中更持久、更稳定[7]。漆膜与基材相互间产生的化学结合力是决定漆膜附着力的重要因素，其中成膜物质对基材的润湿程度是影响漆膜附着力的关键因素，如丙烯酸酯类聚合物中的羧基(--COOH) 、酯基(--COOR) ，聚氨酯中的异氰酸酯(N--C--O) 等极性基团均可以与木材中的羟基形成很强的氢键作用[8-9]。研究表明：木材经改性处理后，其耐候性、耐腐性、涂饰性等均得到了改善[10-12]。本文主要从浸渍改性、高温热处理改性、浸渍联合高温热处理改性三个角度，概述木材表面涂饰性能改良的相关研究，以期为改善改性木材的涂饰性能的研究提供参考。

1 浸渍改性

浸渍改性一般通过一定的浸渍处理工艺，将不同类型的化学改性剂浸注到木材内部[13-14]。部分改性剂可与木材细胞壁上的官能团发生化学交联反应，使木材增容；另一部分则可能由于尺寸原因，无法进入木材细胞壁，填充聚集在木材细胞腔中，从而使得木材细胞壁、细胞腔的物理化学构造产生改变，达到对木材性能优化的目的。因速生材树种一般密度较小、孔隙大，改性剂更容易浸渍进入木材中[15]。针对改性剂的种类不同，浸渍改性可分为有机物浸渍改性和无机物浸渍改性[16]。

1.1 有机物浸渍改性

有机物改性木材是将有机物在一定条件下浸入到木材中，有机改性剂沉积于木材细胞腔中，或与细胞壁成分发生化学反应，从而在木材中固定，进而提升木材的尺寸稳定性、耐菌腐性、耐老化性能等[17-18]。

袁沛沛等[19]对杨木和辐射松进行蔗糖/DMDHEU（1，3-二羟甲基-4，5-二羟基亚乙基脲）浸渍改性，并采用三种水性涂料分别对其涂饰处理，研究蔗糖/DMDHEU改性对杨木和辐射松涂饰和耐老化性能的影响。结果表明：改性材的漆膜附着力较未改性木材显著提高，证明改性处理有助于提升漆膜在木材表面的附着力；经过12个月的室外老化测试发现，改性材的表面开裂现象得到改善，同时延缓了木材的表面变色。Emmerich等[20]使用DMDHEU或MDHEU（乙醚改性DMDHEU衍生物）对苏格兰松木材进行浸渍改性处理，发现该处理几乎不会对丙烯酸基和醇酸基涂层的性能产生负面影响，包括干燥速率、拉脱强度、木材表面和涂层之间的界面等。相反，一些水性和溶剂性涂饰的湿附着力相比于未改性材有所改善，其木材表面的接触角减小。元海广等[21]发现，经脲醛树脂浸渍改性的杨木，其涂饰性能与油漆种类密切相关。与素材相比，聚氨酯漆膜附着力下降明显，硝基漆和水性漆漆膜附着力变化较小。李永博等[22]以速生杨木脲醛树脂改性材为研究对象，研究改性后木材的饰面性能。发现浸渍改性材的湿润性较素材增强。改性材表面的接触角小于未处理材与液体的接触角，因此脲醛树脂改性材的表面涂饰性能也较素材有所提升。孟什等[23]用低分子量氮羟甲基树脂浸渍改性杨木，指出浸渍处理在一定程度上提升了水性丙烯酸涂料在木材表面的润湿性，对漆膜干燥速率和漆膜附着力没有显著影响。此外，氮羟甲基树脂改性也不会降低涂料的漆膜黏度。

综上，有机物浸渍改性可以有效提升木材的表面涂饰性能。研究表明：有机物浸渍改性也可减轻因真菌或老化引起的表面变色[24]。

1.2 无机物浸渍改性

木材无机浸渍改性是以木材为基体，无机物质为添加相，通过化学、物理和生物等方法浸入到木材细胞腔形成不溶物质或与细胞壁发生一定的复合反应制成的新型材料。无机物质改性的木材兼备木材和无机物质的优点，在木材固有的性能上赋予新的功能[25-26]。由于大部分改性剂对环境友好，因而成为木材改性研究的热点[27]。

李萍等[28]用硅酸盐浸渍改性杉木，并研究了硅酸盐对杉木表面水性漆膜附着力的影响。结果表明：改性处理使杉木表面的漆膜附着力有所下降，但下降幅度较小。包新德[29]以速生毛白杨为试材，硅酸钠为改性剂，通过真空加压浸渍得到硅酸钠浸渍改性杨木。研究指出：硅酸钠改性使杨木表面纹理更加清晰，改性材的表面光泽度有所降低，但经清漆涂饰后，改性杨木表面光泽度显著提高，其中油性清漆涂饰效果较好。此外，硅酸钠浸渍虽使木材表面附着力变差，但未出现不合格品，说明改性处理不会过度影响杨木表面的漆膜附着力。邱竑韫[30]采用Fe2(SO4)3溶液对欧洲栎木材表面进行处理，随后进行UV漆涂饰，发现涂饰后试样的耐高温高湿性和抗老化效果有所提高。

综上可见，无机物浸渍改性对木材表面涂饰性能影响不大。然而大部分无机物在木材细胞壁中的渗透性差，导致改性木材存在抗流失性差、脆性大、易开裂、吸湿性差等问题。因此，可将有机/无机联合浸渍改性作为以后研究的重点。

2 高温热处理改性

热处理在改善木材的尺寸稳定性、生物耐久性等方面具有良好的效果[31-34]。热处理后，木材的化学和物理性质发生变化，抽提物减少，pH值降低，木材油脂均匀分布，有利于涂饰[35-36]。同时，高温热处理工艺无需添加化学试剂，不会产生污染。

孟素戎等[37]对橄榄木进行炭化处理，并分别涂饰三种涂料[硝基清漆、聚氨酯清漆(双组份)、水性涂料]。结果表明：炭化处理有助于提高漆膜附着力，且水性漆与聚氨酯漆的漆膜附着力高于硝基漆。郭飞等[38]以水蒸气为导热介质,设定不同温度和时间为影响因素对马尾松进行热处理，再分别涂饰水性漆和油性漆，并对处理材进行附着力、平衡含水率和结晶度测定。结果表明：热处理不会影响水性漆的漆膜附着力，与素材一样都为0 级；但对于油性聚氨酯漆，随着热处理时间的延长和温度的增加，其漆膜附着力也逐渐下降，达到1～3 级，但并没有剥落的情况。处理材油性漆的漆膜附着力随平衡含水率的增加而降低；处理材的纤维素结晶度提高, 羟基的数量减少，进而使基材的润湿性降低，从而减弱了处理材的漆膜附着力。严悦等[39]以氮气为介质对红松以及橡胶木进行高温热处理，在120～220 ℃范围内以20 ℃为梯度处理4 h，再对处理材分别进行油性漆、水性漆和木蜡油的涂饰。结果表明：改性红松和橡胶木涂饰后的漆膜性能良好, 油性漆和木蜡油涂饰材的耐干热性、耐湿热性、附着力、耐磨性均达到国家标准一级，而水性漆涂饰效果较差。李凤龙等[40]对落叶松木材进行热处理改性并对其表面进行涂饰，发现了类似的规律。于家豪[41]对番龙眼木材进行高温处理，并用UV漆进行表面涂饰，发现热处理材的表面湿润性较差，其漆膜附着力也低于素材，由1 级降低到2 级，这可能与UV涂料在热处理材中较差的渗透性有关。邓邵平等[42]对杉木进行热处理，并采用醇酸清漆和聚氨酯漆对其进行涂饰。结果表明：热处理材的漆膜耐磨性随热处理时间的延长和温度的升高而下降；200 ℃以上较长时间处理会使漆膜耐磨性显著下降，下降程度与涂料的种类有关。

有研究表明：高温热处理会提升木材表面的漆膜附着力，这是由于热处理后木材中的抽提物含量减少，表面孔隙增加，提高了木材的渗透性，漆料更容易进入木材中的孔隙与细胞腔，且与木材表面结合性更好，在一定程度上提高了漆膜附着力。然而，也有研究表明：高温热处理会降低漆膜附着力，这可能与高温热处理后，木材表面湿润性的降低有关[42-44]。同时，木材表面平衡含水率降低，导致漆膜附着力下降[45]，对于UV漆和油性漆涂饰尤为明显，因为热处理材中的活性羟基减少，聚氨酯中的异氰酸酯（N--C--O）等极性基团与基材产生键合的机会减少，影响了油性聚氨酯漆漆膜的附着。然而，UV漆和油性漆正被大规模使用，因此，针对高温热处理木材涂饰性能的改善应开展更多研究。

3 浸渍联合高温热处理改性

由于高温热处理改性会使木材表面涂饰性能下降，国内外学者尝试将浸渍处理联合高温热处理改性木材。

王梦蕾等[46]对杨木和辐射松进行酚醛树脂浸渍处理，再对浸渍后的试材进行高温热处理。结果表明：浸渍处理和浸渍联合热处理得到的试材其涂饰的附着力分别为1 级和2 级，涂饰后木材的颜色趋近于深色，纹理更加清晰美观，表面富有光泽。林鑫[47]用聚乙二醇浸渍改性橡胶木，然后对其进行热处理。研究发现：与素材相比，热处理材表面对水性漆的湿润度下降，且对丙烯酸酯和聚氨酯涂料的漆膜附着力下降；聚乙二醇联合热处理，可提高木材表面的湿润性和漆膜附着力。张南南[48]用二氧化硅掺杂二氧化钛浸渍改性热处理橡胶木，并与热处理材的涂饰性能进行对比。发现经二氧化硅掺杂二氧化钛浸渍改性后，热处理材的明度值增加38.24%，老化四周后，其表面色差较热处理材下降35.78%；经丙烯酸水性涂饰后，二氧化硅掺杂二氧化钛浸渍热处理材漆膜的表干和实干时间缩短，说明着漆性增强。

上述研究表明，浸渍联合高温热处理改性可有效改善高温热处理材表面的涂饰性能，同时还能提高木材的尺寸稳定性。

4 结语

针对提升木材表面涂饰性能对木材进行改性已取得了许多进展，但也存在一些不足。今后的研究工作可以围绕以下两个方面展开：

1）有机物浸渍改性与浸渍联合高温处理可以有效提高木材表面涂饰性能，无机物浸渍改性则对木材表面涂饰性能无明显影响，而大多数研究证明高温热处理对木材涂饰性能产生消极影响。对于以上影响规律，今后应将有机/无机联合浸渍改性和浸渍联合高温热处理改性作为研究的重点。

2）探寻改善热处理材表面涂饰缺陷的解决方法，最大限度增强木材涂饰性能及其他多方面性能，使木材能够更广泛的用于生产生活。