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简述国内外速生材改性相关技术与工艺的研究现状

2020-06-28 667 上传者：管理员

摘要：随着禁止天然林商业性采伐政策的实施，人工林速生材高值化利用成为缓解我国当前木材供需矛盾的重要途径。简述了国内外速生材改性相关技术与工艺研究现状，介绍了物理改性和化学改性的几种方法，以期为我国人工林速生材功能性改良与高值化利用提供参考。

关键词：
化学改性
热处理改性
研究现状
速生材
高值化利用
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1、速生材利用研究概况

人工林速生材由于生长周期短，大部分属于幼龄材，存在材质疏松、密度低、易开裂变形、强度低等问题，因此其适用范围受限，通常作为纤维板和刨花板、胶合板等人造板原料使用，间接用于家居等领域，或作为造纸、建筑模板用原材料[1,2,3,4]。

为发挥我国人工速生工业林资源优势，实现劣材优用和小材大用，拓宽速生材应用领域，国内学者通过研发相应的加工工艺与技术，对人工速生材进行重组、强化、软化、塑化、材色处理及防腐阻燃等功能性改良，取得一系列研究成果[5,6,7,8]。国外学者为应对全球环境压力正在探索更加环保的改性手段和化学改性剂，同时从细胞微观结构方面进一步探究改性机理，为拓展速生材的利用领域提供支撑[9,10]。目前，木材改性成为人工林速生材高值化加工利用的重要手段之一，速生材改性的相关研究主要以杉木、桉木、杨木、松木等为研究对象，常规的木材改性处理有物理改性与化学改性两大类。本文主要介绍了国内外速生材物理改性与化学改性相关研究，为我国人工林速生材功能性改良及速生材高值化利用提供参考。

2、速生材高值化利用研究

2.1 物理改性

热处理压缩改性是利用木材多孔、多组织的生物特性，在湿热条件下对木材施以机械压力，使其内部单位体积的细胞结构密实化，从而充分发挥木材的可塑性，改善其力学性能的物理改性方法，其工艺主要分为预热软化阶段和压缩定型阶段。

为了防止压缩过程中木材发生断裂，需先对木材进行预热软化处理，目前常用的木材软化方法有水热处理、高温高压蒸煮和微波加热处理等。高温加热预处理可使木材细胞中部分纤维素、半纤维素发生软化实现玻璃化转变，从而提高木材的塑性，增加木材压缩率[11]。Chen[12]等在160℃的条件下用饱和水蒸气对日本雪松[Cedrus deodara(Roxb.)G.Don]进行汽蒸预处理和径向压缩，测定了雪松在热水中形状的恢复率、纤维素结晶度和动态粘弹性，研究发现：随着蒸汽处理时间的延长，压缩木材中纤维素的结晶度和晶体宽度也会不断增加。

木材压缩定型阶段主要有整体压缩、表面压缩和分层压缩三种方式，其中压缩温度、压力和保压时间是此阶段的三大要素。

Li等[13]采用不同温度对毛白杨木材（Populus tomentosa）进行预热处理和径向压缩，通过对压缩木材的密度分布、压缩层的位置和厚度表征，探讨了预热温度（60～210℃）对木材压缩层的影响，研究发现：根据预热温度的不同，可以形成表面压缩木、内部压缩木和中心压缩木三种结构形式的夹芯压缩木，升高预热温度可增加压缩层的密度，且压缩层和过渡层发生的是细胞壁屈曲而不是细胞壁裂纹。刘丹丹[14]等研究了高温热压对奥古曼(Aucoumea klaineana)变形固定和性能的影响。研究表明：热处理温度和压力是热压改性的重要影响因素，提高温度或增加压力均可有效降低压缩木材的吸湿率和回弹率，但温度高于200℃时，提高处理温度或延长处理时间会导致木材表面硬度和耐磨性的降低以及材色的变化。

当木材受压后，其内部便会产生内应力，内应力能够增大木材中纤维素的能量，促使木材发生回弹,其中微纤丝的弹性形变是木材回弹的主要原因，微纤维几乎不受水分和热量的影响，在压缩定型完成后微纤丝会在保持弹性变形的情况下定型，一旦木材再受水、热作用时,木材缔结物质将重新软化，微纤丝的弹性复原力会导致木材回弹。也有学者认为木材内部应力与木材压缩时内部的摩擦阻力有关，随着压缩时间的延长，内应力会逐渐衰减，且升高温度有利于内应力加速衰减[15]。

热处理压缩改性可有效改善速生材材质，提高性能，且处理工艺环境友好，符合当前国家绿色家居的建设需求。但由于速生材密度低，往往需要牺牲较大的木材体积提高压缩率以保证压缩木的材性，同时过高的处理温度会导致纤维素和木质素降解引起木材颜色变深、脆性增加。为保证速生材热压改性工业化稳定生产，仍需加强工艺条件对压缩木回弹协同影响机理研究，以及在较低压缩率条件下提升速生材力学性能与尺寸稳定性等方面的研究。

2.2 化学改性

化学改性法是指采用改性剂浸渍速生材使其渗入木材组织内部，然后通过高温、催化等处理手段使改性剂发生交联反应和缩合反应，从而提高木材密实度和稳定性的方法，按照改性剂在木材内部的作用方式，可分为细胞壁反应型和细胞壁非反应型[16]。

浸蜡改性、热固性树脂改性是细胞壁非反应型改性的典型方法，其特点为改性剂在改性过程中只发挥填充作用，很少与细胞壁组分发生反应，改性剂在高温或催化条件下自身发生缩合反应填充细胞壁和细胞间隙，增大细胞非结晶区体积，从而提高木材的稳定性和机械强度。

Chen等[17]发现浸蜡改性可使蜡液填充木材细胞间隙，显著降低细胞自由水含量，从而延缓束缚水吸附，其用石蜡/棕榈蜡（5∶5和7∶3）混合蜡乳液体系处理中国速生青杨（Populus cathayana Rehd.）可得到接触角为140°的强疏水速生材。Miha Humar[18]先以天然蜡悬浮液为改性剂，以普通浸渍、高压真空浸渍为预处理方法浸渍挪威云杉（Norway spruce），然后在不同温度（185～230℃）下进行热处理，研究发现：蜡浸渍处理与热改性相结合，不仅可显著提高材料的憎水性，降低液体吸水率，减缓水蒸气吸收，还可提高材料的抗真菌腐蚀能力。

Wang等[19]研究发现，石蜡对木材的渗透效果与石蜡乳液的粒径大小、固体含量和木材渗透性有关，随着固体含量和粒径的减小，火炬松（Pinus taeda L.）和樟子松（Pinus sylvestris var.mongolica Litv.）的石蜡乳液渗透性都会增加，且由于木材渗透性差异，火炬松的石蜡渗透效果优于樟子松。Deka等[20]分别采用三聚氰胺-甲醛树脂、酚醛树脂和脲醛树脂浸渍改性速生黄梁木（Anthocephalus chinensis），当增重率为33%～35%时，速生黄梁木尺寸稳定性分别提高68%、71%和49%，且酚醛树脂改性后，木材力学性能明显优于其他两种树脂改性。

细胞壁反应型的特点是改性剂会在一定条件下与细胞壁中羟基等组分发生反应交联形成化学键，不仅可以填充木材的内部空间，还可降低木材吸水性，提升速生材的尺寸稳定性，并赋予木材抗腐、抗菌等特性[21,22]。主要方法有乙酰化改性和糠醇化改性，目前通常采用马来酸酐、丙烯酸等偶联剂来增强改性剂与木材细胞壁之间的结合能力。

Herold等[23]采用糠醇/马来酸酐溶液对木材单板进行浸渍密实化处理，以改善单板塑性性能。结果表明：糠醇在高温下形成的复合聚合物主要驻留在细胞壁上，与水塑化样品相比，用糠醇/马来酸酐溶液浸渍后的单板可塑性更高，且回弹效应明显降低。沈晓双等[24]以马来酸酐为催化剂、硼砂为稳定剂、水为稀释剂与糠醇单体配制预聚体混合物改性溶液浸渍速生毛白杨（Populus tomentosa），糠醇单体与预聚体质量比为35∶15时改性杨木的增重率为90.47%，径向、弦向和体积抗湿胀率分别为77.76%、62.56%和70.02%，顺纹抗压强度为69.93 MPa，但杨木改性后的弯曲强度和弹性模量却略有降低。

乙酰化改性主要是用乙酰基取代木材中的羟基形成酯键，在增大细胞壁体积的同时降低木材亲水性，改性对木材化学和物理性能的改善与乙酰化程度直接相关，其中增重率（WPG）是影响改性木材力学性能的重要因素。

Nagarajappa[25]在105℃和120℃的油浴中，用乙酸酐（AC2O）和N-溴代丁二酰亚胺（NBS）作催化剂，对橡胶木（Hevea brasiliensis Mull.Arg）进行了无溶剂乙酰化反应，研究催化剂浓度、温度和反应时间对乙酰化反应的影响。研究表明：NBS和微波加热很大程度提高了乙酰化速率，在120℃下反应60 min后，改性材增重率从无催化剂的8.1%增加到2%NBS浓度下的22.1%，当NBS浓度为3%,105℃下反应60 min后，改性材的增重率从相同反应条件下未催化的7.6%提升到19.0%。

牛伟强[26]以乙酸酐作为乙酰化试剂，以浓硫酸作为催化剂，研究反应温度、催化剂用量、反应时间、试件尺寸以及处理方式等因素对乙酰化杨木增重率的影响，并对乙酰化杨木进行热压试验。结果表明：试样体积越小，乙酰化越充分，增重率越大，当浓硫酸用量为反应液的0.05%时催化效果较佳。通常情况下，经化学改性后速生材的尺寸稳定性与力学性能都会有较大提升，但改性后木材表面接触角增加、润湿性下降，不利于漆膜附着，且工艺复杂，反应条件不易精确控制，生产过程中会释放有害气体。因此，速生材化学改性未来发展要以工艺优化，环保高效和降低成本为方向，同时深入研究改性剂与细胞壁的反应机理。

3、结语

随着天然林及珍贵木材的逐渐减少，如何实现人工林速生材的高效增值利用，已成为木材科学研究热点之一。科学合理利用木材优化改良技术，克服人工林速生材存在的缺陷，提高其使用性能及附加值，对缓解木材供需矛盾，推进木材工业可持续发展具有重要意义。未来人工林速生材高值化加工利用应以工艺优化、环保高效、低成本为发展方向，通过科技创新手段，实现人工林速生材的环保高效、高值利用。

参考文献：

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