全 鵬，李 蕓，牟玉姝，劉 元，胡進波，李賢軍

（中南林業(yè)科技大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙 410004）

杉木Cunninghamia lanceolata是我國重要的人工速生林樹種，其具有生長快、干形通直、易加工、有特殊香氣、抗蛀耐腐等優(yōu)點[1-2]。然而，與硬質闊葉材相比，杉木具有材質差、結構疏松、強度和硬度低、不耐磨等缺陷[3-4]。

為改善人工速生林杉木材的木材性能，擴大其適用范圍，有必要對其進行改性處理。近些年來，國內外學者選用脲醛樹脂、酚醛樹脂、甲基丙烯酸甲酯等對杉木進行改性處理，其研究結果表明，經過樹脂改性處理后，杉木的密度、硬度、力學強度等性能均能得到改善[1-3,5-6]。但樹脂改性杉木也存在干燥周期長、樹脂固化不完全、木材后期加工和產品后續(xù)使用過程中出現游離甲醛釋放、樹脂溢出等問題[7-8]，嚴重制約了該改性技術的推廣應用。高溫熱處理是一種綠色木材改性處理技術，它可以使木材顏色加深和尺寸穩(wěn)定性增強[9-16]。

本研究擬采用高溫熱處理方法使改性杉木內的樹脂充分固化，解決游離甲醛釋放和樹脂溢出的問題，研究高溫熱處理對UF樹脂改性杉木吸濕性和耐濕尺寸穩(wěn)定性的影響規(guī)律，獲得優(yōu)化的熱處理工藝，以期為人工速生杉木材增值改性處理技術的工業(yè)化推廣應用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

UF樹脂改性杉木購置于廣東省宜華木業(yè)股份有限公司，鋸材規(guī)格為1 000 mm（長）×140 mm（寬）×23 mm（厚）。試驗選取的木材要求無開裂、腐朽和變色等可見缺陷。試驗前，將16塊鋸材鋸解成規(guī)格為200 mm（長）×120 mm（寬）×20 mm（厚）的四面光試件，試樣加工好后，在恒溫恒濕環(huán)境中調控其含水率為12%左右。

1.2 儀器與設備

自制小型高溫熱處理裝置，處理溫度≤250 ℃；恒溫恒濕箱，HWS-70B，天津泰斯特；電熱鼓風干燥箱，101-3AB，天津泰斯特。

1.3 方法與步驟

1.3.1 高溫熱處理

高溫熱處理過程中，處理溫度（160、180、200和220 ℃）和處理時間（1、2、3和4 h）均設定為4個水平，每次處理4塊杉木浸漬材試件。在熱處理初期升溫段，從室溫升高到100 ℃，升溫速度控制在20 ℃/h；從100 ℃升溫到130 ℃，升溫速度控制在10 ℃/h。在130 ℃附近保溫30 min，然后將溫度升高到試驗設定值，并保持相應時間（1 h、2 h、3 h和4 h）。在熱處理過程中，用蒸汽發(fā)生器向處理箱通入水蒸汽，使被處理木材始終處于水蒸汽的保護之下。熱處理結束后，使熱處理箱自然冷卻至室溫，取出處理試件，然后將所有試件放入干燥箱中（60 ℃）干燥4 h，再按GB/T1931-2009[17]的要求，將試件干燥至絕干。

1.3.2 吸濕性和耐濕尺寸穩(wěn)定性的測試

參照GB/T1934.2-2009[18]，采用飽和鹽溶液法[19-20]測試未經處理的杉木材（以下簡稱對照材）、樹脂浸漬而未經熱處理的杉木材（以下簡稱浸漬材）和樹脂浸漬-高溫熱處理的杉木材（以下簡稱熱處理材）吸濕后的平衡含水率、線濕脹率和體積濕脹率。

1.3.3 數據處理

采用Excel2016進行計算和分析，采用SPSS進行差異顯著性分析，其中P＜0.01為非常顯著，P＜0.05為顯著。

2 結果與分析

2.1 高溫熱處理對杉木浸漬材吸濕性的影響

圖1表示浸漬材、熱處理材和對照材的平衡含水率隨著熱處理溫度和時間的變化規(guī)律。從圖1中可以看出，通過浸漬處理可以降低杉木的平衡含水率，與對照材相比，浸漬材的平衡含水率下降了14.44%，其原因可能是UF樹脂與木材細胞壁的活性基團反應，減少了水分的結合位點，且樹脂在木材內部干燥固化后存在一種內結合力，較小幅度地改善了微纖絲排列的規(guī)整性和有序性，從而降低了木材的平衡含水率[21]。熱處理可以降低杉木浸漬材的平衡含水率，與對照材相比，熱處理材的平衡含水率下降了15.16%～39.00%；與浸漬材相比，熱處理材的平衡含水率下降了0.84%～28.71%。當熱處理時間相同時，熱處理材的平衡含水率隨熱處理溫度的升高呈先降低后升高的趨勢，當溫度從160 ℃升高到220 ℃時，與對照材相比，熱處理材的平衡含水率下降了16.32%～35.37%；與浸漬材相比，熱處理材的平衡含水率下降了2.19%～24.46%，其原因是經過高溫熱處理后，木材的半纖維素發(fā)生降解，木質素縮合形成穩(wěn)固而彈性小的網狀結構，纖維素的結晶度增大，從而導致熱處理材的平衡含水率降低[22]。而熱處理溫度達到220 ℃時，與200 ℃相比，木材的平衡含水率略呈現出增加趨勢，其原因可能是木材內部產生了一些酸性物質，使纖維素部分降解，從而導致木材吸濕性增強[23]。當熱處理溫度相同時，杉木浸漬材的平衡含水率隨熱處理時間的延長，有的先降后升，有的先升后降，其可能是由于木材材性不均一和木材內部樹脂分布不均勻引起的。當熱處理時間從1 h延長到4 h時，與對照材相比，熱處理材的平衡含水率下降了24.60%～28.00%；與浸漬材相比，熱處理材的平衡含水率下降了11.88%～15.85%。方差分析也證實，熱處理溫度和時間對杉木浸漬材吸濕性的影響非常顯著。

圖1 熱處理材和對照材的平衡含水率Fig.1 Equilibrium moisture content of heat-treated and control specimens

2.2 高溫熱處理對杉木浸漬材耐濕尺寸穩(wěn)定性的影響

圖2～圖4分別表示浸漬材、熱處理材和對照材的弦向、徑向濕脹率和體積濕脹率隨熱處理溫度和時間的變化規(guī)律。從圖2～圖4中可以看出，通過浸漬處理可以降低杉木的線性濕脹率和體積濕脹率，與對照材相比，浸漬材的弦向、徑向濕脹率和體積濕脹率分別降低了16.12%、11.83%、12.41%，其原因是對杉木浸漬UF樹脂后，樹脂與木材內部的活性基團（-OH）反應，減少了水分的結合位點，且浸漬UF樹脂可以提高木材的相對結晶度，從而提高木材的耐濕尺寸穩(wěn)定性[21]。熱處理可以降低杉木浸漬材的線性濕脹率和體積濕脹率，與對照材相比，熱處理材的弦向、徑向濕脹率和體積濕脹率分別下降了27.60%～62.02%、21.51%～69.89%、21.42%～59.99%；與浸漬材相比，熱處理材的弦向、徑向濕脹率和體積濕脹率分別下降了11.73%～53.42%、17.68%～65.85%、10.29%～54.32%。當熱處理時間相同時，熱處理材的弦向、徑向濕脹率和體積濕脹率隨熱處理溫度的升高而先降低后升高，當溫度從160 ℃升高到220 ℃時，與對照材相比，熱處理材的弦向、徑向濕脹率和體積濕脹率分別下降了35.79%～58.06%、31.72%～56.72%、31.52%～59.25%；與浸漬材相比，熱處理材的弦向、徑向濕脹率和體積濕脹率分別下降了22.96%～49.67%、24.24%～50.91%、21.82%～53.48%，其原因是木材的耐濕尺寸穩(wěn)定性與木材的結晶度和游離羥基的數目等因素有關，木材的纖維素和半纖維素在受熱過程中都要發(fā)生變化，含氧量高的半纖維素最先發(fā)生降解，會使游離羥基的數量大大減少，同時纖維素非結晶區(qū)內的纖絲間距離減小，分子間作用力增大，使得纖維素結晶度增加，從而提高木材耐濕尺寸穩(wěn)定性。但當處理溫度達到220 ℃時，由于木材半纖維素上的脫乙酰基形成乙酸，其在高溫下使得纖維素發(fā)生部分酸解，破壞了纖維素的構造，使得纖維素的聚合度下降導致木材結晶度降低，從而降低了木材的耐濕尺寸穩(wěn)定性[23]。當熱處理溫度相同時，杉木浸漬材的耐濕尺寸穩(wěn)定性隨熱處理時間的延長，有的先升高后降低，有的先降低后升高，當熱處理時間從1 h延長到4 h時，與對照材相比，熱處理材的弦向、徑向濕脹率和體積濕脹率分別下降了44.19%～46.99%、36.83%～47.98%、40.12%～45.53%；與浸漬材相比，熱處理材的弦向、徑向濕脹率和體積濕脹率分別下降了33.47%～36.81%、30.03%～41.01%、31.64%～37.81%，其可能是由木材材性不均一和樹脂在木材內部分布不均勻引起的。比較圖2和圖3可以看出，熱處理材的弦向濕脹率大于徑向濕脹率，這是由木射線對徑向收縮的抑制、早晚材差異、徑壁和弦壁的紋孔差異等多種因素造成的[24]。方差分析也證實，熱處理溫度和時間對杉木浸漬材耐濕尺寸穩(wěn)定性的影響非常顯著。試驗數據也表明杉木浸漬材平衡含水率的變化趨勢與濕脹率的變化趨勢相似。

圖2 熱處理材和對照材的弦向濕脹率Fig.2 Radial direction swelling of heat-treated and control specimens

圖3 熱處理材和對照材的徑向濕脹率Fig.3 Tangential direction swelling of heat-treated and control specimens

圖4 熱處理材和對照材的體積濕脹率Fig.4 Volume swelling of heat-treated and control specimens

3 結 論

本研究在4個溫度水平（160、180、200和220 ℃）和4個時間水平（1、2、3和4 h）下對UF樹脂改性杉木進行高溫熱處理，研究了熱處理溫度和處理時間對UF樹脂改性杉木的吸濕性和耐濕尺寸穩(wěn)定性的影響規(guī)律，結果如下：

（1）通過UF樹脂改性處理可以降低杉木的吸濕性，提高其耐濕尺寸穩(wěn)定性。與對照材相比，UF樹脂改性杉木的平衡含水率降低了14.44%，弦向、徑向濕脹率和體積濕脹率分別降低了16.12%、11.83%、12.41%。

（2）高溫熱處理可以降低UF樹脂改性杉木的吸濕性，提高其耐濕尺寸穩(wěn)定性；與熱處理時間相比，熱處理溫度對UF樹脂改性杉木的吸濕性和耐濕尺寸穩(wěn)定性影響更大，UF樹脂改性杉木的線性濕脹率、體積濕脹率和平衡含水率隨熱處理溫度的升高而先降低后升高；與對照材相比，熱處理使UF樹脂改性杉木的平衡含水率、弦向、徑向濕脹率和體積濕脹率分別降低了15.16%～39.00%、27.60%～62.02%、21.51%～69.89%、21.42%～59.99%；與未經熱處理的UF樹脂改性杉木相比，熱處理使UF樹脂改性杉木的平衡含水率、弦向、徑向濕脹率和體積濕脹率分別降低了0.84%～28.71%、11.73%～53.42%、17.68%～65.85%、10.29%～54.32%。

本文雖然研究了UF樹脂浸漬處理和高溫熱處理對杉木的吸濕性和耐濕尺寸穩(wěn)定性的影響規(guī)律，但還缺少影響機理的研究，下一步研究應集中于UF樹脂在杉木內部的分布和樹脂在高溫下的變化對杉木材性的影響方面。