全 文 ：文章编号:1006 － 1126 － 2016 (2) － 0199 － 05
二氧化硅改良顶果木木材表面性质研究
收稿日期:2015 － 09 － 22
基金项目:广西林业科技项目 (桂林科字 ［2013］ 第 19 号;广西大学科研基金项目 (XBZ120886)
第一作者:覃林海 (1971—)，男，工程师，主要从事林业生产和管理工作。
通讯作者:刘晓玲 (1989—)，硕士，研究方向:木材材性及其功能改良。
覃林海1，刘晓玲2，孙 静3
(1. 广西国有维都林场，来宾 546100 ;2. 广西壮族自治区林业科学研究院，
南宁 530002;3. 广西大学林学院，南宁 530004 )
摘 要:以顶果木 (Acrocarpus fraxinifolius)人工林木材为试验材料，对木材硅烷化改性前及改性后的顺纹抗压
强度、硬度、尺寸稳定性和表面接触角等指标进行测定，结果表明:硅烷化改性后的顶果木的顺纹抗压强度得
到明显增大，木材端面硬度在急剧减小后有缓慢回升，而径面的硬度是逐步增大。改性后的木材尺寸稳定性优
于未改性的木材，改性后的木材接触角均大于 90°，相比未改性的木材有了很大的改善，说明改性能明显提高顶
果木木材的疏水性。
关键词:顶果木;硅烷化改性;尺寸稳定性;疏水性
中图分类号:S781. 6 文献标识码:A
Improvement of Woods Surface Properties of Acrocarpus fraxinifolius
by Silane Treatment
QIN Lin-hai1，LIU Xiao-ling2，SUN Jing3
(1． Guangxi State Weidu Forest Farm，Laibin 546100，Guangxi，China;2. Guangxi Forestry Ｒesearch Institute，
Nanning 530002，China;3. Forestry College of Guangxi University，Nanning 530004，Guangxi，China)
Abstract:Acrocarpus fraxinifolius was taken as the trial material，and such properties as compressive
strength parallel to grain，hardness，dimensional stability and surface contact angle before and after the
silane treatment were tested. The results showed that compressive strength parallel to grain increased ob-
viously after silane treatment，while the hardness of woods ends sharply decreased and then climbed up
slowly，and the hardness of surface gradually increased. The dimensional stability after silane treatment
was superior than that before the treatment. All the woods contact angles after treatment were larger than
90°，indicating that the silane treatment obviously improved the hydrophobicity of Acrocarpus fraxinifolius
woods.
Key words:Acrocarpus fraxinifolius;modification by silane;dimensional stability;hydrophobicity
顶果木 (Acrocarpus fraxinifolius. )为苏木科
(Caesalpiniaceae)顶果木属 (Acrocarpus)落叶大
乔木。顶果木生长速度快，而且生长衰退速度慢，
是优良的速生用材树种［1］。材质轻，花纹美，心
材为淡红褐色，少开裂且耐腐蚀，可作家具用材。
在顶果木木材改良方面，科研人员做了大量的研
第 45 卷 第 2 期 广 西 林 业 科 学 Vol. 45 No. 2
2016 年 6 月 Guangxi Forestry Science Jun. 2016
究［2 － 6］，本课题对改性后的顶果木木材进行的进行
系统研究和分析，并测定尺寸稳定性、表面接触
角、硬度等性质，旨在揭示顶果木人工林木材的
改性后的表面疏水性、物理力学等指标，明确该
木材的特点，为顶果木木材加工以及该木材改良
提供参考，实现顶果木木材的合理加工和高效
利用。
1 材料与方法
1. 1 试验材料
顶果木试样于 2012 年 5 月采自广西来宾市维
都林场。采集按照国家标准 《木材物理力学采集
方法》(GB /T1927 － 2009)规定，试验样本 36 年
生，树干直、生长好、没有病虫害，共采集 3 株，
平均胸径约为 40 cm。
1. 2 试验方法
将试样加工成实验要求的尺寸，其中顺纹抗
压强度尺寸为 30 mm × 20 mm × 20 mm，硬度尺寸
为 70 mm × 50 mm × 50 mm，尺寸稳定性和接触角
尺寸均为 20 mm × 20 mm × 20 mm。对顶果木材进
行硅烷化改性，首先按浸渍时间将每个待测项目
的试样分为 A、B、C、D 等 4 组，每组 5 个试件，
共 20 个。然后配制反应溶胶，正硅酸乙酯、乙醇、
冰乙酸按照 1∶ 1 ∶ 0. 01 的摩尔比进行调配，并加入
少量去离子水，倒入烧杯并开始浸渍试样。其中，
A组浸渍 6 d，B 组浸渍 4 d，C 组浸渍 2 d，D 组
为对照组 (不浸渍)。等浸渍完毕后，取出试件放
在室温下陈化 7 d，103℃干燥至绝干后装入密封袋
放置在干燥皿中。
1. 3 性能测定
根据国家标准 GB /T1927、GB /T1934 － 2009
对试件进行顺纹抗压强度、硬度的测定。
将改良后的木材放在干燥器中的隔板上，隔
板上具有多个小孔，干燥器底部装有适量蒸馏水，
测量木材在吸湿过程中的质量及尺寸变化。整个
实验均在室温 (约 25℃)下进行，每个水平实验
5 个试样，每隔 6 个小时测量 1 次尺寸。
疏水性以液体在固体表面的接触角来表示，
接触角越大，表明疏水性越好，相反则越差。采
用德国 KＲUSS DSA100 接触角测量仪测定蒸馏水在
老化试验前后试样上的接触角。实验控制在室温
为 (20 ± 2)℃，湿度为 65% ± 23%条件下进行测
定，液滴为蒸馏水，从液滴在木材表面形成第一
滴清晰液滴时作为初始时间开始计时，测定第 30 s
液滴在木材表面的接触角大小，每个试样分别测
量横切面、弦切面和径切面的接触角，每个面测 3
个点，然后取平均值作为其接触角大小，测量完
毕后用滤纸吸走液滴。
2 结果与分析
2. 1 顺纹抗压强度
根据试验结果，经过数据分析得出顶果木木
材顺纹抗压强度的平均值和标准差。由表 1 可知，
顶果木木材 A ～ D组试件的顺纹抗压强度平均值分
别为 43. 59、34. 26、34. 96、36. 31 MPa，总平均
值为 37. 28 MPa，对照木材顺纹抗压强度等级标
准，其顺纹抗压强度应属中下级 (30. 1 ～ 45. 0
MPa)。
将表 1 中的数据进行对比分析，B 组、C 组和
D 组的差异数值较小，分别是 － 2. 05、 － 1. 35
MPa，即可说明顶果木试件在硅烷化改性浸渍 2、4
d后，顺纹抗压强度发生了小幅度的降低。但将 A
组与 D 组比较又发现二者差异数值很大，为 +
7. 28 MPa，顶果木的顺纹抗压强度发生了较大的
增幅。综合以上数据显示，在改性浸渍的短时间
内，顶果木材中的内含物等物质在浸渍初期被抽
提出来，材质有所变软，顺纹抗压强度小量减少;
但当浸渍达到一定的时间后，硅烷化对木材改性
的效果得以体现，木材表面形成了一层能够增加
木材强度的二氧化硅薄膜，顶果木的顺纹抗压强
度明显增大。
表 1 不同浸渍时间的顶果木木材顺纹抗压强度
Tab. 1 Compressive strength parallel to grain of Acrocarpus
fraxinifolius Wightet Arn. in different dip duration
处理
浸渍
时间 /d
试样数
顺纹抗压
强度 /MPa
平均值
标准差
A组 6 5 43. 59 7. 79
B组 4 5 34. 26 2. 41
C组 2 5 34. 96 2. 55
D组 0 5 36. 31 4. 52
表中顺纹抗压强度为换算成含水率为 12%时的试验
结果。
2. 2 硬度
根据试验结果，经数据分析得出顶果木木材
硬度的平均值和标准差。从表 2 中数据可以看出硅
烷化改性对顶果木端面的影响很大，端面变得更
软，硬度降低。从弦面硬度数据来看，除了 C 组
硬度变大以外，A 组和 B 组相对 D 组都是变小的
趋势，将 4 个组的径面硬度数据进行比较，顶果木
002 广 西 林 业 科 学 第 45 卷
试件的径面硬度随着浸渍时间的增加呈逐渐上升
的趋势。
对顶果木材进行硅烷化改性后，木材端面的
硬度急剧减小后又有缓慢回升，这与顺纹抗压强
度的变化规律一致。而径面的硬度是逐步增大;
端面、弦面和径面的硬度差异化程度随着浸渍时
间的增长而逐步减少，即趋向于稳定。
表 2 不同浸渍时间的顶果木木材硬度
Tab. 2 Hardness of Acrocarpus fraxinifolius
Wight et Arn. in different dip duration
处理
浸渍
时间 /d
试样数
硬度 /
N
平均值
标准差
端面 3 689. 75 597. 74
A组 6 5 弦面 1 326. 67 214. 92
径面 3 661. 44 593. 15
端面 3 348. 66 502. 30
B组 4 5 弦面 1 646. 59 246. 99
径面 3 348. 70 508. 30
端面 3 583. 72 895. 93
C组 2 5 弦面 3 220. 37 805. 09
径面 3 468. 08 867. 02
端面 5 161. 44 948. 43
D组 0 5 弦面 2 186. 45 655. 94
径面 2 696. 03 808. 81
表中硬度为换算成含水率为 12%时的试验结果。
2. 3 尺寸稳定性
每隔 6 h测一次数据，以保证试验结果的稳定
性，减小实验误差。试验分别对顶果木试件的纵
向、径向和弦向进行尺寸测量，质量采用电子天
平进行称量。
从图 1 和图 2 可以看出，B组和 C组纵向尺寸
的变化走势基本相似且趋于稳定;空白组 (D 组)
的上升趋势就比较明显;浸渍了 6 d的 A组在 4 个
组里面变化最为稳定。通过将各组纵向尺寸变化
率的折线图作对比，可以看出:经过硅烷化改性
的顶果木木材材性发生了一些变化，改性后顶果
木木材纵向尺寸增大的比率在刚开始放置时比较
稳定，且随着浸渍时间的增加，浸渍时间越长，
二氧化硅薄膜在木材表面起到保护的作用，使木
材的尺寸变化降低，稳定性增加。
A组
B组
C组
D组
6% 12% 18% 24% 30% 36% 42% 48% 54% 60% 66% 72初
始
浸
渍
绝
干
20.60
20.55
20.50
20.45
20.40
20.35
20.30
纵
向
尺
寸
/%m
m
处理时间 /%h
图 1 顶果木木材纵向尺寸的变化趋势
Fig. 1 The change pattern of longitudinal dimension
in different treatment duration
A组
B组
C组
D组
6% 12% 18% 24% 30% 36% 42% 48% 54% 60% 66% 72
处理时间 /%h
0.2
0.1
0.0
-0.1
-0.2
-0.3纵
向
尺
寸
变
化
率（
%
）
图 2 顶果木木材纵向尺寸变化率趋势
Fig. 2 The pattern of longitudinal dimensional change
rate of Acrocarpus fraxinifolius Wight et Arn
从图 3 和图 4 可以看出，4 组的径向尺寸变化
均呈现缓慢上升的状态，而且变化率基本是相同
的，都是从开始的快速下降到后来的趋于稳定。
A组
B组
C组
D组
初
始
浸
渍
绝
干
6% 12% 18% 24% 30% 36% 42% 48% 54% 60% 66% 72
21.8
21.3
20.8
20.3
径
向
尺
寸
/%m
m
处理时间 /%h
图 3 顶果木木材径向尺寸的变化趋势
Fig. 3 The change pattern of radial dimension
in different treatment duration
A组
B组
C组
D组
6% 12% 18% 24% 30% 36% 42% 48% 54% 60% 66% 72
处理时间 /%h
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
-0.2
径
向
尺
寸
变
化
率（
%
）
图 4 顶果木木材径向尺寸变化率趋势
Fig. 4 The pattern of radial dimensional change rate
of Acrocarpus fraxinifolius Wight et Arn
从图 5 和图 6 可以看出，4 组的弦向尺寸变化
均呈现出上升的趋势。可以得出结论:硅烷化改
性对顶果木弦向尺寸的变化有较小的影响，当浸
渍时间达到一定程度时，弦向尺寸上升变化的幅
度就会降低。弦向尺寸受环境影响较大，故变化
102第 2 期 覃林海，刘晓玲，孙 静:二氧化硅改良顶果木木材表面性质研究
率变化较大，但基本上也呈现出逐渐减小的趋势。
A组
B组
C组
D组
6% 12% 18% 24% 30% 36% 42% 48% 54% 60% 66% 72初
始
浸
渍
绝
干
处理时间 /%h
22
21.5
21
20.5
20
弦
向
尺
寸
/%m
m
图 5 顶果木木材弦向尺寸的变化趋势
Fig. 5 The change pattern of tangential dimension
in different treatment duration
A组
B组
C组
D组
6% 12% 18% 24% 30% 36% 42% 48% 54% 60% 66% 72
处理时间 /%h
1.5
1
0.5
0
-0.5弦
向
尺
寸
变
化
率（
%
）
图 6 顶果木木材弦向尺寸变化率趋势
Fig. 6 The pattern of tangential dimensional change
rate of Acrocarpus fraxinifolius Wight et Arn
从图 7 和图 8 可以看出，4 组的质量变化均呈
现逐步上升的趋势，而且变化速率都是由快速下
降到后来的逐步稳定，对照组的变化率相对较大，
说明木材经过硅烷化改性后，木材表面形成二氧
化硅薄膜，在一定程度上阻碍了水分进入木材，
木材达到疏水的效果，降低了木材质量的变化率。
A组
B组
C组
D组
6% 12% 18% 24% 30% 36% 42% 48% 54% 60% 66% 72初
始
浸
渍
绝
干
处理时间 /%h
6
5.5
5
4.5
4
质
量
/%g
图 7 顶果木木材质量的变化趋势
Fig. 7 The change pattern of quality in
different treatment duration
A组
B组
C组
D组
6% 12% 18% 24% 30% 36% 42% 48% 54% 60% 66% 72
处理时间 /%h
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
质
量
变
化
率（
%
）
图 8 顶果木木材质量变化率趋势
Fig. 8 The pattern of quality change rate of
Acrocarpus fraxinifolius Wight et Arn
综合上述分析，可以总结出:经硅烷化改性
后的顶果木木材，纵向尺寸变化的速率和趋势都
发生了改变，即速度变缓慢，当试验进行到一定
时间后还有可能呈下降变化的趋势;对于弦向尺
寸也有一定的影响，当处理时间足够长的时候，
弦向尺寸上升的变化速度就会减缓，并趋向于稳
定。对顶果木木材进行硅烷化改性，它的尺寸稳
定性整体上受到影响，即增加了顶果木材的尺寸
稳定性，其材性更加稳定。
2. 4 接触角
为了保证试验结果的稳定性，减小实验误差，
特别在每组的 5 个试件中，选出 3 个尺寸和质量最
为接近的试件进行接触角测试，将数据求平均值
后进行分析。
从表 3 中可以看出，D组每个切面的接触角均
小于 90°，说明顶果木木材疏水性较差，这对于该
木材的开发及其加工利用是不利的。而经过硅烷
化改性的木材的三个切面的接触角均大于 90°，说
明木材经过硅烷化改性后，顶果木的疏水性能发
生了极大的变化，木材表面由亲水变为疏水，从
而水滴无法进入木材内部，疏水性大大增加。
表 3 不同浸渍时间的顶果木木材接触角
Tab. 3 Contact Angles of Acrocarpus fraxinifolius
Wight et Arn. in different dip duration
处理
浸渍
时间 /d
试样数
接触角
(°)
平均值
标准差
横切面 120. 1 6. 1
A组 6 3 径切面 107. 5 7. 5
弦切面 112. 1 6. 6
横切面 112. 4 8. 4
B组 4 3 径切面 101. 1 7. 3
弦切面 96. 1 4. 5
横切面 115. 0 4. 4
C组 2 3 径切面 109. 8 5. 4
弦切面 94. 3 15. 0
横切面 28. 8 21. 3
D组 0 3 径切面 36. 2 8. 5
弦切面 54. 4 11. 6
由图 9 可以看出，未改性的 D 组试件横切面
疏水性很差，蒸馏水基本不能在木材表面形成接
触角，径切面和弦切面在 30 s 时液滴仍在木材表
面上，但是接触角较小，疏水性较差。而改性后
木材的横切面、径切面和弦切面的接触角均大于
202 广 西 林 业 科 学 第 45 卷
90°，木材经过硅烷化改性 2 d后，3 个切面上的接
触角发生了显著的变化，渗透速度减缓，接触角
明显要比对照组大，说明经过硅烷化改性后，顶
果木木材的疏水性发生了质的变化，由亲水材变
成疏水材，木材的疏水性显著增强。浸渍 4 d (B
组)和浸渍 6 d (A 组)，接触角相对对照组有了
很大的提高，但是与浸渍 2 d 的试件相比，虽然接
触角仍在增大，但是增加的趋势并不明显。木材
经过硅烷化改性处理后，疏水性得到了很大的
改善。
a1%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%b1%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%c1%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%d1
a2%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%b2%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%c2%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%d2
a3%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%b3%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%c3%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%d3
图 9 顶果木木材改性前后的接触角对比
Fig. 9 The comparison of woods contact angles before and after silane treatment
(a1:未改性横切面，a2:未改性径切面，a3:未改性弦切面，b1:改性 2 d横切面，b2:改性 2 d径切面，b3:改性 2
d弦切面，c1:改性 4 d横切面，c2:改性 4 d径切面，c3:改性 4 d弦切面，d1:改性 6 d 横切面，d2:改性 6 d 径切面，
d3:改性 6 d弦切面)
3 结论与讨论
在改性浸渍的短时间内，顺纹抗压强度小量
减少，但当浸渍达到一定的时间后，硅烷化对木
材改性的效果得以体现，顶果木的顺纹抗压强度
得到明显增大。顶果木材硅烷化改性后端面的硬
度急剧减小后又有缓慢回升，而径面的硬度是逐
步增大，再趋于稳定。
硅烷化改性后，顶果木材尺寸稳定性、纵向
尺寸变化的速率和趋势都发生缓慢变化，当浸渍
时间增加时，弦向尺寸上升的变化速度就会减缓，
并趋向于稳定。浸渍 2、4、6 d 的横切面、径切面
和弦切面的接触角均大于 90°，木材经过硅烷化改
性处理后，疏水性得到很大的改善。
硅烷化改性后，顶果木的顺纹抗压强度明显
增大，且改性木材的顺纹抗压强度相比未改性的
木材有很大的改善。木材端面硬度在急剧减小过
后又有缓慢回升，而径面的硬度是逐步增大。尺
寸稳定性和接触角的共同表征，说明了通过改性
能显著增加顶果木木材的疏水性，有利于合理开
发利用。
顶果木木材各项力学性能达到中等级别，硅
烷化改性后更能适用于房屋建筑方面的材料，如
做房架、搁栅、柱子、木桩，坑木等。顶果木木
材材性不算稳定，但硅烷化改性后的木材，其力
学强度、尺寸稳定性和表面疏水性等方面有很大
提高，可应用于家具用材、室内装饰材料等方面。
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