全 文 ：第2 0卷 第 1期 东 北 林 业 大 学 学 报 V o l . 2 0N o . 1
英国欧洲赤松木材尺寸稳定化的研究
李 坚
(东 北 林 业 大 学 )
B a n k s W
.
B
.
Jo n s eG
.
L
.
Z h a n g Y i ch en
(英 国 北 威 尔 斯 大 学 )
【摘 要 】米用城角 醉 (s A ) 和 1, 2一环载丁烷 ( E p ) 在二 甲替 甲既胺溶
剂 中处理 欧洲赤松木材 (尸 l’n us sy lve st isr ) 使其低醋化 。 并利用 D 一 20 0 线型微
差 式互 感器 ( L V D T ) 自动 而连续地测 量 了改性木材吸水膨胀率的 变化 , 米用
傅里叶 变换红外光 谱仪分析 了木材与改性药剂 的化学反应 。 结 果表明 , 这些
化学药剂 能够有效地改善木材 的尺寸 稳定性 。
主题词 : 欧洲 赤松木材 ; 木材化学改性 ; 木材的尺寸稳定性
中国图书分类 : 5 7 81
木材是社会经济和工业生产不可缺少的一种材料 ,
O
/尸火 _
R、
w ” 。 d 一 。 一 ` n 火气产 ” 、 。 ` . /
{
。
木材保护是建筑和家具工业所必
须解决的重要问题 。 尤其是 ,
木材中水分的存在和变化可引
起木材膨胀 、 收缩和真菌感染
而使木 结构和 木制 品遭到 损
坏 。 因此 , 采用新型的化学药
剂或拒水剂改性木材 , 提高木
材或木制品的尺寸稳定性已成
为当今世界木材保护研究的发
展趋势之一 。
近 几 年来 , M a t s u d a 等
人研究报导了一种新的改性木
’ 材方法 , 即采用环醉和环氧衍
生物分别处 理或混合处理木
这些低醋化的加合物具有改良木
,
\ l日/
\/
;
.
0
/。\/\臼图 1 低醋化木材反应模式
材 , 使之发生化学反应而生成低醋化木材 (见图 l ) 。
收稿 日期 : 199 1年 8 月 20 日。
本篇责任编辑 : 张 玉 。
第 1期 李 坚等、 英国欧洲赤松木材尺寸稳定化的研究
材尺寸稳定性和木材热塑性等许多优良性能 。
本研究采用珑拍醉 ( sA ) 和 1, 2一环氧丁烷 ( E p ) 分别或混合处理 (或改性 ) 欧洲
赤松木材 , 并利用 D 一 20 0 线型微差式互感器 ( L V D T ) 自动而连续地测量了改性木材
的吸水膨胀率的变化 , 利用傅里叶变换红外光谱仪分析了木材与化学药剂的反应机理 。
研究结果表明 , 这些化学药剂能够有效地改善木材的尺寸稳定性 , 这种改性木材的方法
在木材利用 、 木材保护研究领域和工业生产中具有广阔的前景 。
卜
1 实 验
L l 试件制备
从无缺陷 、 干燥的英国欧洲赤松 ( p in “ : 咧 v se tr l’s ) 木段上切取边材试件 , 尺寸为
20 m m x ZO m m x s m m (径向 x 弦向 x 纵向 ) , 纵向尺寸最短是为了保证使处理药剂均
匀扩散到整个试件的全部结构中。 在化学药剂处理之前 , 全部试件进行轻微的砂磨 , 以
除去表面松散的纤维 , 并使试件表面清洁光滑 。 然后将全部试件置人索格利特抽提器
中 , 用 甲苯一乙醇溶剂 ( V / V 二 :2 1) 抽提 4 h , 取出后放在通风橱中气干 20 m in , 接
着放入烘箱中 (8 0 ℃ ) 烘干 s h , 取出后置于干燥器中保存待用 。
L Z 化学改性
实验采用的主要化学药 剂有墟拍醉 ( SA ) (英国 , A ld ir hc 化学有限公 司出品 ) 、
1
,
2一环氧丁烷 ( E p ) (英国 , A ldr ic h 化学有限公 司出品 ) 、 二 甲替甲酞胺 ( D M F )
(英国 , B D H 化学有限公司出品 ) 。
实验选用珑拍醉 、 1 , 2一环氧丁烷作改性药剂 , 以二 甲替甲酞胺作溶剂采用以下三
种方法处理欧洲赤松木材试件 。
L .2 1 玻拍醉
称取 .4 0 9 貌拍醉 , 溶解在预先放人烧瓶内的二 甲替甲酞胺溶剂 ( 50 m )L 中 , 然
后将 5 块制备好的木材试件 (6 . 50 9 ) 置入其中 , 在 90 一 95 ℃下回流加热 s h 。 取出后
先用丙酮在室温下冲洗试件两次 , 然后将试件和适量的丙酮溶剂一并放人带有回流冷凝
器的烧瓶中加热 (9 0一 9 5 ℃ ) Z h , 取出后气干 、 烘干和称重 。
L .2 2 1
,
2一环氧丁烷
” 将 5 块木材试件 (5 .4 0 9) 连 同 1 , 2一环氧丁烷 (4 .0 0 9) 和二 甲替 甲酞胺 ( 50
m L ) 一并放入烧瓶中 , 回流加热 (9 O一95 ℃ ) s h , 取出后用丙酮冷洗两次 , 在丙酮
溶剂中回流加热 (9 O一 9 5 ℃ ) Z h , 取出后气干 、 烘干和称重 。
L .2 3 玻拍醉与 l , 2一环氧丁烷
唬拍醉与 1, 2一环氧丁烷混合处理 : 将 2 . 18 9 珑拍醉 、 2 . 18 9 1 , 2一环氧丁烷和 50
m L 二甲替甲酞胺放入烧瓶中 , 待玻拍醉完全溶解后再放人 10 块木材试件 ( 10 .9 0 9 ) ,
然后在 90一95 ℃下回流加热 s h , 取出后按上述相同的方法用丙酮冷洗 、 热洗 , 以除
去试件中未反应的化学药剂 。 洗好的试件经气干后放人烘箱 中干燥 ( 80 ℃ ) s h , 然后
称重 , 放人干燥器中备用 。
墟拍醉与 1 , 2一环氧丁烷交替重复处理 : 将 10 块木材试件 ( 10 .7 0 幻 放人装有玻
汤 2东 北 林 业 大 学 学 报 第 0 2卷
拍醉 ( 2.1 4 9)和 二甲替甲酞胺 (1 0 0m L)的烧瓶中 , 回流加热 ( 9任一9 5 ℃ ) s h , 取
出经丙酮溶剂处理后称重 , 然后将这些试件放人装有 1 , 2一环氧丁烷 (2 . 14 9) 和二 甲
替甲酞胺 ( 10 0 m L ) 的烧瓶中进行回流加热 、 丙酮溶剂处理 、 称重 , 然后再先后放入
珑拍醉二甲替甲酸胺溶液 、 l , 2一环氧丁烷二甲替甲酞胺溶液中重复处理一次 , 最后经
丙酮洗涤和回流加热后 , 气干 、 烘干与称重 , 存放待用 。 在交替重复处理中 , 每经过一
次处理 , 改性木材的增重比率如表 1所示 。 有意义的是 , 木材试件经玻拍醉处理后 , 其
木材增重率升高 , 而经 1, 2一环氧丁烷处理后 , 其增重率较前一次的玻铂醉处理时略有
降低 。
表 1 素材和改性木材试件的重组比较
化 学 药 剂 交 替 重 复 处 理 后 试 件 重 量 s()
试件编号 素材重见 (助—( )I貌拍醉 ~ (3 )玻拍醉 ~ (4 ) 1 ,2一环氧丁倪1 . 0 8 3 91 0 8 1 31. 0 82 71 . 0 7 2 01 . 0 4 6 91 0 2 6 21 . 0 9 8 11 0 7 1 51 . 0 3 0 7 1 . 1 87 2456789l 0总计增重 ] . 1 89 21 . 18 1 41 . 1 56 01 . 134 21 . 2 12 01 . 18 1 01 . 14 0 41 . 12 8 610 . 7 2 1 9 1 . 2 4 0 81 1 . 8 19 310 2 4% ~ (2 ) l , 2一环氧丁烷1 . 1 72 21 . 1 6 3 31 . 1 70 21 . 1 57 01 . 1 3 3 51 . 1 1 2 71 . 1 89 41. 1 59 81 . 1 16 91 . 2 1 7 21 1 . 5 9 2 28 . 1 2% 1 . 2 3 9 71 . 2 2 6 71 . 23 2 31 . 2 2 2 01 19 2 71 . 17 3 71 . 2 4 9 81 . 2 22 11 . 1 8 0 51 . 2 7 9 112 . 2 18 61 3 9 6% l , 2 3 1 91. 2 2 2 41 . 2 2 3 11 . 2 1 5 41. 18 6 21 . 16 51 24 3 11 . 2 18 51 . 17 1 0l , 2 7 0 212 . 14 8 313 . 3 0% 侧L 3 测定分析浸水膨胀率 : 采用专门设计的测定装置 自动连续测定木材试件 (室温下 1 8一2℃ , 浸水 ) 吸水膨胀时的尺寸变化 。 该测试装置由试件夹持器和 D 一 20 线型微差式互感器 ( L V D T ) 组成 。 其中的传感器通过一个校正装置能够准确地连续地侧定出浸入水中的木材试件在径向 、 弦向方向上从绝干到开始膨胀和持续膨胀过程中尺寸的变化 。 数据收集系统由电磁 一电压转换器 、 L V D T 和微型计算机组成 。 由电磁 一电压转换器收集
到由试件膨胀时感应的电磁信号 , 然后转变成 电压信号 , 再通过 L V D T 将电压信号转
换成测定单位 (林m ) 输入微机 , 最终可以连续测定试件尺寸的变化和自动记录并打印
出全部测定数据。 通过这些数据可以计算得出素材和改性木材的膨胀率 。
抗胀率 ( A S E ) : 根据计算得到 的素材和改性木材的膨胀率 , 用 A SE = 5
2 一 S -
S z
x 10 计算改性木材的抗胀率 。 其中又是改性木材的膨胀率 ; S ,是素材的膨胀率 。
木材的 化学反应 : 采用傅 里叶变换红外光谱 仪 ( F T I R , M a t t s o n , e y g n u s 10 0 ,
U S A ) 分析改性材官能团的变化 , 并与素材对比 , 揭示经化学药剂改性处理时木材可
第 1 期 李 坚等 : 英国欧洲赤松木材尺寸稳定化的研究
能发生的化学反应 。
2 结果与讨论
2. 1 木材的尺寸稳定化
经 VLD T 系统测定和计算得 出的素材 ( I ) 、 S A改性材 ( n ) 、 E p 改性材 ( 1 )
和 S A十E p 改性材 ( W ) 径向吸水膨胀率如图 2 所示 ;经 S A、 E p 和 S A十 E p 处理的改
性木材的抗胀率 ( S E A) 如表 2 所示。 由图 2 和表 2 可知 , 欧洲赤松木材试件经各种化
学药剂处理后 , 其吸水膨胀率均较素材明显下降 , 其抗胀率明显提高 ; 其中用 S A 与
E p 混合处理的试件其膨胀率最低 , 而抗胀率最高 。 可见 , 上述化学药剂对改变木材与
水分之间的相互作用有显著效果 。 那么它们究竟赋于木材拒水性还是尺 寸稳定性功能 ?
还是这两种功能兼而有之呢 ?
表 2 改性材的抗胀率 (% )
化 学 药 剂 增 重 (% ) A S E ( % )
S A 10
.
24 6 5
.
4 3
E p 1
.
36 6 8
.
2 6
S A + E P 1 3 3 0 7 2
.
2 5
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图 2 紊材与改性材的吸水膨胀率
1
.素材 , n . S A 改性材 ;
班 . E p 改性材 , I’V . S A + E p 改性材
图 3 木材拒水性和尺寸稳定、 l与处理的模式
工 .拒水性 ; n .尺寸稳定性 ;
1
.拒水性和尺 寸稳定性
通常 , 将减少木材对水分的吸收和木材尺寸的变化的作用分成两种类型 : 拒水性和
尺寸稳定性 。 尽管人们常常把这两种作用混淆起来 , 但实质上它们是木材中水分控制的
两种完全不同的概念 。 拒水性是指木材经某种改性处理后 , 抑制或控制木材对水分吸收
34 东 北 林 业 大 学 学 报 第 0 2卷
速率的能力 , 而尺寸稳定性则是表示减少或抑制由于吸收水分所产生的木材膨胀率 (或
失水时产生的收缩率 ) 。
据 R o w el 和 B a n ks 记载 , 将有关木材拒水性和尺寸稳定性处理效果分为如图 3 所
示的三种模式 。 I 处理
40 0 0 350 0 3 0 0 0 2 5 0 0
波数
20 0 0
e m
l )
1 5 0 0 10 0 0
圈 4 索材及改性材的 FT IP 材的吸水
a
. 用 SA 处理的木材 ; h . 川 S A + E p 处理的木材 , c . 素材
能减少水分吸收速率 ,
但最终膨胀率与素材的
相同或相近 ; 这种处理
只 能 改善木材的拒水
性 , 但并不能改善木材
的尺寸稳定性 。 n处理
能够减少木材的膨胀
率 , 但不能减少木材的
吸水速率 ; 这种处理只
能改善木材的尺寸稳定
性而不能赋予木材拒水
性 。 1 处理既能减少木
膨胀速率 , 又能减少最
终膨胀程度 ; 这种处理
兼有拒水性和尺寸稳定
性两种功能。
与图 3所示的三种模式相比 , 用本研究采用的化学药剂处理木材后 ; 大大地减少了
木材的吸水膨胀率 , 赋予木材优良的尺寸稳定性 , 从而提高了木材的耐久性和使用价
值 。
.2 2 木材的低醋化
素材及用 SA 、 S A + E p 改性处理材试件的 F IT R 分析谱图如 图 4 所示 。
由图 4 可见 , 与素材相 比 , 经 s A 、 E p 处理的木材 , 在波数 1 72 0一 1 750 c m 一 , 处
产生很强的吸收 峰 , 这是官能 团一 C O O H 和 一 C O O 一的贡献 。 这表明欧洲赤松木材用
SA
、
s A + E p 处理时 , 化学药剂与木材分子发生化学反应 , 生成了含有叛基和拨基官能
团的低醋化木材 , 其主要的反应如下 。
用琉拍醉 ( S A ) 处理时 , 木材与珑铂醉的反应 :
O
叫
W O O D 一 O H +
}!
H ZC
. 一C }
H , C丙 /
O ” W O O D 一O O C C H Z一 C H Z一 C 0 0 H ( l )
木材分子
O
琉拍醉 含有翔基和簇基的低醋化木材
用貌拍醉 ( SA ) 和 l , 2一环氧丁烷 ( E p ) 处理时 , 发生的主要反应是 :
第 1期 李 坚等 :英国欧洲赤松木材尺寸稳定化的研究
O
}}
H Z C
.一 C W O O D一 OH + }O叶W 0 0 D一 0 0 C CH Z一 CH Z一 C O OH
H , C祝 /
O
W O O D一 O O C C H Z一 C H Z一 C 0 0 H + C H Z一 C H一 C H Z一 C H 3叶
\ /
O
( 2 )
2一环氧丁烷
C H Z一 C H Z一 C H 3
}
W 0 0 D (0 0 C一 C H Z一 C H Z一 C O O C H ) n一O H
塑化并交联的低醋化木材
( 3 )
护
由 ( l) 式可见 , 木材经 S A 处理后形成含有叛基和毅基的低醋化木材 , 因此封闭
了木材中纤维素 、 半纤维素和木素分子上的游离经基 , 从而大大地减少了木材的吸水
(湿 ) 性能 , 提高了木材的尺寸稳定性 。 由 ( 2) 、 ( 3) 式可见 , 木材用 S A 和 E p 混合
处理时 , 首先木材分子与 SA 发生 (2 ) 式反应 , 生成含有翔基和毅基的低醋化木材 ,
接着这些含有活性官能团卜 C O O H , 一 C O O 一 )的木材再与 E p 反应 , 产生塑化并交联的
低醋化木材。 由于在反应中使木材分子发生塑化与交联作用 , 因此有利于改善木材的尺
寸稳定性 , 故用 S A 和 E p 混合处理的木材 , 其吸水膨胀率最低 , 而抗胀率最高。 尤其
引人注目的是 , 木材试件经 S A 和 E p 交替重复处理时 , 可先后 发生 ( 1 ) 、 (3 ) 式反
应 , 而 ( 3) 式反应生成的塑化并交联的低醋化木材含有游离经基 (一 O H ) , 可再重复
发生 ( l) 式和 (3 ) 式反应 , 这样可以得到高度塑化并交联的低酣化木材 , 这种改性木
材产品不但具有优良的尺寸稳定性 , 也具有较高的热塑性 , 以此可以把这种改性木材进
一步深加工 , 使之塑料化和溶液化 , 制出全新的产品 。
参 考 文 献
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,
B a n k s W B
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F T I R S t u d ie s o f t址 ,’ W o o d 一 Is o e y a an et eR ac t io n . J o u r n a l o f M -o
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,
19 8 8
,
1 7 5: 3 8 9e 3 9 4
Ba n k s W B
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A l ly l G I界id y l e th e r . W o od cS ie n优 a n d T忱 h n o l o gy , 19 8 8 , 2 2: 2 1一3 2
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,
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3 6东 北 林 业 大 学 学 报 第2 0 卷
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S e o t s v i n e w o o d s a m p l e s w e r e t r e a t e d b y S u c i n i e a n h y d r id e ( SA ) a n d
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,
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P r o d u e e o l i g o e s t e ir if e d w o o d
.
C h a n g e s o f t h i e h n e s s s w e l li n g o f e h em i e a l m o d i if e d w o o d
s a m p l e s i n w a t e r s o a k in g w a s d e t e mr i
n e d a u t o m a t i e a lly a n d e o n t i n u o u s ly b y D 一 200
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r a n a ly z i n g
s a m P l e s fo r r e a e t i o n o f w o o d w i t h e h e m i e a l s
.
T h e r e s u l t s h a v e s h o w n t h a t t h i s e h e m i e a l
t re a tm e n t 15 a v e r y e fe
c t i v e w a y t o im P r o v e d im e n s i o n a l s t a b i l i t y o f w o o d
,
D e cs r i p t o rs : S e o t s P i n e w o o d ; C h e m i e a l m o d i if e a t i o n o f w o o d ; D im e n s i o n a l s t a b i l i
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C B C N : 5 7 8 1
阅
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