全 文 ：9 19 4年 5月 木 材 工 业 第 8卷 第 2期
马尾松 、 麻栋 、 江南恺木用聚乙二醇
改性的研究
李筱莉 岳翠银
(安徽农业大学林产工业研究所 合肥 3 2 0 03 6)
摘要 本文研究了马尾松 、 麻栋 、 江南恺木三种木材用聚乙二醇 (E PG )改性的工艺条件及效果 。
结果表明 , 三种改性材经过长时间自然存放 , 抗收缩率可达8 0% 以士 , 并且其耐腐性能提高 , 尺
寸稳定性好。
关健词 聚乙二醇 , 尺寸稳定性 , 抗干缩系数
木材是一种吸湿性材料 , 提高木材尺寸
稳定性 , 并改善其性能 , 概括起来有以下几
方面 : ①用涂料涂敷木材表面 , 阻滞木材内
外水分的渗透和扩散 , ②增容处理 , 即把不
挥发物质引入细胞壁的微细结构中 , 以提高
木材尺寸稳定性 , 改善木材性质 ; ③使木材
内部表面活性基发生取代反应或加成反应 ,
如木材 乙酞化 , 使疏水性的乙酞基取代木材
中纤维素 、 半纤维素的经基 , 降低了木材吸
湿性 , 另外 乙酞基又能在木材 内 起 增容作
用 , 使木材的尺寸得到稳定 , ④用有机单体
注入木材内部 , 用射线辐照或加热 , 使单体
在木材内聚合或与木材接枝 , 制成木型复合
材 ( W P )C 。 其抗干缩系数 、 抗湿胀 系数能
达到 50 % ~ 80 % ; ⑤使木材化学成分间生成
交联键 ,如用少量 甲醛处理木材 , 则在纤维素
分子之间 , 形成亚甲基键的交联 , 达到一定
的抗干缩性 。 从上述几种方法中 , 以 P E C处
理木材的效果较为理想 。 最早使用 P E G改 良
木材性质的是美国林产品研究所的斯坦姆博
士 , 日本的掘冈林业试验场也进行了研究 ,并
在建造 日本昭和宫殿时 , 用 P E G处理地板 ,
使用 10 年之久并没有发生任何变形 。 在斯德
哥尔摩郊外保存的 “ W “ s a ” 号木制兵舰 , 也
是用 P E G处理的 。
收稿日期 19 94一 0 1一 2 5
本研究选用了安徽常用树种材 , 以 P E C
为处理剂 , 研究其处理工艺条件及其对木材
尺寸稳定性的影响 。
1 材料与方法
1
.
1 材种选择
木研究选用翘曲变形大 、 干燥时间长 、
干燥中易开裂的 马 尾 松 (尸 l’n 2 l: 二 。 : : 。 。 ` -
a n a
)
、 麻栋 ( Q : ` e r c u s a 。 : ` t i s s f o a ) 和 江
南恺木 ( A I。 。 : t r a b e 。 。 l o s a ) 作为 试验 用
材。 其中马尾松又以生材和不 同含水率的气
干材条件下进行试验 。 麻栋与江南恺木用气
干材和较高含水率试材进行试验 。 试件尺寸
均为 1 0 0 m m 又 l o o m m X 3 5m m 。
1
.
2 P E G分子量选择
P E G是环氧 乙烷与 乙二醇或水进行加成
聚合的化合物 , 挥发性很低 , 在室温或稍高
于室温下可以以各种比例 溶 于 水 , 通式是
H O C H
Z
( C H
Z O C H
Z
)
。
C H Z O H , 由 于 P E G分
子量不同 , 渗入 木 材 的 能力 也不同 , 其水
溶液可以渗透到木材细胞壁 的 P E G 极 限 分
子量为 3 0 0 0 , 超过 1 5 0。以 后 , 效 率明显下
降 。 一般而言 , 分子量在 10 0以上 较 好 , 而
分子量在 40 0~ 1 0 0 0时 , 较容易 进 入木材的
纤维胶束间隙中 。 本研究选 用 分子量为 40 0
的 P E G 。
1
.
3试验方法与步骤
1
.
3
.
1浸渍液的配制 将 E G P配制成 不 同
浓度的水溶液 , 作为浸渍液 。
1
.
3
.
2 试件的浸渍处理 试件称 重 后放入
不同浓度的 P E G溶液中 , 按不同的浸渍时间
分别取出 , 擦干表面的浸渍液 , 称重并求出
试件吸入的 P E c 量 。
1
.
3
.
3 试件干燥 试件浸渍以后 立 即进行
干燥 , 干燥温度根据不同树种而定 , 针叶树
材采用 60 至 10 5℃ , 干燥 时 间 1~ 2天 , 对易
开裂的阔叶树材采用 40 至 80 ℃ , 干燥时间 2
~ 3天 。 反复试验得出适于马尾松 、 麻栋 、
江南恺木的干燥温度及干燥时间 。 试验因素
和水平安排见表 1 。
寸的变化 , 同时对 比素材进行同样测量 , 经
过 1 2年 ( 1 9 8 0年 5月至 1 9 9 3 年 7 月 止 ) 以
后 , 测量尺寸的变化情况 。
2 结果与讨论
2
.
1 处理材的称重
处理材中 P E G的吸入量与处理后试材尺
寸稳定性有很大关系 , 所以在试验中有必要
测定处理材的增重 , 即 P E C吸入量 。
二 , * , vt : 。 。 、 研 一 附 。 . _ _ _ 。 ,少胃兰生二个、 气竹 f 妙 少 = - ~ - ; ; ` , 一一一 X I U U%伴 o
表 1 试验方案
式 中: 邵 。为处理前试件重量 ;
甲为处理后试件重量 。
2
.
2 浸渍时间与木材 P E G吸收量的关系
用 P E G处理木材时 , 浸渍时间与单位体
积 内木材所 吸收的 P E C量成正 比 (见表 2) 。
木材初始 处 理液浓度 浸债 时间 干燥时间含水率 ( 肠 ) (肠 ) (天 ) (天 )
8、 12 15 1 …1 2、 4 5 15 34 5、 8 0 1 5 58 0以上 1 5 .8、 1 2 20 l1 2、 4 5 2 O 34 5~ 8 0 2 O 58 0以上 2 0 `8勺 12 3 O 11 2~ 4 5 3 0 3
4 5、 8 0 3 0 5
8 0以上 3 O 7
S
J、 以 1 2 6 O l
1 2~ 4 5 6 0 3
4 5~ 8 0 6 0 5
8 0以上 6 0 7
表 2 浸演时间与 P E G吸收 l 的关系
浸溃时间
(天 )
每 e m ,木材 吸收 P E G (干物质 ) 量 ( g )
麻 二 } 马尾松 } 江南 , 木
。 . 。 5 , : ! 。 . 。 6 ` 5 ! 。
.
0 4 0 3
注 : 浸债液浓度 60 肠 , 试材含水率 4 。肠、 42 肠
2
.
3 P E G浓度与木材 P E G吸收量 的关系
在试验所规定的浸渍周期内 , 浸渍液浓
度与单位体积内木材 吸收的 P E G量成正比 ,
结果见表 3 。
1
.
3
.
4 抗干缩系数的 测 定 按 G B 1 9 2 7 ~
1 9 4 3一 80 第 4一 5条规定 (木材含水 率测定方
法 ) 进行烘干称重 , 每一试件称重后 , 立 即
在各相对面的中心位置 , 分别测量弦向 、 径
向和顺纹方 向尺寸 , 并计算干缩率及抗干缩
系数百分率 。
1
.
3
.
5 试件尺寸变化的测定 试 件 经干燥
处理并量其弦向 、 径 向和顺纹方向尺寸后 ,
在大气中自然存放 , 隔一定时间测量试件尺
表 3 P E G浓度与 P E G吸收一的关系
p E C浓度 } ”;
e m 3木材吸收 p E c (干物质 ) 量 ( g )
( 肠 ) 麻 栋 } 马 尾 松 江南恺木
::
::
0
.
0 4 0 3
0
.
0 2 4 3
0
.
0 2 2 1
0
.
e Z O I
0
.
0 1 8 4
0
.
0 6 4 5
0
.
0 5 1 8
0
.
0选0 5
0
.
0 2廷 l
0
.
0 16 4
0
.
0 5 1 2
0
.
0 3 18
0
.
0 3 02
0
.
0 2 28
0
.
0 17 6
2
。
4
浸溃时间为了天 , 试材含水率 40 呱、 42 肠
木材初含水率与 P E G吸收量 的关系
木材初含水率与吸收溶液量成正比 , 结
果见表 4。 表 6P E G浓度与抗千缩系教的关系
表 4木材 .初含水率与 P E`吸收 , 的关系
树 种 木材初含水率 每 c lu .木材吸收的 P E G
(肠 ) (干物质 ) t ( g )
14
.
5 0马尾松 4 2 。 9 3 0 . 0 2 3 8
7 2
.
7 2 0
.
0 6 4 5
10 8
.
14 0
.
10 0 9
0
.
1 0 26
P E G浓度 + 士 了 r L必二 1少 盛为j口 ` 「二相 力气负认
(肠 ) 弦 向 径 向
l O 10
.
6 6 } 2 8
.
5 7 2 5
.
4 8
注 : 浸演时间了天 . 试材含水率 生 08 呱
衰了 泌流时间与杭干缩系致的关系
l刻注 : 浸溃时间为 7天 , 浸渍液浓度为 6。肠 树 浸演时间 抗干缩系数
2
.
5 处理材的尺寸稳定性
根根抗收缩系数衡量处理材的尺寸稳定
效果 : 马尾松为 5 4 ~ 5 9 , 麻栋为 5 2~ 8 7 , 江
南恺木为 4 3~ 8 6 。
由试验得出结论 , 初始含水率 、 处理液
浓度和处理时间对木材尺寸稳定性有一定的
影响 。 表 5 所示木材初始含水率对尺寸稳定
性有较大影响 , 要得到较好的处理效果 , 初
始含水率应在 50 % ~ 1 0 % , 木材含水率高 ,
P E G在木材细胞壁与细胞腔内 扩 散 快 , 因
此 , 以生材处理为好 。
表 5 木材初含水率与坑千编系教的关系
马 尾 松
( 208 肠)
麻 栋
径 向 一体 积
7
}
8 9
. 了。 9 2 . 了。 …8 6 . 8 8
5 8 4
.
1 6 8 8
.
5 6 一 7 9 . 9 8
一 7 1 . 7 3 · 7 9 . 2 4
3 } 8 2
.
7 9 7 4
.
1 6 1 6 9
.
0 4
1 } 5 4
.
9 2
(凌2 肠 ) 7 0 . 3 1 8 1 . 7 4 7 0 . 18
6 2
.
2 5
江 南恺木
( 4 0 肠 ) 7 0 . 2 4
3 0
.
1 6
8 0
.
5 4
7 1
。
32
8 2
.
1 8
8 1
.
4 5
7 0
.
2 6
5 6
.
1 7
注 : 浸渍液浓度 60 肠 , ( ) 中为试材含水率
树 种 含水率 抗 千 缩 系 数
( 肠 ) 径 向 弦 向 体 积
马尾松 42 . 9 3 8 2 . 7 9 7 1 . 7 3 7 9 . 2 4
7 2
.
7 3 8 5
.
3 7 8 2
.
0 8 8 7
.
8 2
10 8
.
14 8 9
.
4 1 8 6
.
3 5 8 8
.
0 7
麻 栋 2 7 。 7 4 6 3 . 0 7 G 0 . 1 1 G 1 . 2 7
4 3
.
6 6 7 4
.
I G 7 2
.
0 8 7 0
.
14
江南恺木 2 8 . 15 6 4 . 1 2 6 1 . 0 8 6 8 . 17
4 0
.
0 6 7 6
.
8 5 7 4
。
3 2 7 0
。
3 4
注 : 浸渍时间 7天 , 浸演液浓度60 肠
表 6表 明 , P E G浓度与抗干 缩 系数有一
定的关系 , P E G浓度以 20 % ~ 60 %较好 。 表
7 所示 , 浸渍时间也影响到 木 材 尺 寸稳定
性 , 浸渍时间长 , 抗干缩系数高 , 但试材吸
收 P E G量随时间延长而减缓 , 因而抗干缩系
数提高 一也缓慢 。 因此 , 在生产 `卜处理木材时
要考虑到木材尺寸大小 。
2
.
6 木材浸渍后干燥温度的确定 木 材 浸
渍后 的干燥温度因树种不同而异 , 马尾松 、
江南恺木从低温到高温需 1一 2天 , 麻栋从
低温到高温需 2~ 3 天 。
在室内条件下存放处理后的各种试材 ,
经 1 2年后其尺寸稳定性好 , 耐腐性高 。 马尾
松和江南恺木等试件 , 存放数年 , 其尺寸基
本没有变化 , 这是由于 P E G是不挥发物质 ,
向外渗透不大 , 其溶液注入木材经快速干燥
后 , P E G存留于细胞壁的微细结构中 , 有效
地置换细胞壁 内水分 , 占领细胞壁的空间 ,
阻止细胞壁的收缩和膨胀效应 。 这种方法可
以处理难干材 、 木质文物 、 出土文物和木雕
刻物等 , 籍以保持物体原来的形状 。
3
3
。
1
结论
用 P E G处理 马尾松 、 麻 栋 和江南恺木
·
1 9
·
的最佳工艺参数是 :G E P 浓度为 6 % 0, 浸渍
时间 7 天 , p E C吸 收量为 2 0 k g加 3 , 采用生
材或高含水率木材 , 其抗收缩效果较好 。
3
.
2 用 P E G作增容剂注入木材 , 其抗干缩系
数可达 80 ~ 90 以上 。
3
.
3 对于干燥时间较长 、 干燥基准难掌握 、
在干燥过程中易开 裂 翘 曲 的阔叶树材 , 用
P E G处理可以保持木材原来的花纹 、 色泽 ,
提 高其尺寸稳定性 。
3
.
4 用 60 % P E G处理 马尾松 、 江南恺木等 ,
每 z m 3木材仅需 P E G 2 0~ 6 0 k g , 成 本略高于
木材价格 , 但处理后由于尺寸稳定性好 , 变
形小 , 相对地讲节约了木材 , 降低了成本 。
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.
T h e d i m e n s i o n a l s t a b i l i t y o f 、、 o o d t r e a t e d w i t h P E G w a 3
s a t i s f a e t o r y
.
A f t e r a P e r i o d o f n a t u r a l s t o r a g e , t h e a n t i s h r i n k e f f i e i e n e y o f
t r e a t e d 、 v o o d 、 二 5 m o r e t h a n 8 0 % a n d t h e d e e a y r e s i s t a n e o o f t h e 、v o o d w a s a l s o
P r 0 V e d
.
K e y w o r d s p o l y e t h y l e n e g l y e o l s ; D i m e n s i o n a l s 乞a b i l i t y ; A n t i s h r i n k e f f i e i e n e y
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v a l u e s o f h e a t c o n d u e t i
v i t y o f a l l k i n d s o f
、、 o o d e h i P d e e r e a s e d s i g n i f i e a n t l y
, v i t h t h e d e c r e a s i n g o f m o i s t u r e c o n t。 , , t a n d r a n g e d f r o m 0 . 17一 o . 2 8 w / ( m · K ) ,
t h e v a l u e s o f t h e r m a l e o n d u e t i o n d e e r e a s e d 、 v i t h t h e i n e r e a s i n g o f m o i s t u r e e o n -
t e n t a n d r a n g e d f r o m 0
.
0 0 1 2一 o . o o 3 4 m Z / 11 ; t h e v a l u e s o f m a s s h e a t e a P a e i t y
d e C r e a s e d , v i t h t l` e d e c r e a s i n g o f m o i s t u r e c o n t e n t a n d r a n g e d f r o m 0
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( k g
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K )
.
T h e i n f l u e n e e o f t h e s P e e i e s o f b r o a d l e a v e d t r e e s e h i P o n t h e t h e r m o -
P h y s i e a l P a r a m e t e r S W a s n o t f o u n d
.
K e y 、 、 o r d s W o o d e h i P a g g r e g a t e s ; 人I o i s t u r e e o n t e n t ; H e a t e o n d u c t i v i t y ; T h e r -
m a l e o n d u e t i o n ; M a s s l一e a t e a P a e i t y
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