全 文 ：第 34 卷 第 3 期 西 南 林 业 大 学 学 报 Vol． 34 No． 3
2014 年 6 月 JOUＲNAL OF SOUTHWEST FOＲESTＲY UNIVEＲSITY Jun． 2014
收稿日期:2014 － 03 － 05
基金项目:云南省社会发展项目(2011CA020)资助。
第 1 作者:谢序勤(1988—) ，女，硕士生。研究方向:生物质材料。Email:11625196@ qq． com。
通信作者:邱坚(1965—) ，男，教授，博士生导师。研究方向:生物质材料。Email:qiujianswfu@ foxmail． com。
doi:10． 3969 / j． issn． 2095 － 1914． 2014． 03． 017
功能型改性剂对轻木性能的影响
谢序勤1，2 邱 坚1，2 李 君1，2
(1. 云南省木材胶黏剂及胶合制品重点实验室，云南 昆明 650224;2. 西南林业大学材料工程学院，云南 昆明 650224)
摘要:以人工林轻木为研究对象，采用酚醛树脂和壳聚糖 2 种不同功能类型的改性剂对试件进行改
性处理，并用傅立叶变换红外光谱仪、X射线衍射仪对改性前后木材的相关性能进行表征，分析改
性前后木材性能的变化。结果表明，PF 树脂改性后，轻木的抗胀率和阻湿率达到 30%左右，端面
硬度、径面硬度和顺纹抗压强度分别提高 29. 7%，25. 0%，50. 0% ;单位质量的壳聚糖对轻木力学
性能的贡献是 PF树脂的 4 ～ 8 倍。红外光谱图表明，改性剂与木材内部基团发生交联反应。X 射
线衍射仪测试表明，木材改性剂使木材结晶区域宽度均增加约 0. 2 nm，其中 PF处理后轻木的相对
结晶度提高 4. 0%，而壳聚糖处理后的轻木相对结晶度提高约 12. 2%。
关键词:轻木;改性剂;化学改性;木材性能;红外光谱图
中图分类号:S784 文献标志码:A 文章编号:2095 － 1914(2014)03 － 0089 － 06
Effect of Modification with Modifiers on Physical and
Mechanical Properties of Balsa Wood
XIE Xu-qin1，2，Qiu Jian1，2，LI Jun1，2
(1. Yunnan Key Laboratory of Wood Adhesives and Glue Products，Southwest Forestry University，Kunming Yunnan 650224，China;
2. College of Materials Engineering，Southwest Forestry University，Kunming Yunnan 650224，China)
Abstract:Modification treatment of balsa wood was conducted through 2 wood modifiers of phenol-formalde-
hyde resin and chitosan，and compared the characteristics of the treated and untreated wood with X-ray diffractome-
ter (XＲD) ，and Fourier transform infrared (FTIＲ)spectrophotometer． Ｒesults indicated that the ASE and MEE
reached around 30%，and the surface hardness and compressive strength parallel grain of the treated wood in-
creased by about 29． 7%，25． 0% and 50． 0% after PF impregnation，respectively． The chitosan had the better
effect of modification than PF because the chitosan had the 4 － 8 times increments on physical properties of wood
than PF． The FTIＲ and XＲD spectra test showed that there was cross-linking reaction between the modifier and the
internal parts of the wood． And the modifier could increase the width of crystal region about 0． 2 nm，and the rela-
tive crystallinity of balsa wood was increased by 4． 0% after PF treatment． Moreover，chitosan had an obvious effect
on the relative crystallinity of balsa wood，increasing it about 12． 2% ．
Key words:balsa wood;modifiers;chemical modification;properties of wood;infrared spectrogram
轻木(Ochroma lagopus Swartz)属木棉科轻木
属，是一种典型的热带速生木材，原产于热带美洲
和西印度群岛，在我国台湾、广东、海南、广西、云南
等省均有引种［1］。如何合理高效利用这一速生资
源，成为林业科研人员的关注热点。然而，轻木存
在着木质松软、强度低、易腐朽等缺陷，限制了其使
用范围。为充分利用好轻木资源，缓解木材的供需
矛盾，有必要加快人工林轻木改性的技术研究［2 － 3］。
在改性剂的选择方面，以往大部分研究主要集中在
热固性树脂(PF、UF 等)［4 － 5］方面，而选用环境友好
型天然高分子聚合物的研究鲜见报道。
壳聚糖(chitosan)是一种天然线形高聚物，分子
量大，吸附作用强，与纤维素有良好的生物相容
性［6］，因此在木材染色、木材抗菌以及丝织品、纸质
文物加固保护方面的应用得到越来越多的重
视［7 － 11］。研究结果表明，壳聚糖的浸渍性能好，能
在纤维间架桥，具有优良的粘结性和防水性，是一
种比较理想的加固材料。
本研究采用无毒无害且可再生的天然高分子材
料对轻木进行功能性改良，并与酚醛树脂胶黏剂的改
良效果进行对比分析，确定和优化改性工艺。同时，
运用 X －射线衍射仪和傅立叶红外光谱仪分析改性
前后轻木的结晶性能以及化学官能团的变化，探讨轻
木的改性机理，为超轻质木材如高降解考古出土木
质文物等的增强固定研究提供科学的理论依据。
1 材料与方法
1. 1 材料与设备
1)轻木:采自云南省西双版纳轻木人工林，自
然条件下气干，含水率 10%左右。
2)树脂:水溶性低分子酚醛树脂(PF) ，自制，
固含量 45%，黏度 14. 5 s;壳聚糖溶液，自制，以乙酸
为相容剂配制质量分数为 1. 5%的壳聚糖硼酸溶
液。按壳聚糖硼酸∶乙酸 ∶水 = 1. 5∶0. 5∶0. 5∶97. 5 的
质量比例，先制得硼酸溶液，再将壳聚糖加入硼酸
溶液中，充分搅拌，加入乙酸，搅拌至混合均匀。
X －射线衍射仪(Ultima IV);傅立叶变换红外
光谱仪(Thermo Nicollet 380 型) ;循环水式真空泵
(SHZ － DⅢ) ;压力真空浸渍罐;电热恒温鼓风干燥
箱;电子天平;万能力学试验。
1. 2 试验方法
1. 2. 1 试材的制备 参照 GB/T 1929—2009《木材
物理力学试材锯解及试样截取方法》，将外观无明显
缺陷的轻木木段制成尺寸为 20 mm ×20 mm ×20 mm、
20 mm ×20 mm ×30 mm、50 mm ×50 mm ×70 mm规格
的小块试样，样本数根据测试标准的要求确定。
1. 2. 2 浸渍处理
1)PF 浸渍处理:根据前期试验结果，研究中
PF树脂浸渍液的稀释质量分数为 30%，且采用负
压 －正压 －负压浸渍工艺。轻木试样在 105 ℃条件
下干燥 10 h，将干燥后的试件抽真空，真空度达
0. 07 MPa，在此负压条件下注入树脂溶液，保持 20
min;再将浸渍罐加压到 0. 40 MPa，保压 1、2、3 h，到
达预定时间后，打开浸渍罐将树脂倒出;后对木材
进行二次抽真空，真空度为 0. 05 MPa，保持 40 min
后将处理好的试件从浸渍罐中取出。试件先自然
干燥 24 h，再放入干燥箱中进行低温慢速干燥，测试
分析木材的物理力学性能。
2)壳聚糖浸渍处理:与 PF 树脂一样，壳聚糖
浸渍处理采用相同的负压 －正压 －负压浸渍工艺。
轻木试样在 105 ℃条件下干燥 10 h，进行改性处理，
测试分析轻木的性能。
1. 3 评价指标及测试方法
试验采用增重率(WPG)、抗胀率(ASE)、阻湿
率(MEE)、硬度、顺纹抗压强度表征试材改性效果。
根据 GB /T 1941—2009《木材硬度试验方法》测定硬
度，根据 GB /T 1935—2009《木材顺纹抗压强度试验
方法》测定顺纹抗压强度，根据 GB /T 1934． 2—2009
《木材湿胀性测定方法》测定和计算抗胀率(ASE)
和阻湿率(MEE)。
1. 3. 1 官能团分析 选用未处理轻木和最佳处理
工艺参数下的处理试材作为测试样品，采用 Thermo
Nicolet 380型傅立叶变换红外光谱仪(FTIＲ)，使用
ATＲ多功能采样器，扫描次数:126次，分辨率:4 cm －1。
1. 3. 2 XＲD分析 采用日本株式会社理学生产的组
合型多功能水平 X －射线衍射仪对处理前后试材进
行扫描，其条件为:CuK α 铜靶辐射(K = 0. 154 nm)，
辐射管电压 40 kV，辐射管电流 30 mA，扫描范围是
2θ =5° ～45°，步长为 0. 02°，扫描速度为 5° /min。
结晶区域宽度及相对结晶度计算:根据晶体点
阵可知，(002)峰反应了结晶区的宽度，而(040)峰
反应了结晶区的长度。但由于(040)峰不明显，所
以只通过(002)峰来反应结晶区的变化。根据
Scherer公式计算结晶区的宽度［13］。
D = K·λBhkl·cosθ
(1)
式中:D为结晶区的宽度(nm) ;λ 为入射 X 射线的
波长(0. 154 nm);Bhkl为(hkl)图衍射峰半宽(弧
度) ，cosθ为衍射角余弦;K为常数，取 0. 89。
根据 Segal法计算相对结晶度［14］。
CrI =
I002 － Iam
I002
(2)
式中:CrI为相对结晶度;I002为(002)晶格衍射角的
极大强度;Iam为衍射角为 18°时非结晶背景衍射的
散射强度。
2 结果与分析
2. 1 轻木的物理力学性能
2 种改性剂改性处理后，轻木的物理力学性能
见表 1。
09 西 南 林 业 大 学 学 报 第 34 卷
表 1 浸渍处理前后轻木的物理力学性能对比
处理工艺
正压处理
时间 /h
绝干密度 /
(g·cm －3)
WPG/% ASE /% MEE /%
单位增重率下端
面硬度增加率 /%
单位增重率下径
面硬度增加率 /%
单位增重率下顺纹
抗压强度增加率 /%
素材 － 0. 16 － － － － － －
PF处理 1 0. 35 118. 8 26. 8 27. 0 25 21 42
2 0. 33 106. 3 28. 9 31. 8 37 38 52
3 0. 33 106. 3 31. 8 29. 7 25 32 47
壳聚糖处理 1 0. 17 4. 6 12. 2 5. 2 311 241 81
2 0. 17 5. 4 15. 5 6. 0 291 255 110
3 0. 17 5. 7 18. 0 6. 8 310 203 221
注:素材的端面硬度为 481 N，径面硬度为 225 N，顺纹抗拉强度为 13. 5 MPa。
2. 1. 1 增重率 由表 1 可以看出，在负压 －正压 －
负压条件下，随着正压处理时间的延长，PF 树脂处
理试材的增重率呈逐渐减小并趋于稳定的趋势，当
浸渍时间为 1 h时，增重率可高达 118. 8%。研究结
果表明，轻木具有较好的浸注性能，在此工艺条件
下 PF 树脂浸渍轻木的速度较快，这是因为轻木的
绝干密度仅为 0. 16 g /cm3，其结构疏松，有利于树脂
的进入。正压处理时间对增重率没有显著影响，说
明木材对树脂的吸收存在一定的极限。随着浸渍
时间的延长树脂溶液中的水分减少，树脂溶液的粘
度增加，导致进入木材内部的树脂溶液减少，这与
国内外相关研究结论［5 － 6］一致。壳聚糖溶液处理轻
木的过程中，随着正压处理时间延长，增重率略有
增加但变化幅度较小，且远低于 PF 树脂浸渍试材，
仅为 5%左右。因此，壳聚糖溶液对轻木的渗透能
力低于 PF树脂。
2. 1. 2 尺寸稳定性 如表 1 所示，浸渍处理后轻木
的尺寸稳定性得到了一定的改善。PF 树脂分子量
低，可以渗入到细胞壁，在温度作用下，PF树脂与木
材间发生的接枝反应可以起到固化作用，使其具有
一定的疏水性［15］;同时，固化后的 PF树脂对木材孔
隙的填充作用也减少了木材对水分的吸收，在一定
程度上改善了轻木的尺寸稳定性［16］。PF 处理后轻
木的抗胀率(ASE)和阻湿率(MEE)基本稳定在
30%左右，正压处理时间对木材的抗胀率和阻湿率
没有显著的影响。赋予木材阻湿抗胀性能的主要
是进入细胞壁内的树脂［17］，这一结果说明木材细
胞壁对树脂的吸收存在着一定的极限，过量的树
脂填充于细胞腔内表面和细胞腔中。采用壳聚糖
改性处理后的轻木的抗胀率(ASE)和阻湿率
(MEE)与其增重率的变化规律一致，呈缓慢增加
趋势。通过对比可以发现，壳聚糖对轻木的抗胀
率改良效果显著，而对阻湿率的改善不明显。PF
树脂对木材尺寸稳定性的改良优于壳聚糖，这主
要是因为 PF 树脂改性后轻木的增重率远远高于
壳聚糖。从另一角度分析，在同等浸渍量的条件
下，壳聚糖的改性效果更好，也就是壳聚糖的改性
效率高于 PF树脂。
2. 2 轻木的力学性能
未处理轻木试样以及经过 2 种改性剂处理后轻
木的端面硬度、径面硬度和顺纹抗压强度的变化情
况见图 1。
19第 3 期 谢序勤等:功能型改性剂对轻木性能的影响
2. 2. 1 硬度 由图 1 可知，PF 树脂和壳聚糖改性
剂处理后轻木的端面硬度和径面硬度均随着正压
处理时间的延长总体呈增大的趋势。当处理时间
在 1 h内时，增加明显;浸渍时间达到 2 h时，硬度值
增加明显，在 2 种处理下均达到最大。PF 处理轻木
的端面和径面硬度分别为 673 N和 315 N，与素材相
比，增加幅度均为 40%;壳聚糖处理材硬度值分别
增加了 27%和 13. 8%。当浸渍时间超过 2 h 时，轻
木的端面硬度和径面硬度出现小幅减小的趋势，这
与增重率的变化规律一致，这是由于随着增重率的
增加，浸注到轻木内的改性液增加，木材的密度就
越大，有利于提高木材的硬度;然而随着浸渍时间
的延长，木材的密度增加缓慢，因此，木材的硬度增
加也不明显，甚至出现下降的趋势，尤其是端面
硬度。
2. 2. 2 顺纹抗压强度 在 PF 树脂浸渍处理轻木
时，随着正压处理时间的延长，轻木的顺纹抗压强
度呈先增大后趋于稳定的变化趋势。当浸渍时间
不超过 2 h时，顺纹抗压强度增加明显，此时轻木的
顺纹抗压强度值为 21 MPa，与素材相比较增加了
55. 6%。在壳聚糖溶液浸渍处理轻木时，轻木的顺
纹抗压强度逐渐增大但不存在显著变化，浸渍时间
达到 3 h时，顺纹抗压强度最大，与未处理材相比增
加了 12. 6%。
2. 2. 3 增重率对力学性能的影响 由处理后轻木
的力学性能分析结果可知，PF树脂可以显著提高轻
木的力学强度，而壳聚糖的改良作用相对较弱。然
而从单位增重率的力学强度增加率角度评价，壳聚
糖改性效果明显。如表 2 所示，PF 树脂浸渍时，单
位增重率的端面硬度、径面硬度和顺纹抗压强度值
的最大增加率只有 37%、38%和 52%;采用壳聚糖
处理时，轻木的单位增重率的力学强度的最大增加
率为 311%、255%和 221%，高于 PF 树脂。试验说
明，在对轻木进行改性处理时，单位质量壳聚糖的
贡献大于 PF树脂。
2. 3 官能团分析
经过木材改性剂改性前后的木材的 FTIＲ 图谱
见图 2。一般认为，羟基是纤维素的主要红外敏感
基团，纤维素的特征吸收峰为 2 900、1 425、1 370
cm －1和 895 cm －1;半纤维素也是线型的天然多糖，
1 730 cm －1附近的乙酰基和羟基上的 C = O 伸缩振
动峰是半纤维素区别于其他组分的特征;木质素的
红外光谱最为复杂，其中含有 － CH3、－ OH和 － C =
O、－ C = C和苯环等多种红外第三基团［18］。
通过对比改性前后木材的 FTIＲ 谱图可以看
出，改性处理后轻木在2 159、1 585 ～ 1 656、1 362 ～
1 457 cm －1附近的吸收峰明显变化，2 159 cm －1附近
出现 － C≡C －的伸缩振动吸收峰，说明产生了新的
官能团;酰胺基(1 656 cm －1和 1 545 cm －1)变弱，原
因在于壳聚糖是甲壳素 N －脱乙酰基产物，其构成
基本单元为氨基葡萄糖，在氨基葡萄糖单元 C2 位置
上的羟基被氨基(－ NH2)取代，其中氨基与木材结
构中的羟基和羰基发生了交联反应。同时，在 650、
950 cm －1附近苯环 C － H 弯曲振动加强，这是由于
浸渍处理过程中酚醛树脂中苯环的引入。
由上述可知，说明木材改性剂不仅填充于木材
细胞腔和细胞间隙之间，还与木材内部的某些基团
发生了交联反应，进而改善了轻木的尺寸稳定性和
力学性能。
2. 4 结晶性能分析
将未处理试材、PF树脂处理试材和壳聚糖处理
试材分别进行 XＲD扫描，结果见图 3。
29 西 南 林 业 大 学 学 报 第 34 卷
从 XＲD扫描图谱可以看出，各曲线扫描角度在
18. 0°、22. 5°、34. 5°左右出现结晶峰，这些峰分别是
木材纤维素(101)、(002)、(040)结晶面的衍射
峰［19］。从图 3 中还可以看到，木材改性前后衍射峰
的位置基本没有变化，说明化学浸渍处理没有破坏
木材原有的物理结构，即晶层的距离没有发生变
化，处理没有使结晶区产生变化。从衍射强度来
看，PF树脂和壳聚糖处理材的(002)衍射峰强度均
发生了显著的变化。PF 处理材的衍射峰强度较未
处理增加 45. 4%，而壳聚糖处理材的衍射峰强度较
未处理材增加了 38. 6%。经过浸渍处理，非结晶区
内纤维素微纤丝的表面活性得到表现，羟基基团增
加，使得非结晶区微纤丝趋于有序。
根据公式(1)、(2)对未处理材及其他处理材
的结晶区宽度和相对结晶度进行计算，结果见
图 4。
木材经不同改性剂浸渍处理后结晶区宽度与
未处理材比较可以看出，PF和壳聚糖处理均使木材
细胞壁微纤丝结晶区域的宽度增加，增加的幅度接
近，大约 0. 2 nm左右。从图 4 看出，改性处理改变
了木材的结晶度，使得木材的结晶度略有增加，且
不同改性剂处理后的木材结晶度不同。试材经 PF
处理、壳聚糖处理后，其细胞壁纤维素微纤丝的相
对结晶度分别增加了 4. 0%和 12. 2%。进一步说明
改性剂可以渗透到纤维素的非结晶区，从而破坏了
纤维素非结晶区的结构，使非结晶区的微纤丝向结
晶区靠拢并取向导致处理后细胞壁纤维素微纤丝
结晶区的宽度增加;另一方面原因是木材改性剂填
充于细胞壁微纤丝及细胞腔内之间，部分反应活性
基团与木材细胞壁中的某些活性基团发生了交联
聚合反应，在 X 射线衍射测量时，出现了一种准结
晶的形式，从而导致了改性材结晶度的提高［20］。轻
木结晶尺寸增加和相对结晶度提高有利于提高木
材的尺寸稳定性和力学性能。壳聚糖对木材结晶
区域宽度和相对结晶度的影响大于 PF 树脂，从木
材微观物理结构上也验证了壳聚糖对轻木物理力
学性能的贡献大于 PF树脂的结论。
3 结 论
1)PF树脂溶液对轻木具有较好的浸注性能，
最大增重率达到 118. 8%，显著提高了轻木的密度，
改善了轻木的尺寸稳定性和力学性能。
2)壳聚糖对轻木的改良效果优于 PF 树脂，是
一种更高效且环保的木材改性剂，可以作为超轻质
木材的增强加固材料。
3)FTIＲ和 XＲD分析表明，PF树脂和壳聚糖不
仅填充于轻木细胞腔和细胞壁，还与木材发生了交
联反应，增加了轻木微纤丝的结晶区域宽度和相对
结晶度，从而提高轻木的性能。
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( 责任编辑 曹 龙)
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