全 文 ：第 v|卷 第 t期
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林 业 科 学
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溶剂置换材和气干材气体渗透性的比较研究
赵有科 鲍甫成 吕建雄
k中国林业科学研究院木材工业研究所 北京 tsss|tl
摘 要 } 对杉木 !马尾松各 x株生材进行了不同体积分数的酒精 !丙酮和戊烷溶剂逐级过渡置换及气干 o并
通过水上升置换法对溶剂置换材和气干材的心材和边材流体渗透性进行了测定与分析 ∀结果显示 }杉木和马
尾松溶剂置换材的总体平均渗透性比气干材的渗透性高 ∀杉木溶剂置换干燥生材心材为 u1ty ≅ tsptu
°v#°pt o气干材心材为 s qtt ≅ tsptu °v #°pt o前者是后者的 t| qz倍 ~杉木溶剂置换干燥生材边材为 w qzu ≅
tsptu °v#°pt o气干材边材为 s q|| ≅ tsptu °v#°pt o前者是后者的 w qz倍 ~马尾松溶剂置换干燥生材心材为 s1v|
≅ tsptu °v#°pt o气干材心材为 s1tz ≅ tsptu °v#°pt o前者是后者的 u1v倍 ~马尾松溶剂置换干燥生材边材为
x1vt ≅ tsptu °v#°pt o气干材边材为 s1{w ≅ tsptu °v#°pt o前者是后者的 y1v倍 ∀气干材和溶剂置换材的边材渗
透性均大于对应的心材渗透性 ∀溶剂置换对渗透性的影响 o边材比心材明显 ∀无论是杉木还是马尾松 o较之
于气干材 o溶剂置换使得边材的渗透性均有较大程度的提高 o而心材的渗透性 o多数试材有一定程度的提高 o
少数则变化很小或有一定降低 ∀
关键词 } 渗透性 o心材 o边材 o溶剂置换材 o气干材
收稿日期 }usst p st p s| ∀
基金项目 }国家自然科学基金资助项目/针叶树木材微细结构对纵向和横向渗透性影响的比较研究0的一部分内容 ∀
ΧΟΜΠΑΡΑΤΙς Ε ΣΤΥ∆ΙΕΣ ΟΝ ΤΗΕ ΠΕΡ ΜΕΑΒΙΛΙΤΨ ΒΕΤ ΩΕΕΝ ΤΗΕ ΣΟΛς ΕΝΤ2
ΕΞΧΗΑΝΓΕ∆ ΑΝ∆ ΤΗΕ ΑΙΡ2∆ΡΙΕ∆ ΩΟΟ∆
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k Ρεσεαρχη Ινστιτυτε οφ Ωοοδ Ινδυστρψo ΧΑΦ Βειϕινγ tsss|tl
Αβστραχτ} „ ¶¨µ¬¨¶ ²© ¶²¯√¨ ±·2 ¬¨¦«¤±ª¨§ ·µ¨¤·°¨ ±·¶ k¥¼ °¨ ¤±¶ ²© ·¨«¤±²¯ o ¤¦¨·²±¨ ¤±§ ³¨ ±·¤±¨ ¬± §¬©©¨µ¨±·
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Κεψ ωορδσ} °¨ µ°¨ ¤¥¬¯¬·¼o‹ ¤¨µ·º²²§o≥¤³º²²§o≥²¯√¨ ±·2 ¬¨¦«¤±ª¨ §µ¼¬±ªo„¬µ§µ¼¬±ª
木材流体渗透性影响到所有与流体排出k如干燥等l和浸注k如防腐处理等l有关的一切木材加工或
改性处理过程 o是木材的一个重要性质 o也是木材加工及利用的重要前提 ∀提高木材渗透性的方法主要
有溶剂置换处理法 !微生物法和冷冻干燥法 ∀本文试图通过溶剂置换的办法 o一方面使木材纹孔保持生
材时的状态 o从而使干燥后的木材 o特别是边材保持较高的渗透性 ~另一方面通过溶解一部分抽提物 o试
图提高木材 o尤其是心材的渗透性 ∀同时 o将溶剂置换材和气干材渗透性进行比较 o探讨溶剂置换处理
分别对木材渗透性的影响 o从而为工业化木材改良提供理论基础 ∀
t 材料和方法
111 材料
选取杉木k Χυννινγηαµιαλανχεολαταl和马尾松k Πινυσ µασσονιαναl作为试验材料 o每种试材 x株 o每株
一半用来制作气干材试样 o另一半用来制作溶剂置换材试样 o两类试样分心材和边材制作 ∀试样为 u¦°
≅ u¦° ≅ ts¦°的长方形 o要求纹理 !年轮与边棱平行 ∀
112 生材试样的气干和溶剂置换
气干是将新伐的生材锯解加工成横向尺寸为 v ¦° ≅ v ¦°的长条 o中间夹隔条后陈放在气干棚内至
含水率约为 ts h o再制作成渗透性测量试样 ∀
溶剂置换是对制作的生材试样直接进行处理 ∀首先将生材试样垂直放置于玻璃缸内 o试样上端压
一玻璃盖 o然后用体积分数为 xx h !zx h !|x h !tss h !tss h的酒精溶液各 t sss °分 x §o即 t §换 t种
体积分数的酒精溶液逐步置换木材中的水分 ~接着利用 t sss °的分析纯丙酮逐步置换试样内的酒精
及水分 ot §换 t次丙酮溶剂 ox §换 x次 ~最后利用 t sss °的化学纯正戊烷逐步置换试样中所含的丙
酮 o同样 t §换 t次溶剂 o共换 x次 ∀经过酒精 !丙酮及正戊烷三级置换后 o将试样取出置于室内 w §o交
替进行低温kvx ε l真空干燥和气干 o直至正戊烷从木材内排出 ∀
113 试样含水率调整
含水率是影响木材渗透性的一个重要因素 o在测量木材的渗透性之前一般要对试样进行含水率调
整 ∀本试验试样含水率的调整是在装有相应浓度硫酸溶液的调整箱内进行 ∀气干材试样先放入调整箱
内进行含水率调整 o溶剂置换试样 o在利用气干和低温真空干燥后估计其含水率大约为 ts h左右时 o再
放入调整箱内进一步调整 ∀溶剂置换试样进入调整箱之前其含水率的估算方法是从中选 {个k杉木 !马
尾松气干材 o经溶剂置换干燥生材的心 !边材各 t个l称重试样 o处理前先称重 ∀
试样含水率按 ts h进行调整 ∀将相应于含水率为 ts h的一定浓度硫酸溶液倒入调整箱内的塑料
盆 o箱内有自计温度计和自计湿度计以记录箱内的温度和湿度 o另有微型风扇以均匀箱内温度 !湿度 ∀
调整箱的门缝用胶布贴封 o以使箱内与外界环境隔离 ∀每隔 t周进行试样称重和硫酸溶液密度测定 o按
含水率 ts h的要求不断调整硫酸溶液的浓度 ∀
为了保证木材纵向气体渗透性不受试样侧面的影响 o将在调整箱内已进行含水率调整过一段时间
的试样先后取出对其侧面进行油漆封盖 ∀试样的 w个侧面先涂饰一层虫胶底漆 o然后再涂一层硝基清
漆 o侧面封堵后的试样再放入调整箱内进一步进行木材含水率的调整 ∀当试样调整到前后两次称重值
在 ? s1ssx ª范围内变化时 o即认为试样含水率已基本达到平衡 o可以进行渗透性的测量 ∀
114 试样渗透性的测量
本试验采用水上升置换法测量试样的纵向气体渗透性k≥¬¤∏ot|zt ~…¤² ετ αλqot|{yl ∀
u 结果与分析
211 溶剂置换材和气干材渗透性
杉木 !马尾松溶剂置换材与气干材渗透性的总平均值比较如表 t所示 ∀可以看出 o杉木和马尾松的
心 !边材经溶剂置换干燥后 o其渗透性的总平均值均高于普通气干材的总平均值 ∀
xtt 第 t期 赵有科等 }溶剂置换材和气干材气体渗透性的比较研究
表 1 溶剂置换材与气干材渗透性的总平均值比较
Ταβ .1 Χοµπαρισον οφ οϖεραλλ αϖεραγε περµεαβιλιτψ βετωεεν τηεσολϖεντ2εξχηανγε ανδ τηε αιρ2δριεδ ωοοδ
项目 Œ·¨° 试样类型≥¤°³¯¨·¼³¨
试样数
‘²q²©
¶¤°³¯ ¶¨
渗透系数 °¨ µ° ¤¨¥¬¯¬·¼Πk ≅ tsp tu °v#°ptl
渗透范围
¬±·²
¤¬
均值
„√ µ¨¤ª¨
变异系数
∂¤µ¬¤±·¦²¨©©¬¦¬¨±·Πh
置换材Π气干材
≥²¯√¨ ±·2 ¬¨¦«¤±ª¨§
Π¤¬µ2§µ¬¨§
杉木心材
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置换材
≥²¯√¨ ±·2 ¬¨¦«¤±ª¨§
气干材 „¬µ2§µ¬¨§
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vu
t1vy ∗ v1vt
s1su ∗ s1uy
u1ty
s1tt
vu1t
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杉木边材
≤«¬±¨ ¶¨ ƒ¬µ
¶¤³º²²§
置换材
¶²¯√¨ ±·2 ¬¨¦«¤±ª¨§
气干材 „¬µ2§µ¬¨§
us
vs
s1wz ∗ |1y{
s1uw ∗ t1xz
w1zu
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v{1{ w1zw
马尾松心材
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«¨ ¤µ·º²²§
置换材
¶²¯√¨ ±·2 ¬¨¦«¤±ª¨§
气干材 „¬µ2§µ¬¨§
uw
vs
s1st ∗ s1sw
s1st ∗ s1zt
s1v|
s1tz
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tvz1z u1u{
马尾松边材
¤¶¶²± °¬±¨
¶¤³º²²§
置换材
≥²¯√¨ ±·2 ¬¨¦«¤±ª¨§
气干材 „¬µ2§µ¬¨§
t{
vt
s1xs ∗ tw1||
s1uy ∗ t1yz
x1vt
s1{w
{w1t
xw1x y1vs
经过溶剂置换的生材渗透性之所以优于气干材 o一方面是由于溶剂置换干燥 o使纹孔塞较少程度发
生偏移 ~另一方面 o溶剂置换的过程中 o将一些抽提物置换出来 o因而从两方面增加了流体渗透的有效路
径数或疏通了流体在木材中渗透的通道 ∀因为木材在气干过程中 o水份从木材的内部移动到木材的外
部 o纹孔是管胞与管胞之间的重要通道 o由于水的表面张力高 o从而引起纹孔塞和纹孔膜的偏移 ∀纹孔
塞和纹孔膜缘相比 o结壳物质多 o可渗性微孔少或者无 o而纹孔口的直径往往小于纹孔塞的直径 o因而当
纹孔塞偏移时 o可渗性纹孔相对多的纹孔膜缘也无法使流体通过 o从而使气干材的渗透性大大降低 ∀这
和 ¤·¶∏°∏µ¤等kt||x¥l对日本落叶松气干和冷冻干燥过程具缘纹孔闭塞和纵向气体渗透性关系研究所
得结论相似 ∀冷冻干燥的试样渗透性之所以大于气干材 o同样是因为冷冻干燥使刚伐倒的生材在干燥
过程中纹孔的闭塞降低 o从而比气干材有较高的渗透性 ∀
但是 o木材气干时产生的水 p气界面张力并不是影响纹孔塞偏移的唯一因子 o人们发现纹孔塞偏移
与氢键力也有关k≤²°¶·²¦® ετ αλqot|y{ ~׫²°¶ ετ αλqot|ztl ∀ ≤²°¶·²¦®和 ≤²·¨kt|y{l研究了溶剂置换干
燥对加拿大红松 !铁杉生材边材渗透性的影响 o所使用的置换液体包括表面活性剂水溶液k其表面张力
约为 us §¼±#¦°ptl以及一系列有机溶剂k表面张力约为 ww §¼±#¦°ptl ∀试验结果表明 }两个树种的生材
边材进行有机溶剂置换干燥后的渗透性保持同新鲜生材一样 o而表面活性剂水溶液尽管具有较低的表
面张力 o但经表面活性剂水溶液置换干燥后的边材渗透性却由于纹孔发生了偏移而明显降低 ∀ ׫²°¤¶
和 Žµ¬±ª¶·¤§kt|ztl研究了影响火炬松生材边材的早材纹孔塞偏移的几个因子 ∀他们发现利用酯化和醚
化使羟基化学断裂后的木材经干燥水分排除后阻止 ys h的纹孔塞偏移 ~而另外那些没有经过溶剂置换
干燥的对照试样经干燥后所有纹孔塞全部发生了偏移 o这说明了羟基在纹孔塞偏移中所起的作用 ∀同
时 o他们通过对溶剂置换干燥对纹孔塞偏移影响的研究 o发现用表面张力较低的表面活性剂水溶液置换
干燥后的边材纹孔塞仍然发生了偏移 ~而用表面张力较高的有机溶剂置换干燥后的边材纹孔塞并未发
生偏移 ∀这一结果与上述 ≤²°¶·²¦®和 ≤²·¨所得结果一致 ∀由此可见 o木材中的羟基在纹孔塞偏移中确
实起着重要作用 o要有效地阻止纹孔塞的偏移 o需使用不会引起纹孔塞与膜缘之间产生氢键的有机溶剂
对木材进行溶剂置换干燥 ∀
选用戊烷溶剂干燥 o是因为戊烷具有不能与木材形成氢键 o其极性为零 o对木材不会产生膨胀 o表面
张力低及沸点低的性质 ∀戊烷在水中的溶解度很小 o需要用酒精和丙酮两种溶剂逐级进行过渡置换 ∀
212 边材与心材渗透性
为了进一步分析杉木和马尾松边材与心材的渗透性特点和溶剂置换对心材 !边材的渗透性的不同
影响 o将杉木 !马尾松每个试材经溶剂置换干燥生材与气干材渗透性详细情况列如表 u ∀可以看出 o不
ytt 林 业 科 学 v|卷
论是杉木还是马尾松 o气干材和溶剂置换材的边材渗透性均大于心材 ~另一方面 o经溶剂置换干燥后 o几
乎所有树株的边材渗透性有较大程度的提高 o而心材 o有的有一定程度的提高 o有的则变化不大或有一
定降低k如马尾松第 t !u和 w株的心材l ∀可见 o溶剂置换对渗透性的影响 o边材比心材明显 ∀
表 2 气干材和溶剂置换材与边材和心材渗透性的比较 ≠
Ταβ .2 Χοµπαρισον οφ περµεαβιλιτψ βετωεεν ηεαρτωοοδ ανδ σαπωοοδ οφ βοτη τηε αιρ
δριεδ ανδ σολϖεντ2εξχηανγε δριεδ ωοοδ ktsp tu °v#°ptl
Τ
气干材 „¬µ2§µ¬¨§
边材
≥
心材
‹
边Π心
≥Π‹
溶剂置换材
≥²¯√ ±¨·2 ¬¨¦«¤±ª¨§
边材
≥
心材
‹
边Π心
≥Π‹
边材 ≥¤³º²²§
溶剂置
换材
≥²¯√¨ ±·
气干材
„¬µ
溶Π气
≥²¯√¨ ±·
Π„¬µ
心材 ‹ ¤¨·º²²§
溶剂置
换材
≥²¯√¨ ±·
气干材
„¬µ
溶Π气
≥²¯√¨ ±·
Π„¬µ
„ t1us s1ut x1ys w1tv u1ws t1zu w1tv t1us v1wx u1ws s1ut tt1uv
… s1{v s1sz tt1{{ u1xu t1yy t1xu u1xu s1{v v1sw t1yy s1sz uv1z{
≤ s1ws s1sw ts1st t1{| t1wx t1vt t1{| s1ws w1z{ t1wx s1sw vy1xs
⁄ t1u| s1ty z1|t y1uw u1sw v1sx y1uw t1u| w1{v u1sw s1ty tu1xu
∞ t1t{ s1sx uu1zs {1{s u1|{ u1|x {1{s t1t{ z1w{ u1|{ s1sx xz1x{
t s1zs s1tv x1xz v1xw s1ty uu1yy v1xw s1zs x1s{ s1ty s1tv t1ux
u t1xu s1t| z1|x v1tv s1sw {x1v| v1tv t1xu u1sy s1sw s1t| s1t|
v s1xx s1st |y1wy {1yw s1v| uu1tw {1yw s1xx tx1zt s1v| s1st y{1wu
w t1tu s1w{ u1vv s1zx s1t{ w1uw s1zx t1tu s1yy s1t{ s1w{ s1vy
x s1vx s1ss t zy|1ss {1uw t1v{ x1|y {1uw s1vx uv1u| t1v{ s1ss y |tv1xs
≠ „ !… !≤ !⁄和 ∞代表杉木的 x个试材 ot !u !v !w和 x代表马尾松 x个试材 o‹和 ≥代表心材和边材 ∀ „ o…o ≤ o ⁄ ¤±§∞}·µ¨¨±∏°¥¨µ²©
≤«¬±¨ ¶¨ ƒ¬µot ou ov ow ¤±§x }·µ¨¨±∏°¥¨µ²© ¤¶¶²± °¬±¨ o ‹ ¤±§≥ }«¨ ¤µ·º²²§¤±§¶¤³º²²§q
经溶剂置换干燥材与气干材的渗透性经方差分析k表 vl显示 o杉木和马尾松的边材渗透性差异均
显著 o而杉木的心材差异显著 o马尾松心材差异不显著 ∀这说明 o经溶剂置换干燥生材对渗透性的提高
的效果 o杉木优于马尾松 o同时也证明了上述观点 o即溶剂置换对渗透性的影响 o边材比心材明显 ∀
表 3 溶剂置换干燥生材与气干材渗透性方差分析
Ταβ .3 ς αριανχε αναλψσισ οφ περµεαβιλιτψ βετωεεν αιρ2δριεδ ανδ σολϖεντ2εξχηανγε ωοοδ
差异源 ≥²∏µ¦¨ ΣΣ δφ ΜΣ Φ Π2√¤¯∏¨ Φ¦µ¬·
杉木边材 ≥¤³º²²§²© ≤«¬±¨ ¶¨ ƒ¬µ s1sty yuz t s1sty yuz xs1yzs z w1{w∞2s| w1swu ywz
杉木心材 ‹ ¤¨µ·º²²§²© ≤«¬±¨ ¶¨ ƒ¬µ s1ssx vxw t s1ssx vxw uzz1vxs u u1{z∞2uu w1svs v|z
马尾松边材 ≥¤³º²²§²© ¤¶¶²± °¬±¨ s1suu zyv t s1suu zyv vs1{{s vv t1ux∞2sy w1swz ts|
马尾松心材 ‹ ¤¨µ·º²²§²© ¤¶¶²± °¬±¨ y1uu∞2sx t y1uu∞2sx t1|zy |vu s1tyx yyu w1suy yvt
杉木心材经溶剂置换后效果优于马尾松的原因可能与其化学抽提物含量不同有关 ∀至于溶剂置换
对边材的影响比其对心材明显 o是因为溶剂置换虽然可以疏通心材和边材流体渗透通道 o但只能有效地
降低边材干燥过程中纹孔的闭塞或偏移 o而对心材纹孔塞则不起作用 ∀这是因为心材在树木生长过程
中多数纹孔已经发生偏移k¤·¶∏°∏µ¤ ετ αλqot||wl o≤«∏±2≥∏Ž¼²∏±ª等kt||{l证实了此观点 ∀他们在研究
木材水分移动路径时 o用 t h的酸性染料溶液对正在生长的槭属 x种树种进行了浸注实验 o并用显微镜
观察了渗透路径 ∀结果发现 o除离髓心较近的心材没有发现染料外 o其它地方均有染料出现 o这说明心
材的纹孔闭塞在树木生长时已经发生 ∀在树木生长过程心材的部分纹孔虽未完全闭合 o但因心材抽提
物含量高 o也使流体很难通过 ∀
¤·¶∏°∏µ¤等kt||y ~t||x¤~t||x¥l对日本落叶松kΛαριξ λεπτολεπισl和日本柳杉k Χρψπτοµερια ϕαπονιχαl等
木材的心材和边材进行了乙醇置换处理 o电子显微镜观察到心材的渗透性增加归功于乙醇溶解了心材
的一些物质 o而边材渗透性的提高是因为溶剂置换有效地降低了干燥过程中纹孔的闭塞 ∀ ƒ∏­¬¬等
kt||zl在比较日本柳杉气干材和冷冻干燥材具缘纹孔闭塞和气体渗透性关系时认为 o在心材的形成过
程中 o具缘纹孔的闭塞虽然已经出现 o但闭塞常常不完全 o且闭塞率变化不一 ∀通过电子显微镜观察发
现 o边材在气干过程中纹孔常发生偏移 o引起渗透性的大大降低 ∀而对心材而言 o在气干过程中由于纹
孔膜上的结壳物质 o使得一些纹孔难以闭合 ∀这也正是溶剂置换对心材效果不明显的原因 o因为即便没
ztt 第 t期 赵有科等 }溶剂置换材和气干材气体渗透性的比较研究
有完全闭塞的心材纹孔 o由于其纹孔膜上的大量结壳物质 o使得纹孔膜微孔的有效性大大降低 ∀也就是
说 o溶剂置换对心材的渗透性提高的效果 o不能象对边材那样 o可以阻止纹孔闭塞 o从而保持生材状态较
高渗透性的原因 o溶剂置换的目的 o是使纹孔保持生材时的状态 o而不能使纹孔塞回到中央的位置 ∀由
此可以得出 o对心材而言 o溶剂置换的主要作用是疏通了流体渗透的通道 ∀
表 u所列的同一试材中有些经溶剂置换心材试样渗透性有所降低 o是因为虽然试样是从同一试材
制作的 o但木材微细结构 !化学性质的变异很大 o降低的原因与此有关k≥¬¤∏ot|{w ~t||zl ∀另一方面 o溶
剂置换时被溶解的抽提物可能重新沉淀于降低渗透性的位置k⁄¨ °¨ ¶¶¬¨ ετ αλqot||xl o从而引起渗透性
一定程度的降低 ∀
v 结论
杉木和马尾松溶剂置换材的总体平均渗透性比气干材的渗透性高 ∀杉木溶剂置换干燥生材心材为
u1ty ≅ tsp tu °v#°pt o气干材心材为 s1tt ≅ tsp tu °v#°pt o前者是后者的 t|1z倍 ~杉木溶剂置换干燥生材
边材为 w1zu ≅ tsp tu °v#°pt o气干材边材为 s1|| ≅ tsp tu °v#°pt o前者是后者的 w1z倍 ~马尾松溶剂置换干
燥生材心材为 s1v| ≅ tsp tu °v#°pt o气干材心材为 s1tz ≅ tsp tu °v#°pt o前者是后者的 u1v倍 ~马尾松溶剂
置换干燥生材边材为 x1vt ≅ tsptu °v#°pt o气干材边材为 s1{w ≅ tsp tu °v#°pt o前者是后者的 y1v倍 ∀
气干材和溶剂置换材的边材渗透性均大于对应的心材渗透性 ∀溶剂置换对渗透性的影响 o边材比
心材明显 ∀无论是杉木还是马尾松 o较之于气干材 o溶剂置换使得边材的渗透性均有较大程度的提高 o
而心材的渗透性 o多数试材有一定程度的提高 o少数则无变化或有一定降低 ∀边材渗透性的提高可能与
溶剂置换可以有效降低纹孔的闭塞有关 o多数树株心材渗透性有一定的提高可能与部分抽提物被置换
有关 o少数心材渗透性无变化或有一定降低可能与心材在生长时的纹孔已经偏移或抽提物含量高 o或与
被溶解的抽提物重新沉淀于降低渗透性的位置有关 ∀
参 考 文 献
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{tt 林 业 科 学 v|卷