全 文 ：第 ws卷 第 t期
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林 业 科 学
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杨木和杉木木材表面性质的研究
鲍甫成 王 正 郭文静
k中国林业科学研究院木材工业研究所 北京 tsss|tl
摘 要 } 以人工林杨木和杉木木材为研究对象 o对其表面自由能 !表面极性和表面化学官能团等木材表面特征因
子进行测定 o并探讨不同温度处理条件下木材表面特性的变化机理 ∀研究结果表明 }杉木比杨木有较高的总表面
自由能kwu1vx °‘#°pt对 v{1|v °‘#°ptl和非极性表面自由能kwt1yt °‘#°pt对 vx1xu °‘#°ptl o而杨木的极性表面
自由能比杉木要高kv1wt °‘#°pt对 s1zw °‘#°ptl ∀杨木和杉木木材经过不同温度处理后 o其总表面自由能和非极
性表面自由能都随着处理温度的升高而下降 o而极性自由能则有不同程度的升高 ∀产生此种现象的原因主要为木
材表面羟基缔合状态的解除及表面脱羟基作用的综合结果 ∀木材表面 v种主要化学官能团为羟基 !烷基和缩醛
基 o在高温处理条件下 o两种木材羟基对烷基和缩醛基吸收峰面积之比都有所下降 o说明高温处理过程是一个使木
材表面羟基密度减少的过程 ∀木材表面自由能与木材表面化学官能团变化有明显的相关性 ∀
关键词 } 杉木 o杨木 o表面自由能 o表面化学官能团
中图分类号 }≥z{t1w 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kusswlst p stvt p sy
收稿日期 }ussu p sy p sv ∀
基金项目 }国家/九五0攀登计划项目k|x p专 p szl ∀
Στυδψ ον τηε Συρφαχε Προπερτιεσ οφ Ποπλαρ ανδ Χηινεσε Φιρ Ωοοδ
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k Ρεσεαρχη Ινστιτυτε οφ Ωοοδ Ινδυστρψo ΧΑΦ Βειϕινγtsss|tl
Αβστραχτ } ׺²·µ¨¨¶³¨¦¬¨¶º²²§³¯¤±·¨§¬± ≤«¬±¤o°²³¯¤µ¤±§≤«¬±¨ ¶¨ ƒ¬µoº¨ µ¨ ¦«²¶¨±¤¶·«¨ µ¨¶¨¤µ¦«°¤·¨µ¬¤¯¶q׫¨ º²²§
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Κεψ ωορδσ} ≤«¬±¨ ¶¨ ƒ¬µo°²³¯¤µo≥∏µ©¤¦¨ ©µ¨¨ ±¨¨ µª¼ ²©º²²§o≥∏µ©¤¦¨ ¦«¨ °¬¦¤¯ ©∏±¦·¬²±¤¯ ªµ²∏³²©º²²§
表面自由能是比表面自由能的简称 o是在恒温恒压条件下增加单位表面积时 Š¬¥¥¶自由能的增量k顾惕
人等 ot|||l ∀表面自由能是运用热力学方法研究体系表面现象所采用的物理量 o其产生于体系表面分子k或
原子l间引力不均衡 ∀固体表面自由能的概念体现了固体的表面性质及与其它表面的相互作用 o对于液体在
固体k如木材l表面的润湿及固体对液体 !气体的表面吸附等研究有重要意义 ∀
在木材科学与技术研究领域 o木材表面性质的研究 o包括木材表面自由能和表面化学官能团 o是一个重
要的基础研究方向 ∀在木塑复合材料的研究中 o木材表面性质是对木塑复合材料的界面性能有重要影响的
因素之一 ∀本文以人工林杨木k Ποπυλυσ¶³ql和杉木k Χυννινγηαµια λανχεολαταl为材料 o研究其表面自由能 !表
面化学官能团 o以及在不同的物理处理条件下木材各表面性状因子变化的相关性 o为高性能木塑复合材料制
造技术的研究提供科学依据 ∀
t 材料与方法
试验材料为杨木采自北京郊区 o杉木采自江西省大冈山试验林场 ∀甲醇 !甲酰胺 !水 !二碘甲烷试剂均为
化学纯 o水为蒸馏水 ∀试验设备和仪器有粉碎机 !样品筛k|s ∗ tss目l !带刻度玻璃管k可用 u °的移液管制
备l !粉末添加装置 !密闭平衡箱 !秒表 ∀
将杨木 !杉木分别磨成木粉 o取 |s ∗ tss目部分k颗粒度 s1tx ∗ s1tz °°l o自然状态下保存 ∀再取上述两
种不同的木粉分别在 tzs ε 和 uss ε 条件下处理 tx °¬±o然后置于干燥的广口瓶中保存 ∀
用由真空泵等组成的粉末添加装置将木粉均匀地装入到玻璃管中 ∀装好木粉的待测玻璃管放在密闭的
平衡箱中与测试液体一起平衡约 u «o然后将玻璃管下端浸入测试液中计时测量 o记录液体上升到不同高度
ηk°°l时所用的时间 τk¶l ∀对同一种测试液体 o测 y个平行样 ∀本研究分别测定两种木材在 v个处理条件
k未处理 otzs ε 和 uss ε l下的接触角 ∀
111 木材表面自由能的测定
t1t1t 木材表面自由能测定原理 通过测定液体在固体表面所形成的液滴的接触角来估算固体的表面自
由能的依据是 ≠²∏±ª方程k顾惕人等 ot|||l
Χ≥∂ € Χ≥ n ׏∂¦²¶Η ktl
式中的 Χ≥∂ !Χ≥!׏∂分别是与液体的饱和蒸气达到平衡的固体表面自由能 !液体与固体的界面自由能和液体
的表面自由能 oΗ为液体在固体表面的接触角 ∀
固体的表面自由能可以分为极性和非极性两部分 o主要体现固体表面极性和非极性力的相互作用程度
k‘ª∏¼¨ ± ετ αλqot|z{ ~≤¤¶¬¯¯¤ ετ αλqot|{tl ∀
根据 ’º ±¨¶2 • ±¨§·2Ž¤¨ ¥¯¯¨法k顾惕人等 ot|||l o采用两种液体在某种固体表面的接触角的数据 o就可以
求算出该固体表面自由能的非极性值和极性值 o二者的和即近似等于该固体表面自由能 ∀如果固体与液体
之间同时存在着极性力和非极性力的相互作用 o则固 p液界面自由能应为
Χ≥ € ׏∂ n Χ≥ p ukΧ≥§Χ∂ §ltΠu p ukΧ≥ ° ׏∂ °ltΠu kul
式中 Χ≥ }固体表面自由能 ~Χ≥§与 ΧΠΣ }固体表面自由能的非极性部分和极性部分 ~׏∂ §与 Χ°∂ }液体表面自由
能的非极性部分和极性部分 ∀
把ktl式代入kul式 o可以得到
׏∂ kt n ¦²¶Ηl € ukΧ≥§Χ∂ §ltΠu n ukΧ≥ ° ׏∂ °ltΠu kvl
式kvl中只有 Χ≥§和 Χ≥ ° 两个未知数 o只要找到两个已知 ׏∂ §和 ׏∂ ° 的液体 o测此两液体在固体表面上
的接触角 o分别把液体的表面自由能和接触角的数据代入kvl式 o即可得两个独立方程 o解此方程组即可得木
材 Χ≥§ !Χ≥ ° !Χ≥kΧ≥ € Χ≥§ n Χ≥°l ∀
对于多种液体进行固体木材表面自由能的测定也可以采用作图法求取 o将kvl式重新整理得到
׏∂ kt n ¦²¶Ηl
uk׏∂ §ltΠu € kΧΣ
δltΠu n kΧΣΠltΠuk׏∂ °Π׏∂ §ltΠu kwl
用一系列已知表面性质的液体测定它们与木材表面的接触角 o然后用≈ ׏∂ kt n ¦²¶Ηl Πuk ׏∂ §ltΠu对
k׏∂ °Π׏∂ §ltΠu作图 o得到一条直线 o直线的斜率可用于计算木材表面自由能的极性部分 Χ≥ ° o直线的截距可用
于计算木材表面自由能的非极性部分 Χ≥§ ∀
t1t1u 木材表面接触角的测定 在各种表面性质测定方法中 o表面润湿技术k表面接触角测定lk≤¤¶¬¯¯¤ ετ
αλqot|{tl是木材表面性能研究中的标准方法k…µ∏¬¯ ετ αλqot|zw ~‘ª∏¼¨ ± ετ αλqot|z{l o这一技术敏感度可以达
到木材表层的 s1x ±°左右k∂²ª¯ µ¨ετ αλqot||vl ∀由于木材表面主要由带孔k纹孔l的中空纤维状细胞按一定
规则排列而成 o因此木材的表面实质上是凸凹不平 !各向异性的 o并具有较强的渗透性 ∀当采用躺滴法测定
木材表面接触角时 o因测试液在木材表面渗漏而难以形成稳定液滴 o所形成的接触角也在不停地变化 o从而
使测定结果产生较大偏差 ∀
为了能够准确测定液体在木材表面的接触角 o可以用毛细管法 ∀第一种是利用木材本身存在着大量毛
uvt 林 业 科 学 ws卷
细管 o将木材制作成薄的单板 o通过测定液体对木材薄单板的渗透高度和时间的关系计算接触角 ∀第二种是
将粉碎后的木粉填充到玻璃管中而形成填充毛细管 o这种方法克服了木材的不均一性 ∀
毛细管法测定液体在木材粉末表面的接触角 o可采用 • ¤¶«¥∏µ±方程k顾惕人等 ot|||l ∀通过测定液体
渗入由木粉组成的毛细管的高度与时间的关系来确定该种液体在木材表面的接触角
ηu € ΧΡτ¦²¶ΗΠuΓ kxl
此方程中 η是在时间τ内液体渗入毛细管的高度 oΧ为液体的表面自由能 oΓ为液体的粘度 oΗ为液体在
该木材表面的接触角 oΡ是毛细管的平均有效半径 ∀对于填充在玻璃管中的木材粉末 o可将其视为一组毛细
管体系 ∀这时 o对于同一粉末体系 o在同样的填充条件下 o平均有效半径 Ρ 近似为一常数 oΡ 值可以通过选
择已知接触角为 s的液体通过试验求出 ∀
首先使 Κ€ ΧΡ¦²¶ΗΠuΓ kyl
将kyl代入kxl o则有 ηu € Κτ kzl
将试验中得到的 ηu 值对 τ作图 o所得到的直线斜率即为 Κ值 ∀将kyl式变形则有
¦²¶Η € uΚΓΠΧΡ k{l
选择一种在该木材表面接触角为 s的液体作为标准液体 o通过kzl式得到 Κ值后 o就可以根据k{l式求
出粉末体系的平均有效半径 Ρ ∀再使用其它不同液体作为测试液体 o可以求出不同的 Κ值 ∀根据已经求得
的平均有效半径 Ρ和测试液体的 Κ值 o就可以从k{l式中求得不同测试液体在该木材表面的接触角 ∀
将已知不同测试液的表面自由能数据与测定的木材接触角数据用≈ ׏∂ kt n ¦²¶Ηl Πuk׏∂ §ltΠu对k׏∂ °Π
׏∂ §ltΠu作图 o并依据公式kwl求出该木材的表面自由能 Χ≥§及表面自由能的极性部分 Χ≥³和非极性部分 Χ≥§ ∀
112 木材化学官能团分析
采用傅立叶光谱仪kƒ×Œ• l分别测定不同温度处理后杨木和杉木木粉的红外光谱 o并计算代表木材表面
特征的 v个主要官能团 }羟基 !烷基和缩醛基的典型特征红外光谱吸收峰面积 ∀然后将烷基及缩醛基吸收峰
峰面积与羟基峰的峰面积进行比较 o以确定不同温度处理对木材表面官能团的影响 ∀
u 结果 !分析与讨论
211 木材表面自由能
w种测试液的 ׏∂ !׏∂ § !׏∂ ° 及经温度校正的粘度值见表 t ∀甲醇因其表面张力低 o易在木材表面铺展 o
可选作标准液 o通过kzl式先求出 Κ值 o再通过k{l式即可求取毛细管有效半径 Ρ值 ∀
u1t1t 测试液在木材表面的接触角 以甲醇作为标准液体 o二碘甲烷 !甲酰胺 !水作为测试液 o将测得的不
同测试液在杨木及杉木k各 v个条件l粉末毛细管中渗入高度 ηu 和时间 τ作图 o得一直线 o直线的斜率为 Κ
值 o由公式k{l求出不同测试液的接触角余弦 ¦²¶Η值k表 ul ∀
u1t1u 木材表面自由能与表面极性 根据表 u测出的测试液在木材表面的接触角的余弦值 o利用公式kwl o
将≈ ׏∂ kt n ¦²¶Ηl Πuk׏∂ §ltΠu对k׏∂ °Π׏∂ §ltΠu作图 o得到一条直线 o直线的斜率为kΧ≥ °ltΠu o截距为 kΧ≥§ltΠu o开
方运算后 o可求出木材的极性表面自由能 Χ≥ ° !非极性表面自由能 Χ≥§和总表面自由能 Χ≥ ∀图 t结果显示 o
杉木的总表面自由能kwu1vx °‘#°ptl !非极性表面自由能kwt1yt °‘#°ptl都高于杨木kv{1|v °‘#°pt ovx1xu
°‘#°ptl o而其表面自由能的极性值ks1zw °‘#°ptl则低于杨木kv1wt °‘#°ptl ∀
表 1 测试液表面张力及粘度 ≠
Ταβ .1 Τηε συρφαχε τενσιον ανδ ϖισχοσιτψ δατα οφ τηε προβελιθυιδσ
测试液名称
‘¤°¨ ²©³µ²¥¨ ¬¯´∏¬§¶ ׏∂Πk°‘#°
ptl ׏∂ §Πk°‘#°ptl ׏∂ °Πk°‘#°p tl Γ3 Πk°‘#¶°pul Γ 3 3Πk°‘#¶°pul
水 • ¤·¨µ zu1{ ut1{ xt t1ssukus ε l s1{xtkuz ε l
甲酰胺 ƒ²µ°¤°¬§¨ xz1| vw1w uv1x v1vwvkux ε l u1ywvkuz ε l
二碘甲烷 ⁄¬¬²§²°¨ ·«¤±¨ xs1{ wy1y w1u u1v|vkvs ε l u1uu|ku|1x ε l
甲醇  ·¨«¤±²¯ uu1x uu1x s s1xwwkux ε l s1xutku| ε l
≠ 3 粘度数据来自5兰氏化学手册6和5≤• ≤物理化学手册6׫¨ §¤·¤²©√¬¶¦²¶¬·¼¦²°¨©µ²° 5≤«¨ °¬¶·µ¼ «¤±§¥²²®²©¤± 6 ¤±§5≤• ≤ «¤±§¥²²®²©¦«¨ °¬¶2
·µ¼ ¤±§³«¼¶¬¦¶6 ~3 3 粘度数据是试验环境温度下的实测值  ¤¨±¶·«¨ §¤·¤²©√¬¶¦²¶¬·¼ ¤µ¨ ©µ²° ·¨¶·¬± ¬¨³¨µ¬° ±¨··¨°³¨µ¤·∏µ¨ q
vvt 第 t期 鲍甫成等 }杨木和杉木木材表面性质的研究
表 2 测试液在不同处理条件下的杉木 !杨木表面的 Κ值和接触角的余弦值
Ταβ . 2 Κ ϖαλυεσ ανδ τηε χονταχτ ανγλε χοσινε οφ τηε προβελιθυιδ το Χηινεσε Φιρ
ανδ Ποπλαρ ωοοδ συρφαχειν διφφερεντ τρεατινγ χονδιτιονσ
树种
≥³¨¦¬¨¶
处理
×µ¨¤·°¨ ±·
甲醇  ·¨«¤±²¯ 水 • ¤·¨µ 甲酰胺 ƒ²µ°¤°¬§¨ 二碘甲烷 ⁄¬¬²§²° ·¨«¤±¨
Κ ¦²¶Η Κ ¦²¶Η Κ ¦²¶Η Κ ¦²¶Η
未处理
˜±·µ¨¤·¨§ |1|zs t1sss w1wvx s1uuw s1|wt s1t{y x1t{z s1|{x
杨木
°²³¯¤µ tzs ε tu1ty{ t1sss x1tsy s1utu t1zyz s1u{y v1xv| s1xxs
uss ε tv1zvx t1sss t1szw s1sv| v1ut{ s1wyt v1tzx s1wvz y
未处理
˜±·µ¨¤·¨§ ty1vww t1sss s1sss s1sss v1ywz s1wv| v1t{z s1vy|
杉木
≤«¬±¨ ¶¨ ƒ¬µ tzs ε tv1x|t t1sss v1wuy s1tuz u1wtv s1vw| x1syt s1zsx v
uss ε tx1v{y t1sss s1suw s1sst u1t|z s1u{t w1zys v s1x{x y
图 t 杉木 !杨木总表面自由能及非极性
和极性表面自由能
ƒ¬ªqt ׫¨ ¶∏µ©¤¦¨ ©µ¨¨ ±¨¨ µª¬¨¶¤±§·«¨¬µ³²¯¤µ¤±§
±²±³²¯¤µ³¤µ·¶²© ≤«¬±¨ ¶¨ ƒ¬µ¤±§°²³¯¤µº²²§
u1t1v 处理温度对木材表面自由能的影响 利用表 u测出的测试液
在不同温度处理条件下的杨木和杉木的接触角余弦值 o求出不同温
度处理条件下木材表面自由能 ∀从图 u可见 o两种木材经过较高温
度处理后总表面自由能 Χ≥ 都有明显下降 o但是两种木材在 uss ε 处
理条件下的总表面自由能仅比 tzs ε 条件略有下降 ∀高温处理后两
种木材表面自由能的非极性部分 Χ≥§ 亦都有较大幅度的下降 o而
uss ε 处理后 o杨木下降幅度比 tzs ε 处理后小 o杉木下降幅度比
tzs ε 处理后大 ∀两种木材表面自由能的极性数值 Χ≥³在高温处理
后都有较大幅度的上升 o但是经 uss ε 处理后上升幅度比在 tzs ε 处
理后小 ∀
木材经高温处理后表面自由能的变化实质上是木材表面化学官
能团变化在木材表面热力学上的具体体现 ∀温度的处理使木材总表
面自由能和非极性部分下降预示着在木塑复合界面形成过程温度对
塑料在木材表面扩散的影响也是必须考虑的因素之一 ∀
图 u 杨木和杉木经不同温度处理后表面自由能变化
ƒ¬ªqu ׫¨ °²³¯¤µ¤±§≤«¬±¨ ¶¨ ƒ¬µº²²§¶∏µ©¤¦¨ ©µ¨¨ ±¨¨ µª¼ √¤µ¬¨·¼
¤©·¨µ§¬©©¨µ¨±·«¬ª«·¨°³¨µ¤·∏µ¨ ·µ¨¤·° ±¨·
212 木材表面化学官能团
u1u1t 木材表面主要化学官能团 在杨木和杉木的红外谱图分析中 o在 v vss ∗ v wss波数处出现的非常宽
大的吸收峰 o这是羟基中 ’ p ‹ 伸缩振动的特征峰 o说明了木材中存在的大量缔合状态羟基 ∀位于波数 u
wvt 林 业 科 学 ws卷
{|z ∗ u |vw之间的吸收峰是饱和烷基中 ≤ p ‹伸缩振动的特征峰 o指纹区的 t wys ∗ t vzs波数范围内出现了
甲基 !亚甲基的变形振动的特征峰 o主要体现木材化学组成中的饱和烷烃链 ∀在 ≤ p ’的伸缩振动区 o可以
看到 t syt !t svy附近出现的双峰 o这属于 ≤ p ’的非对称伸缩振动 o是醚键或缩醛键的特征峰 o与纤维素 !半
纤维素中的吡喃环中的缩醛键k≤ p ’ p ≤ p ’ p ≤l对应 ∀同时 o在波数 t uws ∗ t tys范围内 o还有 u ∗ v条吸
收带 o加上在 t syt !t svy处的双峰 o这与缩醛键k≤ p ’ p ≤ p ’ p ≤l会在红外光谱中形成一组 w ∗ x条吸收带
相吻合 ∀位于指纹区的波数 {tt峰 o属 ≤ p ’ p ≤ 环上的非对称伸缩振动 ∀波数 yy{附近的吸收峰是醇羟基
中 ’ p ‹的面外变形振动 o该峰较宽 o中等强度 o在氢键较强k即缔合l的情况下向高波数方向移动 o这与木质
素 !纤维素 !半纤维素中大量羟基相互缔合的状态吻合 ∀
综上所述 o在木材中大量存在以下主要官能团 }羟基k处于缔合状态l !烃基 !和缩醛基 ∀这些官能团如果
处于木材表面 o将对木材表面的物理化学特性产生不同的影响 ∀其中的羟基和缩醛基等将在木材表面构成
木材表面极性的化学基础 o而烃基则与上述基团共同在木材表面构成木材表面非极性性质的化学基础 ∀这
些木材表面官能团极易受到各种外界环境的影响而改变 o进而影响到木材的表面特性 ∀
在木材表面接触角的测定中 o接触角的变化实质上是木材表面化学官能团变化的反映 ∀在这些官能团
中 o烃基基团趋向于使木材表面的疏水性增加 o而羟基 !酯和醚基趋向于使木材表面的亲水性不同程度增加 o
疏水性减小 ∀
u1u1u 处理温度对木材表面化学官能团的影响 为了进一步考察外界环境对木材表面化学官能团的影响 o
本文研究了在不同处理温度下 o木材表面官能团的变化情况 ∀杉木 !杨木的木粉分别经过 tzs ε 和 uss ε 温
度下处理后的红外光谱 o与未处理木粉的红外光谱进行比较 o结果表明木材在经过不同的温度处理后 o表面
化学官能团发生一定程度的变化 ∀通过测定不同温度处理后红外光谱各个吸收峰的峰面积 o以及不同波数
k不同官能团l的峰面积比值 o可以得知不同温度处理后木材中各主要官能团的相对变化 o进而推测出不同温
度处理对木材表面官能团的影响 ∀
以 v个木材表面特性主要官能团的吸收峰 }在波数 v wss处的木材羟基k’ p ‹键l伸缩振动吸收峰 !波
数 u |ss处的木材饱和烷基碳氢键k≤ p ‹键l伸缩振动吸收峰及波数 t sys处的木材缩醛基k≤ p ’键l碳氧
非对称伸缩振动吸收峰为代表 o计算出不同温度处理后木材中这 v个吸收峰的峰面积值 o然后 o分别考察羟
基特征吸收峰的峰面积与其它两个特征吸收峰k烷基和缩醛基l峰面积的比值 o结果见图 v ∀
图 v 杨木和杉木不同温度处理后官能团
吸收峰面积比值变化
ƒ¬ªqv ׫¨ √¤µ¬¨·¼ ²©©∏±¦·¬²±¤¯ ªµ²∏³¤¥¶²µ³·¬²± ¤µ¨¤µ¤·¬²²©°²³¯¤µ
¤±§≤«¬±¨ ¶¨ ƒ¬µº²²§¤©·¨µ·¨°³¨µ¤·∏µ¨ ·µ¨¤·° ±¨·
从图 v可以看到 o两种木材经过高温处理后 o羟基吸
收峰的峰面积与烷基吸收峰峰面积比值k’ p ‹Π≤ p ‹l都
有下降 o处理温度越高 o下降的越大 ∀这一结果表明 o木
材中羟基的热稳定性较木材中烷基主链的热稳定性要
差 ∀在高温条件下 o羟基易发生变化 o从羟基的结构特性
来分析 o木材分子中羟基在热作用下的变化主要有失水
k失去木材表面吸附的游离水l !氢键缔合等方式 o但是也
不排除在高温下木材中相邻高分子链之间的缔合羟基进
一步失水形成醚键的可能性 ∀
杉木和杨木木材中羟基吸收峰面积与木材中醚或缩
醛基峰面积的比值k’ p ‹Π≤ p ’l亦随处理温度的升高而
下降 ∀可以认为在给定的温度处理后 o木材中的少部分
羟基在高温下形成分子内或分子间的失水 o从而造成 ’ p
‹Π≤ p ’峰面积比值的下降 ∀
综上所述 o木材在所选的高温处理下 o官能团的变化主要是木材中羟基的失水 o这种失水造成的结果是
木材表面羟基的减少和非极性或弱极性表面官能团数量的增加 ∀这一变化趋势必将对木材的表面自由能状
态产生影响 ∀
213 木材表面自由能和表面官能团的相关性
从前面的研究结果中得知 o杨木和杉木在高温处理后 o总表面自由能明显下降 o并且处理温度越高 o表面
xvt 第 t期 鲍甫成等 }杨木和杉木木材表面性质的研究
自由能下降越显著 ∀这种随着处理温度的升高而使表面自由能下降的情况称为木材表面钝化 ∀造成木材表
面钝化的化学原因是木材表面官能团变化的结果 o从上节的分析看出 o在给定的温度处理下木材表面的活性
羟基基团有了一定程度的减少 o而相应的木材烷基主链和缩醛主链结构在木材中的比例有所提高 ∀由于烷
基主链 ≤ p ‹结构表面自由能低于含有 ’ p ‹的结构分子链k顾惕人等 ot|||l o因此经高温处理后 o木材的总
表面自由能要比未高温处理木材有所降低 ∀
对于木材的非极性表面自由能和极性自由能的变化 o从图 u的结果中可以看出 o杨木和杉木经高温处理
后 o非极性部分有所下降 o极性部分则有所升高 ∀在常温下处于缔合状态的木材表面羟基在高温处理条件 o
使部分羟基缔合状态解除 o形成极性较高的自由态羟基 o从而导致在一定温度范围内木材表面自由能的极性
部分出现升高 ∀在高温处理条件下 o还有木材表面脱羟基作用 o羟基的减少应使极性表面自由能下降 o但是
在此温度下羟基缔合状态的解除作用更明显 ∀因此可以说 o在一定温度处理条件下 o木材极性与非极性表面
自由能变化是由于木材表面脱羟基作用与木材表面羟基缔合状态改变综合作用的结果 ∀从图 u还可以看
出 ouss ε 处理后极性自由能相对于 tzs ε 处理而言升高幅度要小些 o这主要是因为在 tzs ε 及较短时间处理
条件下木材表面脱羟基过程没有 uss ε 处理条件下木材表面脱羟基过程那么明显 ∀
从上面的结果分析中可以得知 o从不同温度的高温处理对木材表面性质 o如对木材表面自由能和木材表
面化学官能团影响结果中 o可以看出木材是一种表面性质不稳定的天然高分子材料 ∀木材的表面自由能与
木材表面化学官能团的变化有着明显的相关性 ∀木材表面官能团的种类 !存在状态对木材表面自由能及自
由能的各个组成部分有着明显的影响 ∀
v 结论
杉木比杨木有较高的总表面自由能kwu1vx °‘#°pt对 v{1|v °‘#°ptl和非极性表面自由能kwt1yt °‘#
°pt对 vx1xu °‘#°ptl o而杨木的极性表面自由能比杉木要高kv1wt °‘#°pt对 s1zw °‘#°ptl ∀经过不同温
度对杉木和杨木木材处理后 o总表面自由能和非极性表面自由能都随着处理温度的升高而下降 o而极性自由
能则有不同程度的升高 ∀
杨木和杉木木材表面的 v种主要化学官能团 }羟基 !烷基和缩醛基 o在高温处理条件下 o两种木材羟基对
烷基和缩醛基吸收峰面积之比都有所下降 o说明木材高温处理过程是一个使木材表面羟基密度减少的过程 ∀
木材表面自由能与木材表面化学官能团有明显的相关性 ∀木材经高温处理后 o具有较高的表面能羟基
密度减少导致木材总表面自由能的下降 ~而木材在高温处理后的羟基的减少和烷基 !缩醛基表面密度的增加
及木材表面羟基的缔合状态的解除又导致了木材非极性表面自由能下降及极性表面自由能上升 ∀
参 考 文 献
顾惕人 o朱 瑶 o李外朗等 q表面化学 q北京 }科学出版社 ot|||
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