木材浸注处理技术研究进展

室外使用的木材，因受雨水、风沙、日光、土壤的浸染及温度变化的影响，会发生腐朽、霉变、开裂、变形、火灾危险性增大等问题。从人类开始使用木材的那一天，室外用材就面临着进行防菌、防霉、防虫、阻燃、尺寸稳定等处理。

     在人类使用木材的早期，发现将圆木将要埋入土壤中的部分进行表面灼烧，然后埋入土中，圆木的使用时间将明显增加。防腐剂的早期使用，是通过涂刷方法涂抹于木质神像、墓碑、乐器上来延长使用寿命。在公元一世纪前，埃及人使用金属盐作防腐剂浸泡木材，中国人也知道把木材浸泡在海水或盐湖后使用能防腐防虫。

     公元500 年前，希腊人将建筑圆木柱钻孔，倾油入孔使其渗透到圆柱木材细胞内，放在石板上干燥备用；罗马人使用明矾处理木质金字塔，令其在一定范围内不会燃烧。

     此后一段时间内，浸注处理方法没有明显的改进，直到加压浸注方法出现。1831 年，法国人Jean Robert Breant 将防腐剂在压力下注入木材，极大地提高了处理材的浸注效果，是木材浸注处理方法上的一个里程碑。10 年后，随着工业化生产设备问题的逐步解决，加压处理方法逐渐推广开来。

     在加压处理方法的基础上，针对处理深度、均匀性、防腐剂使用的经济性，人们又研制了多种方法，如李宾空细胞法、满细胞法、Lowry 空细胞法等。木材浸注处理的工业化开始迅速发展。

     国内外对室外用木材的处理方法主要有两种，常压法和加压法。前者有涂刷法、喷淋法、浸渍处理法、冷热槽法、双扩散法、立木处理法等，主要用于对处理材质量要求不高、处理量小、处理材的耐久时间短等场合；后者又称真空——加压法，多用于木材尺寸大、要求药剂浸渍深、生产量大等场合。常用的加压法有满细胞法、半细胞法、频压法、循环法等，即使是加压处理法，也存在着处理材药剂浸注深度不够、药剂分布不均匀等问题，在工艺上虽存在后真空过程，留存于细胞腔中的药剂被吸走，但对于存在于细胞壁空隙、细胞间隙中的药剂（不能充分利用）不能吸出木材体外，造成药剂的浪费，增加成本。为提高处理材的浸透性和浸透深度，针对加压法处理木材存在的种种问题，近年来，国内外的研究人员不断的进行探索，提出了很多方法。

     1．CO2超临界流体处理木材技术：在1995 年的“木材防腐新工艺的开发”（汇编）中，MorrellJ J 等介绍了由Madison 撰写的关于co2超临界流体处理木材的文章，认为此法几乎能用处理剂处理所有树种木材而对处理材无明显不良影响，此法与现行处理方法同样有效而且拓宽了使用药剂的范围，虽然还需作进一步研究和实验，可断言，该方法将是本世纪具革命性改进的木材防腐处理方法[1]。Demessie E S等使用二氧化碳或其与甲醛的混合体研究超临界流体处理对花旗松心材气体渗透性的影响，认为，三分之二的试样的渗透性提高，这似乎与温度、压力的变化及助溶剂无关，表明状态单一，对抽提物有增溶作用，部分试样渗透性降低可能是因为溶解的抽提物重新析出[2]。

     2．木材激光刻痕法：激光刻痕法不破坏木材组织，且使药剂容易注入[3]。安藤恵介对爪状刀具刻痕法和激光刻痕法针对柳杉、日本扁柏、花旗松、美国铁杉四个数种的柱材进行了对比研究，后者浸注到木材中的药液比前者多50%以上，此法可调节药液的注入量——与在木材上的刻痕位置有关。同时研究了刻痕深度和激光照射条件及激光刻痕对木材强度的影响[4]。中嶋恒研究了脉冲激光照射次数对孔形状的影响，认为，输出功率低，全照射时间长，照射次数对孔深没有影响；但输出功率高，全照射时间短，随着照射次数的增加孔越深，此外照射1 次，输出功率低全照射时间长的孔较深，但这个差别随着照射次数的增加而变小，结果表明，全照射时间短的场合，与脉冲照射一次相比，还是照射多次可以穿更深的孔[5]。

     3．低压水蒸气爆破法：据日本1993 年的“提高木材注入性讨论会”上提出的低压水蒸汽爆破法，可破坏闭锁的纹孔，改进胞间通导性而改良透过性，电子显微照片表明爆碎处理后纹孔部分有选择性的破坏[3]。

     4．压缩前处理技术：木材防腐处理，对心材和难浸注材，药液均匀地注入木材内部、到达一定深度较为困难，可在加压前，先将木材进行横向压缩，应力集中于特异的纹孔部位，纹孔周边和纹孔膜有选择性的破坏，除气干材切向强度外，不致使强度下降，改善了渗透性[3]。酒井温子用含水率12～18.5%的花旗松、柳杉和美洲花柏心材，在高压压机中对气干试件作横向压缩实验，对残留变形状态的试件注入染色液，测定注入量，实验表明，压缩处理后注入量有显著的增加；为了获得高注入量，试件在液体中的尺寸回复量必需大，多数情况下，回复可达压缩前的90%；大型气干材压缩率宜在含水率30～40%以下，处理后静曲弹性模量的降低不到10%，压缩和开沟加工组合起来作表面渗透，开沟的表面渗透良好，根据目的并用开沟方式是用效的[6]。飯田生穗用七种针阔叶材研究压缩法对木材渗透性的改善效果，其结果是压缩材的渗透量和未压缩材相比，任何树种都而异。同一压缩率下增加的程度随树种差别很大，改变温度和含水率后压缩材的大吸液量，对于杉木饱水温度80℃时达到大值，对于铁杉在饱水温度80℃下压缩的吸湿量小于30℃时的吸湿量。佳处理条件随树种而异，大吸液量有差别的原因可用压缩时试件含水率、温度不同时的尺寸复原能力不同来解释，大吸液量和尺寸复原率之间呈线性关系。从SEM 观察到闭塞纹孔被破坏，孔圈导管内的侵填体也被破坏，这些破坏对加速液体渗透有促进作用[7]。安武温子在进行药剂的渗透性研究时，选择浸透性较差的的美国松心材，其端面100×100mm、长度为1000mm，分别锯切700mm 及300mm 长度的材段。长段材压缩为40%，两块试材进行加压注入药剂。药剂选用环烷酸酮、CFK 剂、ベヘサチック酸亚铅乳剂，注入后进行干燥。将干燥材横向从中间锯开，观察药剂浸透状况。实验结果表明，长段材内药剂充分浸透到中心部位，保持较高的药效。因而，压缩法可提高防腐处理性能[8]。Les Bois 简单介绍了“压缩木”专利的制造方法，将木材（特别是软木）浸以三聚氰胺-甲醛树脂液后，放入炉内进行预干燥，减少木材中的水分，以免影响树脂的聚合，然后进行压缩，减小木材的体积，同时使树脂聚合，再次干燥木材。木材的容重增加，木材的硬度和耐磨性及尺寸稳定性得到提高[9]。日本京都大学木质科学研究所的井上雅文认为“压缩材”是垂直于木材纤维方向压缩形成的高密度化材料，按其材质均匀化的程度，可获得要求的强度性能。制作压缩材的难题是木材变形的固定。提出了实用的加工技术，与压缩材相比，中密度纤维板难以制成薄而均质的材料，而压缩材可制成1mm 厚，同时水蒸气预处理可有效的定形，利于生产连续化[10]。Шамаев B A 使用含量为木材重量10～15%尿素的湿木材进行干燥，并同时压实到密度ρ=1000～1200kg/m3。研究了木材横纹压缩时，用尿素增塑的木材的干燥过程；提出了干燥过程的加荷规律，目的是使横向变形值与受压缩的横向方向收缩值之间的差异尽量减到低程度。提出了木材在温度-湿度作用和机械压力下木材变形的数学模型。实验表明，该数学模型完全适用于较大变形时的实际应用[11]。

     5．热水（汽）处理法：对于针叶树材，热水(汽) 处理可除去覆被于纹孔的阿拉伯半乳糖胶等物质，开放闭塞的纹孔对，从而改善了渗透性；蒸煮处理的处理强度越大，改善渗透性的效果越大，电子显微照片表明蒸煮处理后有开裂的纹孔塞[3]。采用微波加热对木材进行预处理,不但能提高加热速度,且能改进药剂的渗透性[12][13]。

     6．震荡加压处理法：Flynn K A 在1994 年研究了在对木材进行加压处理的同时，施以震荡的方法。用5 种不同的震荡时间表进行研究，云杉气干材和生材（约纤维饱和点）用高压力为976 与1465kg/m3处理，处理效果是根据药剂的吸收量、径向与弦向的透入度来评价，发现防腐剂的透入度与吸着量有明显的增加[14]。1996 年，使用5 种不同的防腐剂对云杉材进行震荡处理，观察药剂在具缘纹孔内的分布情况。显微镜观察证实，具缘纹孔内部的防腐剂分布很好，同时弹性模量无明显降低，此种处理方法可促进药剂在闭塞部位中的分布[15]。

     7．对于使用酶、微生物、细菌来改善木材的渗透性，很多人进行了研究。1993 年Militz H 应用不同的酶，预处理云杉柱材和锯材，随后加压浸注木材防腐剂，研究表明，酶预处理明显改善了处理材吸收防腐剂的能力和防腐剂在处理材中的渗透性，采用不同的酶的混合物的加压处理大多十分成功。同时探讨了酶破坏细胞纹孔的机理[16]。同年，Militz H 又使用三种不同的处理剂对云杉（Picea abies L.Karst.）进行预处理，云杉木材①经酶制剂处理，具缘纹孔的纹孔塞部分破坏，纹孔塞缘微纤丝破坏，渗透性明显改善；②经热态草酸盐处理，纹孔塞缘微纤丝降解，但不损及纤维素结构；③经冷态碱处理，具缘纹孔的纹孔塞破坏，但渗透性并无改善[17]。Despot R等用细菌作用改善冷杉木的渗透性，文中着重介绍了厌氧菌对增加杉木渗透性的作用。将长6m的试件分为三组，一组不浸泡，另两组置于水溶液中浸泡一个月和两个月，然后气干，将试材锯成小试样，并用加压满细胞浸注法浸在无机盐中。研究表明，浸泡处理只提高边材的渗透性，对心材无影响。浸泡一个月和两个月试材的边材渗透性比未浸泡者分别提高了3.17 倍和3.9 倍。渗透性提高的木材使水溶性无机盐驻留性和渗透性也同时提高，驻留性分别提高73%和75%，边材横向渗透性和纵向渗透性远远大于未处理的试材，处理试材边材的抗压强度（顺纹方向）没有明显降低[18]。Dai S 等研究了柳杉原木中的微生物生态系统及下池后柳杉木材试样的纹孔膜变化。入池9 个月后原木心材中的细菌数目没有增加，但原木边材、心边材交界处细菌数目在入池之后立即增加[19]。

     8．声波和超声波处理法：在对木材进行加压处理的同时，施以声波或超声波的作用，也是改善木材渗透性的一个研究方向。Nair H U 等使用花旗松与美国西部黄松试材在加压处理的同时附加声波的作用，实验结果与常规加压处理作比较。当连续加压处理1.5～2h，花旗松声波处理的药剂吸收量优于常规处理。这种连续处理对花旗松试材能达到饱和，表明声波处理，溶液一直能进入到木结构内部，而常规处理条件下，则是无效的。而这种处理方法对美国西部黄松试材不太理想。研究结果表明，声波处理，对加压处理方法的改善，以及对难处理树种木材的处理，提供了很大的可能性[20]。Wheat P E 等采用超声波技术，用防腐剂浸渍处理木材。所用白云杉以氟化钠饱和溶液浸渍后，木材内液体的流动性增强，在47kHz 超声波时，氟化钠离子的吸收量也增加[21]。

     9．离心转动处理技术：一种新的木材处理技术——在离心分离机中浸渍木材，Аринкин СМ 等介绍了离心传动机的组成机构:圆筒杯状壳体（内设带底板的支撑浮子）、与圆筒杯同轴固定并通过弹性件与壳体的侧壁和底板相连的可转动挠性连接、对称于转动轴安装的圆筒式浸渍室及其传动机构，研究认为，在常压下的离心浸渍使木材对药剂的吸收量增加[22] [23]。

     10．伊藤贵文采用连续热压辊进行加压，通过提高木材表面的硬度来改善木材表面的性质，试材为扁柏、红松、橡胶木、山毛榉和辐射松，处理药剂为乙二醛树脂,加压或浸渍注入，压辊温度210℃，线速2.7m/min,每一次压缩量0.6mm,大压缩量可达2.0mm，全部树种经过压缩处理后表面硬度提高2 倍，并明显地提高表面光泽及光洁度。用乙二醛树脂处理，可稳定压缩材的尺寸，含渍量达到13.5%时可完全压缩固化, 含渍量达到9%以上时可有效的控制吸湿时的反弹[24]。同时伊藤贵文用热压辊处理杉木，处理药剂使用乙二醛和二丙烯乙二醇的混合液（混合比1：1），把13.5%以上的溶液预先加压注入试件，压缩后在150℃的干燥器中加热2h，由此可永久固定压缩变形。这是由于树脂和木材成分缩合产生憎水作用，因交联和膨胀而产生较高的体积稳定性。用18%以上溶液浸渍处理可以显著地抑制表面部分的变形回复。认为这是由于木材表层渗透了树脂，使水以蒸汽形式向试件内部浸入推迟的结果；为增加树脂液的吸入量，在浸渍处理时预先进行压缩预处理是很有效的[25]。

     11．Kumar S 研究了在不同含水率条件下的湿木材，采用突然升高和释放压力的不同压力处理方法。研究结果与采用同样压力和时间周期的传统的满细胞压力处理法相比较。认为快速变动压力法是处理具有高处理性能湿木材的简便和快速的方法，不仅防腐剂在木材中的留着量较高，而且在木材中的分布更为均匀[26]。

     木材经过防腐、阻燃、尺寸稳定化等处理，明显地延长了使用年限、提高了使用性能，对结构材、室外用材是不可或缺的方法。当代人们比以往任何时期都更向往自然，在日本有60%的人们对回归自然有强烈愿望，希望住宅木质化的人超过了70%[27]。近几年来，木结构房屋已进入中国，建造森林别墅渐成时尚，公共场所的木结构设施逐渐增多，结构材、室外用材的用量在急剧增加。传统的木材处理方法，耗时长、设备结构复杂、精度要求高、处理效果一般，为了提高药剂的浸注效果，多是在进行加压处理的同时，辅以上面提到的种种办法，反而使现有的处理工艺变的更加复杂。研制新的木材处理方法，已成必然。