木材改性概论

1．木材改性研究内容及深远意义

木材是经济建设和人们生活中极重要的原材料，木材作为生物材料是与人类接近，使用历史悠久，用途广泛的材料。在史前时期有巢氏架木为巢，遂人用钻木取火，随后制并造车，穿洋过海，来往于大地，用于造纸，制造乐器，推动人类文化发展。至今人们开始要求创造更舒适的居住环境，室内装饰等有返朴归真的倾向，对木材的质和量的要求越来越高。木材来自森林，而森林对大自然的物质循环和能量交换起着无可替代的作用，它保障了人类和生命的延续。解决木材供需矛盾的主要方法为有计划种植速生人工林，人工林生长迅速，材质相对较差。即使天然林木材也存在各种缺点。为了适应多种用材质的需要，对用材缺点加以改良即为木材改性。木材作为生物材料主要缺点为具吸湿性，尺寸不稳定，各向异性，易腐，易燃，颜色不均匀，强度不够高等。木材改性的目的就是通过一系列物理、化学处理．使木材的优点得到进一步加强，使木材的缺点得到不同程度的改进。我们将能改进木材性能的各种处理方法统称谓木材改性。

林产工业范围的木材改性主要包括以下几方面内容：颜色处理；尺寸稳定处理；可塑化处理；强化处理；塑合木；阻腐处理；阻燃处理；木材塑料化；防风化处理等。

1．1颜色处理。木材是天然材料，就材色问题大致归纳为三类：其一：即使在同一树种也存在色差；其二：木材受光线照射后，材色变化过大，且不稳定；其三：因材色不好，想改变原有的材色。木材的颜色出现是木材中化学成分吸收光所造成的，即光被木材吸收后，残留的光再反射到人的眼睛里作为颜色而呈现的。能吸收阳光和荧光灯的木材化学成分几乎都是抽提物，与木素部分有关，而与纤维素和半纤维素无关。解决上述材色问题的基本态度是采用何种方法来取出抽提物。

第一种方法是取尽全部抽提物。它应用于材面出现斑点方面，现有技术取尽较难。第二种方法是把抽提物成分破坏。这叫漂白方法，用漂白剂处理后材色变白。第三种方法是采用化学反应，抽提物能变成稳定的聚合物质。化学着色原理也是采用这各方法。第四种方法是必须弄清抽提成分作用的限界，控制在限界之内。例如保持材色亮度等。

1．2木材尺寸稳定化处理

解决木材湿胀和干缩引起的翘曲，变形，开裂等尺寸不稳定的办法有二种：物理方法和化学方法。物理方法可以选用尺寸稳定性好的木材；作调湿处理；作有均衡的纤维方向的组合如胶合板，定向刨花板，纤维板等；覆盖处理；细胞内腔充填；细胞壁的充胀。化学方法可以：加热使亲水基减少；醚化，酯化使亲水基置换；聚合物接枝；交联如甲醛处理．y射线辐照等。

1．3木材可塑化（软化）处理

1．4木材强化处理

木材经物理的或化学的方法，也可两者并用，提高木材密度，使木材强度得到增加的处理称为木材强化处理。强化处理的产品有压缩木，浸渍木，胶压木，强化木和塑合木等。

1．5塑合木（WPC）

塑合木是木材和塑料复合材料的简称，英文名Wood Plastic Composite。塑合木是指在木材中用乙烯类单体或低聚体、预聚物）为主体的树脂液注入，使其在材内聚合所得的新材料。WPC在五十年代后期在美国、苏联等国几乎同时开始研究的。现在北美的美国、加拿大；欧洲的德、法、英、挪威、丹麦、瑞典、苏联、捷克、匈牙利、罗马尼亚、奥地利；亚洲的日本、中国、印度、巴基斯坦、菲律宾和澳大利亚等都有研究和产品问世，有的已形成了工业化生产。

1．6木材阻燃处理

将可燃木材通过处理变成难燃或脱离火源即能自熄的材料。其方法通常是将阻燃药剂注入木材，提高木材耐火性能，使之不易燃烧；或将阻燃涂料覆盖到木材表面，防止木材起火或延缓其燃烧。

1．7木材防腐、防虫、防霉处理

本材在自然条件下易遭风蚀、磨损、外力的破坏；化学的酸、碱、盐的腐蚀；微生物导致的腐朽与变色和虫蛀与海生钻本动物的侵害。目前的防腐技术主要是使木材对这些生物具有一定的毒杀或抑制其生长能力。处理的关键是防腐剂、杀虫剂以及浸渍木材的方法。

1．8木材的塑料化

木材的塑料化处理是将木材变成塑料．在工业化应用方面塑料化后模压有一些进展。

1．9防风化处理

木材在室外应用，抗老化，抗风化方面的处理。

广义的木材改性还可包括从营村技术方面加强森林抚育，提高木材材性等，在此不赘述。

木材改性的各个方面都得到很大发展并受到世界各国的重视。随着人工林飞跃发展，人工林的改性和利用将是世界范围研究的热点。解决人工林利用问题，首先要提高其木材强度．而木材强度与木材密度直接相关。提高木材密度简易经济的方法是对木材加以压缩。单纯压缩会破坏木材组织构造，非但不能增加强度，压力去除后尚会产生回弹，木材只有在软化条件下压缩才能有效压缩，现就木材改性中普遍应用木材可塑化（软化）作简单介绍。

2．木材可塑化机理及基本方法

2．1机理。木材细胞壁的骨架物质为微纤维是由纤维素组成丝状物，它成螺旋状埋藏于木素和半纤维素所组成的基体之中，犹如钢筋混凝土结构。通常情况下，框架和基体间保持紧密联结的平衡状态，因此为缺乏塑性的材料，只有两者之间失去平衡进才有塑化的可能。

2．2由热和水引起的可塑化

木材这类无定形的链状分子所组成的聚合物，在低温下主链的微布朗运动被冻结为玻璃态。当温度上升自由体积增加分子间产生自由运动间隙，主链开始微布朗运动转移到橡胶态（施加很小的力即能产生极大的变形）。这种转移在木材上不是很突然发生的，而是有某个温度域，因为木材是由纤维素、半纤维素和木素复合的天然有机材料，纤维具有结晶性产生热软化比较缓慢。木材在干燥状态下，纤维素、半纤维素和木素的软化点分别为200－250度， 180℃和150℃左右。在有水分时软化点显著降低，半纤维素为20℃，木素为70℃，而纤维素仍停在235℃。综合考虑湿润木材软化点看作80—100℃。湿润木材半纤维素虽在常温下即能转化，因术素为三度空间的网状结构抵抗变形，使木材可塑性不充分，如通过加热木材也软化，可塑化程度能大大改善．但仍受到纤维素组成微纤丝的结构和排列的极大限制。

2．3微波加热

在饱水木材上通过微波照射因木材中的水选择性吸收微波，木材内部蒸汽压升高，与此相反水平向试件外侧移动．结果形成木材表面含水率相对较材内部为高。此时木材内部由于水蒸汽压力上升，温度可达120－130℃，较表面温度高。在饱水状态下，木材温度上升。细胞壁的基体物质从玻璃态转变或橡胶态，骨架物质纤维素仍然为玻璃态，由于基体物质的软化，相互间有变位的可能，与外力相平衡为止，产生弹性变形，骨架物质与基体物质的平衡解除，增加了可塑性。其后基体物质回复到玻璃态．再经干燥在分子间形成充分结合的氢键，微纤丝按变形后的原状包埋于基体物质之中。

此后如再一次由热和水分软化基体物质，由于微纤丝的弹性恢复力使变形部分回复。

微波加热可塑化的应用不仅仅停留应用于曲木方面，在压缩木制造，表面压密化，小径级原木变形成型，表面浮雕装饰等多方面均可应用。产品因水分作用后形成回复和微波的环境保护尚是遗留问题。

2．4高压水蒸汽处理

高压水蒸汽处理木片后瞬间排出大气的爆破制浆粕在造纸和纤维板生产爆破制浆法早已有所应用。微波法能使本材内部水蒸汽温度上升到120－130t，而高压水蒸汽可达到更高温度，在有水存在条件下取比软化点更高的温度作处理，能得到处理后变形固定的良好效果。如按规定的高压水蒸汽处理压缩成形后，再在200℃温度下作8分钟变形固定处理，通过几次反覆处理（干燥——吸水），产品几乎没能回复，尺寸稳定。

原因是造成变形的纤维非晶区部分被水解．内部应力被消除。与此同时，在变形状态下，加水所分解的成分在结晶区作重新排列。采用高压水蒸气．将加压，木材软化，压缩变形和变形固定同时进行。该方法可将间伐材采用非切削方法制造方材，没用药品软化，避免环境污染并降低成本等优点。

2．5极性溶剂处理

如胺．松香胺等均为极性溶剂，极性溶剂能极性渗透，能进入到木材组成分子链之间，削弱分子间的结合．扩大分子链间距离，使分子链相互容易产生滑移。

一般用氨、胺、松香胺类处理时软化温度显著降低。松香胺能侵入到纤维结晶区产生微品内膨润，而在该状态下，破坏应变变小，一般认为从实用可塑化角度考虑是并不希望的。此外．如用甘油（丙二醇）浸渍，即使在全千状态下，也能保持可塑性。

2．8氨的可塑化

液氨能提高红键的形成能，它与本素．综纤维都能产生膨润。在木素——氨系统内，软化点显著降低，即使在常温附近，可塑化也很明显。加氨不仅能进入纤维素结晶区，也能进入到结晶区扩大品格间距离。它是纤维素强膨润剂，能形成氨——纤维素结晶。氨——纤维素结晶格子变化复杂，随着后处理的不同形成不同晶格状态，具有改变力学性质的可能性，除去氨后木材再一次回复到原来力学性质。

采用液氨可塑化能把木材变成曲轴那样复杂形状的弯曲。控制正确的形状，必须作短时间的形状约束，氨释放后弯曲形状能保持下来而不产生回复。采用水蒸气曲术时不同树种弯曲的难易程度有差别，而用氨处理在树种间无差异，破损率少，此外结晶区变形固定后遇水也不回复。气态氨与液态氨具有同样效果。

2．7碱处理可塑化

木材浸渍于10—15％的碱水溶液时，半纤维素和木素能部分溶解，木素的网状结构部分形成空隙，因此分布在基体物质内微纤丝有成为蛇行和弯曲时形态变化的余地。

木材在纤维方向的收缩可达10％，收缩了的微纤维易解开．增加木材的变形。碱处理后的木材，在具有水分时显示相当明显的可塑性．作