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木材尺寸稳定化的方法(化学法)

发布日期:2012-03-04 15:21 作者:admin 点击:

化学法

化学法是指利用木材成分的化学反应,但是否引起化学反应并不一定非

常明确。下面所介绍的化学法,只限于在某种程度上消耗了哪一种成分或生

成了什么成分。事实上,有些在物理法中所进行的方法在某种程度上也伴随

着化学反应。

1.加热处理

对纤维素类材加热处理可获得尺寸稳定性。其机理有诸多解析,但主

要起作用的是半纤维素,特别是多糖醛酸等发生化学变化生成吸湿性酸聚

合物,再就是通过氢键结合将纤维素链互相结合起来。

加热处理木材的尺寸稳定性。Burmester等的研究发现,柚木的尺寸稳定

性好的主要原因是易水解的半纤维素含量少,其他树种经加热处理后也可以减少半

纤维素含量,有时甚至可以处理到比袖木的吸湿性及膨润性还要小Chow等研究

表明,在大气中加热处理白云杉单板时,村面的显色强度差异大,同时羟基含量

减少,纤维素的结晶度下降。

加热处理条件不同,所得到的尺寸稳定性也不同。

当质量减少率在20%以上时,在大气中抗胀(缩)率变低,在氮气中不变,在密

闭容器中反而提高。加执处理环境有利于尺寸稳定化的顺序是真空>大气>蒸煮。

在熔融金属中处理时与在真空中处理的结果相似。

当相对湿度在 45%~55%这样较低范围时,加热处理材的抗胀(缩)

率和阻湿率呈现高值,当相对湿度变高时这两个值均降低。

日本法隆寺所用的1300多年的古柏,其抗胀(缩)率约为40%。可见

一般经过多年陈放的木材吸湿性降低,吸湿和解吸时所产生的尺寸变化小,

可以认为多年陈放是一种低温下的长期热处理。

Starnm研究发现,由质量减少率及膨润率求得的各种纤维素类材料

热处理反应活化能几乎都在 117 04KJ/mol左右。但是,如果加入2.5%氯

化锌作催化剂,在150℃下加热处理北美黄杉木材时的反应速度约比未加

化剂的反应速度提高16倍。这样,如将木材先置于低浓度的金属盐溶液

浸渍或喷涂,然后经过短时间加热处理就可以获得良好的尺寸稳定性。

(2)加热处理材的其他性质。力学性质:虽然加热处理可提高木材的

寸稳定性,但力学性质变差。厚度为3.Zmm的北美黄杉单板在熔融金属

加热,当抗胀(缩)率为40%时,各种力学强度指标均比未处理材降低

如抗弯强度下降17%,硬度下降21%,韧性下降40%,耐磨性下降60%

一般阔叶材比针叶材下降得更多,因为阔叶材比针叶材含有更多的半纤

素。

加热处理能提高木材的热塑性。木质素是可热塑化的成分,在高温高

(温度 165~175℃,压力 9石1~10二8 MPa,含水率 6%~10%)下压缩

材时,压缩后的平衡膨润及回复变小。

耐腐性:将北美黄杉在180℃的黄铜热压板间加热,当抗胀(缩)率

到 40%时,几乎未发生腐朽现象。其原因是吸湿性降低,不能满足菌类

活所必需的水分。

胶合性:单板的干燥过程实质上就是热处理过程,使村面疏水性能

高,特别是天然树脂含量多的木材这种现象更为明显,使胶合困难。

除实体木材外,加热处理对木质人造板的尺寸稳定化也有利。如在制

刨花板时,木片含水率在纤维饱和点附近,用密闭容器加热处理可制得尺

稳定性良好的刨花板,将成板在 175℃的饱和蒸汽中处理 10 min,厚度膨

率及回弹性都变小。

2.乙酰化处理

这种处理是用疏水性的乙酸基(CHCO一)置换亲水性的羟

(-MH)。由于木材中引人了乙酸基,因此可认为是增容作用而引起的尺

稳定化。

这个反应可在液相或气相中进行。不加催化剂也可发生反应,但有催化

剂反应速度会加快。另外木材经预膨胀处理,可使乙酸化更均匀些。

木材乙酰化处理时,如乙酰基量较少,只在微纤丝表面乙酰化,如乙酰

基量较多,则可在微纤丝内部乙酰化。即低乙酰基量时,乙酸化材随相对湿

度增加而减少,但高乙酸基量时反而增加。

(2)乙酰化方法。

木材乙酰化有以下几种方法:

①吡啶预处理一无水醋酸与吡啶等量混合液体中的气相处理;

②尿素一硫酸铵混合溶液预处理一干燥一在冰醋酸中气相处理;

③醋酸钾溶液预处理一干燥一在二甲基甲酰胺与冰醋酸溶液蒸气中气相

处理;

④用二甲苯溶液稀释冰醋酸,浓度达到 25%,用这种液体进行液相处

理。这种方法适于处理尺寸较大的木材。

用85%的冰醋酸与15%二甲基甲酰胺混合溶液,在130℃下气相处理

由松木材试件[l.0cm(T)X1.0cm(R)X13.0cm(L)2�5h,可以

达到均一的乙酸化,使木材各个纹理方向上的抗胀(缩)率趋于一致。

(3)乙酸化村的性质。力学性质:因所使用的膨胀剂、有无催化剂及种

类、反应条件或树种而异。横纹抗压、硬度及韧性都有一定程度的提高,但抗

剪强度降低。乙酸化对应力松弛的影响明显。

物理性质:阻湿率比抗胀(缩)率略低,在不同相对湿度下阻湿率与抗

胀(缩)率几乎不变;气体的渗透性变差,水分扩散速率变慢;在有机液体

中的膨胀率减少;因热引起的线膨胀系数变大;紫外线照射时材色变白 ,但

明度几乎不变;干燥时引起的纹孔闭塞较少。

胶合性:由于游离羟基减少的原因,用热固性树脂胶合时木材的胶合性

能降低,胶层破坏变多。

耐腐性:用 1%氯化锌预处理,再用冰醋酸在 120℃下气相处理北美黄

杉单板,抗胀(缩)率达到 70%(乙酸量为 30%),不产生腐朽现象,也有

防虫、防蚁作用。

3.异氰酸酯

在1970年前后,异氰酸酯开始在木材改性与木材胶合中应用。其优点

是易与水、醇、氨、酸等发生反应,缺点是有毒性。在木材尺寸稳定处理时

常用异氰酸苯酯(hl)、4,4‘-M苯甲烷、M异氰酸酯(M’DI)、甲基异氰

酸酯、丁基异氰酸脂、氨基甲酸酯预聚物或甲基异氰酸酯与甲基丙烯酸甲酯

的混合物进行气相处理或液相处理。

用甲基异氰酸酯一二甲基甲酸胺,在130℃下气相处理时木材含水率越

高,木材的质量增加率越少;处理材的抗胀(缩)率随质量增加率的增加而

变高。

用异氰酸苯酯(TDI)气相处理(氮气,120℃)时,越接近木材表层

越容易反应,所生成的氨基甲酸酯几乎都与木材成分交联,因此反应初期非

常快,TDI处理材的阻湿率和抗胀(缩)率随氮气量的增加而增高,并且在

高相对湿度下比低湿度下的尺寸稳定性好。

二异氰酸酯处理材的抗压强度、抗弯强度增大,特别是聚合物含量越

多,横纹抗压强度提高得越多,没有酚醛树脂处理时出现的那种韧性降低的

现象,且稍有增大。但用甲基异氰酸酯一二甲基甲酰胺处理的木材其韧性及

耐磨性约下降25%。

用甲基异氰酸酯一甲基丙烯酸甲酯处理的木材耐候性良好;用甲基异氰

酸酯处理的木材具有一定的耐腐性能。

4.聚合处理(制造木塑复合材,WPC)

木塑复合材(WPC)是将乙烯基单体注人木材中 然后采用高能射线辐

射或借助于引发剂和热量的作用,使有机单体与木材组分发生接技共聚反应

或以聚合物填充于木材细胞腔内而形成的一种新型材料。这种材料于1961年

问世,70年代进人美国市场,1964年曾被美国新闻通讯社列为世界十大科学

成就之一。

制造木塑复合材的方法有多种,但归纳起来常用的有两种,即辐射法和

触媒法。无论哪一种方法,首先要选择好单体、引发剂和膨胀剂。

常用的单体是一类具有不饱和双键的乙烯基化合物,主要有:苯乙烯。

甲基丙烯酸甲酯、丙烯睛、丙烯酸、氯乙烯、乙烯、丙烯、丙烯酸乙酯、乙

酸乙烯、顺丁烯二酸酐等 使用时可选择其中的一种化合物作单体,也可用

两种化合物配制成混合溶液作单体。

引发剂是一类易于分解生成自由基的化合物,以引发自由基聚合反应。

常用的引发剂有两类:一类是有机过氧化合物(如过氧化苯甲酰);另一类

是偶氮化合物(如偶氮二异丁睛)。

在单体溶液中加人膨胀剂能提高难浸注木材的含浸率。常用的木材膨胀

剂有乙醇、二嗯烷、甲酸胺、二甲基甲酸胺等。

木塑复合材兼有木材和聚合物的双重优点,其吸湿性、吸水性比未处理

材显著降低,具有优良的体积稳定性,其抗缩率可高达 70%左右。此外,

力学强度、表面性状、耐腐和耐候性能等均较未处理材有明显改善。
 

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