木材的表面性质

木材的表面性质陈绪高2016年11月08日木材的润湿性木材的耐候性总结概述01020304目录01概述木材表面性质木材的表面性质十分复杂。因其本身是一种天然的高聚物，既有生物学特征，也具有物理化学的特征，同时又是一种不均匀的各向异性的材料。树种不同，其材性差异也很大；而且同一树种，切面不同解剖分子的形态、比率及其“三素”和抽提物的含量，对木材表面性质均会有不同程度的影响。两种重要的表面特性：润湿性和耐候性（这两种特性与木材的胶合、使用寿命、加工工艺、木材的保护与改性，关系甚为紧密。）02木材的润湿性木材的润湿性木材的润湿性，表征某些液体（水、胶黏剂、氧化剂、交联剂、拒水剂、染色剂、油漆涂料及各种改性木材的处理溶液等）与木材接触时，在表面上润湿、铺展及黏附的难易程度和效果。润湿性对界面胶结、表面涂饰和各种改性处理工艺极为重要。②润湿性与胶结质量③影响润湿性的因素④改善木材润湿性的方法①木材是一种可润湿的固体材料2.1木材是可润湿的固体材料(1)木材表面有极性。组成木材的主要化学成分是纤维素、半纤维素和木质素，它们均是有机化合物，含有极性官能团。在木材内部，由于分子间的作用力，这些极性基团相互吸引而达到平衡状态。但位于木材表面的分子尚有极性，具有一定的表面自由能，当与极性胶黏剂、涂料或其他处理溶液相接触时，就能够彼此吸引相互结合。(2)木材具有巨大的比表面积木材属于多孔性-毛细管-胶体。其细胞壁由微晶、微纤丝和纤丝组成，这些微晶与微晶、微纤丝与微纤丝、纤丝与纤丝之间都有间隙，相互连通，构成了木材的微毛细管系统，平均直径为1~10nm，其内表面巨大。故其表面便于多种液体的吸着与传导。通常，润湿性的高低以液滴在木材表面上形成的接触角（θ）或接触角的余弦（cosθ）的大小表征。当θ＜90°时，液体在木材表面上形成扁平状，表示这种液体能部分润湿木材；当θ＝0°时，表示液体能全部润湿木材；当θ＞90°时，液体在木材表面上形成滚珠状，表示液体不能润湿木材。除采用测定接触角的方法来表示木材润湿性外，也有研究者用浸润高度法表征，即将一定尺寸的木材试样浸入某种液体中，测定在限定时间内该液体浸润试样的高度（mm）。对具有不同表面张力的各种液体而言，其浸润高度大者表示对木材的润湿性好。对不同树种的木材而言，通过对照比较也可确定它们的相对润湿性。液体在固体表面上形成的液滴，它可以是扁平的，也可以是圆球状，这主要是由各种界面张力的大小来决定。接触角与润湿方程当系统达到平衡时，在气、液、固三相交界点，气-液与固-液界面之间的夹角称为接触角，通常用q表示。实际上是气-液与固-液界面张力之间的夹角。lglg固气液气液固OOsgsgslsl平衡时有下列关系：cossgsllgqqq接触角与润湿方程2.2润湿性与胶结质量有关木材的润湿性对胶合质量的影响曾有许多研究者作了大量的试验和研究工作。ChungY.H.曾用多种酚醛树脂胶黏剂制造胶合板，并测定了胶液对美国长叶松木材单板的接触角。通过对单板的湿剪切强度、木破率和分层百分率部分测定如右表，接触角与胶合质量呈正相关，即接触角大，单板的润湿性低，导致胶合板的胶合质量差。由表可见，接触角大的单板试样，一般的趋势是板子的剪切强度低，木破率低，而分层百分率高。反之，亦然。2.3影响润湿性的因素（1）固体的表面自由能与液体的表面张力。从能量的概念出发，润湿性是固体的表面张力与固-液界面张力之差。定义时对于固体材料常用表面自由能表示，而液体常用表面张力表示。润湿性的大小因固体的表面自由能和液体表面张力的变化而异。（2）周围环境与木材老化。长期暴露在不同环境中的木材表面由于氧化作用、吸附作用、水合作用和污染作用，使木材表面老化，导致木材润湿性降低。（3）树种与纹理方向。用材树种不同，即使对同一种胶黏剂，其润湿性不同；同一种树的木材，其润湿性也因不同的切面和纹理方向的不同有所变异。粗糙的单板表面润湿性差，木破率低，这可能是由于胶液中的泡沫易聚积在粗糙表面的空隙中，也可能在粗糙的表面处残留的胶液多，不能像光滑表面那样，使胶液均匀铺展而形成一层薄膜。不同的木材切面可以暴露出各种不同的细胞和组织，以及不同的细胞壁层次结构，导致木材的解剖构造和化学组分有差异，因而对液体的亲和力不同，显示出不同的润湿性。（4）木材抽提物。木材抽提物的存在与迁移可使木材的润湿性和胶合性发生明显的变化。2.4改善木材润湿性的方法（1）磨砂处理磨砂能提高木材表面的润湿性。Boding研究菲律宾5种木材的润湿性与胶合性的关系时发现，磨砂过的木材表面显示出良好的润胀性，其平均cosθ为0.8051，而未磨砂的木材其润湿性次之，平均cosθ为0.3384。这表明磨砂后其接触角变小，润湿性提高，有利于胶结。（2）化学处理选择一些适宜的化学药剂对木材表面进行处理，以排除老化表面的污染物、抽提物等来提高木材的润湿性或使木材表面发生氧化、酸化、碱化或引起表面自由基等作用来提高木材的表面自由能，从而改善胶合性能。（3）电晕处理采用电晕放电方法使木材表面瞬间产生一些物理和化学变化能改善木材的润湿性与胶合质量。（研究结果表明，木材在氧气中电晕放电所产生的胶合作用比在其他气体中进行的迅速、质量高。因为木材的润湿性与木材表面的氧化作用有关，经电晕放电，由于氧化作用使木材表面产生了一些新的羟基、羰基和胺基等极性官能团和表面自由基，这些基团有利于表面润湿和界面结合，从而提高胶合质量。03木材的耐候性木材的耐候性木材暴露于室外的天然环境中，经受着紫外光的光化降解作用、雨水的淋溶作用、水解作用、湿胀与干缩作用和微生物的腐蚀作用等，日久天长，木材的表面性状就会发生一些变化。木材抵抗这些因子的作用，以及由这些作用所引起木材变化的性质称为木材的耐候性。影响木材耐候性的因素有如下几点。①气候因子的作用②微生物的作用③湿胀干缩的作用④木材抽提物的作用（一）、气候因子的作用未经过油漆涂饰或改性处理的木材表面，在室外放置数月后，其表面就会产生自然老化现象。导致木材表面老化有许多复杂的原因，其中主要是化学和物理因素所产生的影响，通常是由阳光辐射、雨水淋溶、湿度变化、冷暖交替和露、雪、冰、霜、风等气候因子的反复交替作用所引起的。此外，还有大气条件，如大气中氧气、臭氧和大气污染物的影响或者上述因子的共同作用。（二）、微生物的作用由于褐色孢子菌和真菌菌丝体的影响，促使自然老化后的木材颜色和外部性状将进一步发生明显的变化。木材变色菌常常使木材发生天然变色。（三）、湿胀干缩的作用木材含水率随着周围环境温度和相对湿度的变化而不断发生改变，易使木材产生湿胀与干缩。木材膨胀和收缩时所产生的应力变化导致木材表面粗糙、纹理隆起、微细裂纹以至明显的开裂。而开裂又为气候因子对木材的自然老化作用由外部向内部移动创造了有利条件，使木材组分在气候因子作用下发生化学变化，进一步使木材表面变得粗糙，加速开裂和变形，同时还可以使木材表面变软，握钉力降低。（四）、木材抽提物的作用由于木材中含有的抽提物种类繁多，主要有单宁、树脂、树胶、精油、色素、生物碱、脂肪、蜡、甾（zāi）醇、糖和淀粉等，其含量及成分因树种而异，可高达40%。不同树种的木材常呈现出不同的颜色与它们所含的抽提物密切相关。04总结在加工和利用木材的过程中，人们很重视木材的总体性质，诸如压缩强度、冲击韧性和黏弹性等，然而对于木材的局部性质——表面特性的了解和研究还不够多，往往被人们所忽视。实际上，在加工时，只要将木材的表面性质加以改变就可以满足某些特定用途的要求，就能够提高其使用价值和扩大应用范围。例如，对于难以胶合或涂饰的抽提物含量高的木材及竹皮、藤皮等纤维材料，只需将其表面的润湿性予以改良即可改善胶合性和涂饰性。总之，木材表面性质的研究任重而道远。Thanks!