木材改性第六章(木材尺寸稳定处理

第六章木材的尺寸稳定化6.1概述木材的干缩湿胀及各向尺寸变化不一致而引起的翘曲、开裂、变形等是木材加工、利用中遇到的最棘手的问题木材水分的存在与变化木材尺寸不稳定根本原因1、木材尺寸不稳定的原因纤维素非结晶区的游离羟基吸附空气中水分子并与水分子形成氢键结合；木材中的半纤维素、木素及其他物质也能吸着水分子；水分子的进入使木材各成分分子之间的距离增大，木材呈膨胀状态，导致尺寸不稳定。2、处理原则在保持木材原有优良性质的前提下，改变其吸湿和干缩湿胀性能。①处理仅限于细胞壁内纤维素的非结晶区部分。②细胞壁未经处理，仅仅是细胞腔内充填、沉积某些化学药剂。6.1概述3、处理机理为了改善木材的尺寸稳定性，降低其吸湿性，可以采用具有吸附水分能力的吸附点—羟基，或使之失去吸附能力，如用疏水性分子包围吸附点区域，或部分地使分子交联固定。6.1概述木材尺寸稳定性的主要评定指标是抗胀(缩)率(ASE)(AntiSwellingEfficiency)、阻湿率(MEE)(MoistureExcludingEfficiency)、抗吸水率(RWA)、聚合物留存率(PL)(PolymerLoading)—增重率WPG6.2木材尺寸稳定性的评定（1）抗胀缩率ASE=[（VC-VT）/VC]×100％式中：VC——未处理材的体积膨胀(收缩)率，VT——处理材的体积膨胀率6.2木材尺寸稳定性的评定（2）阻湿率MEE=[（MC-MT）/MC]×100％式中：MC——未处理材的吸湿率，MT——处理材的吸湿率6.2木材尺寸稳定性的评定（3）拒水率RWA=[（WC-WT）/WC]×100％式中：WC——未处理材的吸水率WT——处理材的吸水率6.2木材尺寸稳定性的评定（4）聚合物留存率PL=[（GT-GC）/GC]×100％式中：GC——未处理材的绝干质量GT——处理材的绝干质量6.2木材尺寸稳定性的评定1、防水处理提高木材被水湿润、浸透的抵抗能力。抵抗湿润性能——憎水性原理：木材具有可湿性，其亲水性的极性表面能被水润湿，采用既具有亲水性官能团(能与材面紧密接触)、又具有憎水性官能团(保护材面不被水润湿)的两性物质作为憎水处理剂，涂覆在处理材的表面。处理效果的好坏与固体表面的化学性质、吸着分子的多寡、表面粗糙度和孔隙率等有关。6.3物理方法的尺寸稳定处理1、防水处理处理剂—含有石蜡成分的憎水剂、亚麻油类、清漆和硅树脂等憎水剂；防水效果—防水率高达75％一90％，抗胀(缩)率(ASE)为70％一85％。应用：门、胶合板、刨花板等。6.3物理方法的尺寸稳定处理2、防湿处理最常用的方法是在木材表面涂饰涂料或胶贴贴面材料。（1）外表面覆盖常用涂料为酚醛树脂漆、醇酸树脂漆、硝基漆、氨基树脂漆等，涂层厚度与防湿效果呈正相关。6.3物理方法的尺寸稳定处理2、防湿处理最常用的方法是在木材表面涂饰涂料或胶贴贴面材料。（2）内表面覆盖将憎水材料(如：松香、腊、干性油等)溶解于挥发性溶剂(如：烷烃、石油醚等）中制成流动性好、粘度低的溶液注入木材内部，待溶剂挥发后拒水材料留存于木材内表面上具有防湿作用。（1）、（2）属表浅的物理处理，其防湿和拒水功能不高，保持的时间不长。6.3物理方法的尺寸稳定处理3、酚醛树脂处理定义将低分子量酚醛树脂注入木材，加热使其缩聚、固化，生成不溶性树脂，处理材尺寸稳定，其他性能亦有所改善。处理机理处理材的尺寸稳定性与酚醛树脂中羟甲基酚含量密切相关，而树脂中羟甲基酚含量与树脂的聚合度呈负相关。因此，低分子量的酚醛树脂中羟甲基含量较高，高温固化时可与木材中的羟基彼此间形成氢键结合或化学结合，而且其增容(膨胀)效果亦十分显著，其抗胀(缩)率(ASE)也高。6.3物理方法的尺寸稳定处理3、酚醛树脂处理处理材性质与未处理材相比，处理材的力学指标中：顺纹抗压强度提高1倍左右，抗弯强度及抗弯弹性模量提高30％左右，硬度和耐磨性亦有提高，但冲击韧性下降大约50％，抗拉强度亦略有下降。处理材的耐腐、防虫性能亦较未处理材明显增强。6.3物理方法的尺寸稳定处理3、酚醛树脂处理用途酚醛树脂也适用于处理单板，可将处理单板制造层积材或强化层积材。在高温(130—150℃)、高压(10—20MPa)下固化，制得强化层积材，其尺寸稳定性、耐久和耐候性、电绝缘性及力学性能均有明显的提高。这种材料常用作装饰品、工艺品、家具材和门拉手、推杆等。6.3物理方法的尺寸稳定处理4、聚乙二醇(PEG)处理（1）PEG的性质PEG是无色、无嗅的物质，分子量较大时，常温(20℃)下呈固态，分子量较小时呈液态。PEG是由环氧乙烷与水或乙二醇的反应制得的链状聚合物。6.3物理方法的尺寸稳定处理4、聚乙二醇(PEG)处理（2）木材的PEG处理处理条件：适于处理生材和湿材；PEG的平均分子量1000—1500；溶液浓度为25％一30％(溶剂为水)；温度为常温~80℃。6.3物理方法的尺寸稳定处理4、聚乙二醇(PEG)处理（3）PEG处理材材性①尺寸稳定性PEG浸入膨润状态的细胞壁内，在低相对湿度时细胞壁中的PEG保持膨润状态，在高相对湿度下，细胞壁中的PEG变为水溶液，保持膨润状态，由于单位质量的PEG比单位质量水对木材的增容效果要大，所以在相当于木材纤维饱和点含水率的70％一80％的PEG含量时，就能赋予处理材高的尺寸稳定性。6.3物理方法的尺寸稳定处理4、聚乙二醇(PEG)处理（3）PEG处理材材性②力学性质PEG处理材的抗压强度、抗弯强度和耐磨性均随PEG留存量的增加而增加，若相对湿度升高，则强度和耐磨性略有下降，韧性则稍有上升。6.3物理方法的尺寸稳定处理4、聚乙二醇(PEG)处理（3）PEG处理材材性③干燥性PEG处理材易于吸湿，难于解吸，处理材在快速或高温干燥时很少开裂，体积收缩率也小，单板干燥的合格率大为提高。④胶合性PEG处理材的涂饰性较未处理材差。6.3物理方法的尺寸稳定处理4、聚乙二醇(PEG)处理（3）PEG处理材材性⑤PEG处理的应用PEG处理除了成功地应用于古木保存外，还可用来防止室外用胶合板的表面开裂，提高漂白材的耐光性以及防止木材光变色。6.3物理方法的尺寸稳定处理是指木材中的成分能发生化学反应的方法。因此，通过处理，木材中某种成分消耗生成另一种生成物，来实现木材尺寸稳定。6.4化学法的尺寸稳定处理1、热处理（1）机理加热使半纤维素、尤其是多糖醛酸发生了化学变化生成吸湿性差的聚合物，同时加热使吸着水除去，细胞壁纤维素非结晶区的分子链之间距离缩短形成新的氢键结合。6.4化学法的尺寸稳定处理1、热处理（2）加热处理温度：180-250℃；加热介质：热空气、水蒸气、植物油、惰性气体，6.4化学法的尺寸稳定处理1、热处理（3）加热处理材的材性加热处理的结果是质量减少、材面变暗，处理材吸湿性降低，尺寸稳定性提高；加热处理材的尺寸稳定性，随处理条件的不同而不同；大多数力学强度降低。6.4化学法的尺寸稳定处理1、热处理（4）热处理材的应用6.4化学法的尺寸稳定处理1、热处理（4）热处理材的应用6.4化学法的尺寸稳定处理2、乙酰化采用乙酰剂中疏水性乙酰基(CH3CO—)置换木材中亲水性羟基(—OH)，由于乙酰基的导入，产生酯的增容效应(BulkingEficent)。使处理材尺寸稳定的因素是羟基减少和乙酰基增容6.4化学法的尺寸稳定处理2、乙酰化（1）乙酰化反应乙酰化处理时用醋酸酐按下式进行反应：Wood-OH+(CH3CO)2O——Wood-OCOCH3+CH3COOH上述反应可在液相或气相中进行，若加入催化剂，反应能加速进行。6.4化学法的尺寸稳定处理2、乙酰化（2）处理药剂可分乙酰剂和催化剂两大类，前者有醋酸酐、硫代醋酸和乙酰氯等，后者有吡啶、二甲替甲酰胺和无水高氯酸镁等。①乙酰剂6.4化学法的尺寸稳定处理2、乙酰化（2）处理药剂②硫代醋酸(CH3COSH)。反应式为：Wood-OH+HSCOCH3——Wood-O-COCH3+H2S③乙酰氯(CH3COCl)。为空气中发烟的无色液体，具窒息性刺鼻气味。反应式为：Wood-OH+CH3COCl——Wood—O-COCH+HCI6.4化学法的尺寸稳定处理2、乙酰化（3）处理方法①液相法用吡啶作催化剂将木材浸入醋酸酐和吡啶的混合液中→置于密闭的处理罐→加热（90—100℃），保持数小时→排出未反应的处理液→处理材干燥处理。6.4化学法的尺寸稳定处理2、乙酰化（3）处理方法①液相法不用催化剂用二甲苯或氯化烃等作稀释剂，将醋酸酐稀释成浓度为25％的处理液。在温度100—130℃时乙酰化木材。因芳香烃没有膨胀木材，木材吸收处理液量减少，而且回收二甲苯的过程比分离催化剂要简单。这种方法用于处理尺寸较大的木材。6.4化学法的尺寸稳定处理2、乙酰化（3）处理方法②气相法适于处理单板及厚度较小(小于3mm)的材料吡啶前处理单板放入80％醋酸酐和20％的吡啶混合蒸汽中，90℃下处理6h，PL可达20％，ASE可达70％。用尿素和硫酸铵的混合液前处理→干燥→醋酸酐蒸汽中气相处理。用醋酸钾溶液前处理→干燥→等量的二甲替甲酰胺(DMF)和醋酸酐混合蒸汽处理。6.4化学法的尺寸稳定处理2、乙酰化（3）处理方法③综合法乙酰化与热处理联合作用（乙酰化后热处理或热处理后乙酰化），处理材的耐水性和尺寸稳定性均有提高。乙酰化后再作交联处理。乙酰化处理材→真空中→用环氧乙烷处理2—4h，则处理材的尺寸稳定性进一步提高。6.4化学法的尺寸稳定处理2、乙酰化（4）乙酰化材的性质①物理性质在温度100—120℃,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，气体的渗透性降低，水分扩散速度减慢。②力学性质横纹抗压、硬度和韧性等稍有增加，抗剪强度降低。6.4化学法的尺寸稳定处理2、乙酰化（4）乙酰化材的性质③胶合性由于乙酰化材中游离羟基大大减少，胶合性能降低，胶层破坏增多。④耐腐性处理材耐腐朽，具有防蚁、防虫功能。6.4化学法的尺寸稳定处理3、甲醛处理采用强酸或无机盐催化，用甲醛处理纤维素材料，由于甲醛的交联反应，使纤维素链分子之间架桥，从而在低的增重率（PL=2%—4%）下，能使处理物料得到高的ASE（60%—70%）。6.4化学法的尺寸稳定处理3、甲醛处理（1）催化常用的催化剂有氯化氢(气相)和浓度为1％一2％的氯化锌，催化一般为前处理。当使用氯化铝和氯化铵催化并与甲醛作用时，处理材的抗胀(缩)率高，ASE约为40％时，木材稍有劣化。6.4化学法的尺寸稳定处理3、甲醛处理（2）反应温度和时间用氯化氢为催化剂时，反应温度为95℃，处理时间2h以上，处理材的抗胀(缩)率较高。用1％一2％氯化锌为催化剂时，则反应温度为120℃，反应时间亦要延长。6.4化学法的尺寸稳定处理3、甲醛处理（3）物理性质甲醛处理材的抗胀(缩)率和阻湿率，在相对湿度变化很大的范围内仍很稳定。相对湿度升高，其ASE和MEE的值有些提高。其原因是：①结晶区增加。②由于链状分子间的交联结合，使初期吸着点减少。③防止了二次吸着点的新生。6.4化学法的尺寸稳定处理3、甲醛处理（4）力学性质与未处理材相比，甲醛处理材的抗压和抗弯强度增加不大。在饱水状态下，处理材和未处理材相比，强度增加0．6倍，弹性模量增加0．3倍，硬度增大。甲醛处理材的韧性和耐磨性，随抗胀(缩)率的增加而急剧下降。6.4化学法的尺寸稳定处理3、甲醛处理甲醛处理的优点是：①能气相处理。②用少量药剂能获得很大的尺寸稳定性。③尺寸稳定性具有永久性。④质量增加少。⑤耐久性大。甲醛处理的缺点是：①未反应的甲醛除去困难。②酸性催化时处理材的韧性和耐磨性有较大的降低。6.4化学法的尺寸稳定处理木质人造板的尺寸稳定化胶合板、刨花板、