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【科技进展】木材渗透性及其物理改善方法研究进展

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2025-05-15 22:18

【科技进展】木材渗透性及其物理改善方法研究进展

原创王箫笛林业知识服务 2023-12-01 16:08 发表于北京

摘要：木材是绿色环保可再生材料，其固碳、降碳优势明显，但部分木材渗透性差，这极大制约了木材的干燥、改性、浸渍处理等后续加工。改善木材渗透性可以节省加工成本、降低加工难度、有效提高木材的性能和功能。木材渗透性的物理改性方法是指通过外力破坏木材的薄弱结构，因其属于环境友好型，效率较高，近些年的研究也相对较多。文中总结了木材渗透性的影响因素（木材结构、加工工艺、流体性质）及改性方法，重点阐述了近几年研究较多的微波处理、超临界CO2处理、超声波处理等物理改性方法的机理及研究进展，分析比较了不同物理改性方法之间的差异和研究中存在的问题，最后指出未来关于木材渗透性物理改性方法研究的潜在的领域及发展方向，以期为木材渗透性改善技术的后续研究和应用提供参考。关键词：木材性质，渗透性，木材改性，物理处理作者：王箫笛杨琳

引文格式：王箫笛,杨琳.木材渗透性及其物理改善方法研究进展[J].世界林业研究,2023,36(04):59-63.

随着世界各国对碳排放问题的日益关注，木材工业的发展迎来新的机遇和挑战。木材作为一种绿色低碳材料与钢材、水泥等传统建材相比，具有能源消耗量小、碳排放水平低的优势。但在加工利用过程中发现部分木材存在着渗透性低的缺陷，这会导致木材制造过程中出现干燥时间长、材料损失大、过程花费高等问题，并且低渗透率还会导致木材浸渍防腐剂和树脂极其困难。木材渗透性是影响木材加工利用的关键参数。深入研究木材流体渗透性、了解木材渗透性的机制和改善方法有利于更好地加工利用木材，使木材加工行业朝着更加节能、绿色的方向发展，为我国实现“双碳”目标助力。木材渗透性的改善方式大致可分为物理、化学、生物3大类，物理处理是指通过外力破坏木材的薄弱结构，化学处理是利用化学药剂提取物质或降解纹孔膜等，生物处理是利用微生物对木材的特定物质进行识别及降解。近些年关于化学和生物处理方面的研究较少。而物理处理方法因其不产生化学残留，效率较高，属于环境友好型方法，所以研究的相对较多。本文将在木材渗透性研究理论基础上，从木材结构的角度分析和讨论木材渗透性的影响因素和改善方法，重点阐述近10年来木材渗透性物理改善方法取得的新成果。

1 木材渗透性的影响因素 木材渗透性是评价流体在压力差作用下进出木材难易程度的物理量。流体在木材内的渗透要满足通道和动力2个基本条件。木材作为一种具有多孔结构的天然高分子复合材料，流体可以通过纹孔、细胞腔和细胞间隙在木材内流动。由于木材具有显著的各向异性，流体在其中横向和纵向流通的通道不同，渗透性差异很大。在纵向上，针叶材的主要流通通道为彼此间通过纹孔对相互连通的管胞，阔叶材为彼此间通过穿孔板相互连通的导管。在横向上，阔叶材纤维细胞和针叶材轴向管胞上具缘纹孔是液体弦向渗透的主要路径，射线薄壁细胞是径向流通的主要通道。木材结构、流体性质、加工工艺等都会对木材渗透性产生影响，其中木材结构是影响木材渗透性的最主要因素。 1.1 木材结构 木材可以分为针叶材和阔叶材2种。在阔叶材中，流体可以通过导管和木纤维进行纵向移动。如果没有过多的侵填体，流体在阔叶材中的纵向移动则不会受阻，且流动速度很快。在针叶材中，流体主要通过彼此连通的管胞上的纹孔进行流动，木材中有效纹孔膜微孔的大小和数量是影响其渗透性的最主要结构因子。 1.1.1 侵填体在阔叶材中，导管是木材中负责水分运输的通道，而侵填体是其中常见的内含物。侵填体是薄壁组织或射线组织的原生质侵入导管形成的细胞群。侵填体会堵塞导管，影响木材的渗透性，使木材失去传输能力。在针叶材的树脂道中也可以见到类似的结构——拟侵填体，当割脂和松脂外流时，孔道内压力下降，泌脂细胞就会向树脂道内伸展，可能堵塞整个或局部树脂道。侵填体的存在会造成木材浸渍、干燥等加工处理困难。 1.1.2 纹孔具缘纹孔是针叶材轴向管胞间液体传输的主要通道。在正常状态下，纹孔膜位于正中间位置，垂直于水流传导方向。在纹孔膜中间形成的初生加厚部分称为纹孔塞，其通常被认为是不导水的。管胞具缘纹孔纹孔塞的位置对针叶材输导流体起着非常重要的作用。在纤维饱和点（FSP）以下，随着含水率的增加针叶材的渗透性减小，因为在含水率增加的过程中纹孔塞位置发生了偏移，堵塞了纹孔口。相邻细胞压力不均衡也会使纹孔塞偏于一侧，将纹孔口堵住，呈现闭塞状态。纹孔闭塞会降低木材的渗透性，增加流体在木材内的浸注难度。 1.1.3 抽提物抽提物沉积和结壳物质镶嵌都会堵塞纹孔膜微孔，使得有效纹孔膜微孔半径减小和数量减少。在边材向心材的转化过程中会形成抽提物堵塞纹孔，这是导致心材渗透性小于边材的一大原因。木材抽提物主要为可溶于有机试剂的低分子化合物，主要包括树脂、单宁和色素等，其含量与分布影响着木材浸注性能。木材在经过溶剂抽提后，渗透性可增加3～13倍，可见抽提物对木材渗透性的影响之大。 1.2 流体性质 流体包括液体和气体。在木材中，气体的渗透性差异不大，而液体的渗透性差异较大。通常，流体的浓度越低、黏度越低、分子质量越小、极性参数与木材越相近，其在木材中的渗透性越好。 1.2.1 流体黏度流体黏度反映了流体抵抗变形的能力。流体黏度越低，流动阻力越小，渗透性越好。液体的黏度主要是由分子间的相互吸引力造成的，温度升高会导致分子间的距离增大，相互作用力减弱，分子间的摩擦力减少，黏度降低；气体的黏度主要是由分子间的碰撞造成的，温度升高会导致分子运动加快，碰撞次数和强度增加，流体分子间的摩擦力增加，黏度增大。有学者提出水与有机溶剂在木材中的渗透通道存在差异。有机溶剂一般黏度高、极性低，其液体渗透性在很大程度上取决于溶剂和有效成分的性质。水在木材中主要流体通道发生堵塞时可以通过细胞壁等其他通道渗透，而有机溶剂只能通过木材中原有的细胞腔和纹孔等通道。 1.2.2 流体的极性参数流体的极性参数是指流体分子之间的极性相互作用的强度，与分子的极性、分子量和分子形状有关。极性参数与木材越相近的液体与木材的接触角越小，渗透性就越好。介电常数可以评判材料的极性大小，木材的相对介电常数范围受到木材密度、含水率、温度、频率和纹理方向等因素的影响，一般来说，绝干木材的相对介电常数约为2，湿木材的相对介电常数大于干木材。极性与木材相近的流体如乙醚、丙酮、乙酸乙酯等，在木材中的渗透性相对较好。 1.3 加工工艺 加工过程中的压力、处理时间、温度等处理条件不同也会影响流体在木材中的渗透。增加压力、延长加压时间、提高温度等都可以在不同程度上提高木材渗透性。温度升高，木材中水蒸气压力升高，渗透液体的表面张力和黏度降低，木材中的抽提物更容易挥发；压力增大，木材的纹孔膜和射线细胞等薄弱结构更容易被破坏，流体在压力差的作用下，更容易进入和流出木材的毛细管系统；处理时间增长，流体在木材中的扩散距离增加，使得木材内更多孔隙被浸润和填充。但是，过高的温度会使木材内部生物结构和化学组分发生变化；过大的压力会破坏木材内部结构，降低木材力学性能。在针对不同木材时要注意处理条件的选择，不同方式的预处理作用的结构部位不同，对木材渗透的改善效果也有所不同。 2 木材渗透性的物理改善方法 从前人研究可以看出，改善木材渗透性最主要的是改善木材内部结构，可以从减少纹孔闭塞、抽提物及侵填体堵塞等方面增加流通通道。开启木材细胞通道常用的物理处理方法有微波处理、超声波处理、蒸汽爆破、超临界CO2、刻痕处理等。 2.1 微波处理 微波处理是使木材内部的水分在短时间内吸收大量能量升温汽化，增加木材内的蒸汽压力，在高蒸汽压作用下将木材细胞壁的纹孔膜、导管中的侵填体等薄弱部位破坏，从而形成水分容易移动的通道。微波处理效果取决于木材的初始含水率、微波时间以及微波强度。微波强度和时间的增加都会显著提高木材对空气的渗透性和防腐剂的吸收，但是木材初始含水率的增加会使木材渗透性呈现先增加后减小的趋势，并且徐康等指出微波强度对杨木横向渗透性的影响远高于初始含水率和微波时间。另外，微波场方向与木材纹理方向间相对关系也会使木材处理效果产生差异，顺纹方向可以提高木材对微波的吸收率，使受热更加均匀；横纹方向有利于迅速打通木材内部水分通道，提高木材的渗透性。近年来，越来越多的学者开始着手高强度微波预处理（通常能量密度大于50 kW·h/m3)研究，与传统微波处理相比，高强度微波处理后会产生大量微观或宏观裂隙，显著改善木材的渗透性能。Liu等用高强度微波辐射处理落叶松木材发现，处理后的落叶松木材在微观结构薄弱的地方发生了变化，特别是早材管胞壁及表面、管胞之间的纹孔膜以及木射线，结果表明，高强度微波处理能有效穿透落叶松木材的狭窄通道。 2.2 超临界CO2处理 超临界CO2流体具有低黏度、高扩散系数和良好的溶解性，超临界CO2流体处理能有效地从木材中去除抽提物和保存细胞壁的孔隙结构，从而改善木材的渗透性。超临界CO2处理过程可以通过改变压力和温度来进行控制，操作简单，易于优化处理工艺。在释放压力时，CO2很容易与材料分离，处理后超临界CO2在木材内没有残留。Yang等利用超临界CO2流体处理桉木时发现，超临界CO2处理有更多的纹孔被打开，并且提高压力可以使溶剂从木材中抽提出取更多的物质。虽然超临界CO2流体处理理论上很简单，但由于涉及相对较高的压力，可能形成并导致木材结构倒塌或分裂，所以超临界处理在使用过程存在一些困难。并且不同树种的渗透性改善最佳效果对应的压力不同。为了工艺的经济性，Fernandes等建立了超临界CO2处理程序模型，只需将易于测量的数据输入到该模型即可，无需在超临界处理厂进行昂贵的测试，可以更快、更轻松地完成处理程序的优化，进一步推广超临界CO2处理技术。 2.3 超声波处理 当超声波施加到固体表面时，会立即在表面上产生高压以去除异物和沉积物，并可能对固体表面造成物理损坏。超声波处理会导致木材细胞腔中的水分急剧蒸发，蒸汽压力向外扩散，这会导致薄弱组织（纹孔膜、薄壁组织等）破裂，从而形成新的流体通道，增加木材的渗透性。超声波处理主要改变了木材表面的孔隙结构，对孔结构造成的轻微破坏不会显著影响其孔径，会轻微降低木材的机械强度。Kang等研究发现，超声波处理后的马拉斯木吸声系数增加，在高频范围内最有效。超声波扩大了通孔直径，并消除了木材横截面表面上的障碍物。尽管超声处理的试样显示透气性提高了2.87倍，但在横截面扫描电镜（SEM）图像中几乎没有处理相关的内部通路变化。并且，木材渗透性和吸音性的改善效果在达到某一时间节点后，不再随着时间的增加而增加。Jang等研究发现，超声波处理后的泡桐开孔孔隙率显著增加，然而气体渗透性仅在超声处理的前30 min内增加，之后不再随着处理时间的增加而成比例地增加。超声处理后整体吸声系数增加，但与处理时间不成比例增加。 2.4 蒸汽爆破处理 蒸汽处理会使木材中部分纹孔膜和纹孔塞发生破裂，从而增大有效孔膜微孔半径。温度、时间、树种都会影响蒸汽处理改善渗透性提高的程度。在爆破处理过程中，加压罐内高温使木材内含物溶解重新分布，经过加压后迅速降压，木材内部瞬间产生冲击，破坏纹孔膜及薄壁组织，使得渗透性大大提高。许多研究人员发现，运用蒸汽爆破处理提高木材渗透性，可以使其更好地作为吸音材料为人类服务。Kolya等研究发现，蒸汽爆破法在6 bar低压下对落叶松木材样品的横截面进行改性时，其横截表面的透气性较高。在250～6 400 Hz时，蒸汽爆破样品的吸声系数高于对照样品。 2.5 刻痕处理 由于木材的各向异性成分，流体进入木材和木材内部的路径是曲折的。在一些木材中，防腐剂渗透困难，需要使用切割技术来产生人工流动路径，以提高渗透性。利用激光或刀具在木材表面刻出裂缝切断木材表面纤维的处理方式叫做激光或机械刻痕，处理后的木材细胞间隔破裂，木材渗透性会得到提高。

但是，激光切口会导致木材在激光下碳化，这会阻止流体流动。特别是在晚材中，大量热解残留物（木质素和纤维素）沉积在管胞腔上，会阻碍流体的传输。Wang等研究发现，150 ms和300 ms切口样品的液体摄取差异不显著。这种现象可能是由于通过高功率切口产生的过量热解残留物引起的。所以，并不是脉宽越长效果越好，在实际操作中需要选择合适的脉宽。

3 结语及研究展望 木材渗透性的改善将有效促进其后续加工和功能性提高。由于化学方法改善渗透性存在潜在的环境和健康风险，利用微波、超临界CO2、超声波及刻痕处理等物理改性方式将获得更多关注。尽管物理处理方法可以有效改善木材渗透性，但是渗透性改善效果和处理条件受树种和工艺影响差异较大，对设备要求较高，工艺相对复杂。木材渗透性的改善离不开流通通道的增加和改善。综合比较这5种物理改善方法可以得出：1）改善木材渗透性的作用机理略有差异。其中，微波处理、超声波处理、蒸汽爆破处理的机理主要是针对木材薄弱部位（纹孔、薄壁组织等）的破坏；超临界CO2流体因其具有低黏度、高扩散系数和良好的溶解性，能有效地从木材中去除抽提物从而增加流体通道，提高木材渗透性；而刻痕处理是通过机械切割制造裂痕，增加浅层木材内部流通的通道来改善木材渗透性。2）对于木材力学性能、尺寸稳定性的影响也略有不同。与微波、超临界CO2、蒸汽爆破及刻痕处理相比，超声波处理主要改变了木材表面的孔隙结构，对木材的力学性能影响较小；微波、超临界CO2、蒸汽爆破、超声波等处理对木材的尺寸稳定性影响较小，但超临界CO2处理能有效减少木材的开裂和皱缩。

鉴此，未来对木材渗透性的改善将从以下几个方面展开相关研究。1）深入对比研究各种物理改性处理对木材微观构造，尤其是对木材细胞壁形态和结构的破坏程度，对侵填体、抽提物等的降低程度，探究各处理方法的关键作用机理。2）探讨微波、超临界CO2、超声波等更优化的处理工艺，选择更加合适的参数，尤其要重点研究木材含水率状态对渗透性改善的影响。3）构建基于木材微观构造、物理力学性质等参数的物理改性数学模型，对改性过程进行模型研究和数值模拟，以提高改性研究效果，降低实验成本。4）综合利用多种处理法对木材进行处理，以提高渗透性，降低渗透性改善带来的尺寸稳定性和强度等方面的负面影响。

第一作者：王箫笛，女，硕士研究生，主要研究方向为木材干燥与木材改性，E-mail：wangxiaodi@njfu.edu.cn。

通信作者：杨琳，女，教授，博士，研究方向为木材干燥与木材改性，E-mail：yanglin@njfu.edu.cn。

来源：中国林业科学研究院林业科技信息研究所《世界林业研究》2023年第4期