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分析木材浸注處理技術的進展

室外使用的木材,因受雨水、風沙、日光、土壤的浸染及溫度變化的影響,會發生腐朽、霉變、開裂、變形、火災危險性增大等問題。從人類開始使用木材的那一天,室外用材就面臨著進行防菌、防霉、防蟲、阻燃、尺寸穩定等處理。


     在人類使用防腐木的早期,發現將圓木將要埋入土壤中的部分進行表面灼燒,然后埋入土中,圓木的使用時間將明顯增加。防腐劑的早期使用,是通過涂刷方法涂抹于木質神像、墓碑、樂器上來延長使用壽命。在公元一世紀前,埃及人使用金屬鹽作防腐劑浸泡木材,中國人也知道把木材浸泡在海水或鹽湖后使用能防腐防蟲。


     公元500 年前,希臘人將建筑圓木柱鉆孔,傾油入孔使其滲透到圓柱木材細胞內,放在石板上干燥備用;羅馬人使用明礬處理木質金字塔,令其在一定范圍內不會燃燒。


     此后一段時間內,浸注處理方法沒有明顯的改進,直到加壓浸注方法出現。1831 年,法國人Jean Robert Breant 將防腐劑在壓力下注入木材,極大地提高了處理材的浸注效果,是木材浸注處理方法上的一個里程碑。10 年后,隨著工業化生產設備問題的逐步解決,加壓處理方法逐漸推廣開來。


     在加壓處理方法的基礎上,針對處理深度、均勻性、防腐劑使用的經濟性,人們又研制了多種方法,如李賓空細胞法、滿細胞法、Lowry 空細胞法等。木材浸注處理的工業化開始迅速發展。


     國內外對室外用木材的處理方法主要有兩種,常壓法和加壓法。前者有涂刷法、噴淋法、浸漬處理法、冷熱槽法、雙擴散法、立木處理法等,主要用于對處理材質量要求不高、處理量小、處理材的耐久時間短等場合;后者又稱真空——加壓法,多用于木材尺寸大、要求藥劑浸漬深、生產量大等場合。常用的加壓法有滿細胞法、半細胞法、頻壓法、循環法等,即使是加壓處理法,也存在著處理材藥劑浸注深度不夠、藥劑分布不均勻等問題,在工藝上雖存在后真空過程,留存于細胞腔中的藥劑被吸走,但對于存在于細胞壁空隙、細胞間隙中的藥劑(不能充分利用)不能吸出木材體外,造成藥劑的浪費,增加成本。為提高處理材的浸透性和浸透深度,針對加壓法處理木材存在的種種問題,近年來,國內外的研究人員不斷的進行探索,提出了很多方法。


     1.CO2超臨界流體處理木材技術:在1995 年的“木材防腐新工藝的開發”(匯編)中,MorrellJ J 等介紹了由Madison 撰寫的關于co2超臨界流體處理木材的文章,認為此法幾乎能用處理劑處理所有樹種木材而對處理材無明顯不良影響,此法與現行處理方法同樣有效而且拓寬了使用藥劑的范圍,雖然還需作進一步研究和實驗,可斷言,該方法將是本世紀最具革命性改進的木材防腐處理方法[1]。Demessie E S等使用二氧化碳或其與甲醛的混合體研究超臨界流體處理對花旗松心材氣體滲透性的影響,認為,三分之二的試樣的滲透性提高,這似乎與溫度、壓力的變化及助溶劑無關,表明狀態單一,對抽提物有增溶作用,部分試樣滲透性降低可能是因為溶解的抽提物重新析出[2]。


     2.木材激光刻痕法:激光刻痕法不破壞木材組織,且使藥劑容易注入[3]。安藤恵介對爪狀刀具刻痕法和激光刻痕法針對柳杉、日本扁柏、花旗松、美國鐵杉四個數種的柱材進行了對比研究,后者浸注到木材中的藥液比前者多50%以上,此法可調節藥液的注入量——與在木材上的刻痕位置有關。同時研究了刻痕深度和激光照射條件及激光刻痕對木材強度的影響[4]。中嶋恒研究了脈沖激光照射次數對孔形狀的影響,認為,輸出功率低,全照射時間長,照射次數對孔深沒有影響;但輸出功率高,全照射時間短,隨著照射次數的增加孔越深,此外照射1 次,輸出功率低全照射時間長的孔較深,但這個差別隨著照射次數的增加而變小,結果表明,全照射時間短的場合,與脈沖照射一次相比,還是照射多次可以穿更深的孔[5]。


     3.低壓水蒸氣爆破法:據日本1993 年的“提高木材注入性討論會”上提出的低壓水蒸汽爆破法,可破壞閉鎖的紋孔,改進胞間通導性而改良透過性,電子顯微照片表明爆碎處理后紋孔部分有選擇性的破壞[3]。


     4.對于使用酶、微生物、細菌來改善木材的滲透性,很多人進行了研究。1993 年Militz H 應用不同的酶,預處理云杉柱材和鋸材,隨后加壓浸注木材防腐劑,研究表明,酶預處理明顯改善了處理材吸收防腐劑的能力和防腐劑在處理材中的滲透性,采用不同的酶的混合物的加壓處理大多十分成功。同時探討了酶破壞細胞紋孔的機理[16]。同年,Militz H 又使用三種不同的處理劑對云杉(Picea abies L.Karst.)進行預處理,云杉木材①經酶制劑處理,具緣紋孔的紋孔塞部分破壞,紋孔塞緣微纖絲破壞,滲透性明顯改善;②經熱態草酸鹽處理,紋孔塞緣微纖絲降解,但不損及纖維素結構;③經冷態堿處理,具緣紋孔的紋孔塞破壞,但滲透性并無改善[17]。Despot R等用細菌作用改善冷杉木的滲透性,文中著重介紹了厭氧菌對增加杉木滲透性的作用。將長6m的試件分為三組,一組不浸泡,另兩組置于水溶液中浸泡一個月和兩個月,然后氣干,將試材鋸成小試樣,并用加壓滿細胞浸注法浸在無機鹽中。研究表明,浸泡處理只提高邊材的滲透性,對心材無影響。浸泡一個月和兩個月試材的邊材滲透性比未浸泡者分別提高了3.17 倍和3.9 倍。滲透性提高的木材使水溶性無機鹽駐留性和滲透性也同時提高,駐留性分別提高73%和75%,邊材橫向滲透性和縱向滲透性遠遠大于未處理的試材,處理試材邊材的抗壓強度(順紋方向)沒有明顯降低[18]。Dai S 等研究了柳杉原木中的微生物生態系統及下池后柳杉木材試樣的紋孔膜變化。入池9 個月后原木心材中的細菌數目沒有增加,但原木邊材、心邊材交界處細菌數目在入池之后立即增加[19]。


    5.壓縮前處理技術:木材防腐處理,對心材和難浸注材,藥液均勻地注入木材內部、到達一定深度較為困難,可在加壓前,先將木材進行橫向壓縮,應力集中于特異的紋孔部位,紋孔周邊和紋孔膜有選擇性的破壞,除氣干材切向強度外,不致使強度下降,改善了滲透性[3]。酒井溫子用含水率12~18.5%的花旗松、柳杉和美洲花柏心材,在高壓壓機中對氣干試件作橫向壓縮實驗,對殘留變形狀態的試件注入染色液,測定注入量,實驗表明,壓縮處理后注入量有顯著的增加;為了獲得高注入量,試件在液體中的尺寸回復量必需大,多數情況下,回復可達壓縮前的90%;大型氣干材壓縮率宜在含水率30~40%以下,處理后靜曲彈性模量的降低不到10%,壓縮和開溝加工組合起來作表面滲透,開溝的表面滲透良好,根據目的并用開溝方式是用效的[6]。飯田生穗用七種針闊葉材研究壓縮法對木材滲透性的改善效果,其結果是壓縮材的滲透量和未壓縮材相比,任何樹種都而異。同一壓縮率下增加的程度隨樹種差別很大,改變溫度和含水率后壓縮材的最大吸液量,對于杉木飽水溫度80℃時達到最大值,對于鐵杉在飽水溫度80℃下壓縮的吸濕量小于30℃時的吸濕量。最佳處理條件隨樹種而異,最大吸液量有差別的原因可用壓縮時試件含水率、溫度不同時的尺寸復原能力不同來解釋,最大吸液量和尺寸復原率之間呈線性關系。從SEM 觀察到閉塞紋孔被破壞,孔圈導管內的侵填體也被破壞,這些破壞對加速液體滲透有促進作用[7]。安武溫子在進行藥劑的滲透性研究時,選擇浸透性較差的的美國松心材,其端面100×100mm、長度為1000mm,分別鋸切700mm 及300mm 長度的材段。長段材壓縮為40%,兩塊試材進行加壓注入藥劑。藥劑選用環烷酸酮、CFK 劑、ベヘサチック酸亞鉛乳劑,注入后進行干燥。將干燥材橫向從中間鋸開,觀察藥劑浸透狀況。實驗結果表明,長段材內藥劑充分浸透到中心部位,保持較高的藥效。因而,壓縮法可提高防腐處理性能[8]。Les Bois 簡單介紹了“壓縮木”專利的制造方法,將木材(特別是軟木)浸以三聚氰胺-甲醛樹脂液后,放入爐內進行預干燥,減少木材中的水分,以免影響樹脂的聚合,然后進行壓縮,減小木材的體積,同時使樹脂聚合,再次干燥木材。木材的容重增加,木材的硬度和耐磨性及尺寸穩定性得到提高[9]。日本京都大學木質科學研究所的井上雅文認為“壓縮材”是垂直于木材纖維方向壓縮形成的高密度化材料,按其材質均勻化的程度,可獲得要求的強度性能。制作壓縮材的難題是木材變形的固定。提出了實用的加工技術,與壓縮材相比,中密度纖維板難以制成薄而均質的材料,而壓縮材可制成1mm 厚,同時水蒸氣預處理可有效的定形,利于生產連續化[10]。Шамаев B A 使用含量為木材重量10~15%尿素的濕木材進行干燥,并同時壓實到密度ρ=1000~1200kg/m3。研究了木材橫紋壓縮時,用尿素增塑的木材的干燥過程;提出了干燥過程的加荷規律,目的是使橫向變形值與受壓縮的橫向方向收縮值之間的差異盡量減到最低程度。提出了木材在溫度-濕度作用和機械壓力下木材變形的數學模型。實驗表明,該數學模型完全適用于較大變形時的實際應用[11]。


     6.熱水(汽)處理法:對于針葉樹材,熱水(汽) 處理可除去覆被于紋孔的阿拉伯半乳糖膠等物質,開放閉塞的紋孔對,從而改善了滲透性;蒸煮處理的處理強度越大,改善滲透性的效果越大,電子顯微照片表明蒸煮處理后有開裂的紋孔塞[3]。采用微波加熱對木材進行預處理,不但能提高加熱速度,且能改進藥劑的滲透性[12][13]。


     7.震蕩加壓處理法:Flynn K A 在1994 年研究了在對木材進行加壓處理的同時,施以震蕩的方法。用5 種不同的震蕩時間表進行研究,云杉氣干材和生材(約纖維飽和點)用最高壓力為976 與1465kg/m3處理,處理效果是根據藥劑的吸收量、徑向與弦向的透入度來評價,發現防腐劑的透入度與吸著量有明顯的增加[14]。1996 年,使用5 種不同的防腐劑對云杉材進行震蕩處理,觀察藥劑在具緣紋孔內的分布情況。顯微鏡觀察證實,具緣紋孔內部的防腐劑分布很好,同時彈性模量無明顯降低,此種處理方法可促進藥劑在閉塞部位中的分布[15]。     8.聲波和超聲波處理法:在對木材進行加壓處理的同時,施以聲波或超聲波的作用,也是改善木材滲透性的一個研究方向。Nair H U 等使用花旗松與美國西部黃松試材在加壓處理的同時附加聲波的作用,實驗結果與常規加壓處理作比較。當連續加壓處理1.5~2h,花旗松聲波處理的藥劑吸收量優于常規處理。這種連續處理對花旗松試材能達到飽和,表明聲波處理,溶液一直能進入到木結構內部,而常規處理條件下,則是無效的。而這種處理方法對美國西部黃松試材不太理想。研究結果表明,聲波處理,對加壓處理方法的改善,以及對難處理樹種木材的處理,提供了很大的可能性[20]。Wheat P E 等采用超聲波技術,用防腐劑浸漬處理木材。所用白云杉以氟化鈉飽和溶液浸漬后,木材內液體的流動性增強,在47kHz 超聲波時,氟化鈉離子的吸收量也增加[21]。


     8.伊藤貴文采用連續熱壓輥進行加壓,通過提高木材表面的硬度來改善木材表面的性質,試材為扁柏、紅松、橡膠木、山毛櫸和輻射松,處理藥劑為乙二醛樹脂,加壓或浸漬注入,壓輥溫度210℃,線速2.7m/min,每一次壓縮量0.6mm,最大壓縮量可達2.0mm,全部樹種經過壓縮處理后表面硬度提高 2 倍,并明顯地提高表面光澤及光潔度。用乙二醛樹脂處理,可穩定壓縮材的尺寸,含漬量達到13.5%時可完全壓縮固化, 含漬量達到9%以上時可有效的控制吸濕時的反彈[24]。同時伊藤貴文用熱壓輥處理杉木,處理藥劑使用乙二醛和二丙烯乙二醇的混合液(混合比1:1),把 13.5%以上的溶液預先加壓注入試件,壓縮后在150℃的干燥器中加熱2h,由此可永久固定壓縮變形。這是由于樹脂和木材成分縮合產生憎水作用,因交聯和膨脹而產生較高的體積穩定性。用18%以上溶液浸漬處理可以顯著地抑制表面部分的變形回復。認為這是由于木材表層滲透了樹脂,使水以蒸汽形式向試件內部浸入推遲的結果;為增加樹脂液的吸入量,在浸漬處理時預先進行壓縮預處理是很有效的[25]。


     9.離心轉動處理技術:一種最新的木材處理技術——在離心分離機中浸漬木材,Аринкин СМ 等介紹了離心傳動機的組成機構:圓筒杯狀殼體(內設帶底板的支撐浮子)、與圓筒杯同軸固定并通過彈性件與殼體的側壁和底板相連的可轉動撓性連接、對稱于轉動軸安裝的圓筒式浸漬室及其傳動機構,研究認為,在常壓下的離心浸漬使木材對藥劑的吸收量增加[22] [23]。


    10.Kumar S 研究了在不同含水率條件下的濕木材,采用突然升高和釋放壓力的不同壓力處理方法。研究結果與采用同樣壓力和時間周期的傳統的滿細胞壓力處理法相比較。認為快速變動壓力法是處理具有高處理性能濕木材的簡便和快速的方法,不僅防腐劑在木材中的留著量較高,而且在木材中的分布更為均勻[26]。


     木材經過防腐、阻燃、尺寸穩定化等處理,明顯地延長了使用年限、提高了使用性能,對結構材、室外用材是不可或缺的方法。當代人們比以往任何時期都更向往自然,在日本有60%的人們對回歸自然有強烈愿望,希望住宅木質化的人超過了70%[27]。近幾年來,木結構房屋已進入中國,建造森林別墅漸成時尚,公共場所的木結構設施逐漸增多,結構材、室外用材的用量在急劇增加。傳統的木材處理方法,耗時長、設備結構復雜、精度要求高、處理效果一般,為了提高藥劑的浸注效果,多是在進行加壓處理的同時,輔以上面提到的種種辦法,反而使現有的處理工藝變的更加復雜。研制新的木材處理方法,已成必然。


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