聚乙二醇和高温热处理复合改性对杨木吸水性的影响

聚乙二醇和高温热处理复合改性对杨木吸水性的影响
徐炜玥,朱
愿,
欧阳靓,曹金珍*
(北京林业大学材料科学与技术学院,北京100083)
摘
要:木材易吸水、尺寸稳定性差等缺陷严重限制了其应用,通过聚乙二醇浸渍、热处理改性可以改善这些
不足。

通过采用3种不同分子量的聚乙二醇(PEG1000、PEG2000、PEG4000)对杨木进行预处理,然后在不同温度条件下(120℃、140℃、160℃、180℃、200℃)进行热处理,研究不同条件复合处理对杨木试材吸水性的影响。

试验表明,热处理可以改善试件初期的吸水性能,PEG 浸渍处理则能抑制试件长期吸水,通过复合改性处理可以达到同时控制试件短期和长期水分吸收的目的。

关键词:热处理;聚乙二醇;吸水性能中图分类号:S 781.43
文献标识码:Ａ
文章编号:2095-2953(2012)02-0023-04
The Effect of Polyethylene Glycol (PEG )and Compound Modification through
High Temperature Treatment on Water Absorption of Poplar
XU Wei-yue,ZHU Yuan,OUYANG Liang,CAO Jin-zhen*
(College of Material Science and Technology,Beijing Forestry University,Beijing 100083,China )
Abstract :The hig h w a te r a bs o rptio n a nd poo r dim e ns ion s ta bility o f wo o d lim it its a pplica tio n s tro ngly.Im pre g na te d with po lye thyle ne glyco l a nd m o difie d by he a t trea tm e nt,s uch ins ufficie ncie s ca n be im pro ve d.P o pla r is pre trea te d with po lye thyle ne g lyco l with three diffe re nt m o le cula r w e ig hts (P EG1000,P EG 2000,P EG 4000),follow e d by the he a t tre a tm e nt a t
five temperatures (120℃,140℃,160℃,180℃,200℃),to study the effect of the treatment under different compound co nditions o n the w a ter a bs o rptio n o f po pla r te s t pie ce s .The experim e nt s ho ws tha t hea t tre atm ent ca n im pro ve the w a te r
a bs o rptio n ability o f po pla r tes t pie ce s a t the initial s ta ge ,a nd tha t P EG im pre g na tio n ca n inhibit the lo ng -te rm w a te r a bs o rptio n o f popla r tes t pie ce s .Thro ug h the com po und m odifica tio n tre atm ent,the purpos e o f co ntro lling s ho rt-te rm a nd lo ng -termwa te r a bs o rptio n a t thes a m etim eca n beachieve d.
Key words :he a t tre atm ent;po lyethyle neglyco l (P EG );wa te r a bs orptio n
木材是一种天然高分子材料,具有强重比高、色泽天然和易加工等特性,因此被广泛应用。

但木材也存在易吸水吸湿、尺寸稳定性差及易被菌类和虫蚁等侵害的缺陷。

尤其是对户外用材,提高其尺寸稳定性可以延长使用寿命、拓宽应用范围,所以需要对木材进行改性处理。

传统的改性处理方法有两种,一是浸渍防腐剂、树脂等物质,这种方法虽然能有效提高木材耐久性及尺
寸稳定性,但会对环境产生不利影响;二是高温热处理,这种方法能有效降低木材吸湿性[1-3],提高其尺寸稳
定性[4-6]和耐久性[7],不污染环境,废弃后处理也方便,是一项很有发展潜力的木材保护技术。

吸水性和吸湿性
是两个不同的概念,虽然高温热处理对木材吸湿性的影响已有定论,但对木材吸水性的影响至今仍有争议。

有研究认为高温热处理可以有效降低木材吸水率[8-10],但Kortelainen 等人[11]对欧洲赤松心边材进行170~230℃热处理后进行的吸水性试验表明,热处理后欧洲赤松心边材吸水性增加,而挪威云杉吸水性则随热处理温度的增加而减少。

总体来说,国内外对热处理木材吸水收稿日期:2011-10-17
基金项目:国家林业局“948”项目(2011-4-05)
*通讯作者:曹金珍,北京林业大学材料科学与技术学院
教授,博士生导师
第40卷第2期
林业机械与木工设备
Vo140No.22012年2月
FORESTRY MACHINERY &WOODWORKING EQUIPMENT
Feb.2012
试验与研究
. All Rights Reserved.
热处理温度/℃
性能的研究较少,尤其是针对长时间吸水性的研究尚属空白。

对户外用材来说,由于水分含量将直接影响到木材的腐朽过程,因此长时间的吸水性对户外用材的使用效果影响很大。

聚乙二醇(Polyethylene Glycol 或PEG)使用安全,是一种常用的木材尺寸稳定剂,作用相当于润胀剂,其渗入到木材细胞壁后置换出水分使木材细胞壁永久处于膨胀状态而不再收缩,从而有效地改善了木材的尺寸稳定性[12-14]。

本研究旨在通过PEG 浸渍和热处理相结合的方式,考察两种方法复合处理对木材吸水性的
影响。

测试在不同条件下进行复合处理的杨木试材在不同时间的吸水率,探讨经过不同温度热处理试材的长时间吸水性,并考察聚乙二醇和高温热处理复合改性对试材长时间吸水性的影响。

研究结果对提高高温热处理木材的户外使用性能具有重要意义。

1试验材料与方法
1.1试验材料
试材采用大兴安岭的青杨(Populus cathayana Rehd.)
边材,平均年轮宽度2.35mm,尺寸为20mm×20mm×
20mm。

试材表面无开裂、腐朽、节疤等可视缺陷。

浸渍用聚乙二醇1000(PEG1000)、聚乙二醇2000(PEG2000)和聚乙二醇4000(PEG4000),其均由西陇化工股份有限公司生产。

1.2试验方法1.2.1
PEG 预处理
先分别用不同分子量PEG 浸渍试材,采用先真空后加压的方法浸渍。

分别配制20%(m/m )的PEG 水溶液。

将试材60℃恒重后放入处理罐中,抽真空使气压达到-0.1MPa,保持真空30min 后恢复常压。

利用液压将PEG 水溶液引入处理罐,并使压力达到2MPa,在这种条件下保持2h。

浸渍完成后取出试件,气干后再在干燥箱中60℃恒重;另有一组不进行浸渍处理,只进行60℃
恒重作为对照组。

增重率的计算公式为:
W =(m 1-m 0)/m 0×100%
(1)
式中:W 为增重率(%);m 1为浸渍后60℃恒重质量(g );
m 0为未浸渍时60℃恒重质量(g)。

1.2.2
热处理
将经PEG 预处理及对照组的试件用锡箔纸包好,放入干燥箱中分别进行120℃、140℃、160℃、180℃和
200℃热处理,处理时间均为4h。

热处理后再次放入
60℃干燥箱中干燥至质量恒定后称重。

对照组热处理质量损失率的计算公式为:
H 0=
(m 2-m 0)/m 0×100%(2)浸渍组热处理质量损失率的计算公式为:
H p =
(m 2-m 1)/m 1×100%(3)
式中:H 0、H p 分别为对照组和浸渍组热处理质量损失
率(%);m 2为热处理后60℃恒重质量(g )。

1.2.3吸水性试验
吸水性试验根据GB/T 1934.1-2009《木材吸水性测定方法》进行,每个条件重复做5次(5个试件)。

2试验结果与讨论
2.1
热处理木材的吸水性
2.1.1热处理木材的质量损失率变化
热处理后木材质量损失率见表1。

由表1可知,随着处理温度的增加,木材质量损失率也增加。

在160℃以下时损失率增加不明显,均低于1%;当温度达到180℃以上时,质量损失率明显增加。

浸渍PEG 的试件,在高温条件下,随着浸渍的PEG 分子量增加,质量损失率减少。

2.1.2热处理木材的吸水率变化
不同热处理温度下,试材的吸水率随时间变化如图1所示。

由图1可知,初期热处理温度高的试件吸水率明显偏低。

在前8天的试验中,热处理温度为180℃和200℃的试件,吸水率远远低于其他几个热处理温度及未经过热处理的试件。

但随时间推移,从第8天开
表1
不同热处理温度下试材的质量损失率
120
140160180200
质量变化率/%
对照组0.140.440.621.603.53
P EG10000.090.230.371.293.68
P EG20000.000.180.281.133.16
P EG40000.090.240.391.09
2.94
co ntrol
120℃140℃160℃180℃200℃
0.25
1
2
4
8
16
24
32
40
48
56
吸水实验天数/d
图1
不同热处理温度下试材吸水率随时间的变化
林业机械与木工设备
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第40卷
. All Rights Reserved.
始,热处理温度高的试件吸水率增加迅速,最后达到与未处理材的吸水率一致,即经过长时间浸泡在水中后,热处理木材和未处理木材的吸水率没有明显区别。

Temiz 等人[8]
曾对木材进行240℃热处理后又进行
了长达14天的吸水性实验,并在第1~4天以及第7、8、10、11、14天分别测量其吸水率,结果也表明在最初吸
水试验时热处理材吸水率低,远远小于未处理材。

第1天,对照组和试验组分别为62.2%及24.7%;而随着时间推移两者差距逐渐减小,到第14天,对照组为90.6%而试验组为79.4%,与本试验结果基本一致。

2.2PEG 处理木材的吸水性2.2.1
PEG 处理木材的增重率变化
各分子量PEG 浸渍木材的增重率见表2,三种分子量的PEG 浸渍木材后,PEG1000略高于其他两种。

2.2.2PEG 处理木材的吸水率变化
不同分子量PEG 处理材的吸水率随时间的变化如
图2所示。

在实验初期(0~1天),PEG 处理材吸水率增加速度明显高于对照组。

但随着试验继续进行,对照组的吸水率明显高于PEG 处理材。

从第2天开始,PEG 处理材吸水率增加缓慢,而对照组则是直至第32天还一直保持较高的增长速度。

说明PEG 预处理对试件的长期吸水性能有很好的改善作用。

同时,比较不同分子量PEG 处理材也不难发现,虽然吸水率略有不同,但总体都远小于对照组,且各自差别不明显。

2.3PEG 处理与热处理复合改性材的吸水性2.
3.1
PEG 处理与热处理复合改性材的质量变化率
不同条件下复合改性材的质量变化率见表3。

2.3.2PEG 处理与热处理复合改性材的吸水率变化
图3所示为三种PEG 浸渍处理与热处理复合改性材的吸水率随时间的变化。

在三种不同PEG 分子量条件下,吸水试验进行的初期,经过较高温度热处理(180℃、200℃)的试件吸水率明显低于其他几组,因此可以推断出热处理在吸水初期对PEG 预处理材的吸水率有明显的抑制作用,且温度越高吸水率越低。

但随着吸水时间的延长,热处理的效果越来越不明显,不同处理温度的PEG 预处理试材与未经热处理的PEG 预处理材的吸水率逐渐接近,甚至有个别的温度条件下热处理材的吸水率反而略高于未经过热处理的PEG 预处
表2
不同分子量PEG 处理后木材的增重率
分子量PEG1000PEG2000
PEG4000增重率/%38.3635.77
36.64
contro l
PEG1000PEG2000PEG4000
吸水实验天数/d
图2不同分子量PEG 处理试材吸水率随时间的变化
表3不同条件下复合改性材的质量变化率
热处理温度/℃
对照组120140160180200
质量变化率/%
对照组0.000.140.440.621.603.53
P EG100038.2534.3535.7341.3937.5334.30
P EG200030.6036.6936.6335.6035.9331.81
P EG400034.7037.1335.5531.5637.9835.66
160140120100吸水实验天数/d
(a)PEG1000
contro l 120℃140℃160℃180℃200℃
160140120100806040200
0.25
1
2
4
8
16
24
32
4048
56
吸水实验天数/d
co ntrol 120℃140℃160℃180℃200℃
(b)PEG2000
160140120100806040200
0.25
1
2
4
8
1624
3240
4856
吸水实验天数/d
contro l 120℃140℃160℃180℃200℃
(c )PEG4000
图3不同条件下复合改性材吸水率随时间的变化
徐炜玥,等:聚乙二醇和高温热处理复合改性对杨木吸水性的影响
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第2期
. All Rights Reserved.
理材。

通过比较可以看出:①虽然PEG 浸渍预处理与热
处理复合改性材在经过长时间吸水后,热处理对其吸水率的改善作用不大,但由于PEG 的作用吸水率明显降低。

②经过PEG 浸渍预处理与热处理复合改性材在初期可以通过热处理控制水分吸收,再通过PEG 控制长期水分吸收,从而达到短期和长期同时控制水分吸收的目的,以更好地控制吸水率。

3结
论
(1)高温热处理在短期内可以限制试材吸水,但长
时间浸泡后,热处理木材和未处理木材的吸水率基本
一致。

(2)与未处理材相比,PEG 处理材的初期吸水率更
大,但经过一段时间后其吸水率与未处理材相比增加缓慢,长期吸水率则明显低于未处理材。

(3)热处理可以改善试件初期的吸水性能,而PEG
对试件的长期吸水性能有很好的抑制作用,即对试件
先进行PEG 预处理后再进行高温热处理,通过这一复合改性处理后可达到同时控制短期和长期水分吸收的
目的。

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林业机械与木工设备
26第40卷
百圣源集团两产品通过省级鉴定
2011年12月3日,由山东百圣源集团有限公司完成的自主创新项目“BQK1242/15数控液压单卡旋切机”、“BXQ (J )1813数
控无卡剪切一体机”通过省级鉴定。

专家鉴定委员会认为:该项目的研发和生产,可广泛应用于规模化生产胶合板、单板和贴面板生产线,可替代同类进口产品,达到国际先进水平,具有广阔的市场前景。

此次鉴定会由山东省科学技术厅组织相关专家,对该项目的产品图样、技术文件、技术创新点、样机的各项技术指标进行检测,并对该产品的市场前景进行了全面评价。

百圣源集团注重企业的技术创新和新产品研发,使企业的自主创新能力不断提升。

2011年共研发和生产新产品9个,改进老产品5个,获得国家实用新型专利6项。

新产品的不断涌现为市场注入了新的活力,增强了企业发展后劲。

产品荣获中国机械工业科学技术三等奖、山东省优秀新产品一等奖,公司先后被批准建立省级技术开发中心、省级工程技术研究中心,为山东省高新技术企业,连续三年被评为山东省企业技术创新先进单位。

(山东百圣源集团有限公司夏春威)
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