第一章 木材改性

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§1-1木材尺寸稳定性机理

一、处理原则
木材尺寸稳定化处理的原则是在保持木材原有优 良性质的前提下,改变其吸湿和干缩湿胀性能, 木材的干缩湿胀是由于木材含水率的变化而引起 的。它发生在纤维饱和点以下。 木材尺寸稳定化处理有两种处理方式: 1、处理仅限于细胞壁内纤维素的非结晶区部分; 2、细胞未经处理,仅仅是细胞腔内充填,沉积某 些化学药剂。
抗胀(缩)率(ASE)按下式计算: ASE=(S0-S1)/S0×100% 式中:ASE ——处理材的抗胀(缩)率,% S1——处理材的体积膨胀(收缩)率,% S0 ——未处理材的体积膨胀(收缩)率,%
阻湿率(MEE)按下式计算: MEE=(X0-X1)/X0×100% 式中:MEE ——处理材的阻湿率,% X1——处理材的阻湿率,% X0 ——未处理材的阻湿率,%
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WPC处理、酚醛树 脂处理





聚乙二醇(PEG)处理为A-2,5;B-8 乙酰化处理为A-5,B-6 甲醛处理为A-4,B-2,3 马来酸处理为A-4,B-4,7 马来酸-甘油(MG)处理为A-5;B-5,7 热处理为A-4;B-2 WPC处理为A-5,6;B-6,9 酚醛树脂处理为A-5,B-4,6,9 异氰酸酯处理为A-5;B-4 无机物复合处理(如:阻燃浸渍处理)为A-5;B8 环氧乙烷加成处理为A-4;B-7



三、酚醛树脂处理
将低分子量酚醛树脂注入木材,加热使其缩聚、 固化,生成了不溶性树脂,处理材尺寸稳定,其 它性能亦有所改善。 酚醛树脂 是酚类与醛类在催化剂作用下反应而 得到的合成树脂的统称。而木材工业中所用的酚 醛树脂常指由苯酚和甲醛缩合反应生成的树脂。 分热固性和热塑性两种(摩尔比、pH)。 线型酚醛树脂 一种甲醛与苯酚摩尔比小于1∶1的 酚醛树脂。通常情况下它保持热塑性,当加热并 与适量甲醛(聚甲醛或六次甲基四胺)反应时形 成不溶物。酚塑模材料、电木粉。
(2)催化剂 吡啶、二甲替甲酰胺、高氯酸镁 (三)处理方法 处理主法分为液相法、气相法和综合法 1、液相法 (1)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 密闭的处理罐中,加热到90-100℃,保持数小时, 随后排出未反应的处理液,处理材进行干燥处理。 (2)不用催化剂 用二甲苯或氯化烃等溶液作稀释剂,将醋酸 稀释成浓为25%的处理液,在温度100-130℃时, 能使木材很好的乙酰化,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 比回收催化剂要简单,这种方法用于处理尺寸较 大的木材。

(1)乙酰剂 ①、醋酸酐。为无色液体,有强醋酸味,熔点-73℃, 沸点139 ℃,与木材发生化学反应,生成的疏水 性酯基转换了亲水性的羟基,反应生成的醋酸存 在于木材中会使木质受损,并会腐蚀金属,且乙 酰基利用率仅为50%,如用吡啶催化,则吡啶的分 享和回收十分困难。 ②、硫化醋酸 ③、乙酰氯。为空气中发烟的无色溶体,具窒息性 刺鼻气味,熔点-112 ℃,沸点51-52 ℃。



(一)加热处理的尺寸稳定性 伯梅斯 特等发生,柚木尺寸稳定性高的主要 原因 是加热后易水解的半纤维素含量减少,其他 树种的木材经加热处理其半含量减少,吸湿性和 膨胀性比柚木更小。 (二)加热处理材的材性 加热处理的后果重量 减少和材面变暗,与此 同时处理材吸湿性降低,尺寸稳定性提高。 1、力学性质 虽然加热处理提高了木材的尺寸稳定性,但 力学性质下降。加热处理后,阔叶材强度的下降 幅度大于针叶材 2、耐腐性 白云杉材在180℃的热板之间的加热处理,当 ASE达到40%时,处理材不发生腐朽,这是由于处 理材的吸湿性降低,不具有菌类生活所必需的水 份。
湿度65%的密闭容器中进行吸湿处理,吸湿15昼夜后再测 量重量和各向尺寸,可得素材的吸湿率和湿胀率。在此之 后,将试件进行改性之后,处理后的试件再按上述方法进 行烘干、称重、测量各向尺寸,吸湿,再称重,测定尺寸, 得处理材的吸湿率和湿胀率,之后即可求出改性材的抗胀 (缩)率和阻湿率。 吸湿率按下式计算: X=(M1-M0)/M0×100% 式中:X ——试件的吸湿率,% M1——试件吸湿后的质量,g M0 ——试件的绝干质量,g 体积膨胀(收缩)率按下式计算: S=(V1-V0)/V0×100% 式中:S ——试件从绝干到吸湿时的体积膨胀率,% V1——试件吸湿后的体积,mm3 M0 ——试件绝干时的体积,mm3
丙阶酚醛树脂 是乙阶酚醛树脂继续反应缩聚而得到的最终产物,不溶、 不熔的体型结构,机械强度、耐水性、耐久性均很好。


四、聚乙二醇(PEG)处理 用PEG浸渍或涂刷木材,有效地改善了木材的干 缩湿胀,防止了由此而引起的开裂、翘曲、变形。 PEG广泛的应用于古木保存。 1、PEG的性质 PEG是无色、无嗅、透明的水溶性物质,当分子 量较大时,常温下呈固态,分子量较小时呈液态, 对金属无腐蚀,对人、畜无害,火灾危险性小。

二、处理机理 为了改善木材的尺寸稳定性,降低其吸附点—羟 基,或使之失去吸附能力,或部分地使分子交联 固定。
§1-2尺寸稳定化的分类和评定指标




一、尺寸稳定化的分类 根据化学药剂是否与木材细胞壁组分发生化学反应的观点, 将尺寸稳定处理为物理法和化学法两大类。但就处理的实 质而言,物理法中常包含化学因素,而化学法亦不乏物理 作用,很难截然分开。 二、尺寸稳定化的评定指标 尺寸稳定和与此有关的评定指标较多,这里介绍的是 最常用的。 (1)抗胀缩率(ASE) 在试件处理前,按GB1931-91《木材含水率测定方法》第 4-5条规定,将其烘至绝干,称重,精确至0.0001g。每个试 件称重后,立即测出弦向、径向和顺纹方向尺寸,精确至 0.001mm,然后将测量后的试件放置于温度20±2℃,相对
§1-4 化学方法的尺寸稳定处理

所谓化学方法是指木材中的成分能发生化学反应 的方法,因此本节所述的方法都限于通过处理木 材中的某种成分消耗,生成另一种生成物,来实 现木材尺寸稳定。由于木材中化学反应的发生与 否并不是十分明确,故前述的物理方法在某种程 度上也伴随有化学反应。
一、加热处理 1、含水率=平均含水率 2、吸湿滞后现象 加热赋予纤维素类材料尺寸稳定性,其机理 有数种解释,但多数学者的共同看法则是半纤维 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。
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马来酸、异氰酸 酯、酚醛树脂处 理
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马来酸-甘油(MG) 乙酰化处理、WPC处理、酚 醛树脂处理
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马来酸、马来酸- 聚乙二醇(PEG)、无机物 甘油(MG)、环 复合处理 氧乙烷加成处理
2、气相法 气相法适于处理单板及厚度较小的材料。乙 酰化速度取决于木材样品的大小、渗透性、混合 蒸汽的成分和温度等。具体方法以下三种: (1)吡啶前处理 (2)用尿素和硫酸铵的混合液前处理,干燥。 3、综合法 (1)在频率21-25MHZ的高频电场下,进行液相乙酰化, 可大大缩短处理时间。 (2)乙酰化与热处理联合作用,无论是乙酰化后热 处理,还是热处理后乙酰化,处理材的耐水性和 尺寸稳定性均有提高。 (3)乙酰化后再作交联处理。


甲阶酚醛树脂 一种可熔、易溶的线型结构酚类树脂,分子量较低,含 有一定量的活性羟甲基,进一步反应树脂变得不熔。PF 树脂胶粘剂均为此阶段的树脂。
乙阶酚醛树脂 是指甲阶酚醛树脂经加热或长期贮存,树脂分子量较高 (1000左右),聚合度6-7,可部分溶于丙酮、乙醇等溶剂, 具溶胀性,加热可软化,冷却后变脆。


二、防湿处理 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。此上还有将憎水材料溶解于挥发 性溶剂中制成流动性好,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,这种方法称之为内表面覆盖。 这两种方法具有方法简便,费用低廉的优点,但 这种表浅的物理处理,其防湿和拒木功能不高, 保持时间不长。
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5
甲醛、马来酸、热处 理、环氧乙烷加成处 理
聚乙二醇(PEG)、乙酰化 处理、马来酸-甘油(MG)、 WPC处理、酚醛树脂处理、 异氰酸酯、无机物复合处理
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WPC处理

B、细胞壁非结晶区的纤维素分子链模型 e a c _ o o_ d _ ●_ ●_ _●~ ●_ d b
a
1
e
2
甲醛、热处理
3
甲醛

3、胶合性 当单板在高温干燥机中干燥,由于加热处理, 材面变为疏水性,尤其是天然树脂含量较高的木 材单板,这种现象更为明显。 (三)加热处理的应用 除实体木材外,加热处理对人造板的尺寸稳 定性亦有利。在湿法和干法硬质纤维板的生产工 艺中采用加热处理或热湿处理能够提高板材的尺 寸稳定性。
二、乙酰化 (一)概述 木材乙酰化是采用乙酰剂中疏水性乙酰基置 换木材中亲水性羟基,由于乙酰基的导入,产生 酯的增容效应。使处理材尺寸稳定的因素是羟基 减少和乙酰基增容,相比之下增容效应是决定性 的。 (二)乙酰化处理 1、乙酰化反应 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。为了使处理均一,应增加膨胀 予处理工序。 2 、处理药剂 可分为乙酰源自文库和催化剂两大类,前者有醋酸 酐,硫化醋酸和乙酰氯等;后者有吡啶,无水高 氯酸镁等。


4、PEG处理的应用及PEG水溶液的脱色 1)、PEG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 2)、PEG水溶液的脱色 生产实践中由生材浸于PEG水溶液中的时间较长, 同时PEG水溶液在使用过程中需经过多次调整浓 度,生材中的水溶性抽出物溶入PEG水溶液而使 其着色。




2、木材的PEG处理 PEG适于处理生材和湿材,处理条件为PEG的平 均分子量1000-1500。处理浓度为25-30%,处理温 度为常温——80℃,处理温度和时间视处理材厚 度,树种和浸渍量而定。 3、PEG处理材材性 (1)尺寸稳定性 (2)力学性质 (3)干燥性 (4)胶合性 (5)耐腐性,耐燃性
化学法
1.减少亲水基团;加热处理; 2.置换亲水基团;醚化(氯乙基化等),酯化(乙酰化等) ; 3.聚合物的接枝:a 加成反应;环氧树脂处理,b.自由基反 应;用乙烯基单体制造木塑复合材; 4.交联反应;y射线照射,甲醛处理
§1-3 物理方法的尺寸稳定处理
一、防水处理 所谓防水处理包括两个方面: 1、抗湿润,抗浸透性能的耐水处理; 2、仅抵抗湿润性能的憎水处理 憎水处理的要点是: 1、混合型憎水剂的处理效果优于单一型 2、憎水处理剂中含石蜡浓度愈大,其防水性愈好 3、憎水处理材用于室外时,其含水率受环境变化的 影响不大,因而尺寸稳定性好。



模型解析 A、尺寸稳定化处理细胞横断面
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1
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2
聚乙二醇(PEG)
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3
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增重率(WPG)按下式计算: WPG=(W1-W0)/W0×100% 式中:WPG ——试件的增重率,% W1——处理后试件的绝干重,g W0 ——处理前试件的绝干重,g
增容率(BE)按下式计算: BE=(V1-V0)/V0×100% 式中:BE ——试件的增容率,% V1——处理后试件的绝干体积,mm3 V0 ——处理前试件的绝干体积,mm3
方法
具体方法
物理法
1.在锯解时尽量做到尺寸变化小; 2..根据使用条件进行润湿处理 3.纤维方向交叉层压综合平衡:a.垂直相交��胶合 板、定向刨花板,b .不定向组合;刨花板、纤维板; 4.覆面处理:a 外表面覆面;涂饰、贴面,b、内表面覆面;浸 注性担水剂处理、木塑复合材; 5.填充细胞腔:a.非聚合性药品;一聚乙二醇处理,b.聚 合性药品;制造木塑复合材; 6.细胞壁的增容:a 非聚合性药品;聚乙二醇、各种盐及糖 处理,b 聚合性药品;酚醛树脂处理
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