文章信息
- 李永峰, 刘一星, 王逢瑚, 冮贵军
- Li Yongfeng, Liu Yixing, Wang Fenghu, Gang Guijun
- 木材渗透性的控制因素及改善措施
- Controlling Factors of Wood Permeability and Its Improving Measures
- 林业科学, 2011, 47(5): 131-139.
- Scientia Silvae Sinicae, 2011, 47(5): 131-139.
- DOI: 10.11707/j.1001-7488.20110521
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文章历史
- 收稿日期:2009-04-20
- 修回日期:2009-09-14
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作者相关文章
研究木材流体渗透性的目的除了了解流体在木材内的流动规律以外,更需要基于此,探索木材流体渗透性的可控制途径,以进一步改善难渗透木材的浸注性,充分高效加工和利用木材。为此,本文在有关木材流体渗透理论与研究方法(李永峰等,2011)的基础上,重点分析和讨论木材渗透性的可控制因素及改善措施。
1 木材渗透性的可控制因素木材的流体渗透涉及木材、流体及渗透工艺3方面,也正是这3方面的联合作用决定了木材的流体可渗透程度。故控制和影响木材流体渗透性的因子必然与此三者有关。其中,最主要的影响因素是木材的内部结构。
1.1 与木材结构有关的影响因子Siau(1995)指出:流体可渗透的材料必是多孔材料,但多孔材料不一定都是流体可渗透。木材作为一种具有复杂多孔毛细管结构的天然生物材料,其对流体的可渗透程度具有像木材其他物理性质那样的高变异性。大量研究(鲍甫成,1965;鲍甫成等,1984; 1992; 2001; 2003;王金满等,1990; 1991; 周崟等,1986; Bao et al., 2001; Flynn,1995; Lü et al., 2001; Mantanis et al., 1995; Matsumura et al., 1995a)证明:木材流体渗透的高变异性与木材本身内部结构因子密切相关。
1.1.1 木材中的有效纹孔膜微孔大小和数量它是影响木材渗透性的最主要结构因子。有效纹孔膜微孔大而多者,渗透性高。而影响有效纹孔膜微孔大小和数量的主要因素是:由于纹孔膜偏移而导致的纹孔闭塞; 由于抽提物沉积而导致的纹孔膜微孔堵塞; 由于结壳物质沉积镶嵌在纹孔膜上而形成的微孔堵塞(鲍甫成等,2001; 2003; Bao et al., 2001; Flynn,1995)。
1.1.2 细胞腔内壁及细胞壁中沉积的无定形物质含量与分布细胞壁各层及细胞腔内壁沉积包裹的基质和结壳物质,堵塞了木材的微毛细管系统,从而影响了木材的渗透性(Mantanis et al., 1995)。无定形物质少而分布零散时渗透性高。
1.1.3 细胞腔中树脂或树胶的含量与分布树脂或树胶量少且分散,则流通通道顺畅,渗透性高(Matsumura et al., 1995b)。如落叶松(Larix gmelinii)渗透性差,其含有的丰富树脂就是主要原因之一。
流体在木材中的渗透主要通过毛细管纹孔系统和微毛细管系统。当上述沉积物沉积堵塞大毛细管系统和微毛细管系统时,流体对木材的渗透将变得很困难。
除了上述主要影响因素外,纹孔形态与分布、纹孔大小与数量、木材含水率(王金满等,1991)、木材胞腔内空气含量及木材尺寸(Bramhall,1971; Fogg et al., 1989; Kauman et al., 1994; Kumar,1981; Siau,1972)等都对流体渗透木材产生或多或少的影响。正是上述所有结构因子的综合作用,导致针叶材低渗透树种比阔叶材多(鲍甫成,1965)、阔叶环孔材低渗透树种比散孔和半散孔材多(鲍甫成等,1984)。同一树种,纵向渗透性大于横向渗透性(鲍甫成等,1992); 边材渗透性往往大于心材渗透性(Robert et al., 1996); 弦向渗透性与径向渗透性及早材渗透性与晚材渗透性随树种而异(Bao et al., 1999)。
1.2 与渗透介质有关的影响因子当渗透介质为液体时,木材渗透性与液体种类和极性、分子大小及构造、液体黏度和浓度等因素有关。一般来说,液体黏度越低,浓度越低,分子空间体积越小,极性参数与木材越相近,则越有利于液体渗透木材。当渗透介质为气体时,渗透性差异不大,通常氮气(Fogg et al., 1989)渗透略快,氧气略慢,而空气介于两者之间。
1.3 与渗透工艺有关的影响因子与渗透工艺有关的影响因子主要有温度、压力和渗透时间等。一般地,升高温度(Cooper,1996)可降低液体黏度从而加速液体在木材内的渗透速度; 施加压力(Uhmeier,1997)和延长渗透时间都可不同程度地提高木材渗透性。
2 木材渗透性的主要改善措施提高木材渗透性,必然要从上述影响因素考虑。改善途径大致归纳为以下几个方面: 1)改善木材本身的结构,如增加渗透通道、减少木材中抽提物含量等,使流体渗透通道畅通; 2)改善流体特性,如减小分子质量、降低黏度、使流体分子极性与木材分子极性相近等; 3)改善浸注工艺,如提高温度、适当提高液体浓度差、改变渗透压力差等方式制造含水率梯度、温度梯度、压力梯度等,充分利用扩散原理及压力条件进行渗透; 4)综合处理法,即将具有上述2种或多种改善功能的方法或联合上述几种方法综合应用于木材渗透性的改善。
2.1 改变木材本身结构以提高木材渗透性的方法从影响木材渗透性的自身结构因子考虑,大致将此类改善方法分为减少抽提物、减少纹孔闭塞和增加渗透通道3种。
2.1.1 减少抽提物的方法抽提物大都是由树脂酸、萜烯类化合物及少量聚糖、多酚类物质组成。萜烯类化合物可与水100 ℃以下低温共沸,树脂酸一般不溶于水,两者均可溶于乙醇、苯、丙酮等有机物。聚糖和多酚类物质可溶于热水。由于抽提物的存在大大降低了木材渗透性,故须依据抽提物组分特点将其脱除,常用的方法有化学法、物理法和综合处理法。
1) 化学法 它是利用树脂酸与碱液能发生皂化反应形成水溶性树脂酸钠盐并随木材中水分流出的原理而除去树脂酸的方法。常用的碱有碳酸钠(Na2CO3)、碳酸钾(K2CO3)、氢氧化钠(NaOH)等。这种方法的缺点是使木材发生降解而影响力学强度、木材材色加深变暗、设备腐蚀、产生废液等。
2) 物理法 它是通过有机溶剂萃取或汽蒸溶解等手段除去木材中抽提物的方法。有机溶剂萃取法(Matsumura et al., 1996)主要是除去树脂酸,常用的萃取剂有苯、乙醇、乙醚、丙酮、石油醚、氯仿等。汽蒸法主要是利用高温蒸汽除去阿拉伯半乳聚糖、萜烯类物质等(Morris,1997)。
3) 综合法 由于上述2种方法单一处理木材时,木材渗透性改善效果往往不明显,故国内外学者现都倾向于将物理和化学法联合起来处理木材。
2.1.2 减少纹孔闭塞的方法它是通过减少纹孔闭塞以提高木材渗透性的方法。常见的有冰冻干燥法、高频真空干燥法、大气干燥法、溶剂置换法和水浸法等。
1) 冰冻干燥法 它是利用冰冻木材在低于三相点条件下冰直接升华以消除纹孔处水-汽界面上表面张力的原理减少纹孔闭塞的方法。Matsumura等(1995a)研究了冰冻法对改善木材渗透性的影响,结果表明渗透性得到较大提高。此法对边材渗透性影响显著,对心材影响不显著(Fujii et al., 1997)。
2) 高频真空干燥法 它是利用低压下高频快速转换加热木材时,纹孔膜刚性保持较好、能抵御水分蒸发时强界面张力的原理减少纹孔闭塞的方法。此法还能一定程度地增加纹孔膜开裂(Terziew et al., 2002),故渗透性提高。将汽蒸和真空干燥联合可更好地改善木材渗透性。
3) 气干法 此条件下的纹孔闭塞率比高温干燥时低(Siau,1995),比冰冻干燥时高(Matsumura et al., 1995a)。缺点是干燥状态受外界因素支配,渗透性改善不均(Thuvander et al., 2001),处理时间较长。
4) 溶剂置换法 它是利用低表面张力的有机溶剂置换生木材内水分时,纹孔膜处界面张力低的原理减少纹孔闭塞的方法(Matsumura et al., 1995b)。此法还能溶解部分抽提物(Matsumura et al., 1996; Demessie et al., 1995),故能较好地改善木材渗透性,对生材边材部分影响较显著(Chun,1998)。常用的有机溶剂有甲醇、乙醇、二乙醚、丙酮、正戊烷、甲苯、糠醛等。
5) 水浸法 它是利用水浸泡打开闭塞纹孔膜与纹孔缘之间的氢键,借助纹孔膜自身弹性恢复到原来位置的原理以减少纹孔闭塞的方法。此法也能溶解部分抽提物,故渗透性可得到改善,但改善效果有时并不明显。
2.1.3 增加渗透通道的方法它是指在薄壁细胞内壁及纹孔膜处增加额外渗透通道以提高木材渗透性的方法(Watanabe et al., 1998)。常见的有微波干燥法、高温干燥法、汽蒸爆破法、微生物法、刻痕法等。
1) 微波干燥法 它是利用高强度微波辐照木材时,木材内水分快速汽化形成向外扩散的蒸汽压,作用于细胞内壁及细胞膜,从而冲破薄弱组织,产生额外流体渗透通道的原理增加木材渗透性的方法(Antti et al., 1999)。许多研究表明:此法既增加了渗透通道,又使抽提物含量减少(Dedic et al., 2001; Mirza et al., 2004),从而大大提高了木材渗透性; 且此法能降低木材内部应力,使力学性能得以改善。
2) 高温干燥法 它是利用高温使木材内水蒸气压破木材胞壁,从而形成通道的原理增加木材渗透性的方法(Terziew et al., 2002)。此法的缺点是容易使木材变色。
3) 汽蒸爆破法 它是利用高温蒸汽软化木材,进而通过瞬时降压局部破损木材最薄弱的纹孔膜及薄壁组织从而改善木材渗透性的方法。研究表明:扫描电镜观察下,许多纹孔膜部位选择性破坏; 但此法对难渗透树种爆破效果往往不均匀(Zhang et al., 2006)。
4) 微生物法 它是利用霉菌、酶菌(Jacobs-Young et al., 1998)及细菌(Todd,2000)等微生物对木材薄壁组织及纹孔膜轻度侵蚀,产生渗透通道的原理提高木材渗透性的方法。前人研究(Unligil,1972; Efransjah et al., 1989; 鲍甫成等,1991)表明:微生物法破坏了纹孔膜、纹孔塞及薄壁组织等部位,提高了渗透性,且对木材力学性质影响甚微; 但此法受微生物侵蚀木材的不可控制性限制,渗透性改变不均匀,心材尤其如此。
5) 刻痕法 它是利用刀具或激光在木材表面刻许多一定大小和深度的裂隙状凹穴以提高木材渗透性的方法。中嶋恒(1999)研究表明:刀具和刻痕均可显著提高木材渗透性而不影响木材力学性质,且激光刻痕改善效果更均匀。
2.2 改善流体特性以提高木材渗透性的方法浸渗液的性质如分子质量、浓度、黏度、极性大小等直接影响着其对木材的渗透性及浸注速率。液体分子质量太大、黏度太大、溶解度参数(Leary,2001)与木材相差较大等都不易提高渗透性。为此,常通过提高温度以降低溶液的黏度,加入助浸剂以调节溶液的溶解度参数,提高液体浸渗速率,增加液体对木材的渗透性。常用的助浸剂有氨水、乙醇、乙醇胺、碳酸钠等。有时,还可在渗透液体中加入一定量的表面活性剂,以提高渗透速率。特定的表面活性剂可以降低木材表面的接触角并提高它的润湿性,也可以通过润湿和乳化木材中的疏水抽提物来提高渗透(Parthasarathy et al., 1996)。表面活性剂的应用要综合考虑木材的毛细管结构和化学组成(Silva et al., 2004)。
2.3 改变浸注工艺以提高木材渗透性的方法它主要是指利用压力差原理将液体浸注入木材的方法。常包括减压法、加压法、减压-加压联合处理法等。
2.3.1 减压法它是指通过排除木材内空气形成木材内外压力差,并借此将液体注入木材的方法。最常用的手段是抽真空,有时也借助热-冷槽法实现浸注。
2.3.2 加压法它是借助液体浸泡木材时,施加压力使其渗透入木材的方法。常包括直接加压法、离心转动法、高能喷射法、超声波法等。
1) 离心转动法 它是借助离心力将液体加压注入木材内的方法(Аринкин,1995)。此法浸注量大、浸注均匀,但设备复杂、制造费用高。
2) 高能喷射法 它是借助钻头在木材内钻入小孔,然后利用高压器将处理液强行注入木材的方法。此法较适合于细木工板等板材。
3) 超声波法 它是借助超声“空化”效应产生的瞬间高压加速液体渗透入木材的方法。Nair等(1995)和Wheat等(1996)均研究了超声波作用对木材渗透性的影响,结果表明超声波法对木材的渗透效果较佳。缺点是不适宜浸注大试件、超声设备昂贵。
2.3.3 减压-加压联合法它是借助减压和加压作用联合浸注处理木材的方法。常包括满细胞法、空细胞法、频压法和双真空法等。
1) 满细胞法 处理工序为前真空→加压浸注→后真空。此法的最大特点是溶剂浸注木材深且浸注量大。
2) 双真空法 它是满细胞法的改良,区别在于加压压力小。此法较适合较薄和易浸注板材。
3) 空细胞法 它也是满细胞法的改良,区别在于前空压(压力较小)代替前真空。优点是浸注量少而浸注均匀。它常包括李宾空细胞法和劳莱法,两者区别在于是否施加前空压。
4) 频压法 它是通过反复快速加压-卸压实现木材浸注的方法(Kumar,1996)。此法较适合浸注难渗透木材。通常有正负频压法(OPM)和高低频压法(APM)2种。
5) 震荡加压 处理法它是在加压的同时施以震荡的方法。Flynn等(1996)研究了振荡加压法浸注防腐剂于红云杉(Picea rubens)气干材的效果,结果表明:防腐剂对云杉木材纵向、弦向和径向浸透效果均显著,且浸注速度快,防腐处理后的云杉材弹性模量也无明显降低。
上述浸注方法都能一定程度地改善木材浸注性,但无一方法能较多且均匀浸注难渗透木材。
2.4 综合处理法 2.4.1 横向压缩法它主要是通过对木材试件施加横向压力,木材压缩时纹孔等应力集中的部位受力破坏,并借助木材压缩回弹时形成的内外空气压差使液体浸注入木材的方法(飯田生穗,1998)。根据加压方式不同,它又可分为平压法和辊压法2种。
1) 平压法 它是利用平压机压缩木材,然后浸泡入液体中,借助木材回弹时的内外压力差使液体渗透入木材的方法。研究表明(Iida et al., 1995):木材内闭塞纹孔破裂,细胞壁出现部分裂隙; 液体浸注量大且浸注均匀。
2) 辊压法 它是利用2对压辊在进给方向对被液体浸泡的木材施加横向压力,借助压辊离开瞬间时木材的尺寸回弹,使液体浸注入木材的方法(井上雅文等,2003),见图 1。在辊压过程中,木材细胞壁上的纹孔膜(液体出入木材的主要通道之一)可能受到破坏,细胞壁的个别薄弱部位可能出现裂隙,这些都将改善木材对液体的吸附性和渗透性。与平压法比较,辊压法更能提高木材渗透性(Adachi et al., 2003)。
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图 1 辊压处理过程的药液置换 Figure 1 Scheme of chemical replacement under process of roller-compression treatment |
木材辊压处理方法与传统的真空-加压法相比,辊压法能巧妙地利用负压“吸入”作用,处理时间极短、效率高、可连续化生产; 可对湿材、生材直接进行加工,省去木材预干燥过程,节省大量能源和时间; 由于辊压后木材内纹孔膜部分破坏,渗透性提高,后续能显著改善木材的干燥性能; 工艺过程在常压下即可进行,省掉昂贵的真空、高压设备,能量消耗少,成本低。
辊压处理是常温条件下可快速进行木材保护处理的一种新型物理处理法,非常适于提高数量越来越多的速生木材品质。目前适于辊压法的浸注药剂以水载型为主,通过调整压缩率、处理剂浓度、木材含水率、浸泡时间和辊压次数等措施来满足不同的载药量和浸注深度的要求。通过连续辊压可使药液浸注木材均匀,挤出的药液还可回收使用,且有利于后续的干燥过程。面向工业化生产,该项技术作业环境温和,设备简单,综合处理效率高,应用前景广阔,具有较高的研究价值和产业化潜力。
总之,横向压缩法能较好地提高木材渗透性,一般适用于含水率较高的速生木材; 但此法对难渗透木材、硬度较高的木材处理效果欠佳。
2.4.2 超临界CO2流体处理法1) 超临界流体定义、特点 超临界流体(supercritical fluid,简称SCF)是高于临界温度和临界压力状态的流体。它又称为稠密气体(dense gas)或高压气体(high compressed gas),其不同于一般的气体,也有别于一般液体,兼有液体和气体的双重特性,密度接近于液体,黏度和扩散系数接近于气体,渗透性好,与液体溶剂萃取相比,可更快地完成传导,达到平衡,促进高效分离过程的实现。超临界流体的溶解能力取决于它的温度和压力,通常和流体的密度呈正相关,随流体的密度增加而增加。在临界点附近,压力、温度的微小变化会引起流体密度及其对物质溶解能力的较为显著的变化。最常用作超临界流体的溶剂为CO2。
2) 超临界CO2流体的特性无毒、不燃性、无腐蚀性,有利于安全生产; 且来源丰富,价格低廉,有利于推广应用,降低成本,容易达到超临界条件。CO2临界温度为Tc = 31.1 ℃,临界压力为Pc = 7.3 MPa,CO2的超临界条件与其他超临界流体如水相比(水的临界温度为374 ℃,临界压力为22 MPa)更容易达到。
3) 超临界CO2流体在木材渗透中的应用 超临界CO2流体渗透是利用超临界CO2流体的高溶解性溶解木材中的影响渗透的部分抽提物(Kang et al., 2004; Abd El-Fatah et al., 2004),借助快速的压力变化及高压作用破坏纹孔闭塞(Demessie et al., 1995),以形成顺畅通道; 同时利用超临界CO2流体的高扩散性,快速实现流体在木材中的渗透(Demessie et al., 1995; Morrell,1995)。在超临界CO2流体中加入少量的携带剂,以进一步提高其对抽提物的溶解性,可更好地提高流体在木材中的渗透性(Matsunagaetc,2005)。
目前超临界木材渗透已经从实验室研究范围向商业应用渗透(Iversen et al., 2003),且出现了一系列描述超临界渗透木材方法的专利(Ito et al., 1984; Henriksen et al., 2003; Korte,2004)。主要的应用集中在防腐渗透方面,仅有少量研究报道了其对有机阻燃剂、颜料等的渗透(Drescher et al., 2005)。
① 超临界CO2流体携带有机防腐剂在木材中的渗透 超临界CO2流体作为有机防腐剂的一种传输介质,已被广泛研究和应用。主要集中在以下3方面。
A.超临界CO2流体渗透对木材尺寸稳定性和力学性能的影响 超临界CO2流体渗透研究的焦点之一即是其对木材物理力学性能的影响。研究涉及了超临界处理条件(Drescher et al., 2006; Kim et al., 2000)、处理对象即木材试件的种类(Kim et al., 1997)、尺寸(Smith et al., 1993)等对试件力学性能(Acda,2001; Muin et al., 2003a)和尺寸稳定性(Acda,2001)的影响。大量研究表明:处理条件如超临界CO2流体的压力、温度、保压时间、有无携带剂(Demessie et al., 1995)等对试件力学性能和尺寸稳定性往往没有显著影响,但施压速率和泄压速率往往对木材试件的性能影响显著(Anderson et al., 2000),其似乎主要归因于木材试件渗透性的难易导致的瞬间压力梯度不同所致(Schneider et al., 2005)。研究对象涉及了实体木材(Schneider et al., 2006)、各种木质复合材料如胶合板(Muin et al., 2003b; 2003 c)、普通刨花板、定向结构刨花板(Oberdorfer et al., 2000; Muin et al., 2003b ; Muin et al., 2003c)、中密度板(Muin et al., 2001; Muin et al., 2003b; Muin et al., 2003c)、单板层级材(Oberdorfer et al., 2004)等,其中胶合板和单板层级材由于胶层对超临界CO2流体渗透的高阻隔性,其性能往往受到较大影响(Oberdorfer et al., 2006)。小尺寸试件往往能快速平衡木材内的压力梯度而使性能未受显著影响,但大试件却往往影响不一(Anders et al., 2009)。现已有研究(Alessi et al., 2003)着眼于超临界CO2流体与木材组分间的相互作用,试图探索其对木材试件物理力学性能的影响,因为超临界条件下CO2对木材无定形高聚物组分的溶胀可能会影响各聚合物组分的玻璃化转变温度,进而影响其物理力学性能,这是近期比较新颖的一种研究思路。
总之,大量研究证明高压力本身往往不显著影响木材性能,但施压和泄压速率只有在不引起木材内压力梯度超过试件负荷的范围内时,物理力学性能才变化不显著。试件尺寸不影响其物理力学性能的结论过于乐观。
B.有机防腐剂在木材试件中的沉积、留存和分布及其防腐效力 超临界CO2流体携带有机防腐剂渗透入木材后,通过沉积,可实现有机防腐剂对木材的渗透。研究主要集中于处理条件(Kang et al., 2005)对防腐剂留存量和分布梯度的影响(防腐效力主要取决于这2方面) (Muin et al., 2004a)及处理试件的防腐效力(Muin et al., 2003b; Muin et al., 2003c; Muin et al., 2004b)。常用的有机防腐剂有IPBC(3 -碘代丙炔基氨基甲酸丁脂)、PCP(五氯苯酚)、TCMTB (防霉杀菌剂苯噻氰)、Tebuconazole (戊唑醇)、Termiticide Silafluofen (广谱杀虫杀螨剂氟硅菊酯)、Cyproconazole (环唑醇)、Decanal (癸醛)和Propiconazole(丙环唑)等(Acda et al., 1996)。大量研究表明:超临界CO2流体完全有能力在木材和木质复合材料中渗透足够的有机防腐剂,以达到高的防腐效力(Acda et al., 1996; Muin et al., 2003b; 2004a)。至于防腐剂的分布被总体流动或扩散控制到什么程度尚结论不一,渗透通常致使被处理试件的表面和内部间留有或多或少的较显著的浓度梯度。大多数生物杀虫剂留存量和分布的研究在试图解释观察到的留存量和梯度时,集中于生物杀虫剂在超临界CO2中的溶解度; 但在确定生物杀虫剂沉积的过程中,木材-生物杀虫剂间的相互作用可能扮演了一个相等的重要性,这些相互作用需要更一步的彻底研究(Lucas et al., 2007)。
C.渗透模型研究 近期,已有研究着眼于通过建立数学模量来定量描述和预测生物杀虫剂在木材中的留存和分布及CO2 /木材/防腐剂间的相互作用。Hasan等(2001)尝试对CO2 /生物杀虫剂/共溶剂的多成分混合物的相行为进行了建模; SahleDemessie等(1995)建立了一模型去描述生物杀虫剂在超临界CO2处理的木材中的留存量和空间分布; Kang等(2006)使用试验数据和基于一纬扩散的Egner溶剂度方法计算了超临界CO2处理过程中Cyproconazole(环唑醇)在道格拉斯杉木中移动的扩散系数; Schneider等(2005)建议模型需要考虑木材/防腐剂间的相互作用例如反应、吸附/解吸附行为; Acda等(1997) Lucas等(2007)基于CO2流体与防腐剂的分配系数建立了一个两参数模型去描述Decanal(癸醛)对辐射松(Pinus radiata)的渗透,试验结果与模型预测吻合一致。
总之,使用超临界CO2对木材进行防腐渗透已经被证明是一种切实可行的方法,甚至有人断言此法将是本世纪最具革命性的木材改性处理方法(Muin et al., 2004b; Acda,2001),可见超临界流体改善木材渗透性是一项很有前途的技术,科研人员需引起重视。处理的木材试件即使大尺寸,只要处理条件控制得到,完全不会对试件性能造成负面影响。超临界CO2渗透可以处理包括各种实木和各种木质复合材料在内的木材试件,应用范围广泛。使用超临界CO2渗透技术可以渗透足够量的防腐剂,以满足防腐要求。未来需要进一步解决的是减少防腐剂在木材内的留存梯度,并基于对CO2 /木材/防腐剂间相互作用的理解通过数学模型定量描述浸注过程中CO2、生物杀虫剂和共溶剂在木材中的移动。
② 超临界CO2流体渗透防腐剂与传统真空加压渗透方法的对比 对于传统的压力浸注方法,无法克服难渗透树种的液体渗透; 同时它也要求防腐处理液处理后的木材再进行额外的干燥,处理废液的环境影响更值得考虑。
而超临界CO2流体,甚至外加一定的携带剂,可高效溶解被渗透的防腐剂,然后借助压力沉积和/或温度沉积实现防腐剂在木材中的渗透,既高效快捷又无干燥处理和废液处理步骤。另外,超临界CO2能一定程度上溶解木材中的抽提物,且合理的操作条件下不影响木材的物理力学性能(Muin et al., 2003a; Acda,2001),可适用于宽范围的木材树种渗透,如松木(Pinus ponderosa) (Ritter et al., 1991)、刺柏木(Juniperus oxycedrus)、雪杉(Juniperus virginianna) (Eller et al., 2000; 2004)和桉树(Eucalyptus globulus) (Gonzalez-Vila et al., 2000)等。
3 结语纵观国内外木材流体渗透技术与研究现状,无论是理论研究还是技术应用,都已很大程度上解决了木材工业中关于渗透与浸注方面的问题,但同时也面临着许多新的挑战:如理论方面的模型过于理想化,以气体为流体建立的理论应用于液体渗透时结果相差较大,不能很好地反映木材加工业中真正的渗透过程; 采用的浸注技术可以提高木材渗透性,但渗透效果往往不理想,尤其对于实体难浸注木材的浸注深度和浸注均匀性问题尚不能很好地解决。
笔者认为,21世纪的木材流体渗透技术与研究还应从木材流体渗透的理论研究、技术应用等方面继续深入开展研究和探讨。木材渗透性的控制因素方面,应进一步借助SEM-EDX,TEM,FTIR,NRM,CT等先进手段,深入分析木材的主要渗透通道,以更精准地确定主要影响因素; 木材浸注技术方面,应注重综合技术的应用,如将抽提法、微波法、压缩处理法、超临界法等适度联合起来应用,或开发应用集多重功能于一体的综合新技术,以更好地改善木材渗透性。
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