论文部分内容阅读
【摘 要】 解决木材尺寸稳定性的机理问题，长期以来一直是提高木材使用价值的重要课题。本文分析了影响提高木材尺寸稳定性的机理的主要原因和提高木材尺寸稳定性的机理具体方法。
【关键词】 稳定性；膨胀量；纤维素；干缩率
关于木材改性目前基本上有两个目的：改进木材由于含水率变化的尺寸稳定性，以及提高木材的物理—力学性质。所以提高木材尺寸稳定性的机理的问题是我们研究的重点内容。
木材和其他植物的物质一样，都是由它的水溶性组分沉积而形成的。这些沉积的组分——纤维素、半纤维素、木质素等多属于高聚物，而不再能溶于水，然而水却能溶于其中，在极性的羟基上形成固体溶液。因此木材具有吸湿性，其含水率随着大气相对温度的改变而增减，并且伴随着木材的干缩与湿涨。由于木材细胞壁结构的抑制作用，膨胀量是有限制的。木材细胞薄的初生壁与次生壁的S1和S3层包含的纤丝几乎是垂直缠绕着细胞长轴，这些纤维就像起抑制作用的环一样，天然地给予木材一定程度的稳定性。倘若没有纤丝缠绕起这样的抑制作用和纤维素链状分子事的微晶区存在，木材的膨胀将比实际的膨胀量大4—10倍。尽管如此，干缩与湿胀终究仍然是木材利用中的一个主要缺陷。木材的湿胀与干缩是木材利用中的一个缺陷。
木材的湿胀与干缩是非常各向异性的，一般轴向的湿胀率或干缩率只有垂直纹理方向的几十分之几，而弦向的湿胀率或干缩率又大致是径向的两倍；因此湿胀或干缩不但会引起木材的尺寸变化，而且还会导致木材形状的变化，致使木材会发生开裂、翘曲等弊病。关于如何解释径向与弦向湿胀率或干缩率的差别，Skaar曾归纳为：射线的抑制作用；密度大的晚材弦向干缩率大于早材，迫使早材弦向干缩率增加；由于径切面上纹孔聚集的数目多，致使纤丝的倾斜率加大；径向胞壁间的胞间层厚，因而径向干缩率较弦向的小。
提高木材尺寸稳定性的机理
在木材和纤维互材料的膨胀现象中有两个独立的因子：固体物质的内部膨胀和这个膨胀量传递给外部尺寸的变化。膨胀的这种双重性就决定了要减小木材及纤维材料膨胀率的两个基本途径。
⑴减少内部膨胀量
木材的纤维素分子链的序列有很大的变异程度，可能是由于链与链之间有木质素或半纤维素存在的关系。在链接近于平行排列的部位对吸附水分有一定的惰性，甚至可以没有吸附现象发生，水分子不能进入微纤丝的中心。
当水分进入到网状结构的能力正好被抗拒膨胀的力所抵消，便达到了平衡含水率。减少膨胀率可以借助于减小促使水分子进入网状结构的力或增加抗膨胀的力。
①减小水分子进入网状结构的能力
这是久已使用的一个办法，但迄今未找到一种能长期处于变动的相对温度中而不会被水分子渗透的涂料，所以木材的尺寸变化总是会发生的；但表面涂饰能够有效地延缓木材吸湿的速度，从而减小木材由于湿度梯度而形成的应力，这样就可以减免表面发生开裂和凹凸等现象。
②增加木材对膨胀的抗拒力
这个方法就是减小无定形区的长度。它的疚在性质上类似橡胶硫化所得到的效应。要减小无定形区的长度，需要设法在纤维素分子链之间产生更多的连接点，甲醚在酸性条件下用来处理木材可以把亚甲基键引进到无定形区之间；另一个方法是将一些物质沉积到木材胞壁物质里面去，这些物质可以永久地把网状结构的空隙填住，或者把具有弹性的网状结构胀开来。不管所暴露的环境如何，预先充分胀开并填充了一些物质，而不能再干缩的情况就能限制吸附水分的量。这个方法包括浸渍树脂、醋酸酐、β-丙炔丙酯等，使之与木材成分起化学作用和利用氰乙化作用。
⑵减少传递给外部尺寸的膨胀量
限制内部膨胀向外传递，借以减小外部因膨胀而产生尺寸变化。这个具体的实例就是胶合板，它的结构束缚了传递内部膨胀的程度，从而减小了胶合板的膨胀率，但是内部膨胀率与平衡含水率并未受到影响。由于利用了木材不同纹理方向之间膨胀率的差别，使之相互制约，外形的膨胀便会显著地减小。还有类似的方法，但效果较差些，即用树脂浸渍纸对板材进行覆面。强度较好的树脂浸渍纸贴在板面上可以减少膨胀率30—40%。要减小纸的外部膨胀率可以在配料中掺以不膨胀的塑料纤维。还可以采用在板面上顺着纹理方向开细槽的办法，借以减小外部的膨胀，即所谓（膨胀槽）。这样可以允许内部照常发生膨胀，而不影响外部的尺寸。
要从根本上解决木材的尺寸稳定性问题，还有必要进一步探讨这方面的机理，首先有下列几个课题：
①纤维素分子链在无定形区横向相隔的间距究竟有多大？这一点与能够用来确定渗入木材物质的化合物的分子大小有直接的关系。
②纤维与纤维在纸或纤维板中究竟是怎样结合的？这对于几个问题膨胀传递到外部而发生尺寸变化的影响至为重要。
③纤维的加工过程对纤维的刚性有什么影响？这也影响内部膨胀的传递。
④在不同的相对湿度条件下，水是怎样被吸附的？这方面的探讨可以利用核磁共振谱的方法。
⑤细胞中的浸提物对吸湿膨胀有什么影响？现在已知桃花心木和柚木由于胞壁內有某些浸提物的沉淀，所以膨胀较小。
总之，虽然现在有了一些提高提高木材尺寸稳定性机理的方法，但我们还要不断地探索更先进的、更实用、更快捷方法，为提高我国的木材质量做贡献。
参考文献
[1]黄庆维 木材检验 中国林业出版社 1983
[2]王维 贮木场 中国林业出版社 1984
[3]刘一星 木质资源材料学 中国林业出版社 2004
作者简介：张秋艳，女，（1962-），大专，黑龙江省东京城林业局二级木材检验师，研究方向：木材检验
（作者单位：黑龙江省东京城林业局）
【关键词】 稳定性；膨胀量；纤维素；干缩率
关于木材改性目前基本上有两个目的：改进木材由于含水率变化的尺寸稳定性，以及提高木材的物理—力学性质。所以提高木材尺寸稳定性的机理的问题是我们研究的重点内容。
木材和其他植物的物质一样，都是由它的水溶性组分沉积而形成的。这些沉积的组分——纤维素、半纤维素、木质素等多属于高聚物，而不再能溶于水，然而水却能溶于其中，在极性的羟基上形成固体溶液。因此木材具有吸湿性，其含水率随着大气相对温度的改变而增减，并且伴随着木材的干缩与湿涨。由于木材细胞壁结构的抑制作用，膨胀量是有限制的。木材细胞薄的初生壁与次生壁的S1和S3层包含的纤丝几乎是垂直缠绕着细胞长轴，这些纤维就像起抑制作用的环一样，天然地给予木材一定程度的稳定性。倘若没有纤丝缠绕起这样的抑制作用和纤维素链状分子事的微晶区存在，木材的膨胀将比实际的膨胀量大4—10倍。尽管如此，干缩与湿胀终究仍然是木材利用中的一个主要缺陷。木材的湿胀与干缩是木材利用中的一个缺陷。
木材的湿胀与干缩是非常各向异性的，一般轴向的湿胀率或干缩率只有垂直纹理方向的几十分之几，而弦向的湿胀率或干缩率又大致是径向的两倍；因此湿胀或干缩不但会引起木材的尺寸变化，而且还会导致木材形状的变化，致使木材会发生开裂、翘曲等弊病。关于如何解释径向与弦向湿胀率或干缩率的差别，Skaar曾归纳为：射线的抑制作用；密度大的晚材弦向干缩率大于早材，迫使早材弦向干缩率增加；由于径切面上纹孔聚集的数目多，致使纤丝的倾斜率加大；径向胞壁间的胞间层厚，因而径向干缩率较弦向的小。
提高木材尺寸稳定性的机理
在木材和纤维互材料的膨胀现象中有两个独立的因子：固体物质的内部膨胀和这个膨胀量传递给外部尺寸的变化。膨胀的这种双重性就决定了要减小木材及纤维材料膨胀率的两个基本途径。
⑴减少内部膨胀量
木材的纤维素分子链的序列有很大的变异程度，可能是由于链与链之间有木质素或半纤维素存在的关系。在链接近于平行排列的部位对吸附水分有一定的惰性，甚至可以没有吸附现象发生，水分子不能进入微纤丝的中心。
当水分进入到网状结构的能力正好被抗拒膨胀的力所抵消，便达到了平衡含水率。减少膨胀率可以借助于减小促使水分子进入网状结构的力或增加抗膨胀的力。
①减小水分子进入网状结构的能力
这是久已使用的一个办法，但迄今未找到一种能长期处于变动的相对温度中而不会被水分子渗透的涂料，所以木材的尺寸变化总是会发生的；但表面涂饰能够有效地延缓木材吸湿的速度，从而减小木材由于湿度梯度而形成的应力，这样就可以减免表面发生开裂和凹凸等现象。
②增加木材对膨胀的抗拒力
这个方法就是减小无定形区的长度。它的疚在性质上类似橡胶硫化所得到的效应。要减小无定形区的长度，需要设法在纤维素分子链之间产生更多的连接点，甲醚在酸性条件下用来处理木材可以把亚甲基键引进到无定形区之间；另一个方法是将一些物质沉积到木材胞壁物质里面去，这些物质可以永久地把网状结构的空隙填住，或者把具有弹性的网状结构胀开来。不管所暴露的环境如何，预先充分胀开并填充了一些物质，而不能再干缩的情况就能限制吸附水分的量。这个方法包括浸渍树脂、醋酸酐、β-丙炔丙酯等，使之与木材成分起化学作用和利用氰乙化作用。
⑵减少传递给外部尺寸的膨胀量
限制内部膨胀向外传递，借以减小外部因膨胀而产生尺寸变化。这个具体的实例就是胶合板，它的结构束缚了传递内部膨胀的程度，从而减小了胶合板的膨胀率，但是内部膨胀率与平衡含水率并未受到影响。由于利用了木材不同纹理方向之间膨胀率的差别，使之相互制约，外形的膨胀便会显著地减小。还有类似的方法，但效果较差些，即用树脂浸渍纸对板材进行覆面。强度较好的树脂浸渍纸贴在板面上可以减少膨胀率30—40%。要减小纸的外部膨胀率可以在配料中掺以不膨胀的塑料纤维。还可以采用在板面上顺着纹理方向开细槽的办法，借以减小外部的膨胀，即所谓（膨胀槽）。这样可以允许内部照常发生膨胀，而不影响外部的尺寸。
要从根本上解决木材的尺寸稳定性问题，还有必要进一步探讨这方面的机理，首先有下列几个课题：
①纤维素分子链在无定形区横向相隔的间距究竟有多大？这一点与能够用来确定渗入木材物质的化合物的分子大小有直接的关系。
②纤维与纤维在纸或纤维板中究竟是怎样结合的？这对于几个问题膨胀传递到外部而发生尺寸变化的影响至为重要。
③纤维的加工过程对纤维的刚性有什么影响？这也影响内部膨胀的传递。
④在不同的相对湿度条件下，水是怎样被吸附的？这方面的探讨可以利用核磁共振谱的方法。
⑤细胞中的浸提物对吸湿膨胀有什么影响？现在已知桃花心木和柚木由于胞壁內有某些浸提物的沉淀，所以膨胀较小。
总之，虽然现在有了一些提高提高木材尺寸稳定性机理的方法，但我们还要不断地探索更先进的、更实用、更快捷方法，为提高我国的木材质量做贡献。
参考文献
[1]黄庆维 木材检验 中国林业出版社 1983
[2]王维 贮木场 中国林业出版社 1984
[3]刘一星 木质资源材料学 中国林业出版社 2004
作者简介：张秋艳，女，（1962-），大专，黑龙江省东京城林业局二级木材检验师，研究方向：木材检验
（作者单位：黑龙江省东京城林业局）