（木材科学与技术专业论文）速生杨木染色、增强及尺寸稳定性能研究.pdf

摘要 随着人们对生活质量的要求不断增长，装饰结构性用材是将来我国人造板工业发展趋 势之一然而我国在很长一段期内不仅面临木材总量不足的矛盾，而且还将存在因大径、 珍贵天然材严重缺乏所造成的产品结构性矛盾。将改性处理后的杨木板材制成强度高，稳 定性好、具珍贵树种材色的优质速生杨木装饰结构集成材，可降低集成材生产成本和提高 速生杨木的附加值。 本文主要利用现有文献对杨木板材的应用及研究现状总结，归纳并结合实际情况对速 生杨木的染色、始强、尺寸稳定性进行了一系列的研究雇染色实验中采用正交实验( l 3 4 ) 对杨木进行抽真空加热染色，对影响染色工艺进行初步探讨。实验表明在染液配方、染液 浓度和真空度控制不变的条件下，染液温度是影响染料上染、颜色坚牢度的最主要因素， 匀染液能缓和和调节染料在木材上的固着速度，使木材各部位的着色尽可能地均匀，是影 响染料上染的主要因素之一，但同时对颜色坚牢度有一定的轻微负面影响。通过分析获得 合理的实木染色方案：染液温度8 0 、p h 值6 ，5 、均染剂浓度1 ，5 和0 3 的固色剂浓度。 在增强、尺寸稳定性实验中，分剐采用热压缩、树脂预聚体浸渍、高温蒸汽对杨木进 行改性处理，实验数据表明，单一改性方法都具有一定的局限性，压缩木能达到很高的 m o r 与m o e 值，当压缩率这3 0 时，m o e 可这1 0 0 0 0 m p a 以上，但尺寸稳定性差。高 温蒸汽处理材有较好的尺寸稳定性，在1 2 5 0 1 m p a 的密封容器中处理1 个小时，其 i t s e 值可达3 1 8 ，但其力学强度较差。浸渍木具良好的尺寸稳定性，其m o e 及m o r 也较素材提高很多，但仍不迭到日本j a s 集成材的力学强度要求。 通过试验方法的改进，将染色、热压、浸渍相结合，结果表明试件的m o r 值可这 1 1 0 0 0 m p a ，m o r 达到1 1 0 m p a 以上，完全可以达到日本j a s 集成材的标准，尺寸稳定性 也较素材要好，基本达到装饰结构木的要求。 关键词：杨木；集成材；木材改性；染色：增强；尺寸稳定 s t u d y o n d y e i n g ，e n h a n c e m e n t a n dd i m e n s i o n a l s t a b i l i t yo f f a s t g r o w i n gp o p l a r a b s t r a c t w i t hp e o p l e si n c r e a s i n gd e m a n df o rl i v i n g , w o o d e nd e c o r a t e ds t r u c t u r a lm a t e r i a lw i l lb eo n eo fw o o d c o m p o s i t e r e s e a r c hd i r e c t i o n si ns e v e r a ld e c o d e s h o w e v e r , i nal o n gp e r i o do u rc o u n t r yn o t o n l yw i l lf a c et h e e m b a r r a s s m e n to fs h o r to f t i m b e rp r o v i d e d ，b u ta l s ow i l lb ec o n f r o n t e dw i t hp r o b l e mo f c o n s t r u c t i o n a lm a t c h d u et os e r i o u sl a c ko fb i g - d i a m e t e r - c l a s sa n dp r e c i o u s ，n a t u r a lt i m b e r i fh i g hg r a d ed e c o r a t e ds t r u c t u r a l g l u l a mw i t hh i g hs t r e n g t h ，g o o dd i m e n s i o n a ls t a b i l i t ya n d p r e c i o u sw o o d e nc o l o rc o u l db em a d ef r o m f a s t - g r o w i n gp o p l a r , t h ec o s tc o u l d b el e s sa n dt h ev a l u e o f p o p l a rc o u l db eh i g h e r i na c c o r d a n c ew i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o no fr e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no f p o p l a rb o a r d ，t h ek e ys t u d y o f t h i s p a p e ri ss t u d y i n go np o p l a rd y e i n g ，e n h a n c e m e n ta n dd i m e n s i o n a ls t a b i l i t y i nd y ee x p e r i m e n t , i n n e rw o o d d y e i n gp r o c e s sw a sp r e l i m i n a r i l yd i s c u s s e d b a s e do ne x p e r i m e n t u s i n go r t h o g o n a ld e s i g n ( l 3 3 ) u n d e r v a c u u ma n dh e a tt h e s t u d y i n g r e s u l t ss h o w e dt h a ta ta g i v e n f o r m u l a t i o n o f d y e i n gs o l u t i o n ，c o n c e n t r a t i o no f d y e i n g s o l u t i o na n dv a c u u m ，t e m p e r a t u r eo f d y e i n gs o l u t i o nw a st h em o s te f f e c t i v ef a c t o rt od y e i n ga n dc o l o r f a s t n e s s l e v e ld y e i n g a g e n t w a so n e o f i m p o r t a n t f a c t o r s t o d y eu p w h i c h m a d e e a c hp a r t o f t i m b e rc o l o ru p p o s s i b l ye v e nb yr e l a x e da n da d j u s t e dc o l o rf a s t n e s ss p e e do fd y e s t u f f a tt h es a m et i m e , t h e r ew a ss l l g h t n e g a t i v e i n f l u e n c et oc o l o u rf a s t n e s s a f t e ra n a l y s i s ，t h e o p t i m a ld y e i n gt e c h n o l o g yc o n d i t i o n s w a s t e m p e r a t u r e w a s8 0 ( 2 ，p h w a s 6 5 ，c o n c e n t r a t i o no f l e v e ld y e i n ga g e n t w a 51 5 a n dc o n c e n t r a t i o n o f f i x i n g a g e n t s o l u t i o nw a s3 o i ne n h a n c e m e n ta n dd i m e n s i o n a ls t a b i l i t ye x p e r i m e n t ，p o p l a rw a sm o d i f i e dw i t hh e a tp r e s s u r et r e a t m e n t , h i g ht e m p e r a t u r es t e a mt r e a t m e n ta n dl o wm o l e c u l er e s i ni m p r e g n a t i o nt r e a t m e n t t h er e s u l t ss h o w e dt h a t e a c hm o d i f i e dm a t e r i a lh a di n i m i t a b l ef e a t u r e f o re x a m p l e ，c o m p r e s s i o nw o o dc a na t t a i nh i g hv a l u eo f m o r a n d m o e ，w h e nc o m p r e s s i o n r a t i oe x c e e d e d3 0 ，t h e v a l u e o f m o ec a r lr e a c ho v e r l 0 0 0 0 m p a , b u t i t s d i m e n s i o n a ls t a b i l i t yw a s u n q u a l i f i e d a l t h o u g hm a t e r i a l sd i m e n s i o n a ls l a b i l i t yc a nb ei m p r o v e da p p a r e n t l y a f t e rh i g | it e m p e r a t u r es t r e a mt r e a t e d ，w h i c ht h ev a l u eo f a s e c g ou pt o3 1 8 a f t e rw a st r e a t e do n eh o u r a ta g i v e nt e m p e r a t u r ew a s1 2 5 ( 2 s t e a mp r e s s u r ew a s0 1 m p a , t h ev a l u eo fs t r e n g t hd e s c e n d e d2 0 t h a n u n t r e a t e ds a m p l e s i m p r e g n a t i o nw o o dh a db e t t e rd i m e n s i o n a ls t a b i l i t ya n dh i g l l e rs t r e n g t ht h a nu n t r e a t e d s a m p l e s ，b u ty e td i d n tm e e tu pt oj a p a n e s ea g r i e u l t u r a ls t a n d a r df o rw o o dp r o d u c t s - s t r u c t u r a ll a m i n a t e d t i m b e t d y e i n g ，h o tp r e s s i n ga n dr e s i ni m p r e g n a t i o nw e r ec o m b i n e dt o g e t h e ra f t e rt e s tm e t h o di m p r o v e m e n t t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ev a l u eo f m o eo f t e s ts a m p l e sr e a c h e do v e r1 1 0 0 0 m p aa n dm o r r e a c h e dm o r e t b m a1l o m p a , p e r f e c t t ym e e t u p t oj a p a n e s ea g r i c u l t u r a l 日t a n d a r 6 d i m e n s i o n a l 咖晒1 时o f t e s ts p e c i m e n w a sb e t l e rt h a nu n t r e a t e ds a m p l e s i tw a sb a s i ct oa t t a i nt h er e q u e s to f d e c o r a t e ds t r u c t u f a lg l u e dl a m i n a t e d t i m b e l k e yw o r d s ：p o p l a r ；g l u l a m ；m o d i f i e dw o o d ；d y e i n g ；e n h a n c e m e n t ；d i m e , a s i o n a t s t a b i l i t y 致谢 r 7 4 9 3 9 7 本课题得到了与国民淀粉化学有限公司合作的研究项目聚氨酯类胶粘剂速生杨木集 成材的开发与研究”以及江苏省科技厅科技攻关项目杨木功能性复合结构”专项资金资 助。 本论文是在导师卢晓宁教授的悉心指导下完成的。从论文的选题、原材料的准备、实 验方案的制定到论文撰写，每一个环节都得到了导师的指导。三年来，导师在学习和生活 上都给予了无微不至的指导和帮助，导师渊博的知识、严谨的治学态度给学生留下了深刻 的印象。导师的教诲我将铭刻在心并将使我终身受益。在此，谨向卢晓宁老师致以最衷心 的感谢! 非常感谢导师殷苏州副教授的指导与帮助，即使他在异国他乡，依然对我的学习与生 活非常关心，谨此祝其在科研上取得丰硕成果。郑炳丰工程师对试验也提出了许多有益的 意见，提供了大量宝贵的资料，在此也表示由衷的谢意。 在论文的开展过程中，刘启明教授，张洋教授、吴羽飞老师、金菊婉副教授、韩书广 老师、周兆兵老师以及人造板教研组其他老师、人造板检测实验室的黄河浪副教授、梁星 宇老师、实验室李显成、葛达章师傅都给予了很大的帮助。周定国院长、华毓坤教授、徐 咏兰教授参加了本论文的开题报告并提出了宝贵的建议。 同时，在论文的实验过程、数据分析和撰写过程中还得了何毅、杜以诚、王志强、白 雪松、岳孔、夏炎、周莉、郭飞燕、郑秀华、许俊等师兄妹的帮助扣支持。 感谢室友富刚同学、杨慧全同学、朱超宇同学以及2 0 0 2 级硕士( 5 ) 班的全体同学， 他们和我在一起度过了许多快乐的时光，在读硕期间经常得到他们的帮助与鼓励。 最后感谢父母、太太，他们无微不至的关怀是我工作和学习的动力。 值此论文完成之际，作者谨向所有提供过帮助的老师和同学表示诚挚的感谢! 熊国兵 2 0 0 5 年6 月于南京 1 1 课题研究来源 1 绪论 中国是世界上木材及木制品的生产大国，也是一个消费大国，同时又是人均占有森林 资源很少的国家。目前我国人均年木材消耗量仅为0 1 6 m 3 年而世界人均年消耗量为 0 6 5 m 3 年，相当于世界入均年消耗量的2 4 6 。中国经济的快速发展和人民生活水平的不 断提高，对木材需求量也大幅度的增长。从九九年开始，国家全面实施住房制度改革，房 地产业成为瓶的经济增长点，也带动建筑业、装饰装修韭、家具等行业对木材的需求。居 民对住房装修的要求也越来越高，对木材作为装修材料的需求量大幅度增加。1 9 9 8 年装 饰装修消费1 4 0 0 亿元，2 0 0 0 年达到2 0 0 0 亿元。装修用木制品所需本材达1 0 0 0 万m 3 。2 0 0 1 年我国建筑及房屋装修用材为5 4 0 0 万i n 3 。今年，我国新建房屋对木材的需求量将迅速增 长，其中：城镇住房每年增长i 亿m 2 ，公共建筑和生产性建筑物1 2 亿m 2 ；农村也将有 7 5 亿0 住宅和1 6 亿r n ：公共建筑。预计，建筑用材和装饰用材大约木材7 4 5 0 万i l l 3 ，同 时1 9 9 8 年以来，国家开始实施天然林保护工程，对国内森林采取逐年减伐措施，国内木 材市场出现较大的供应缺口。 目前，国内木材需求量己达到3 3 3 亿多m 3 ，按照国家下达的”十五”期间森林采伐 限额，每年只能提供1 4 1 5 亿一，如果严格按照国家限额计划采伐，国内木材市场供 应缺口达1 _ 6 亿m 3 以上。按历年森林消耗数据，国内目前最大可能提供木材2 3 亿计， 因此木材供应缺口至少也为0 7 - 1 亿m 3 。预计到2 0 0 5 年木材需求至少3 7 亿m 。，木材供 应缺口至少1 2 亿寸：2 0 1 5 年木材需求达4 6 亿寸，缺口为i 7 亿寸。海关统计数据表 明，2 0 0 1 年进口原木总量较2 0 0 0 年增长了2 3 9 ，锯材进口量较2 0 0 0 年增长了1 1 8 ， 2 0 0 2 年中国的木材进口依然保持了大幅攀升的态势，我国原木进口量已达到2 2 0 2 i 万矿， 较2 0 0 1 年全年的进口量增长近3 0 9 6 。随着我国经济步入稳步发展阶段，生产建设的扩大 和人民生活水平的提高将进一步刺激着木材消费。近十年木材消费需求以平均每年1 0 0 0 万n 1 3 的速度迅猛增加， 按2 0 0 1 年原木进口单价计算，相当每年增加木材需求达8 0 多亿元人民币。按照原木 市值计，目前中国木材市场容量近2 0 0 0 亿元人民币，如果以木制品终极产品生产的工业 增加值率按平均5 0 * , 6 的保守估计，木业市场容量约达3 0 0 0 亿元人民币。而到2 0 0 5 年，木 业市场容量将约达3 5 0 0 亿元人民币，2 0 1 5 约达5 0 0 0 亿元人民币。由此可见，中国在今 后一段时间内，对木材需求量将有较大幅度的增长，中国的本材市场有较大的发展空间。 我国不仅森林资源十分贫乏，而且森林资源管理不善，林地生产力 氐下，单位面积蓄 积量指标远远低于世界林业发达国家水平，林龄结构不合理，全国林分面积中，幼、中龄 林占7 1 ，1 ，用材林中，幼、中龄林面积占7 4 4 。可采资源臼渐枯竭。同时由于近几十 年来对木材的大量需求导致了木材的滥砍乱伐，水士流失严重，生态环境恶化。为了保护 生态环境，实现林业的可持续发展，国家决定从1 9 9 8 年启动重点林区天然林资源保护工 程，这将使术材的供需矛盾更加突出。 我国在今后相当长的时期内不仅面临木材总量不足的矛盾，而且还将存在因大径材严 重缺乏所造成的产品结构性矛盾【l s o 因此，需大力发展人造板工业，实行“劣材优用”、 “节约代用”的方针，弥补大径材、优质材总量的不足。 集成材( g 1 u e dl a m i n a t e dt i m b e r ) 是一种沿板材或方材平行于木纤维方向，用 胶粘剂沿其长度、宽度或厚方向胶合而成的新型结构材料。 集成材与整块板材相比主要具有如下的特点【i 。1 ： 集成材由实体木材的短小料制造而成要求的规格尺寸和形状，傲到小材大用，劣材 优用。 集成材用料在胶合前剔除节子、腐朽等木材缺陷，这样可制造出缺陷少的材料。配 板时，即使仍有木材缺陷也可将木材缺陷分散。 集成材保留了天然木材的材质感，外表美观。 集成材的原料经过充分的干燥，即使大截面、长尺寸材，其各部分的含水率仍均一， 与实体木材相比，开裂、变形小。 在抗拉和抗压等物理力学性能方砸和材料质量均匀化方面优于实体木材，并且可按 层板的强弱配置，提高其强度性能，试验表明其强度性能为实体木材的l - 5 倍。 按需要，集成材也可以制造成通直形状、弯曲形状。按相应的强度要求，可以制造 成沿长度方向截面渐变结构，也可制造成工字型、空心方形等截面集成材。 制造成弯曲形状的集成材，作为木结构构件来说，是理想的材料。 胶合前，可以预先将板材进行药物处理，即使长、大材料，其内部也能有足够的药 剂，使材料具有优良的防腐性，防火性和防虫性。 正是由于集成材剔除了木材缺陷，但并未改变本材本身的结构积特性，仍然是一种天 然木材，它不仅具有天然木材的质感，外表美观，材质均匀，而且克服了天然木材易翘曲、 变形、开裂的缺陷。其抗拉、抗压强度也优于天然木材，是一种人造板不可替代的新型板 材。更重要的是真正做到了小材大用，次材优用，充分利用工厂加工剩余废料和速生小径 材，提高了木材的综合利用率和附加值，可有效的缓解木材资源的供需矛盾，是一种绿色 环保用材。 我国是杨树之乡、杨树起源中心，杨树天然纯种达5 3 种之多，现已成为世界上杨树 人工林面积最大的国家，杨树人工林面积大约6 6 7 万h 一，速生树种己进入良性循环中。 但长期以来，由于速生杨材质差，密度小，材质松软、多幼龄林和应力木，含水率高且不 均多有节子、“湿心材”等原因直只能用于低附加值产品，但是。若经合适的加工 处理或和其他材料搭配使用，可使杨木密度、强度增大，扩大了杨木的使用范围，增加其 附加值。 基于以上凡方面的考虑，并结合南京林业大学与国民淀粉化学有限公司合作研究项 目“聚氨酯类胶粘荆速生杨木集成材的开发与研究”，以及江苏省科技厅科技攻关项目“杨 木功能性复合结构”。本课题主要研究内容就是对杨木材避行染色、本棋机理变化、搭窥、 组合等加工，原结构材基础上进一步发展用于室内。 1 。2 课题的研究现状 1 2 1 装饰结构材的发展概况 装饰结构板包括单板层积材( l v l ) 和集成材( g l u l a m ) ，并在原结构材基础上具 一定的装饰效果，可进一步发展用于室内。 装饰结构材作为一种新型材料在市场上出现，只有三十几年的历史，但由于装饰结构 材外观美丽，给入视觉以亲切自然感，强度均匀，尺寸稳定，耐久性好，不需干燥，尺寸 自由度大等特点，颇受人们的青睐，而使得装饰结构板工业也得了迅速发展。 其主要用途可分为三个部分： ( 1 ) 木造建筑物中的结构材：装饰结构材可作各种梁( 如用于大空间场所的工字梁) 、 桥梁承重结构材、各种柱材( 如梁柱、电杆) 、地板龙骨等。作为这类结构用材，对装饰 结构材结构性的强度要求很高，此外，材料的耐久性及机械加工性也有一定要求，且一般 尺寸较大。如图卜1 所示。 图1 1 装饰结构材图例 ( 2 ) 家具、门窗、内外装饰材：装饰结构材可作为大幅面家具( 如餐桌椅、办公桌椅、 装饰性客厅家具等) 以及门窗等框架结构、楼梯、地板等用材。装饰结构材不仅是提高木 材利用率的有效途径，同时也丰富了家具和装饰用材，增加美观性和强度性，从而达到总 体提升家具综合质量的目的，同时在装饰方面也大展身手，在商场、会议厅、剧场等大型 豪华场所，集成材已与各种新型材料并驾齐驱。目前，伴随着林区珍贵稀有树种木材的进 一步减少，业内人士均将目光放在大有作为的装饰结构材上，家具商场中标价高达1 8 0 0 3 0 0 0 元集成材餐桌和8 0 0 元左右一把的餐椅，就可见集成材由于受到消费者的青睐而受 到精品级的待遇，使其价格一涨再涨。 ( 3 ) 工业材料：装饰结构材具有较高抗弯曲强度和变形性能，还可作为车厢、枕木、 脚手架、运输托板、模板等工业制品用材。目前，集成材的价格为胶合板的2 2 2 倍( 国 3 外价格，不具装饰性) ，具极高经济效益。b i bs h r a p n a l 林业集团调查研究表明国外装 饰结构材主要是替代实木用作结构材。下图( 图卜2 ) 给出了国外装饰结构材1 9 9 2 年和 2 0 0 2 年的消费结构情况。由图可知，装饰结构材除了用作结构材料外，其装饰性正逐渐 受到人们的高度重视，到2 0 0 2 年装饰性用途已比1 9 9 2 增加约6 左右e 类剐 其他 大构架件 公共建筑物结构用材 民用住宅结构用材 工字粱 l 曩2 0 0 2 i i 口1 9 9 2 i 比例 图卜2国外装饰结构材1 9 9 2 年和2 0 0 2 年消费结构图 1 2 2 国内外集成材的发展概况 集成材产生于2 0 世纪9 0 年代初期【1 】，德国人奥托赫特泽( o t t oh o t z e r ) 于1 9 0 1 年就有关集成材的专利获得瑞士政府的批准，其主要内容是将工字梁腹板和横板用胶粘剂 胶合。此后，1 9 0 5 年又获得集成材制造方法的专利，其主要内容是将2 块以上、长度方 向接长的层板用耐水胶粘剂胶合弯曲集成材。 集成材结构的最早建筑物是1 8 9 3 年在瑞士建造的音乐厅。音乐厅建筑骨架是跨距4 0 m 的三铰拱梁。此后数年问，用耐水胶粘剂制造的集成材应用于停车场、音乐厅等建筑，这 些集成材截面几乎全部是工字形。截至1 9 2 0 年，瑞士已建成建筑面积约2 0 0 0 m 2 的建筑物。 奥托的技术由瑞士和德国传入法国、葡萄牙、荷兰以及北欧各国。瑞典纵向接长采用 梯形斜接的形式，用螺栓夹紧装置加压。其他各国采用奥托的加工方法，梁内部的层板有 接头，而外层层板无接头。 欧洲的集成材技术是在1 9 世纪9 0 年代初传到美国。1 9 3 4 年美国用集成材修建了林 业试验场的仓库，同时进行了大试样的试验。1 9 4 2 年，由于闻苯二酚树脂胶及酚醛树脂 胶的研制成功，提高了集成材在室外的耐久性，使集成材技术得到了飞快的发展，并广泛 应用于各领域。 日本集成材行业产生也与木材领域中的其他行业一样是由国外，特别是由美国引入技 术而发展起来的。最初的研究工作是进行适用于集成材的合成树脂胶粘剂的改良、室外用 集成材胶粘剂的研制以及集成材的整个工艺过程所需要的设备的研制，特别是对集成材的 加压装黄和回热固化装置的研究。 集成材制造的三铰拱粱作为承重材具有良好的性能和经济性能，造型美观，给入优雅 4 的感觉。因此，后来逐渐应用于体育馆、工厂、仓库、教会等建筑上。据统计，在法国和 美国有7 0 的体育馆和2 5 的展览馆建筑都采用集成材结构，加拿大在其四层以下住宅、 商店、办公室、学校、工厂和体育馆建筑木结构达到9 0 的应用率。其结构的桁架达6 0 m ， 拱达7 0 m ，网架圆顶木结构达1 5 0 1 6 0 m 。其丰富的空间造型与优美的建筑形态含人回昧 无穷。 2 0 世纪8 0 年代，集成材传入我国。1 9 8 5 年，在日本专家的指导下，黑龙江省林产工 业研究所开始迸行集成材的研究工作，主要内容是包括适于集成材的胶粘剂的研制，利用 国产材质对木材指接工艺和集成材工艺进行研究。1 9 8 7 年黑龙江省尚志市建立了国内第 一家集成材工厂0 1 ，由日本引入集成材技术和设备，年产集成材3 0 0 0m 3 。产品主要销往 国外。其产品九成以上销往日本、韩国等国。目前国内集成材厂家已超过5 0 0 家，实际生 产能力可达3 0 0 万m 3 。 随着国内外集成材的需求量的增大，十几年来，国内集成材和产发展迅速，集成材生 产厂和生产能力不断增加，产品质量不断提高，使用范围日益扩大。集成材产品不但被大 量销往国际市场，而且在国内也得到了广泛的应用，像人造板一样作为基材在市场上销售， 在家具市场上已到处可见到用集成材制作的高档家具，其不仅外表美观，而且坚固耐用， 深受广大用户的欢迎。集成材工业己成为木材加工行业一个重要组成部分。 1 2 3 速生杨木研究的发展概况 杨属是杨柳科的一种很常见的树种。杨树 9 - 1 研是散生在北半球温带和寒温带的树种， 是世界中纬度平原地区栽培面积最大、木材产量最高的速生材树种之一。它具有生产快、 成材早、产量商、易于更新的特点，是最适合的短轮伐期工业用材经营树种。1 9 世纪到 2 0 世纪初期，人们将杨树作为绿化树种，在世界各地广泛栽培。杨树作为工业甩材原材 料树种，在生产上主要是人工林速生杨树。 中国的杨树遗传改良研究也有近5 0 年的历史，开创和奠基这项研究的我国著名学者 是南京林业大学的叶培忠先生和中国林业科学研究院的徐纬英先生，他们不但开创拓了杨 树遗传改良的理论和方法，而且创造出了新品种如北京杨等至今仍在生产使用，贡献之大 不言而喻。我国从7 0 年代初引入的黑杨派南方型无性系经过区域化栽培试验证明，它不 仅适合于黄淮海、长江中下游平原栽植，而且是洞庭湖、阳湖、成都平原等地区有发展前 途的适栽树种。目前，黑杨派南方型无性系已大面积推广，很多县、市的杨树木材产量己 达到工业利用的规模。 但长期以来，由于速生杨材质差，密度小强度低等原因，一直只能用于胶合扳芯板 等低附加值产品。而通过对人工速生材的改性生产的集成材是提高产品附加值的一种有效 途径。 木材改性1 是克服木材固有缺点、低劣质材优化、解决木材供需矛盾的一个很好的、 也是很重要的对策。通过改性可以在基本不损伤木材原有优点的前提下，赋予木材尺寸稳 定性、阻燃性，提高木材的耐侯性、耐久性和使用年限：改进木材的物理力学性能，使劣 质材高级化，扩大木材的使用范围。经过世界各国相关科技工作者的多年研究开发，木材 的一些改性技术逐步走向成熟，部分改性产品已经并已展示了良好的应用前景。总体上现 在日本在木材改性方面的研究与应用处于世界领先水平。 木材改性改良技术的内容主要包括：强化处理、尺寸稳定性处理、材色处理等。 木材是一种三维的天然高分子复合体，构成它的细魈壁的主要成份是纤维素，半纤维 素各木素都含有大量的羟基，羟基和其它吸水性基团的存在导致了木材随含水率的变化尺 寸发生变生，木材的化学改性大都是通过和羟基的反应来完成的：改性物质沉积在细胞壁 中的量往往对改性木材的性能起了决定性作用1 1 2 】。古野毅f 13 j 等对木材细壁中高聚物的量 与细胞腔中高聚物的量与木材的尺寸稳定性的关系进行了研究。他们利用甲基丙烯酸甲酯 制造w p c ，然后对丙西酮捕风抽提前后改性性能进行研究，发现高聚物在木材细胞壁中较 在细胞腔中对尺寸稳定性的贡献要高得多。a j s t a 髓齐“1 提出了评价木材改性木材的尺寸 稳定性的贡献。则元京【l5 】等建立了处理木材细胞断面模型及细胞壁的分子模式。 而木材强化处理就是通过物理、化学或两者兼有的方法处理木材，使处理剂沉积填充 在木材细胞壁内，或与木材组分发生关联，从而使得木材密度增加，强度提高的处理方式 1 6 o 木材强化处理的产品1 有压缩木( s t a y p a k ) 、浸渍木( i m p r e g ) 、胶压木( c o m p r e g ) 、 强化木( d e n s i f i e d ) 和塑合木( w p c ) 等。 由于木材组分中羟基和羧基对水分子的吸着作用以及水蒸汽在木材中的微毛细管凝 结作用，使得木材具有吸湿性，导致木材的含水率随着大气相对湿度改变而改变，产生 干缩和湿胀现象1 ，这种干缩和湿胀导致了木材尺寸变化，其变化可达到1 0 并且根据木 材中的水分含量而呈线性变化。同时由于木材是种各向异性材料，各方向上随木材含水率 变化而不均匀胀缩，易产生翘曲、变形、开裂等缺陷，是造成木材尺寸不稳定的主要因素， 极大地制约了木材的应用范围。因此，改善木材的尺寸稳定性对木材的高效利用具有重要 的意义。 提高木材的尺寸稳定性的途径有：阻隔及延缓水分进入木材；消除和减少木材分子中 的活性羟基；用改性剂充胀细胞壁；或采用某种特殊的机械加工等减少木材收缩和膨胀的 速率，限制木材尺寸的变化。 根据上述的原则改进木材的尺寸稳定性的方法主要有两种：化学和物理方法两类。 物理处理方法包括采用机械、涂刷、药剂充胀细胞等木材处理方法可改善木材的某些 性质，木材的组分不与药剂发生化学反应。涂饰能将木材与周围环境隔绝开来，成本低， 处理迅速简单，但这些涂饰都很容易在高温变化和太阳辐射的作用下迅速降。药剂充胀细 胞的方法主要包括树脂充胀细胞壁处理和聚乙二醇( p e g ) 处理，前者所用树脂为水溶性酚 醛( p f ) 、脲醛( u f ) 、三聚氰胺甲醛( m f ) 等树脂。1 9 8 9 年，尤纪雪等1 1 8 l 用脲醛浓缩体叫f c l 改性杨木，提高了处理材的尺寸稳定性和防腐能力，力学性能也同时得到了改善，可代替 杉木作建筑材。1 9 9 2 年王军等【1 9 l 利用p f 及u f 树月旨通过真空注入方法对大青杨进行改性， p f 和u f 处理材的尺寸稳定性都得了明显的改善。1 9 9 5 年石军莉【2 0 】用聚乙二醇一1 0 0 0 水 溶液处理杨术，处理材的最大a s e 达到9 7 5 1 。1 9 9 6 年方桂珍等口1 】使用不同浓度的低 分子量三聚氰胺一甲醛( m f ) 树脂为固定术材压缩变形的交联剂浸渍大青杨，处理材a s e 6 为4 7 ，m e e 为3 6 ，经1 0 浓度的交联剂处理的试件压密，室温下浸水可完全保持其固定 变形；1 7 5 和2 5 浓度的交联剂处理的试件在沸水中也保可持其变形。1 9 9 7 欧阳明八2 j 报道了改性的杨木尺寸稳定性、防腐、阻燃性的测试实验，当木材化学改性剂增重达2 0 3 0 时，可获得很高的a s e 值。1 9 9 7 年方桂珍等 2 2 】研究了大青杨与m f 交联剂的作用机 理。从大青杨中分离制得综纤维素、纤维素、a 一纤维素、木质素和半纤维素，并分射与 m f 反应，测定了不同化学组分与交联剂作用的活性顺序及其分布。采用红外光谱对交联 作用前后细胞壁各组分的结构变仡进行了分析，确定了交联化处理材的主要官能团的变 化。1 9 9 8 年方桂珍等【2 3 】又采用不同浓度的p f 预聚体处理大青杨木材，并在加热过程中作 横纹方向的压缩处理。结果为：经1 0 的p f 预聚体处理的试材，a s e 达6 0 以上，m e e 为 5 2 ，在室温或沸水中浸水均可完全保持其压缩变形。1 9 9 8 年，方桂珍等【2 刮为探索用于木 材交联反应的非甲醛系列新型试剂，用多元羧酸类化合物为交联剂，以无机酸盐类为催化 剂，采用傅立叶变换红外光谱和碳一1 3 的核磁共振波谱等现代波谱技术确定和揭示了新型 交联剂与催化剂的反应机理及其与木材反应产物的形成特征和交联反应参数。1 9 9 8 年方 桂珍等【2 5 i 以1 ，2 ，3 ，4 一丁烷基四甲酸( b t c a ) 为交联剂，n a l 。p 0 2 为催化剂处理大青杨， 然后在1 5 0 下恒温压缩。结果表明当树脂液的浓度为9 时，处理材干状态的变形恢复率 较低，沸水中变形恢复率接近于2 7 0 1 ，b t c a 是一种效果较好的木材尺寸稳定化试剂， 催化剂作用下平均每一个b t c a 分子中有2 3 个羧基发生酯化交联反应。 木材化学方法改性是在木材组分的某些活性部分与化学药剂之间进行反应并在两者 之间形成共价键的处理方法。通过化学反应有可能改变细胞壁聚合物的性质，从而改变木 材的某些特性。化学方法的尺寸稳定化处理包括：l 减少亲水基团的加热处理；2 取代亲 水基团的酯化，醚化处理；3 与细胞壁物质的接枝共聚，开环聚合等，如前面讲述的制造 木塑复合材：4 交联、缩醛化处理，例如甲醛化，制造木塑复合材等。1 9 9 8 年张道伟【2 6 】 采用加热法改善杨木单板平整度。通过加热降低了木材的吸湿性和润湿性，使处理材的平 整度、抗胀缩能( a s e ) 、阻湿率( m e e ) 同时得到提高。邢善湘、刘正添等以青杨等为试材， 以乙酸酐为乙酰化试剂，二甲苯为溶剂，对木材液相乙酰化及抗收缩效果进行了研究。反 应的最佳条件：温度为1 2 0 ，时间为7 i l h ，乙酸酐与二甲苯的配比为1 ：l 。当试样 增重到1 5 时，a s e 达到6 0 以上，青杨的耐腐能力提高了9 倍。1 9 9 5 年陆文达【2 7 】等对大 青杨试材进行了无催化剂液相乙酰化处理，研究了乙酰化度与尺寸稳定性的关系。结果表 明从经济和实用观点出发，乙酰化度以2 5 3 0 9 6 为宜，处理材的尺寸，体积和平衡含水 率的变化与乙酰化度呈直线关系。 木材染色也是一种常用的一种改性处理方法。木材是一种不均质的毛细孔材料，由纤 维素、半纤维素和木素组成，木纤维中含有丰富的亲水性基团如羟基( 一0 h ) ，竣基( 一c 0 0 h ) 等原子团。“。染料随水溶液通过木材毛细管通道，透过木细胞壁扩散后，沉降在纤维表 面上，使得木材染色啪3 “。酸性染料是一类含有酸性基匿如磺酸基钠( r s c ) 斟a ) 的水溶性 染料，通常在酸性水溶液中染色“，其染色功能是靠在酸性介质中易电离形成带负电荷 的磺酸基( r s 0 。) 与带正电荷的被染物相吸引，而木纤维浸泡在酸性溶液中，带正电荷的氢 离子很快扩散到木纤维内，中和了显负电性的( 一c 0 0 ) 基团，使整个木纤维带正电荷”1 。 7 因此，带负电荷的磺酸基与带正电荷的木纤维在亲合力的作用下相吻合，其色牢度由亲合 力的大小来决定的。 1 9 8 9 年陈云英【3 5 j 等对加拿大杨、椴木和柳桉单板染色方法进行了探索。陆仁书【3 6 】等 通过对木材上染率和色差的观测和分析，用酸性大红g b 染料对0 5 m m 厚泡桐漂白单板进 行了染色试验。实木染色是对方材或原木进行的染色处理，染色材主要用作刨切薄木，或 制作高档家具。由于厚度大，木村长，在常规条件下靠染色液的自身渗透性很难格木材均 匀透彻染色，1 9 9 2 年添野丰瞰l 在高温、高压、真空等复杂条件下对实木进行染色试验。 2 0 0 1 年段新芳，鲍甫成【3 8 】对毛白杨木材染色效果与解剖因子问的多元回归分析表明，毛 白杨木材的染色效果与解刹因子之间有相当程度的相关关系，复相关系数在o 4 8 3 6 0 7 9 9 8 之间，影响毛白杨木材染色效果的主要解剖因子为导管比量、木纤维比量和木射 线比量。 随着国家对天然森林资源实施保护禁伐措施，家具及装修需要的珍贵木材将更匮乏， 因此利用染色来实现低质木材模拟成人们需要的理想珍贵木材就成了研究的热点。对木材 进行染色可以消除天然木材生长过程中产生的心边材、早晚材和祸旋纹之间的色差，提高 木材的装饰品质。特别是染色后的低质阔叶材经过组坯( 模拟珍贵木材的花纹) 、胶压、刨 切或弦切割成各式各样的人造组合薄木，不仅色泽鲜明，纹理清曦。立体感强，丽且又不 失天然木材的特性，是提高低质木材的经济效益、增加现有装饰建材花色品种的一条有效 途径。 1 3 课题研究的价值 装饰结构性速生杨木集成材用小径级速生杨木生产集成材，使其性能达到日本j a s 集成材标准，提高集成材产品质量。替代实木截品，弥补了大径材、优质材总量的不足， 促进集成材在我国的发展应用。而且在人造板、家具等方面的直接利用开辟了一条应用之 路。极具经济价值，以及良好的社会效益和生态价值。 考虑至人口众多，土地资源紧张，在我国发展低层别墅式建筑目前时机尚不成熟，装 饰结构性速生杨木集成材作为结构材料的用量不会很大。但是，随着国民经济的不断发展， 人民生活水平的不断提高，人们对居室装饰装修( 包括室内装修及家具摆饰) 的要求越来 越高，加之人类返朴归真的心理，越来越多的人追求用具有美观纹理的实术制品装点居室， 这为装饰结构材歼拓了发展空闻。装饰结构性速生杨木集成材必将j 藐为我国人造板产品的 一种供不应求的新品种。 8 2 、速生杨木的染色研究 随着优质天然森林资源的日趋减少，由于有些树种的木材带有天然的颜色，如柚木、 乌木、紫檀等，不但材质利用价值高，而且材色也十分名贵。然而这些珍贵的木材价格昂 贵又供不应求，因此将木材染色成与贵重木材相似则可以满足市场需求。染色后的低质阔 叶材不仅色泽鲜明、纹理清晰、立体感强，而且又不失天然木材的特性，并可形成按市场 需求组织生产的工业化产品，以达到提高低质木材的利用率，增加现有装饰建材花色品种 的目的。故利用速生杨模拟成市场急需韵珍贵木材具有重要现实意义。另外，遂生杨材 色浅白，在自然生长过程中还存在的心边材及早晚材色差等缺陷，特别是原木处理不及时 会造成色变，在原木的直接利用上往往不能满足装饰的要求。因此。将较厚的杨木板材染 成贵重木材的颜色，然后再制备成速生杨木集成材可以满足顾客对强度和装饰性的要求， 提高了木材的使用附加值，特别是染色后材料的可利用性能得到极大的提高。 木材染色的关键在于染料能否向木材内部渗透，其受被染木材的含水率、树种、化 学成分及组织构造密切相关除受染液组分及染色工艺影响。 首先耍进行预备实验，选择合适的因素及条件进行染色，以期达到均匀又不失木质感 的效果。 2 1 预备实验 将实木放置于装有染料、渗透剂、匀染剂、固色剂、p h 值调节剂等混合成分组成的 水溶性木材染料染色液的密闭容器中，加温真空浸渍处理。试件干燥后，将其截断，目 测比较染色效果。重复实验一次。 2 1 1 实验材料 实验试件：规格为3 0 m e x 3 0 r a m 2 0 0 r 哪，四面刨光，气干密度为：0 4 9 m n a ；试件含水率 1 2 一1 5 。 染料：木材工业中常用的水溶性有机染料有直接染料、酸性染料、碱性染料、活性染 料等”“。其对构成木材的成分的染色性是互不相同的( 表2 1 ) 。 表2 一l 染料与木材成分的关系 、木材成分 染料种类、 纤维素半纤维素木质素 直接染料良好不太好几乎不能 酸性染料不能不能良好 碱性染料难非常好非常好 9 n a 0 3 s 哥一专 分子式：c 1 6 h l l n 2 0 4 s n a 相对分子质量：3 5 0 3 3 酸性大红g r 的分子结构如下所示： e 岫一一c 卜 分子式：c 2 2 h 1 4 n 40 7 s 2 2 n a 相对分子质量：5 5 6 5 酸性嫩黄g 的分子结构如下所示： l o d 一：万吗 1 0 1 分子式：c 1 6 h 1 3 n 4 0