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我国作为全球第二大木材消耗国,2018年消耗的木材达到55 675万m3,其中用于家具和建筑用材的木材量高达22 686万m3。针叶材是家具用材和建筑用材的主要来源,需求量极大,平均每年的需求量为5 000万~6 000万m3。针叶材中松属、落叶松属、银杉属、云杉属、黄杉属和油杉属木材都含有树脂道[1],当树脂道中的树脂溢出木材表面时,会使得木材的刨光表面砂光效果差,油腻感强,从而影响木材着色和涂漆。逐渐渗出的树脂也可能会造成涂料分解脱落及污染有色涂料,严重影响木制品的品质[2]。因此,木材脱脂是有脂材木制品生产过程中必不可少的环节。鉴于脱脂方法与有脂材树种的差异会造成不同脱脂效果的情况,综述了木材脱脂研究现状,以期为木材的脱脂工艺研究提供参考。
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木材脱脂分为物理脱脂法和化学脱脂法(见表1),其中物理法主要包括干燥脱脂法、溶剂萃取法、溶剂汽相法和微波爆破法。干燥脱脂法是通过加热木材或提高木材内外压力差以提高树脂的流动性,脱脂方法简单有效,可同时实现木材脱脂与木材干燥的目的。高温蒸汽干燥法比常规干燥法的脱脂效果更好,二者主要使用常规的高温加热设备[3-6],设备投入相对较低,适用于常规木材的脱脂。真空干燥法对渗透性好的木材脱脂效果较好,但该方法所需的设备的密闭性较高[7-9],设备投入成本相对于常规的高温加热设备更大,适用于常规木材的快速脱脂。溶剂萃取法和溶剂汽相法是利用相似相溶的原理,将树脂溶解于有机溶剂中,使其随溶剂一起排出木材,脱脂效率可达木制家具制造要求,该方法对溶剂和操作人员的技术要求较高,并且有机溶剂对设备的耐腐蚀性要求较高[10-11]。微波爆破法是通过微波介电性加热木材,改善木材内部通道,在提高树脂流动性的同时,增加木材渗透性,该方法处理时间短,脱脂效率高,但该方法不太适用于厚度较大且渗透性较差的木材脱脂[12]。
脱脂方法 脱脂过程 脱脂原理 脱脂评价 参考文献 物理法 常规干燥法 <100 ℃,高温饱和蒸汽干燥,树脂蒸出 高温提高树脂流动性 干燥过程耗能高,脱脂效果比高温汽蒸法差 [3]、[4] 高温蒸汽干燥法 >100 ℃,蒸汽液化树脂,与水蒸气共沸挥发 高温提高树脂流动性 比常规干燥脱脂干燥周期短,干燥效率高 [4]、[5] 真空干燥法 负压高温下,松节油与水共沸挥发 高温与高压差提高树脂流动性 对于渗透性较好的木材脱脂效果较好 [6]、[7]、[8] 溶剂萃取法 树脂主要成分溶于有机溶剂 相似相溶 可有效降低树脂含量及木材含水率,但对溶剂要求高 [9] 溶剂汽相法 低沸点溶脂性溶剂汽化后溶解树脂 相似相溶 脱脂处理后的木材可达到家具和建筑等用材的使用要求 [10] 微波爆破法 微波破坏细胞壁、纹孔膜等,形成新的流体通道,提高木材的渗透性,并兼以微波加热 微波介电性加热 处理时间短,脱脂效率高 [11] 化学法 碱液脱脂法 碱液与树脂形成可溶性皂,伴水溢出 皂化反应 脱脂率高,但碱液会对木材的材色造成影响 [12]、[13] 酸液脱脂法 酸水解树脂,并水解木材,提高其渗透性 酸水解反应 脱脂率高,酸液会对木材材色、材质造成影响 [14]、[15] 催化聚合法 树脂中的蒎烯聚合后,固定在木材中 聚合反应 聚合反应仅发生在表层,在使用过程中,内部树脂会逐渐向外层渗透 [9] Table 1. Comparative analysis on different wood deresination technologies
化学脱脂法是将化学药剂渗透到木材内部与树脂发生化学反应,从而实现脱脂目的,主要包括碱液脱脂法、酸液脱脂法和催化聚合法[13-16]。碱液脱脂法与酸液脱脂法的脱脂原理分别是脱脂液与树脂发生皂化反应和水解反应,脱脂效率非常高,适用范围较广,但是脱脂液对设备耐腐蚀性的要求较高,脱脂完毕后产生的废液处理也是一大难题,且有可能会造成木材性能的损失[13-16]。催化聚合法主要是聚合固定树脂中的蒎烯,木材表层的脱脂效率高,但脱脂深度不够,仅适用于浅层木材脱脂[10]。
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从表2可知,目前木材脱脂研究的主要树种为松科松属的马尾松和落叶松属的兴安落叶松,而柏木的脱脂研究相对较少。主要原因有二,其一,马尾松与兴安落叶松分布范围广,而柏木分布范围较小,主要分布于长江流域及以南温暖地区[16]。其二,马尾松和兴安落叶松具有能够分泌与储存树脂的正常树脂道,而柏木不具有正常树脂道,树脂主要存储于薄壁细胞中,并且柏木生长缓慢,材质细腻,细胞运输通道较小[16]。
树种 树脂含量/% 脱脂方法 工艺参数 脱脂率/% 参考文献 马尾松 1.5~5.6 微波爆破法 木材含水率80%,微波功强度4 kW,时间5 min 58.96 [11] 溶剂汽相法 木材含水率100%,70%酒精2 L,温度96 ℃,时间11 h 67.67 [17] 木材含水率120%,酒精浓度70%,温度110 ℃,时间6 h 88.20 [18] 碱液脱脂法 脱脂剂:氢氧化钠0.2%~0.4%,硅酸钠0.35%~0.5%,助剂0.6%~0.95%,水98.15%~98.85%;温度80 ℃,时间4 h,浴比1:4,pH12.7 92.30 [13] 生材,NaOH0.8%,压力为−0.8 MPa~−0.6 MPa,时间6 h 67 [19] 微波—化学联用 50 mm厚板材含水率80%,微波功率4 kW,温度>100 ℃,时间
6 min;而后脱脂剂处理。脱脂剂:碳酸氢钠0.2%,保险粉3.8%,水96%,温度在75 ℃,时间3 h81 [20] 高温蒸汽干燥法 温度100 ℃,相对湿度100%,汽蒸处理3 h 55.04 [21] 兴安落叶松 1.51~2.59 碱液脱脂法 脱脂剂:氢氧化钠0.2%~0.4%,硅酸钠0.35%~0.5%,助剂0.6%~0.95%,水98.15%~98.85%;温度80 ℃,时间4 h,浴比1:0.5,pH12.8 92.10 [22] 高温蒸汽干燥法 25 mm厚板材,汽蒸6 h;当木材含水率到30%时,干球、湿球温度、100 ℃,处理2~3 h;而后干球温度100 ℃,湿球温度为终含水率加2%~4%,处理4 h;干燥2~3 h 芯层12.28 [23] 55 mm厚板材,汽蒸温度100 ℃,时间7 h 20.88 [24] 高温—真空联用 20 mm厚板材,在180 ℃处理40 min,真空30 min处理 63.05 [25] 酸液脱脂法 脱脂剂:甲酸0.1%~0.35%,草酸0.15%~0.35%,次氯酸0.25%~0.5%,助剂0.5%~0.9%,水97.9%~99%,pH=4.0,浴比为1:4,处理2 h 91.80 [26] 微波爆破法 微波5.54 kW,90-100 s或12.9 kW,30—35 s;再汽蒸6~8 h / [27] 樟子松 4~8 高温蒸汽干燥法 30 mm厚板材,99.5 ℃蒸汽3 h;若木材含水率>20%,干球温度
115 ℃,湿球温度为88 ℃,相对湿度38%干燥;若木材含水率<20%,干球温度118 ℃,湿球温度82 ℃,相对湿度28%的干燥61.11 [4] 碱液脱脂法 脱脂剂:氢氧化钠0.2%,硅酸钠0.35%,磷酸钠0.7%,壬基酚聚氧乙烯醚0.4%,温度80 ℃处理30 min,浴比5:1 86.50 [28] 湿地松 7.8 酸液脱脂法 脱脂剂:甲酸0.2%~0.4%,次氯酸0.25%~0.45%,助剂0.55%~0.85%,水99%~98.5%,pH4.6,浴比1:0.3,时间2 h 92.60 [29] 云南松 11.30 碱液脱脂法 木材冷水浸泡24 h,升温至70 ℃,浸泡24 h,再用1%氢氧化钠浸泡6 h 55.75 [30] 柏木 / 高温蒸汽干燥法 <25 mm厚板材,干球、湿球温度78~80 ℃,时间3 h,干燥 / [2] Table 2. Research status on wood deresination technologies of different tree species
常见的马尾松与兴安落叶松的木材脱脂方法有碱液脱脂法、酸液脱脂法、微波爆破法及高温汽蒸干燥法等。马尾松木材脱脂率范围为55.04%~92.30%,其中碱液法脱脂率最高,微波爆破法脱脂率最低,但其单位时间内脱脂率最大[11, 13, 10, 18-21]。兴安落叶松脱脂率范围是12.28%~92.10%,其中碱液脱脂法与酸液脱脂法的脱脂率均达到90%以上。碱液脱脂法在樟子松木材脱脂中的脱脂率为86.50%,酸液脱脂法对湿地松木材的脱脂效果也十分明显,达到了92.60%[21-26]。由于碱液脱脂法的脱脂率高,相对于酸液脱脂法对木材材料的影响较小,因此碱液脱脂法研究数量较多,占比27.8%,酸液脱脂法研究数量占比11.1%。另一研究较多的方法为高温蒸汽干燥法,占比27.8%(见表2)。最主要的原因是该方法操作简单,常规的加热设备在企业的普及率高,并且该方法可同时实现木材干燥与木材脱脂。此外,对于同一树种,木材厚度不同,脱脂效率也不同,这与木材的渗透性、热能、化学试剂和树脂的运输有关[22-23]。