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木材脱脂研究现状分析

赵犀羽 唐麒 张雪仑 张优 邱翀鹏 齐锦秋 黄兴彦

赵犀羽, 唐麒, 张雪仑, 等. 木材脱脂研究现状分析[J]. 四川林业科技, 2021, 42(3): 102−106 doi: 10.12172/202009140002
引用本文: 赵犀羽, 唐麒, 张雪仑, 等. 木材脱脂研究现状分析[J]. 四川林业科技, 2021, 42(3): 102−106 doi: 10.12172/202009140002
Zhao X Y, Tang Q, Zhang X L, et al. Research status on wood deresination[J]. Journal of Sichuan Forestry Science and Technology, 2021, 42(3): 102−106 doi: 10.12172/202009140002
Citation: Zhao X Y, Tang Q, Zhang X L, et al. Research status on wood deresination[J]. Journal of Sichuan Forestry Science and Technology, 2021, 42(3): 102−106 doi: 10.12172/202009140002

木材脱脂研究现状分析


doi: 10.12172/202009140002
详细信息
    作者简介:

    赵犀羽(2000-),女,在读本科生,zxyeahh@163.com

    通讯作者: hxy@sicau.edu.cn
  • 基金项目:  四川省教育厅高校‘木材工业与家具工程’重点实验室

Research Status on Wood Deresination

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    Corresponding author: hxy@sicau.edu.cn
  • 摘要: 有脂木材未进行脱脂处理会造成树脂渗出,从而影响木制品的油漆性能,因此木材脱脂技术在木材工业中起着重要作用。本文通过对比分析有脂材的脱脂方法得知:1)目前研究最多的脱脂方法是高温汽蒸法与碱液法,前者应用较成熟,后者脱脂率较高;2)脱脂研究最多的树种是松科的马尾松与兴安落叶松,而柏木脱脂研究稀少。根据现有的脱脂工艺研究基础与柏木结构特征,本文提出了柏木脱脂研究的若干建议,以期为其提供参考。
  • 表  1  不同脱脂工艺的对比分析

    Tab.  1  Comparative analysis on different wood deresination technologies

    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]
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    表  2  不同树种的脱脂工艺研究现状

    Tab.  2  Research status on wood deresination technologies of different tree species

    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 min58.96[11]
    溶剂汽相法木材含水率100%,70%酒精2 L,温度96 ℃,时间11 h67.67[17]
    木材含水率120%,酒精浓度70%,温度110 ℃,时间6 h88.20[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,pH12.792.30[13]
    生材,NaOH0.8%,压力为−0.8 MPa~−0.6 MPa,时间6 h67[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 h
    81[20]
    高温蒸汽干燥法温度100 ℃,相对湿度100%,汽蒸处理3 h55.04[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,pH12.892.10[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 h20.88[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 h91.80[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5:186.50[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 h92.60[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 h55.75[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]
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    出版历程
    • 收稿日期:  2020-09-14
    • 网络出版日期:  2021-03-12
    • 刊出日期:  2021-06-25

    木材脱脂研究现状分析

    doi: 10.12172/202009140002
    基金项目:  四川省教育厅高校‘木材工业与家具工程’重点实验室

    摘要: 有脂木材未进行脱脂处理会造成树脂渗出,从而影响木制品的油漆性能,因此木材脱脂技术在木材工业中起着重要作用。本文通过对比分析有脂材的脱脂方法得知:1)目前研究最多的脱脂方法是高温汽蒸法与碱液法,前者应用较成熟,后者脱脂率较高;2)脱脂研究最多的树种是松科的马尾松与兴安落叶松,而柏木脱脂研究稀少。根据现有的脱脂工艺研究基础与柏木结构特征,本文提出了柏木脱脂研究的若干建议,以期为其提供参考。

    English Abstract

    • 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。

      • 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]

        表 1  不同脱脂工艺的对比分析

        Table 1.  Comparative analysis on different wood deresination technologies

        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]

        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]

      • 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]

        表 2  不同树种的脱脂工艺研究现状

        Table 2.  Research status on wood deresination technologies of different tree species

        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 min58.96[11]
        溶剂汽相法木材含水率100%,70%酒精2 L,温度96 ℃,时间11 h67.67[17]
        木材含水率120%,酒精浓度70%,温度110 ℃,时间6 h88.20[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,pH12.792.30[13]
        生材,NaOH0.8%,压力为−0.8 MPa~−0.6 MPa,时间6 h67[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 h
        81[20]
        高温蒸汽干燥法温度100 ℃,相对湿度100%,汽蒸处理3 h55.04[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,pH12.892.10[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 h20.88[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 h91.80[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5:186.50[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 h92.60[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 h55.75[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]

        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]

      • 目前,高温蒸汽脱脂法和碱液脱脂法是应用较为广泛的两种脱脂方法。高温加热设备在企业的普及率较高,主要用于木材干燥,而高温蒸汽脱脂法可根据现有的木材干燥基准进行调整,以作为木材干燥和木材脱脂两用的实施方案,可行性较高,易于操作,应用成熟。碱液脱脂法是根据已知松木树脂的成分配制的高效脱脂剂,因此该方法的应用基础是对树脂成分的充分了解。虽然该方法的脱脂效率较高,应用前景大,但碱液对设备具有一定的腐蚀性,环境影响较大,且该方法对操作人员的专业知识要求高。

        微波爆破脱脂法是一种十分快速的脱脂方法,已有学者针对马尾松在微波脱脂过程中泌脂细胞受力情况建立了理论预测模型[30],并且系统研究了马尾松初含水率和微波辐射时间及微波功率密度之间的关系[31]。微波在木材中的穿透性有限且微波是选择性加热极性水分子,因此对木材厚度与含水率要求较高。此外,微波设备投入相对于高温加热设备更高,企业普及率较低,因此,若想普及微波脱脂工艺,仍需进一步研究微波高效脱脂的相关设备与工艺参数。

      • 目前,木材脱脂研究最主要的树种是马尾松与兴安落叶松,而柏木脱脂研究稀少。柏木是一种材质坚韧细密、耐水性较好的木材,在家具、建筑领域具有较大的潜力。柏木虽无树脂道,但柏木薄壁细胞丰富,分泌树脂较多[32]。尤其是四川地区拥有大面积的低效柏木林,其更新替代研究已经成为重要任务之一。在有限的柏木脱脂技术现状下,柏木表面只能做透明漆,无法进一步扩大柏木的应用领域,限制了川产柏木的行业发展。

      • 现有研究表明,不同脱脂工艺的脱脂效率差异较大,而不同有脂材的脱脂研究程度也呈现不均衡现象。此外,木材使用目的不同,板材厚度不同,所采用的木材脱脂方案也有差异。因此,从行业实际出发,有必要针对不同树种的不同使用目的,选用不同的脱脂方法,制定不同的木材脱脂标准。

      • 木材脱脂是有脂材加工过程中重要的前处理工艺,是保证木制品质量的重要环节。研究较多的两种方法是高温汽蒸法与碱液脱脂法,前者设备普及率高,应用成熟,后者脱脂效率高,应用潜力大。脱脂速度最快的方法是微波爆破法,但是该方法的应用范围较小。根据现有木材脱脂研究现状,提出建议如下:

        (1)从工艺角度看:各类脱脂方法都具有一定的局限性,因此,可考虑低成本与高效率脱脂方法的联用,优化木材脱脂工艺流程,从而降低木材脱脂成本,提高木材脱脂效率。

        (2)从树种来看:柏木木材结构与松科植物差异甚大,且尚不清楚柏木木材内部树脂储存分布及移动方式,因此,有必要解析柏木木材结构,构建柏木树脂在木材内的分布流向图谱;柏木无树脂道且渗透性较差,可考虑先提高木材渗透性,而后再结合其他脱脂方法对木材进行脱脂处理;碱液脱脂法与酸液脱脂法的高脱脂率,且脱脂液的配置需考虑树脂成分,因此,应加强柏木树脂成分的分析。

        (3)从满足需要来看:鉴于木材使用目的不同,板材厚度差异,脱脂方法各有优劣点,因此,有必要考虑使用目的、硬件基础、方法融合等,实行木材脱脂的分类、分级全面研究。同时针对不同树种的不同使用目的,选用不同的脱脂方法,制定不同的木材脱脂标准。

    参考文献 (32)

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