木材改性
正文
改善或改變木材的物理、力學、化學性質和構造特徵的物理或(和)化學加工處理方法。其目的是提高木材的天然耐腐(蛀)性、耐酸性、耐鹼性、阻燃性、力學強度和尺寸穩定性。經過改性處理的木材稱改性木或改良木。至於經防護處理的木材以及膠合板、刨花板等雖具有某些改性木材的性質，但習慣上多不列入改性木材範疇。19世紀30年代初，德國生產過一種名叫木石的壓縮木，是改性木之始。第二次世界大戰期間，隨著合成樹脂的發展，以及木材浸注、熱壓工藝和設備的改進，先後出現了多種改性木，如浸漬木、膠壓木等。20世紀60年代又出現了塑合木。迄今由於技術上或經濟上的可行性不夠，改性方法多停留在試驗階段，只有壓縮木或壓定木、浸漬木、膠壓木、聚乙二醇處理的木材和塑合木等有不同規模的工業生產。
壓縮木或壓定木 木材的強度通常與其密度成一定的函式關係，密度大，強度也大。同時木材的強度又受其含水率和溫度的影響。含水率和溫度增高時強度便降低，反之則增高。根據這些相關關係，經濕熱處理的木材，在其垂直的紋理方向進行熱壓，可使木材的彈性變形轉化為塑性變形，然後在木材被壓縮狀態下降低它的溫度與含水率,使木材壓縮後的體積與形狀定型化(“變定”),材質即密實而成為壓縮木。其密度可達1.2～1.4克/厘米3，各種強度也在不同程度上相應提高，韌性一般不會因熱壓過度而降低。壓縮木的缺點是在潮濕的環境中會吸濕而回彈，失去壓縮密實的特點，造成尺寸不穩定。回彈在很大程度上受壓縮時溫度的影響。如熱壓溫度提高,則回彈率降低。回彈率不是壓縮率的函式,而是壓縮木中剩餘應力的函式。為使壓縮木有較好的尺寸穩定性，儘可能使木材的含水率接近使用時的平衡含水率,熱壓溫度應儘可能提高到韌性損失的允許極限,保溫、保壓至少30分鐘。木材在熱壓條件下塑化需要足夠的水分。為防止在高溫下水分從其端頭逸散，最好在溫度接近水的沸點時迅速施加壓力,使水分封密在木材中,然後再升高溫度到160～180℃。 卸壓時把木材冷卻到100℃以下。如此形成的回彈性低的壓縮木材色發暗，說明壓縮時產生的內應力的一部分已得到解除，稱為壓定木。在中國，壓縮木廣泛用於製造紡織工業用的木梭，以代替珍貴硬闊葉材。
如將木材迅速地在 260℃和小於10兆帕的壓力下短暫地加熱碾壓，可使木材表面約幾個毫米厚度的部分塑化密實（密度為1.0克/厘米3）。這樣處理的表面,其耐磨耗性可比未經處理的高20倍。
浸漬木與膠壓木 是改性木中較早的產品,木材-酚醛樹脂的複合材料。浸漬木是木材用水溶性或醇溶性酚醛樹脂浸漬後，經低溫乾燥，再加熱使與樹脂聚合而成。由於木材部分細胞的胞壁被樹脂充脹，胞腔等空隙被填充，木材中的空隙率減少，尺寸穩定性提高。當樹脂含量為木材體積的35％時，其抗縮率可達75％。為使木材易於被酚醛樹脂浸透，往往採用薄單板浸漬，再用較低的壓力將層積的單板熱壓膠合達到需要的厚度。浸漬木通常用於模具製造。
膠壓木又稱浸漬壓縮木，生產工藝同浸漬木的相仿，是一種經浸漬和壓縮密實的木材 -酚醛複合材料。樹脂在單板中經加熱後,呈熔融狀態，最後在150℃左右溫度下熱壓固化。樹脂流動時還可使纖維展平。膠壓木的密度可達1.3～1.4克/厘米3，抗縮率可達95％左右。
浸漬木與膠壓木的耐腐性、耐酸性、強度、硬度和耐磨耗性等都顯著提高，但韌性則因木材經受高溫和存有樹脂而明顯降低，耐鹼性也無提高。一般可作為電絕緣材料、民用餐具的刀柄等，膠壓木還可做成機械零件。如用糠醇樹脂替代酚醛樹脂,浸漬時用1％的氯化鋅、檸檬酸或甲酸作為催化劑，可使浸漬木具有耐鹼性。其材色比酚醛浸漬的深，可用於製作液槽和壓濾機的部件等。
木材的聚乙二醇處理 目的只是為了減少木材因含水率的變化而產生的濕脹乾縮率，保持木材的尺寸穩定性。方法簡便有效，處理過的木材具有極好的尺寸穩定性，抗縮率可高達98％，但其他物理和力學性質基本上與未經處理的生材相同。分子量在 600～1000之間的聚乙二醇為液體狀，可與水按任何比例混溶，是一種良好的充脹劑，水分蒸發後能殘留在木材中起充脹作用。它不同於酚醛樹脂，加熱後不會固化為絡合的大分子，在胞壁中仍保持著蠟狀物質。經處理過的木材有潮濕的手感，但不影響膠合質量。有吸濕性，但由於木材胞壁已被充脹，不會有尺寸變化。如塗以聚氨基甲酸乙酯類的塗料可用於室外。這種改性方法可用於處理木質藝術品和木質文物以及樂器和槍托等，以防止木材發生乾裂等弊病。
塑合木 用具有一個或幾個雙鍵的乙稀基單體浸注木材，然後在一定條件下使之在木材中產生聚合反應形成樹脂，填充木材空隙而形成。是一種木材 -聚合物的複合材料。乙烯基聚合反應優於縮聚反應之處在於它借自由基催化，既非酸性，又非鹼性，不會殘留需要排除的副產物如水等。由於多數乙烯基單體，如乙烯、丙烯、苯乙烯、丙烯腈等都是非極性的，不大可能和木材纖維素上的羥基起反應，乙烯基聚合物僅僅填滿木材中的空隙，而起充脹木材結構的作用。乙烯基單體進入木材細胞壁結構的程度究竟如何，尚無定論。用苯乙烯、甲基丙烯酸、甲酯浸漬木材製成的塑合木，其尺寸穩定性提高的程度很小。丙烯腈則是良好的木材充脹劑，用以浸漬製成的塑合木有相當好的尺寸穩定性。如用能與乙烯基單體混溶的木材充脹劑如甲醇或乙醇、二惡烷、二甲替甲醯胺、二甘醇等，則所得塑合木的抗縮率可達74％。用乙烯基樹脂處理的木材比用酚醛樹脂處理的木材充填度高，韌性和耐磨耗性也好。這種改性木僅用於家具和地板表面上。由於成本較高，不易推廣。
參考書目
Irving S. Goldstein, Wood Technology, Chemical Aspect,ACS Symposium Series 43, American ChemicalSociety,Washington,D.C.1977.
Franz F. P.Kollmann, Edward W.Kuenzi,Alfred J.Stamm,Principles of Wood Science and TechnologyVol.II,Wood based Materials, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg,New York,1975.
