硅酸鈉改性處理楊木主要成分分析*

潘學宗 白 山 劉明鑫 李春風 劉 宇 劉明利

（1 北華大學材料與工程學院，吉林 132013；2.吉林省林業調查規劃院，長春 130022； 3.撫松金隆木業集團有限公司，白山 134300）

為滿足國內市場對木制品日益增長的需求，速生人工林已成為解決市場需求的主要木材來源[1-2]。合適的改性方法可使速生材擁有甚至超越天然林木材的性能，提高速生材的利用率與經濟價值[3-4]。無機木材功能改良試劑因價格低廉，天然且無毒副作用等特點，越來越受到人們的關注,其中利用水玻璃對速生楊進行改性，可提高速生楊的阻燃性[5-6]、硬度、抗白蟻性[7]、抗菌性[8]、穩定性[9]和抗流失性[10-11]等性能。在浸漬、加壓、熱處理條件下改性木材，木材內各成分發生熱降解、縮聚等一系列反應，從而使木材性能得以改變[12-14]。硅酸鈉溶液的堿性在木材進行浸漬時會使細胞壁產生水解反應[15]。本研究以硅酸鈉水溶液浸漬改性處理速生楊，探討改性處理對楊木主要成分含量的影響，以期為木材成分的變化和控制以及浸漬處理中工藝參數優化提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

速生楊木(Populus tomentosa Carr.)：采購于吉林省蛟河，規格100 mm×20 mm×5 mm，試驗時含水率為10%，密度為0.386 g/cm3；硅酸鈉：pH值為12，模數分別為M2.3(300 mPa·s)、M2.8(360 mPa·s)、M3.3(450 mPa·s)；乙醇：化學純（天津市凱信化學工業有限公司）；乙醚、冰醋酸，化學純（天津市永大化學試劑有限公司）；硝酸-乙醇混合液、苯-乙醇混合液（實驗室自制）；72%硫酸溶液（德州金和化工經貿有限公司）；10%氯化鋇溶液（河南欣之源化工產品有限公司）。

1.2 設備

缺氧高溫改性處理窯（星楠干燥設備有限公司，型號：SX-4-10）；數顯恒溫水浴鍋（金壇市富華儀器有限公司）；循環水式多用真空泵（鄭州長城科工貿有限公司，型號：SHB—B95）；高速多功能粉碎機（永康市哈瑞工貿有限公司，型號：LEP-1000A）；電熱恒溫鼓風干燥箱（上海新苗醫療器械制造有限公司，型號：DHG-903385-Ⅲ）；精密推臺鋸（順德區新馬木工機械設備有限公司）；容量150 mL索氏抽提器（福州泰美實驗儀器有限公司）。

1.3 試驗方法

采用真空-加壓浸漬處理方法，首先將試件烘干至恒重，稱重記為M1。常溫下，將浸漬罐抽真空至-0.09 MPa，保壓0.5 h；然后通過負壓的方式，分別導入2.3、2.8、3.3 三種不同模數的硅酸鈉溶液，通過加壓泵，分別在不同壓力(1.2、1.5、1.8 MPa)和時間(0.5、1.0、1.5 h)條件下進行加壓處理，每組6 個試樣，取出，擦去試件表面的殘留試劑；接著在溫度為（103±2）℃下干燥2 h，再在160 ℃度下干燥30 min，取出稱重記為M2，精確到0.01 g。增重率計算公式如下：

式中：M1為浸注前質量，g；M2為浸注干燥后質量，g；W為增重率，%。記錄增重率并根據增重效果選取增重率分別為20%、50%、80%的試塊進行成分含量測定。

依據GB/T 2677.10—1995[16]《造紙原料綜纖維素含量的測定》、GB/T 744—2004《紙漿抗堿性的測定》和GB/T 2677.8—1994[17]《造紙原料酸不溶木素含量的測定》分別測定改性楊木中的綜纖維素、α-纖維素和木質素含量。

2 結果與分析

2.1 改性處理對楊木主要成分含量的影響

由表1、2 可知不同模數硅酸鈉改性處理對楊木綜纖維素、α-纖維素和木質素含量的影響。其中，模數為2.8，增重率為80%時對綜纖維素含量影響最大。對α-纖維素含量、木質素含量影響最大的模數分別為3.3、2.3，增重率同樣為80%。增重率的相關性值（R）均大于模數，可得出影響楊木主要成分含量的主要因素為增重率，其次為模數。硅酸鈉改性處理楊木導致綜纖維素，α-纖維素和木質素含量的降低，可能是由于硅酸鈉的堿性對楊木細胞壁的組分產生了降解[15]。

表1 改性處理對楊木主要成分含量的影響Tab.1 Effect of modification on the content of main components in poplar

表2 改性處理對楊木主要成分含量影響的極差分析Tab.2 Range analysis of the effect of modification on the content of main components in poplar

2.2 硅酸鈉模數與增重率對改性楊木主要成分含量的影響

2.2.1 相同模數硅酸鈉、不同增重率對改性楊木主要成分含量的影響

由圖1 可見，綜纖維素、α-纖維素和木質素，三者均隨著增重率的增加而降低。因楊木內部孔隙被浸注固化的硅酸鈉溶液填充[18-19]，使楊木的三個主要組成成分下降。對比同模數下硅酸鈉處理材的主要成分變化可知，隨增重率增加，模數為2.3 的硅酸鈉處理材木質素含量相對減少最多；而模數為2.8 的硅酸鈉處理材綜纖維素含量相對減少最多；模數為3.3 的硅酸鈉處理材的α-纖維素含量相對減少最多。浸漬液模數為2.3 時，隨增重率的增加，硅酸鈉處理材的綜纖維素和α-纖維素的含量相對減少較少，分別為5.72%和5.96%；木質素含量相對減少最多為6.13%。浸漬液模數為2.8 時，隨增重率的增加，硅酸鈉處理材的綜纖維素含量相對減少最多，為11.64%；α-纖維素和木質素的含量分別減少7.56%和3.77%。浸漬液模數為3.3時，隨著增重率的增加，硅酸鈉處理材的綜纖維素含量變化，接近模數為2.8的硅酸鈉處理材，減少10.34%；α-纖維素含量相對減少較多，為9%；木質素含量相對減少最少，為3.12%。

圖1 相同模數硅酸鈉、不同增重率對改性楊木主要成分含量的影響Fig.1 Effect of sodium silicate with the same modulus and different weight gain rate on the content of main components in modified poplar

2.2.2 相同增重率、不同模數硅酸鈉對改性楊木主要成分含量的影響

由圖2 可知，增重率越高，硅酸鈉處理材的綜纖維素、α-纖維素和木質素含量越低。增重率為20%時，模數為3.3 的硅酸鈉處理材綜纖維素含量最高，接近未處理材；而模數為2.8 的硅酸鈉處理材木質素含量最高，接近未處理材；隨浸漬液模數增加，α-纖維素含量相對減少最少，僅減少2.16%。增重率為50%時，綜纖維素和木質素含量的變化分別為先減后增和先增后減；不同模數對綜纖維素和木質素的含量影響較大；模數分別為2.3、3.3 的兩種硅酸鈉處理材木質素含量相近。增重率為80%時，模數為2.8 的硅酸鈉處理材的綜纖維素含量最少為60.78%，隨模數增加，α-纖維素含量相對減少最多，減少5.2%。三大素成分的減少可能是由于低模數硅酸鈉中，硅酸鈉溶液內的膠粒和真溶液含量較低，氧化硅的含量相對較少[20]；高模數硅酸鈉中，分子體積大，大分子容易堵塞[21-22]，且模數高的硅酸鈉中，低聚態結構向架狀結構轉變時，自由水體積分數增多[23-24]，進一步增強了水解反應[25]。

圖2 相同增重率、不同模數硅酸鈉對改性楊木主要成分含量的影響 Fig.2 Effect of sodium silicate with the same weight gain rate and different modulus on the content of main components in modified poplar

3 結論

以三種不同模數的硅酸鈉水溶液浸漬改性處理速生楊，探討改性處理對楊木主要成分含量的影響，得出以下結論：

1) 對楊木改性材成分的主要影響因素為增重率，次要影響因素為硅酸鈉模數。

2) 硅酸鈉模數相同時，改性楊木的綜纖維素、α-纖維素、木質素含量均隨著增重率的增加而減少。

3） 增重率相同時，隨著硅酸鈉模數的增加，增重率為20%改性楊木的綜纖維素含量增加，50%和80%的綜纖維素含量先減少后增加，α-纖維素含量減少，木質素含量先增加后減少。硅酸鈉模數的增加會增強其在楊木內部的水解反應，且檢測方法中酸的使用量可能對實驗結果產生影響。