闫文涛 孙耀星 庞久寅 元正龙

(北华大学，吉林，132013) (吉林省蛟河林业实验区管理局)

责任编辑:戴芳天。

木材的防护处理是以提高木材的防腐性能、阻燃性能或尺寸稳定性等为目的，通过对木材进行物理加工或化学加工来改变或改良木材原有性质的方法。在科学研究和行业生产中，将防护性药剂浸注到木材内一定深度，便能达到相应的功能指标要求，该法被证明是行之有效的木材改性方法［1－6］。药剂浸注方法包括常压法和加压法两类，常压法是在大气压下操作，包括浸泡、喷淋、涂刷等方法，主要用于防护期短、防护性要求不高的场合［7－9］;加压法是使用压力容器将药剂压注到木材内一定深度［10－12］，该方法虽然药剂浸注深、防护性高，但操作繁琐、工艺复杂、生产效率低，因使用压力容器而存在安全隐患。

辊压浸注法是一种高效率的木材改性剂注入方法。在改性剂液面下，木材板材在压缩变形—变形回复的瞬间，因负压吸液效应和纹孔膜破裂特征的协同作用将改性剂注入其中［13－16］。以往研究表明，辊压法能够实现防腐剂对木材板材的浸注处理，并使木材具有相应的防腐性能［17－18］;因机械压辊的压缩作用，处理材的力学性能会有所降低，降低的幅度与压缩率呈正相关［19－20］;在压缩率受到限制的情况下，增加压缩次数就成为提高药剂浸注量(载药量)的重要选择。本研究以大青杨为试材，辊压浸注DDAC 和ACQ 两种水溶性防腐剂，探讨辊压压缩次数对处理材的防腐性能和主要力学指标的影响。

1 材料与方法

1.1 材料及设备

实验试材树种为大青杨(Populus ussuriensis Kom.)，采自吉林省上营森林经营局正阳林场，树龄30～35 a，原木长6 000 mm，直径400～600 mm，锯制为标准的径切板和弦切板，同一块板材内材性相近、无节疤、纹理均匀通直，板材尺寸800 mm(长)×250 mm(宽)×20 mm(高)。

木材防腐剂:DDAC(二癸基二甲基氯化铵)，ACQ(按m(CuO)∶ m(DDAC)=2∶ 1 复配，溶剂为乙醇胺)，质量分数0.5%、1.0%和1.5%。

接种试菌:采绒革盖菌［Coriolus vcrsioolor (Fr.)Cooke］。

辊压机(上辊为主动辊，转速16 r/min，下辊为从动辊，压辊直径250 mm);微机控制电子式木材万能力学试验机(WDW －100E);压力—真空处理罐，250 mm(直径)×400 mm(高);电热干燥箱(DHG －9075A);电子天平(精度0.001 g);恒温恒湿箱(Climacell404)。

1.2 研究方法

压缩率根据不同的研究内容设定，防腐性能测试为10%和30%，力学性能测试为10%、20% 和30%;压缩方向为径向和弦向，即对弦切板施行径向压缩，对径切板施行弦向压缩(见图1);压缩次数:1、3、5 次，在同一压缩率下的多次压缩，在上次压缩结束后，迅速进行下一次辊压。

图1 试件年轮与辊压压缩方向示意图

沿每块径切板和弦切板的长度方向横向锯为两块试材，一块用于未处理材试件的制作，另一块用于辊压处理材的试件制作;辊压处理后，来源于同一块板材的未处理材和辊压处理材按照锯开以前的位置摆放在一起，作为一块板材进行防腐性能和力学性能测试试件的对应制作。力学强度检测仅测试辊压压缩方向，即对径向压缩的木材，测量径向的力学强度，对弦向压缩的木材，测量弦向的力学强度。

将待辊压浸注防腐剂的大青杨板材先行饱水处理;饱水处理的方法是将试材放入压力—真空处理罐中，经过抽真空(真空度0.098 MPa，20 min)—注水—加压—保压(压力4 MPa，25 min)—卸压，取出罐中试材，常温常压下在清水中浸泡24 h 以上，至其达到饱水状态(含水率150%～170%)。

辊压处理后的试材经过气干与对应的未处理材在室温条件下存放30 d 后，根据木材力学试验方法国家标准和木材耐久性试验方法国家标准［21］，进行各种力学强度和防腐性能试件的加工制作、含水率调整和测试。

木材横纹抗拉强度的测试根据有关文献［22］，采用两个等腰梯形短边相连的形状，纹理方向与长边平行;对径切板(弦向压缩)，顺纹抗剪强度和横纹抗拉强度测试的破坏面均为弦切面，对弦切板(径向压缩)，破坏面均为径切面。

2 结果与分析

2.1 载药量

使用DDAC(质量分数0.5%、1.0%和1.5%)和ACQ(质量分数同DDAC)两种水溶性木材防腐剂对大青杨径切板和弦切板进行2 个压缩方向(弦向和径向)、2 种压缩率(10%和30%)和每一种压缩率下3 种压缩次数(1 次、3 次和5 次)的辊压浸注防腐剂处理，并对被防腐剂浸注处理板材的载药量进行了测试，结果见表1。

表1 辊压浸注防腐剂的载药量

可知，使用辊压法能够实现木材板材对水溶性防腐剂的浸注，浸注量(载药量)与辊压浸注工艺相关。当压缩率为10%，浸注DDAC 防腐剂时，质量分数0.5%达到的载药量为2.710～4.213 kg·m－3，质量分数1.0%达到的载药量为5.336～7.934 kg·m－3，质量分数1.5%达到的载药量为7.816～9.991 kg·m－3;浸注ACQ 防腐剂时，质量分数0.5%达到的载药量为2.594～3.991 kg·m－3，质量分数1.0%达到的载药量为4.877～6.098 kg·m－3，质量分数1.5%达到的载药量7.103～8.820 kg·m－3。当压缩率为30%，浸注DDAC 防腐剂时，质量分数0.5%达到的载药量为4.457～6.293 kg·m－3，质量分数1.0%达到的载药量为8.743～9.841 kg·m－3，质量分数1.5%达到的载药量为11.254～15.423 kg·m－3;浸注ACQ 防腐剂时，质量分数0.5%达到的载药量为4.197～5.930 kg·m－3，质量分数1.0%达到的载药量为7.891～8.826 kg·m－3，质量分数1.5%达到的载药量为10.405～13.338 kg·m－3。由此，载药量与防腐剂质量分数和压缩率呈正相关关系。

在同一辊压工艺条件下，DDAC 的载药量高于ACQ，如弦向压缩、压缩率10%、辊压1 次、质量分数1.0%时，DDAC 的载药量为6.214 kg·m－3，ACQ为5.006 kg·m－3;同样，载药量也因压缩方向而异，弦向压缩径切板材的载药量大于径向压缩的弦切板材，如辊压浸注质量分数1.5%的ACQ 防腐剂，在压缩率10%、压缩次数为5 次时，弦向压缩的载药量为8.820 kg·m－3，径向压缩的为8.135 kg·m－3。这是因为由薄壁细胞组成的大青杨木材的木射线更多地暴露在径切板材的表面，在压辊机械力的作用下更易吸附和浸注防腐剂。

在相同辊压浸注工艺条件下，防腐处理材的载药量随着辊压压缩次数的增加而增大，如径向压缩(压缩率10%)辊压浸注质量分数1.0%的DDAC防腐剂，辊压1、3、5 次对应的载药量分别是5.336、6.417、6.822 kg·m－3;同时，辊压3 次与1 次相比，载药量的增加值大于辊压5 次与3 次的差值，如弦向压缩(压缩率30%)辊压浸注质量分数1.0%的ACQ 防腐剂，辊压3 次与1 次相比，载药量的增加量为0.792 kg·m－3，而辊压5 次与3 次相比，增加量仅为0.079 kg·m－3，随着辊压次数的增加，载药量增加的幅度逐渐减小。

根据国家林业行业标准LY/T 1636—2005《防腐木材的使用分类和要求》中对于载药量的规定，在本研究中，使用DDAC 或ACQ 防腐剂，当质量分数高于1.0%，压缩率为10%的防腐处理材即能达到C3 类(载药量4.0 kg/m3，用于户外环境中使用，不接触土壤，避免长期浸泡在水中，能有效抵抗蛀虫、白蚁、木腐菌的侵蚀)的要求。

2.2 质量损失率

对使用DDAC 和ACQ 两种木材防腐剂辊压浸注后的大青杨木材、未处理材依据GB/T 13942.1—92 进行实验室防腐性能检测，计算质量损失率，实验结果见表2。可知，经过辊压浸注防腐剂DDAC 和ACQ 处理木材的质量损失率均小于未处理材，处理材具有了不同程度的防腐能力，质量损失率的大小与辊压浸注工艺相关。忽略压缩方向的影响，当压缩率10%，浸注DDAC 防腐剂，质量分数0.5%时，试材的质量损失率为24.18%～19.82%;质量分数1.0%时，试材的质量损失率为21.22%～17.22%，质量分数1.5%时，试材的质量损失率为19.16%～16.72%;浸注ACQ 防腐剂，质量分数为0.5%、1.0%和1.5%时，对应的试材的质量损失率分别为22.27%～16.93%、20.78%～15.44%和17.70%～13.81%。当压缩率为30%，浸注DDAC 防腐剂时，上述3 种质量分数对应的试材的质量损失率分别是23.12%～17.30%、20.75%～16.08%和17.60%～14.37%;浸注ACQ 防腐剂时，3 种质量分数对应的试材的质量损失率依次是20.97%～16.93%、18.79%～11.08% 和15.36%～10.01%。可见，质量损失率随着防腐剂质量分数和压缩率的增大而减小，与二者呈负相关。

表2 辊压浸注防腐剂的木材质量损失率

对照表2和表1可知，在同一辊压浸注工艺条件下，DDAC 的载药量高于ACQ，而质量损失率却大于后者，如压缩率10%、弦向压缩5 次时，DDAC 的载药量为4.213 kg·m－3、质量损失率为19.82%，ACQ 的载药量为3.991 kg·m－3、质量损失率为16.93%，说明ACQ 比DDAC 具有更强的抵御采绒革盖菌侵蚀的能力。

在相同辊压浸注工艺条件下，防腐处理材的质量损失率随着辊压压缩次数的增加而减小，如弦向压缩(压缩率30%)辊压浸注质量分数1.0% 的ACQ 防腐剂，辊压1、3 和5 次对应的质量损失率分别是16.33%、13.35%和11.08%;同时，辊压3 次与1 次相比，质量损失率的变化值大于辊压5 次与3 次的差值，如径向压缩(压缩率30%)辊压浸注质量分数1.0%的DDAC 防腐剂，辊压3 次与1 次相比，质量损失率的变化值为1.26%，而辊压5 次与3次相比，变化值为0.28%，随着辊压次数的增加，质量损失率变小的幅度逐渐收窄。

对照GB/T 13942.1—92《木材天然耐久性试验方法、木材天然耐腐性实验室试验方法》中耐腐等级评定标准，使用质量分数1.0%以上的DDAC 防腐剂或质量分数0.5%以上的ACQ 防腐剂辊压浸注处理木材，处理材的耐腐等级即能达到耐腐级别(质量损失率11%～24%)以上。

2.3 压缩次数对力学性质变异的影响

对大青杨的径切板和弦切板进行两个压缩方向(弦向和径向)、3 种压缩率(10%、20%和30%)和每一种压缩率下3 种压缩次数(1 次、3 次和5 次)的辊压压缩处理，通过对未处理材和辊压处理材抗弯强度等7 种力学指标数值的测试，以处理材的力学强度值减去未处理材对应强度的差值占未处理材强度的百分比，定义为强度变化率，作为分析和研究辊压处理因压缩次数致木材力学强度变异的指标。测试与计算结果见表3。

表3 辊压次数对大青杨木材力学性质的影响

可知，忽略仅有的几个为正值的数据，绝大多数力学强度变化率为负值，可见因辊压压缩处理，木材7 种力学强度值与未处理材相比，均有所下降。在低压缩率和1 次压缩的情况下，存在处理木材个别力学强度指标略有增大的情况，如压缩率10%、径向压缩1 次时，顺纹抗压强度增大了2.391%，硬度增大了2.360%;压缩率20%、弦向压缩1 次时，顺纹抗压强度增大了0.499%、硬度增大了0.742%，但增大的数值很小，且当辊压次数增加至3 次时，7 种力学强度变化率均为负值，力学强度下降特征明显。7 种力学强度中，抗弯强度变化率为2.254%～－20.037%，抗弯弹性模量变化率1.457%～－18.343%，冲击韧性变化率－0.178%～－22.741%，顺纹抗压强度变化率2.391%～－5.509%，顺纹抗剪强度变化率－2.071%～－15.908%，横纹抗拉强度变化率－0.217%～－15.527%，硬度变化率2.360%～－12.084%。

随着压缩次数的增加，7 种力学强度变化率均有进一步减小的趋势，木材的力学损失继续增大，但力学损失下降的幅度逐渐收窄。弦向压缩、压缩率20%，压缩次数由1 次增加到3 次时，抗弯强度变化率的差值为4.873%;压缩次数由3 次增加到5 次，强度变化率的差值为2.110%。径向压缩、压缩率30%，压缩次数由1 次增加到3 次时，抗弯弹性模量变化率的差值为2.459%;压缩次数由3 次增加到5次，强度变化率的差值为1.653%。径向压缩、压缩率10%，压缩次数由1 次增加到3 次时，硬度变化率的差值为7.272%;压缩次数由3 次增加到5 次，硬度变化率的差值为1.143%。

在所测试的7 种木材力学强度指标中，受辊压压缩的影响，力学变异性最小的是顺纹抗压强度，当压缩次数增至为5 次，弦向压缩、压缩率30%时的强度变化率为－5.509%，力学损失小于6%。力学变异最大的是冲击韧性，在压缩率30%、弦向压缩、压缩5 次的情况下，大青杨木材弦向的冲击韧性损失达到22.741%。

从表3中数据可知，因辊压压缩处理致大青杨木材力学变异，在仅测试压缩方向力学强度的前提下，弦向压缩引起的力学损失大于径向压缩;如冲击韧性，压缩率20%、压缩次数5 次，弦向压缩致弦向的强度变化率为－18.213%，径向压缩致径向的强度变化率为－15.328%，力学损失增加2.885%;如顺纹抗剪强度，压缩率30%、压缩次数5 次，弦向压缩的强度变化率为－15.908%，径向压缩的强度变化率为－11.278%，力学损失增加4.630%。

3 结论

辊压浸注法能够实现水溶性防腐剂对大青杨板材的浸注处理，防腐剂浸注量(载药量)与辊压工艺中防腐剂质量分数、压缩率呈正相关;同时，随着辊压压缩次数的增加，防腐剂的载药量增大，辊压浸注DDAC(质量分数1.5%)5 次的载药量达到15.423 kg·m－3;辊压3 次与1 次相比，载药量的增加值大于辊压5 次与3 次的差值，载药量增加的幅度逐渐减小。

经过辊压浸注防腐剂处理的大青杨木材，防腐性能主要指标即质量损失率均小于未处理材，处理材的防腐性能明显提高;处理材的质量损失率与防腐剂质量分数、压缩率呈负相关;随着辊压压缩次数的增加，质量损失率呈减小趋势，减小的幅度逐渐收窄，辊压浸注ACQ(质量分数1.5%)5 次的质量损失率达到10.01%。

经过辊压处理的大青杨木材7 种力学性能指标均有所降低，力学性能变异最小的是顺纹抗压强度，最大的是冲击韧性，当压缩次数为5 次时，二者的力学损失分别为5.509%和22.741%;随着辊压压缩次数的增加，处理材的力学损失增大，但增大的幅度逐渐减小。

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