木材学-【木材的尺寸稳定性】

木材力学性质亦存在着各向异性。木材大多数细胞轴向排列，仅少量木射线径向排列。木材为中空的管状细胞组成，其各个方向施加外力，木材破坏时产生的极限应力不同。例如顺纹抗拉强度可达120.0-150.0Mpa，而横纹抗拉强度仅3.0-6.0Mpa(C-H,H-O)，这主要与其组成分子的价键不同所致。轴向纤维素链状分子是以C-C、 C-O键连接，而横向纤维素链状分子是以C-H、H-O连接，二者价键的能量差异很大。

木材的尺寸稳定性：

木材属多孔性材料，大的孔隙如细胞腔和纹孔等，小的如微纤丝间隙，而且木材中又含有许多亲水基团，使得水分很容易渗透到木材内部，且与木材中某些成分以化学键或氢键形式结合，引起纤丝的润胀，从而使木材尺寸发生变化，即木材的干绍湿胀性能。

更重要的是，木材为各向异性材料，各方向上随木材含水率变化而不均匀胀绍，易产生翘曲、变形、开裂等缺陷，极大地制约了木材的应用范围。因此，改善木材的尺寸稳定性对木材的高效利用具有重要的意义。

木材的胀缩归根到底是由于水分渗到微纤丝间，增加纤丝间的缝隙，进而影响木材尺寸的变化，而在一定条件下微纤丝间隙的增加是有限度的。如果在其充分润胀的条件下，向这些间隙内境人某种物质，限制其在水分降低时回复到原来状态，即可达到稳定尺寸的目的。但木材中只有吸着水才能引起木材尺寸的变化，这部分水和木材是以化学键和氢键形式结合的，如果将木材中的亲水基团(主要指一OH)除去或减少，由此降低木材的吸水率，也能增加木材尺寸的稳定性。

根据处理方法及效果，美国的Stamm A J把木材尺寸稳定性处理的方法大致分为五类： (1)用交叉层压的方法进行机械抑制，如胶合板生产中的单板按纹理交叉方向组坯就是利用这一原理。 (2)防水涂料的内部或外部涂饰，主要有油漆涂刷、石蜡等有机防水剂的浸渍处理。 (3)减少木材吸湿性，包括木材中极性物质的抽提或用树脂浸渍处理木材等。 (4)对木材细胞组分进行化学交联，现绝大多数化学处理都是应用此原理。 (5)用化学药品预先使细胞壁增容，包括树脂浸渍，向木材中浸入不溶性无机盐，将酸、醇

等浸入木材后进行酯化反应等。

在实际应用中，经常是同时采用几种方法或是一种方法也能起到多种作用。随着科技的进步，木材的尺寸稳定处理还有更新颖方法，如对木材进行金属化或陶瓷化处理，不但增加了木材的尺寸稳定性，还能增加许多其它优良性能。

1 添加僧水剂 向木材中添加一定量的防水剂(憎水剂)，如石蜡、干性油、蜂蜡、硅油或亚麻仁油等。这种处理方法操作简单，价格便宜，防水率可达75％一90％，抗胀缩率(A3互)达70％一85％。主要用于刨花板或纤维板生产，将此防水剂以乳液的形式喷人碎料或纤维表面，加入量为1．0％一2．5％。处理后的板材表面活性有所下降，胶合性能和制品的力学性能赂有降低。

2 油漆处理 对实木或板材进行油漆处理是使其防湿的行之有效的方法。用油漆将木材表面覆盖，可阻塞水分通往木材内部的通道。通常采用硝基漆、氨基醇酸树脂等合成树脂漆对木材进行多次反复涂刷，这样既达到防湿目的，同时也起到美化木制品的效果。但这种方法是非永久性的，板材表面一旦遭到破坏，防水效果就会下降。在油漆表面用石蜡或烯烃类树脂膜覆盖，可达到更好的效果。

3 树蹭漫演处理 将低分子量的酚醛树脂(PF)、腺醛树脂(UF)、三聚氰胺树脂(MF)、聚乙酸酯(PC)等树脂浸入木材内部，加热使其在木材内部缩聚成不溶物，境塞于纤丝间隙、纹孔以及细胞腔内，使纤丝间隙充分胀大，同时阻碍水分进入木材，达到稳定尺寸的目的。处理后木材的A3互随树脂的留存量(尸L)的增加而增加。而且，固化后的树脂沉积于细胞壁内部，能对细胞起到加强作用，因此，经此法处理的木材力学强度会增加很多(可达50％)，但韧性有所下降。

例如，以20％浓度的PF浸渍木材，当尸人为46％一49％时A3互为70％。以低分子量MF(摩尔比为1；2．5—3)浸渍木材，处理后A3互达47％，抗吸湿能力(A4五亿)可达36％，且材色无明显变化。 用PC树脂浸渍木材，处理后木材A3互达80％以上，平衡含水率很低(仅3．1％)，而且此法处理木材内应力小，力学性能增加，材质结构均匀，表面光洁。 采用真空加压的方法，用PVAc(5％)十MF(50％)浸渍木材，不但处理后木材尺寸稳定和色差小，还具有一定韧性。

4 酸、醇漫演处理 将低分子的有机酸及醇的混合液浸入木材，在一定条件下使其在木材内部发生酯化反应，生成高分子不溶物填充于木材微纤丝间隙，使木材充胀，同时有机酸还能部分地与木材中一OH反应，提高木材尺寸稳定性，减少木材吸水性。例如：顺丁烯二酸(M)和丙三醇(G)的混合液(M／G＝3：1)浸入木材，在一定条件下处理后木材的尸L＝23％一30％，A3互达40％左右，同时还能提高其抗湿性。但此法处理木材有刺激性气味，还易引起木材的轻微水解，力学性能也有所下降，所以很少使用。

5 聚乙二日(PEG)漫演处理 用低分子量(M＝1000—4000)的PEG水溶液浸渍木材，使木材充分润胀，干燥后PEG以蜡状留存于细胞壁，使细胞壁处于膨胀状态，从而提高了木材尺寸稳定性。如用PEG浸渍处理木材7d，A3互达60％，处理后的木材不仅耐磨性和韧性增加，而且还具防腐、阻燃效果。

6 极性物质抽提 木材中相当部分的水分是与木材中的极性基团(一OH)或极性物质结合的，将木材中极性物质抽出可降低木材的吸水率，从而提高尺寸稳定性，但该法易使木材中半纤维素部分水解，使其力学性能下降，还引起材色的碱变色(变暗)。如用1．0％NaHCO：溶液抽提兴安落叶松可使心边材的A3互分别达到44．6％和62．8％(心边材中抽出物含量不同)。

7 加热处理 热作用下可使木材中一OH相互结合脱出水分子而形成新的化学键，减少了木材中的极性基一OH，降低木材的吸水率，提高尺寸稳定性，干燥处理后会产生吸湿滞后现象也即此原因。但在高热作用下，木材会因部分热解而引起强度下降。

8 乙醚化处理 乙酰化处理是学术界研究最热门的课题之一，其原理是用乙酰基(CH：CO一)置换木材中的经基(一OH)，进而减少木材中的亲水基，起到降低木材吸水率的作用。而且乙酰基的导人，可产生酯化反应的不溶物境人微纤丝间隙形成充胀效应，从而达到稳定木材尺寸的目的。通常的方法是用乙酷刑(如乙酸酐、乙酰氯、硫化醋酸等)在催化剂(如毗唉、高氯酸镁等)的作用下，在一定条件下处理木材数小时后干燥，可使尸上达25％，43互达70％，同时M置互也显著增加。用该法处理的木材尺寸稳定性好，耐腐性增强，纤维制品延展性低，制品表面乎整，密度均匀，无毒性，而且木材本身强度不会下降，目前在国外已进入应用阶段。

9 异氰酸蘸处理 异氰酸酯基易与木材中经基反应，使木材中亲水基(主要是一OH)减少，从而达到稳定尺寸的目的。其原理为：WOOD—OH 十 R—N＝C＝O—WOOD—O—CO—NH—R 常用的药剂有：甲苯异氰酸酯(TDl)、4，4—二苯基甲烷二异氰酸酯(MDl)等。可用液相法或气相法处理，留存串随含水率增加而下降。处理后木材尺寸稳定性好且持久，强度增加，但韧性赂有所下降，如尸人为30％时，4▲g互达70％。但此处理法所需原料价格高，且有剧毒，必须有严格的操作技术、设备和作业条件，所以其应用亦受到一定限制。

10 甲醛处理 甲醛在强酸或无机盐的催化作用下，可与木材中的一OH发生交联反应，形成亚甲基化合物，从而减少木材与水分的结合机会，达到稳定尺寸的目的。用该法处理木材，甲醛留存量小，尺寸稳定性好，而且在高含水串条件下木材的强度比未处理材大得多。但由于要采用强酸催化，会使木材在酸和水的作用下部分水解，力学强度有所下降，而且甲醛具毒性，处理不当会污染环境，在实际应用中还有一定的局限性。如用丹宁、蔗糖或聚乙二醇对木材进行前期处理后，用HCL催化、在‘＝95℃条件下，甲醛处理木材2h后，甲醛留存串为2％一4％，43互达60％一70％。

11 金属化及陶瓷化处理 用低熔点金属或陶瓷材料注入木材细胞，限制木材的胀缩性，从而增强木材的尺寸稳定性，同时可大大增加木材的强度。其实，此法处理后所得到的是一种复合材料，具有许多优良性能，这也是目前科研的热门之一。如用合金(其中锁50％、铅31．2％、锡18．8％，熔点97℃)在130—150℃条件下浸注木材20—60min，可大大提高木材的尺寸稳定性。

总之，木材的尺寸稳定性处理的方法很多，具体应用时应结合木材的使用场合、技术成本、原料来源及成本、处理工艺、环境要求、处理材材性等要求来选择最佳的处理方案。目前，木材稳定性处理在的应用主要用于制作模具、浴池、轴承等特殊场合。

防止木材变形的几种方法

木材的干缩与湿胀，以及由于各向尺寸变化不一致而引起的翘曲变形，是木材利用中的一大缺陷，为了提高木材尺寸的稳定性，防止木材变形的发生，一般可采用如下方法处理：

一、用交义层压法进行机械抑制

实际上是将木材加工成胶合板或集成材，通过胶粘剂的作用，防止了变形的发生。

二、用防水涂料进行内部或外部的涂饰

经过良好的外部涂饰处理的木材，可以形成一个完整的外表面涂层，因而大大减少木材吸收水分的速率，得到相当好的阻湿效果。应该指出，外部涂饰处理材的尺寸稳定性，只是暂时的，如果较长时间放置在相对湿度高的环境中，或者放置在相对湿度急剧变化的环境中，或是露天存放，其阻湿率都大幅度下降。而内部涂饰，由于涂料的浸渍，而形成一个内部因而具有一定的尺寸稳定性，但以涂饰处理的防水、防湿机理来看，复盖木材内部微观表面比复盖外部表面的效果要差，因内部表面积比外部表面积大得多，要使全部内表面形成完整的涂层是困难的，所以，内部涂饰处理材的尺寸稳定性还不如外部涂饰处理材。

三、用化学药品充胀木材细胞壁

所谓充胀处理就是用化学药品充填到细胞壁中，并使细胞壁处于胀大状态，而干燥后木材并不干缩到原来的尺寸，从而得到与木材的纤维素、半纤维素和木素等发生酯化反应，使疏水性的乙酰基取代亲水性羟基，使木材分子上的游离羟基减少而降低吸湿性，从而提高其体积稳定性。经乙酰化处理的各种木材，既保持其美观的天然效果，又不失木材的原色，且对含有树脂的木材具有脱脂作用，有利于改善木材的油漆涂饰性能，改善了木材的稳定性。

通过以上的几种方法可以减少木材变形的发生。

（1）、是烘干木材，使其水分控制在与当地平均空气湿度相适应的水平，减少空气与木材中水分的过多交换，保持一种相对的平衡，木材就不易开裂变形，国家规定木材的含水率在8%-12%之间，就是为了有效的控制木材的变形和开裂问题。

（2）、是在木材表面进行封闭处理，隔绝木材与空气的干湿度交换，要使木材里外的干湿度一致，从而保持木材的稳定性，达到控制木材变形开裂的目的。

木材内部干湿度不一致必然会导致成品家具变形或开裂，木材在经过一般的烘干后，一定要经过几个月乃至半年以上的时间放置，使木材内部的干湿度在经过充分的交换后与空气中的干湿度一致，这样的木材做成的楼梯才有了第一层保障，然而，空气中的干湿度变化对木制楼梯仍然产生着不能忽视的影响，刷涂油漆就是使楼梯材质不变形的第二道保障。

根据研究，木蜡油在控制木材开裂变形上有着独特的机理，首先，它的组成材料是纯天然植物油和蜜蜂蜂蜡组成，环保性能毋容置疑；其次，木蜡油的渗透性特强，柔韧性好，可以渗透到木质纤维的内部，干燥后与木材纤维组织结为一体，不存在脆裂和剥落现象，在木材表面形成一道天然屏障，可以有效阻止大气中的干湿度与木材的水分交换，使木材成为一个相对稳定封闭的状态，有效的防止了木制品的开裂变形；第三，木蜡油的成份是油和蜡，这两种成份都能有效地阻止水分子的入侵，对保护木材有着极好的作用。