微納米液體改性劑處理木材的滲透規(guī)律

功能改進(jìn)藥物（以下簡稱改進(jìn)劑）的滲透處理是縮短木材使用壽命，擴(kuò)大木材的使用范圍，提高木材使用價(jià)值的有效手段。溶液型的改性劑粒徑小,大多可以忽略不計(jì),通常在木材中的滲透性優(yōu)良;但是這類藥劑改性木材中的有效成分易流失,不利于長期使用,流失出的成分對環(huán)境也會(huì)造成負(fù)面影響。隨著納米技術(shù)和膠體化學(xué)的發(fā)展,木材改性劑由傳統(tǒng)的溶液型向微納米粒徑的膠體型過渡,即微納米液體改性劑。所謂微納米液體改性劑,是指借助表面活性劑和相應(yīng)助劑,經(jīng)一定工藝制成的粒徑在微納米數(shù)量級(jí)的穩(wěn)定的乳液或微乳液(包括懸浮液)。改性劑在木材中的滲透與木材自身的構(gòu)造密切相關(guān)。不同針葉樹材的液體滲透性差異巨大,甚至同一屬或同一種木材也存在很大差別,如不同產(chǎn)地的歐洲赤松(Pinussylvestris)木材有的滲透性較差,但有的容易滲透以往木材滲透性的研究多局限于溶液型防腐劑或其他改性劑、水溶性染液和水的滲透,側(cè)重于探討木材滲透性的影響因素和木材滲透性的改善方法本研究以不同粒徑和濃度的硅溶膠為液體改性劑,在常壓狀態(tài)下對歐洲赤松和火炬松(Pinustaeda)進(jìn)行浸漬處理,研究其滲透性,為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。1材料和方法1.1硅溶膠的濃度和粒徑歐洲赤松和火炬松平均氣干密度分別為0.63和0.58g/cm2種平均粒徑分別為30、150nm的硅溶膠,濃度為30%(以坩堝燒至恒質(zhì)量,二氧化硅的質(zhì)量計(jì)),pH值為10,購自山東新百特材料公司。將30%硅溶膠稀釋得到5%、15%的硅溶膠,備用。在浸漬處理前對試樣進(jìn)行分組編號(hào),試驗(yàn)中每個(gè)樹種均采用2種不同粒徑的硅溶膠在3種濃度下進(jìn)行浸漬,共計(jì)12組試樣。每組取8個(gè)重復(fù)試樣,共計(jì)96個(gè)試樣。歐洲赤松記為S,火炬松記為L;30、150nm粒徑硅溶膠分別記為30和150。如:S30-5%表示用30nm、5%的硅溶膠對歐洲赤松進(jìn)行處理。1.2添加0.5%硅溶膠從干燥箱中取出包覆好的絕干試樣,在大氣中調(diào)節(jié)至平衡,即氣干狀態(tài),含水率約為10%。將2組歐洲赤松和火炬松試樣放置在同一容器中,放入浸漬罐,抽真空并保持30min后,在負(fù)壓下將相應(yīng)粒徑和濃度的硅溶膠導(dǎo)入。取出2組試樣所在容器,在大氣條件下常壓浸漬24h,每隔一定時(shí)間將試樣取出并測定和記錄濕質(zhì)量,達(dá)到24h后取出試樣,用塑料膜包住以減少液體損失,稱質(zhì)量,質(zhì)量記為m1.3去除鋁箔紙內(nèi)纖維,測試試樣的分級(jí)將浸漬后的S-30-15%、L-30-15%2組試樣的鋁箔紙和膠層去除,把試樣平均分成5段,從沒有涂膠和包覆鋁箔紙的一端依次編號(hào)1~5。每組試樣中取5組試件,用粉碎機(jī)將試件1~5分別粉碎,相同編號(hào)的木粉混合,共10種木粉。每種木粉分別取5g,按LY/T1253—1999式中:W1.4噴金處理試驗(yàn)試件1~5中每一個(gè)遠(yuǎn)離滲透入口的端面為待觀測面,切出微小平整的小試件,進(jìn)行噴金處理。將小試件粘在試樣臺(tái)上,從電鏡圖中選擇1個(gè)完整合適的細(xì)胞,對其中的Si元素進(jìn)行掃描電鏡-X射線能譜儀(SEM-EDXA)掃描,保存圖像及硅元素的原子百分比結(jié)果。2結(jié)果與分析2.1火炬松、赤松的特性從圖1可以看出:浸漬初期吸液率增加速率高于浸漬后期,而30nm硅溶膠處理木材的變化趨勢更為明顯。對2種粒徑的硅溶膠而言,在較低濃度下歐洲赤松的吸液率均高于火炬松。歐洲赤松和火炬松均為松科松屬的樹種,兩者在很多構(gòu)造特征方面比較相似,但是歐洲赤松的交叉場紋孔為窗格狀,而火炬松為松木型。交叉場紋孔的尺寸在液體的橫向滲透方面有明顯的作用由表1可知:1)粒徑對24h吸液率的影響非常顯著。一般來說,24h內(nèi)30nm硅溶膠的吸液率都要高于150nm硅溶膠。說明粒徑越小,滲透越容易。Uphill等2.2硅溶膠粒徑和濃度對24h增重率的影響與吸液率相比,增重率中去除了水分的影響,能更好地反映硅溶膠及其助劑在木材內(nèi)的滲透和沉積情況。由表2可知:增重率與吸液率在趨勢上并不完全一致。小粒徑硅溶膠處理木材的24h增重率比大粒徑高,說明粒徑小的硅溶膠更易在木材內(nèi)沉積。在低濃度條件下,150nm粒徑硅溶膠處理木材24h吸液率雖然高于30nm粒徑硅溶膠,即隨著浸漬時(shí)間的延長,部分閉塞紋孔回復(fù),紋孔塞緣的附著物溶出,給150nm硅溶膠提供了更多的滲透通道;但是因?yàn)?50nm粒徑硅溶膠在滲透過程中易堵塞紋孔口或紋孔膜上的小孔,不能進(jìn)一步滲透而進(jìn)入細(xì)胞腔或木材更深處,因此150nm粒徑硅溶膠處理木材24h增重率小于30nm粒徑硅溶膠。硅溶膠濃度越高,24h增重率卻越高。這是因?yàn)楦邼舛裙枞苣z雖然在木材中滲透性較差,但由于自身濃度高,硅溶膠的實(shí)際進(jìn)入量也較高。低濃度下(5%、15%),歐洲赤松的24h增重率高于火炬松(這與24h吸液率相同);但30%硅溶膠處理火炬松的24h增重率反而大于歐洲赤松(這與24h吸液率結(jié)果相反)。Thomas2.3SiO以30nm、15%的硅溶膠浸漬2種樹種木材的數(shù)據(jù)為例,比較處理材中SiO從圖2可以看出:2種樹種中SiO2.4硅溶膠進(jìn)入木材壁的分布從圖3、4可以看出:2樹種木材的細(xì)胞壁中均明顯檢測到硅元素,說明硅溶膠進(jìn)入了木材細(xì)胞壁中。硅元素在細(xì)胞壁中的分布并不均勻,有的沉積在細(xì)胞壁內(nèi)表面。由SEM-EDXA面掃描得出的試件1~5木材細(xì)胞壁中硅元素的原子百分比(見表3),說明SiO3微納米液體改性劑在木材中的