何嘯宇， 孔繁旭， 王艷偉*， 邵海龍， 黃榮鳳， 張子谷

(1.久盛地板有限公司，浙江 湖州 313009；2.中國林業(yè)科學研究院木材工業(yè)研究所，北京 100091)

木材是一種應用范圍廣、易于開發(fā)利用的天然材料，但受自身物理力學性質的影響，某些生產條件下需要對其進行一定程度軟化。木材進行軟化處理后，可塑性得到提升，硬度減小，加工難度有效降低，使木材加工破壞的可能性降低，最終有利于改善木制品質量。木材軟化技術目前廣泛應用于曲木家具生產，壓縮木、木皮、木單板、木纖維制造等多個工藝環(huán)節(jié)，已成為木材加工工業(yè)中一種重要的改性處理技術?；诖?，本文從木材軟化技術的基本原理、木材軟化技術的分類及其在生產中的應用等3個方面出發(fā)，論述現階段我國木材軟化技術的研究進展，展望其發(fā)展方向，以期為該領域研究人員提供參考。

1 木材軟化技術基本原理

木材軟化技術是一類采取一定物理或化學方法使木材內部無定型高聚物發(fā)生玻璃化轉變、使之彈性模量迅速下降、實現提高木材塑性的一種木材改性技術。中國古代已有大量關于木材軟化技術應用的文字記錄，戰(zhàn)國《易·系辭》記載：“神農氏作，斫木為耜，煣木為耒”，即中國古達木匠通過火焙軟化木材以制造曲木農具——耒。目前農村仍在利用火焙方法軟化木材以制造木叉等農具。但上述方法僅可用于軟質木材而無法用于高強度硬木。1840年，德國人索耐特利用蒸汽軟化法開發(fā)出成熟的曲木家具生產工藝以及對應的曲木產品——索耐特14號椅，硬質木材的軟化處理自此才開始了工業(yè)化進程，而蒸汽軟化處理木材的方法也一直沿用到今天[1-2]。索乃特14號椅如圖1所示。

圖1 索乃特14號椅

木材軟化技術與木材結構關聯(lián)密切。木材是一種以定向排列的纖維物質為骨架，通過聚合物粘合而形成介于毛細管多孔體和膠體之間的生物質復合材料[3]，主要化學成分為纖維素、半纖維素以及木質素。木材物理性能與三者交互作用關系密切。纖維素與木質素抑制了木材塑性與柔韌性，前者的結晶區(qū)促使木材韌性下降、強度上升；后者作為結構復雜的大分子化合物，提供著較高的剛性，同時木質素與其他成分之間可形成較強的化學鍵[4-5]。上述作用使木材在常溫下形成一個不易產生塑性變形的穩(wěn)定整體。

材料的塑性形變在微觀角度上是材料分子相對位置錯移的結果[6]，因此木材軟化可從增加材料分子間距、提高材料分子可活動空間，減小材料組分錯移時的阻力等途徑實現。半纖維素與木質素作為典型的非結晶態(tài)無定型高聚物，可在高溫作用下轉變?yōu)槿犴g性較好的高彈態(tài)。同時纖維素的非結晶部分和半纖維素以及木質素均對水分等極性分子有很強的親和性，當采用水熱處理時，水分將進入半纖維素與木質素分子間間隙，使分子間距增加，導致其玻璃化轉變溫度會明顯下降。纖維素是D-葡萄糖通過縮聚反應形成具有結晶區(qū)的鏈狀高分子化合物，性能由其結晶態(tài)以及細纖維結構共同決定[7-8]；一般情況下，水分無法進入纖維素的結晶區(qū)，但液氨和胺能進入結晶區(qū)內并引起微纖絲溶脹，增大其分子間距，實現塑化木材。

無論是采用水、液氨、胺或是其他極性氣體或液體，本質在于提高木材分子鏈之間的間距，降低分子間結合力，使木材彈性模量變小，使其更容易在高溫環(huán)境中發(fā)生分子間錯移。液氨、胺等含氮類化合物一定程度上也可以破壞結晶區(qū)位置的氫鍵，相對水而言有更好的木材軟化效果。綜上可知，木材軟化技術的核心包含以下幾點：①增大木材纖維之間的間距；②降低木材的結晶度；③將木材中大分子組分從玻璃態(tài)轉變?yōu)楦邚棏B(tài)；④破壞木質素-纖維素的部分化學鍵[9]。

2 木材軟化技術分類

木材軟化技術按照處理方法分為物理軟化與化學軟化方法，若對上述兩類方法進行進一步的劃分，可分為水熱處理、堿處理、氨處理等。下面分類概述木材不同的軟化處理方法。

2.1 物理軟化方法

2.1.1 傳統(tǒng)水熱處理方法

水熱處理是木材軟化的最常用方法，通過控制木材溫度與其內部水分含量以提高木材的塑性，具有流程簡單、設備成本低等優(yōu)勢。含水率是木材軟化過程中的重要工藝參數，MATHEUS[10]等人發(fā)現木材長時浸水處理可使其纖維素非結晶區(qū)、半纖維素以及木質素溶脹，從而擴大木材微纖絲之間間距、提高其塑性[11-12]。后續(xù)有大量實驗人員針對木材含水率與木材軟化效果的相關性進行了實驗分析，研究發(fā)現：當木材的含水率處于纖維飽和點以下時，木材軟化效果與其正相關；但超過纖維飽和點時，木材軟化后其內部自由水不僅使干燥能耗成本增加，還會在變形固定時產生靜壓致使其纖維受損[13-14]，故而在現有的生產工藝中，待軟化木材的含水率多被調節(jié)在纖維飽和點附近。

此外，溫度也是影響木材軟化效果的重要因素。GORING D A I研究表明，木材中纖維素、半纖維素以及木質素的玻璃化轉變溫度分別為231～253 ℃、167～217 ℃、134～235 ℃。其中半纖維素與木質素經水分子溶脹后，其轉變溫度可降低50 ℃以上，適當的溫度條件即可使高含水率木材中的半纖維素、木質素由玻璃態(tài)轉變?yōu)楦邚棏B(tài)，促使木材塑性上升[15-16]；雖然纖維素由于結晶區(qū)存在其轉變溫度不易受水分影響[17]，但高溫會促使其及半纖維素、木質素部分化學鍵斷裂，這也有利于改善木材塑性[18]。

2.1.2 新式水熱處理方法

傳統(tǒng)水熱木材軟化處理多以液態(tài)水或飽和蒸汽為加熱介質；現如今微波、高頻等多種新式加熱方法也被用于木材軟化處理。微波加熱法是一類利用極性電介質在微波形成的高頻率電場中將發(fā)生極化，極化分子將跟隨電磁場的變化而反復運動并在克服分子間作用的阻礙時產生大量熱量，實現從內部加熱木材的加熱方式[19]。而高頻加熱法則是將待處理木材置于高頻電容的極板之間，木材內部分子在兩極板產生交變電場的作用下反復極化，分子間發(fā)生強烈摩擦產生熱能，從而使木材加熱軟化[20]。由于微波及高頻加熱軟化具有速度快、加熱均勻、受木材厚度影響小的優(yōu)勢，受到了較大的關注[21-22]。如2005年，Sandberg D與Johansson J針對櫸木的高頻軟化彎曲進行了研究，并設計了相應的彎曲工藝及相關彎曲設備[23]；2010年，Barbara Ozarska與Georgiana Daian針對澳大利亞常見的八種人工林木材(光亮桉、柳桉、紅柳桉、雜色桉、輻射松、山毛櫸、香皮檫、黑木金合歡)的微波彎曲性能進行了評估，并確定了其彎曲的最小半徑[24]。但是這類新式水熱處理方法與傳統(tǒng)的水熱處理方法相比，存在設備成本、能耗高等問題，某種程度上阻礙了該技術的廣泛應用。

水熱-微波聯(lián)合處理工藝可在一定程度上緩解新式水熱處理方式能耗大的問題，其將水熱處理與微波處理進行聯(lián)合，先利用水熱處理提升木材溫度并降低木材組分的玻璃化轉變溫度，其后利用微波處理快速提升木材芯層的溫度，消除木材內部溫度梯度。目前，宋魁彥、李堅等人針對水曲柳的水熱-微波軟化彎曲工藝進行了系統(tǒng)性的研究[25-27]。王云龍、王憲等人研究與構建了基于木材密度、水熱溫度、水熱處理時間、微波功率以及微波照射時間的水熱-微波聯(lián)合軟化處理木材模型[28]。

2.2 化學軟化方法

2.2.1 堿處理

堿處理是一種利用堿性溶液軟化木材的方法。中野隆人[29]等發(fā)現堿液可使木材半纖維素成分溶出，促使木材纖絲傾角增大，當木材變形時纖絲將存在一定的空間以恢復傾角，木材塑性增加；另有其他研究認為堿處理一方面會促使纖維素發(fā)生絲光化(Mercerization)，使纖維素間距增大，進而發(fā)生纖維素的溶脹溶解[30]，另一方面，堿性環(huán)境將導致木材半纖維素發(fā)生“剝皮反應”、促進纖維素與半纖維素間氫鍵以及半纖維素與木質素之間的酯鍵被破壞[31-32]，進而提高木材松弛性能與塑性。

2.2.2 氨處理

傳統(tǒng)的氨處理是一種以氨類(氨氣、氨水或者液氨)為軟化劑，通過熏蒸或浸泡等方法對木材進行處理，最終使木材軟化的方法。木材軟化效果與氨類軟化劑對木材纖維的溶脹效果有關，木材的溶脹效果與溶劑的氫鍵值成正相關，與溶劑分子尺寸成負相關。氨與水分子大小相似，但氨的成氫鍵能力遠大于水，故而氨對木材的溶脹作用遠大于水[33]。氨作用于木材時，可斷開羥基間的氫鍵，代以OH…N或NH…O類型的氫鍵，并可進入纖維素結晶區(qū)，使大分子可以在受到拉伸或壓縮時流動，增加了木材的塑性[34-35]。氨類不僅可以快速軟化木材，并具有易與木材分離、處理前后木材物理性質差異小等特性，因此氨類是一類優(yōu)異的木材軟化劑[36]；但氨類可以與木材中的部分羰基、芳香族、羥基發(fā)生反應，部分材種木材可能發(fā)生材色劣化現象[37-38]。

除傳統(tǒng)的氨類處理軟化木材方法外，研究人員針對傳統(tǒng)氨類處理方法的缺陷進行了研究與改良嘗試。2013年，李艷等[39-40]針對傳統(tǒng)氨類軟化處理時間長、安全性差的問題，研究超臨界狀態(tài)氨水軟化處理楊木單板。超臨界流體粘度小、密度大，具有更好的傳質能力、滲透能力和平衡能力。結果表明經超臨界氨水處理后，楊木單板彎曲性能相比傳統(tǒng)的氨類軟化效果佳，藥劑處理時間也更短；但該方法需采用高壓設備以維持氨水的超臨界流體狀態(tài)，工藝成本較高。2019年，耿一豪[41]針對傳統(tǒng)化學軟化處理方法會造成水源污染的問題，研究了碳酸銨/碳酸氫銨浸漬軟化水曲柳、山毛櫸所制家居材的可能性，實驗結果表明通過碳酸銨/碳酸氫銨可有效提升木材軟化彎曲質量。

除堿與氨類外，木材還可被其他化學溶劑塑化。尿素軟化原理與氨處理類似，但關于尿素軟化木材的研究仍較少，該類藥劑多用于竹材與灌木的軟化[42-44]；此外，如1′3-雙羥甲基脲、二甲基亞砜[45]、酶[46]等，這些化學溶劑多與其他藥劑復配，并協(xié)同加熱處理，以實現高效軟化木材。

3 木材軟化技術應用

木材軟化處理主要作用在于為木材后續(xù)加工提供可行性與便利性，諸如硬度下降、最小彎曲半徑減小、塑性增加等特性可提高其加工性能。下面主要在木質原料制備、木材壓縮及木材彎曲3個方面，分別論述木材軟化處理在不同木材加工領域的應用情況。

3.1 木質原料制備

木材軟化技術用于木單板、木皮、木纖維等木質原料制備工藝中，一方面可以降低加工難度，減少刀具磨損；另一方面軟化后木材最小彎曲半徑下降，避免或減小單板(或木皮、木纖維)制備中因其變形發(fā)生破壞。木材切削彎曲開裂現象如圖2所示，木材刨切制備單板或木皮時，所制單板在前刀面的擠壓作用下可能會發(fā)生折斷與撕裂，最終在宏觀上表現為單板/木皮背面開裂、表面粗糙等現象，軟化可以在一定程度上減少所制單板/木皮上述問題出現的可能性[47]；而在木纖維制備過程中，木片原料經高溫高濕作用充分軟化，可以減少其纖維形態(tài)在熱磨中的破壞[48]、降低木材纖維之間的作用力、減少分離木材纖維所需的動力消耗[49]。

圖2 木材切削彎曲開裂現象

此外，應用于木材切削的實時軟化技術研究成果顯著。水熱軟化處理可以減少開裂現象，但在木材切削過程中因其逐漸冷卻將出現塑性下降，故而可保證軟化溫度的實時軟化技術備受關注。2010年，曹平祥[50]等設計制造含熱油加熱回路的高溫刀具，研究高溫刀具實時加熱軟化木材方法。結果表明，該方法使單板背面裂隙度下降20%以上；2017年，徐煜智[51]等對比木材經冷水浸泡、冷水浸泡/實時噴蒸、水煮軟化以及水煮軟化/實時噴蒸等4種方法軟化后所制單板的質量。結果表明，實時噴蒸可以有效提高木材塑性，降低單板表面粗糙度和背面裂隙度。

3.2 木材壓縮

目前，與木材軟化處理工藝相關的木材壓縮技術主要有兩類：①木材橫紋密實化壓縮；②木材模壓塑形。木材橫紋密實化壓縮是一種木材軟化后對其橫紋方向進行密實化壓縮的處理方法。該方法可以有效提高木材密度、強度等物理性能，常被用于強化速生材。木材橫紋密實化壓縮進一步可分為木材整體壓縮和層狀(如表層、芯層)壓縮。針對前者整體壓縮技術的軟化處理方法已較為完善，近年來相關研究較少；而后者屬于近年來研究較多的一種新型技術，黃榮鳳團隊利用浸水-預熱蒸發(fā)的模式控制木材的含水率分布，進而實現壓縮位置、厚度可控的木材水熱軟化壓縮工藝，完成了體系化的層狀壓縮技術研究。具體而言，2012年，王艷偉[52]研究浸水處理時間對毛白楊含水率的影響，以及預熱時間對毛白楊軟化壓縮層位置的影響；2014年，夏捷[53]分析浸水過程中水分在毛白楊板材厚度方向上的移動速度，對比放置與預熱處理時長對木材含水率分布的影響，提出利用浸水-放置-預熱工藝控制高含水率的軟化部分所在位置的方法；2015年，高志強[54]等以毛白楊弦切板為材料，進行水熱控制軟化壓縮的表層壓縮厚度的可控性研究；2019年，高志強[55]研究預熱處理過程中木材內部溫度和含水率分布規(guī)律，構建木材軟化-壓縮過程內部含水率與溫度分布數學模型，為毛白楊板材的軟化位置與厚度可控提供參考，李任[56]探究了預熱軟化溫度所制毛白楊層狀壓縮木的顏色及其回彈率之間的關系，為毛白楊外觀控制以及穩(wěn)定性控制提供了參考。層狀壓縮木如圖3所示。

圖3 層狀壓縮木[57]

木材模壓塑形則是一種木材軟化后通過帶有紋理的模具對其壓縮，使木材表面產生花紋、快速美化木材的處理方法[58]。早在1992年，杜浩[59]等研究了通過水熱軟化處理實現木材壓花裝飾件的快速模壓制備工藝，確定了溫度、壓力、含水率以及熱壓時間對六種不同樹種所制的壓花裝飾件的影響。但是目前關于木材模壓塑形的其他相關研究較少，也無相關明確的研究體系形成。

3.3 木材彎曲

傳統(tǒng)彎曲木多通過一定數目的曲形件拼接而成，結構形態(tài)如圖4(a)所示。該方法存在加工時間長、難度大以及浪費多等問題。木材軟化、彎曲工藝可有效解決上述問題。經軟化的木材在彎曲狀態(tài)時，內側細胞壁微纖維因壓力而滑移，使細胞壁褶皺；外側細胞壁則因拉力形成展皺，從而獲得較小彎曲半徑[60]，使木材直接彎曲成型工藝成為可能，直接彎曲成型如圖4(b)所示。

圖4 曲木家具部件制造示意圖

木材順紋軟化壓縮預處理技術可使其細胞壁產生一定程度的褶皺，減小木材最小彎曲半徑，從而降低了木材在彎曲加工中受到破壞的可能性，突破傳統(tǒng)木材彎曲中存在的彎曲半徑大、僅可進行單面彎曲的缺陷，使曲木家具的外觀與造型可以更加復雜多變[61]。這種處理方式最早由丹麥科研機構嘗試應用，目前國內針對榆木、水曲柳等少數樹種的彎曲特性有跟進研究[62]，現已取得一定成果，但相關工業(yè)化應用仍處于空缺狀態(tài)。

近年來針對柚木木材的彎曲性能研究較多，特別是柚木人工速生林的軟化彎曲工藝。邱堅等人針對柚木(人工林與天然林)彎曲加工的軟化處理工藝方面有貢獻，研究內容概括有：①對人工林以及天然林柚木在內的五種木材進行真空浸漬-水熱-微波軟化處理實驗，構建基于木材密度、水熱溫度，水熱時間、微波功率以及微波時間等5種因素的軟化工藝模型[63]；②對比真空浸漬氨水與水熱處理對人工林柚木的軟化作用，分析軟化后柚木的化學成分以及彎曲性能，得出氨水對柚木軟化效果更優(yōu)的結論[64]；③通過響應面法構建模型，研究氨復配堿液軟化劑對柚木的軟化處理效果。結果表明，氨復配堿液相對氨水或水熱處理彎曲性能與軟化效果更好[65]，結合專利檢索結果[66-68]分析可知，相關制造廠家也有著手開發(fā)各類復配木材軟化藥劑，以實現低能耗、高效率、低污染的木材軟化，但目前相關機理及其體系化論述較少。允帥的研究對象與上文類似，其同樣以人工林柚木為研究對象，利用飽和蒸汽為熱源，研究水熱軟化人工林柚木彎曲工藝。結果表明，在水熱軟化人工林柚木時，材料厚度和溫度對軟化效果有顯著影響[69]。

4 結語

木材軟化技術是壓縮木、單板、曲木家具制造中一種行之有效的預處理技術，發(fā)展前景好；但具體到不同處理方法中仍有一些不足。結合前文所述，筆者認為：①整體上木材軟化處理效果評價方法不統(tǒng)一、無相關標準性文件，雖有建議以國標硬度評價其效果，但仍未推廣[70-73]；未來可以考慮以原料種類、尺寸、用途及其采用的軟化方法為基準，兼顧測定的準確性與測定速度，制定一套相關評價標準；②雖然復合型木材軟化藥劑已有相關專利產品，但是與之相關深入機理研究較少，對復合型木材軟化藥劑產品開發(fā)改良方向的本質依據不夠，加大力度對其基礎理論研究仍十分必要，并要將藥劑環(huán)保性作為重要考量因素；③目前水熱處理仍是生產中最普遍使用的木材軟化方法，從工藝角度進一步優(yōu)化處理效果、降低能耗，制定科學的、合理的、規(guī)范的不同產地樹種木材的軟化工藝模型，仍需在實踐中進行歸納總結。