宋麗琴，姬富強(qiáng)，孫建平*

(1.廣西大學(xué) 資源環(huán)境與材料學(xué)院，廣西 南寧 530000；2.廣西森工集團(tuán)股份有限公司，廣西 南寧 530000)

木材作為4大基礎(chǔ)材料(水泥、鋼鐵、塑料、木材)之一，被廣泛應(yīng)用于建筑、家具制造和制漿造紙等行業(yè)[1-2]。這是因?yàn)橄啾扔阡撹F、合金類材料，木材具有質(zhì)地輕、環(huán)保、可再生、節(jié)約能源和可循環(huán)利用等優(yōu)點(diǎn)，相比于聚合物和仿生復(fù)合材料，木材具有制造工藝簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)[3]。我國(guó)是一個(gè)木材資源極度稀缺的國(guó)家，加之人們對(duì)于木材的需求量日益增多，導(dǎo)致木材的供需矛盾亦進(jìn)一步加劇[4]。為了緩解木材供需矛盾，合理開發(fā)利用資源豐富的速生材來(lái)減緩天然材的消耗是有效的解決方法。速生材一般在幼年時(shí)砍伐，所以幼齡材所占比例較大，其半纖維素和木素含量高。因此多數(shù)材質(zhì)疏松、易開裂變形、不耐腐朽和使用壽命短[5-6]，所以在制作家具以及其他木材制品時(shí)難以進(jìn)行高精度加工，在建筑行業(yè)中速生材的強(qiáng)度、硬度也難以滿足相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求[7]。

近幾年，高性能材料不斷增長(zhǎng)的需求引起了人們對(duì)木材改性技術(shù)的興趣，通過(guò)木材改性可為速生材的充分利用開辟更廣闊的領(lǐng)域，同時(shí)也可為我國(guó)木材原料利用轉(zhuǎn)向以速生材為主提供保證[8]。眾所周知，木材的強(qiáng)度與密度呈正相關(guān)，可以通過(guò)提高速生材密度來(lái)改善木材的強(qiáng)度，目前常用的改性途徑主要有2種(圖1)：一種是通過(guò)外力對(duì)經(jīng)過(guò)軟化預(yù)處理的木材細(xì)胞腔或者細(xì)胞間隙進(jìn)行擠壓致密木材；另一種是通過(guò)有機(jī)或無(wú)機(jī)組分浸漬填充木材的細(xì)胞腔或者細(xì)胞間隙致密木材[9-10]。本研究針對(duì)壓縮密實(shí)木材的研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，并在此基礎(chǔ)上分析壓縮密實(shí)木材改性技術(shù)的研究趨勢(shì)。

圖1 密實(shí)木材改性技術(shù)[9]Fig.1 Modification technologies of dense wood[9]

1 木材壓縮密實(shí)改性技術(shù)研究現(xiàn)狀

美國(guó)以及德國(guó)在20世紀(jì)30年代就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)壓縮密實(shí)木材在軍用工業(yè)中的優(yōu)良應(yīng)用[11]；之后蘇聯(lián)、日本和印度等國(guó)也開始著手對(duì)木材壓縮密實(shí)工藝進(jìn)行研究，提出加熱壓縮、蒸煮壓縮、高溫加壓方式制備密實(shí)山毛櫸(Faguslongipetiolata)和樺木(Betula)，并利用壓縮密實(shí)木材制造織布梭[12]；20世紀(jì)50年代末和60年代初我國(guó)也研究出煤礦用的壓縮木錨桿和木梭[13]。20世紀(jì)90年代后，為提高速生材利用率，木材壓縮密實(shí)改性技術(shù)備受學(xué)業(yè)界以及工業(yè)界的關(guān)注[14]，進(jìn)行了大量的關(guān)于理論和應(yīng)用的研究，目前木材壓縮密實(shí)改性技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，并形成了完備的技術(shù)體系[15]。壓縮密實(shí)改性木材技術(shù)一般包括預(yù)處理、熱壓密實(shí)、后期固定3個(gè)階段[16]，這3個(gè)階段相對(duì)獨(dú)立又相互影響。

1.1 預(yù)處理

在干燥狀態(tài)下即使很小的力對(duì)木材進(jìn)行壓縮也會(huì)導(dǎo)致木材細(xì)胞壁破壞，因此對(duì)木材進(jìn)行熱壓密實(shí)前需要對(duì)木材進(jìn)行預(yù)處理，使木材充分軟化、塑性增強(qiáng)。目前常用的預(yù)處理方法有水煮、高溫蒸汽、微波加熱、浸漬及化學(xué)藥劑脫木素等，每種預(yù)處理方法工藝不同，對(duì)壓縮密實(shí)后木材性能的影響也存在一定差異[17]。

1.1.1 水煮預(yù)處理 從表1可以看出，隨著含水率的增加，濕潤(rùn)狀態(tài)下木材組分的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度降低，其中木素和半纖維的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度下降明顯，而纖維素下降不明顯。因此，水煮預(yù)處理的原理是在熱量和水的共同作用下，部分半纖維素和木質(zhì)素會(huì)發(fā)生一定的降解呈黏流態(tài)，半纖維素的“黏結(jié)”作用削弱，使得纖維素、半纖維素和木質(zhì)素之間部分失去聯(lián)結(jié)，加大分子鏈之間的距離，為分子提供足夠運(yùn)動(dòng)空間增大木材的塑性，從而使木材軟化[18]。國(guó)內(nèi)吳海超[19]和國(guó)外A.Pertuzzatti等[20]的研究結(jié)果均證實(shí)了水煮預(yù)處理能顯著增大木材的塑性，使得木材易于壓縮。

表1 木材細(xì)胞壁主要成分的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度[14]Table 1 Vitrificable changing temperature of main component in wood cell wall[14] ℃

對(duì)于不同樹種來(lái)說(shuō)，最佳水煮預(yù)處理軟化條件取決于木材的結(jié)構(gòu)以及組分含量之間的差別。張帝樹等[21]認(rèn)為白樺(Betulaplatyphylla)在80 ℃，保溫時(shí)長(zhǎng)為2.5～3 h軟化效果最好，此時(shí)白樺塑性最佳，壓縮效果好；而楊木(Populustomentosa)的最佳軟化條件是60 ℃，保溫時(shí)長(zhǎng)為3 h。但王茜等[22]將楊木試材在80 ℃下分別水煮預(yù)處理0.5、1、1.5、2 h，水煮后的試材在熱壓溫度140 ℃和保壓時(shí)間10 min的條件下進(jìn)行橫紋徑向壓縮處理，壓縮完成后立即浸泡在冷水中進(jìn)行回復(fù)處理，得出水煮軟化1 h的回復(fù)率最低，僅針對(duì)回復(fù)率而言，楊木的最佳水煮預(yù)處理?xiàng)l件是80 ℃和1 h。因此，針對(duì)不同樹種其最佳水煮軟化條件不同。

另外，水煮處理尺寸較厚的木材，耗時(shí)長(zhǎng)、尺寸穩(wěn)定性差，為了解決以上問(wèn)題陳瑞英等[23-24]通過(guò)試驗(yàn)研究蒸煮工序加入軟化添加劑CH(文獻(xiàn)作者自配的軟化添加劑)制備壓縮密實(shí)化杉木(Cunninghamialanceolata)以及楊木，得出添加適量的軟化劑預(yù)處理后的壓縮密實(shí)化杉木木材回復(fù)率減小，其寬度吸濕率和厚度吸濕率分別降低了117%和203%；添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的CH溶液蒸煮軟化楊木密實(shí)化效果好，處理材回復(fù)率明顯降低，厚度吸濕率為2.1%，與未添加CH水煮處理對(duì)比分別降低50%。因此添加CH能夠顯著提高圧縮材的尺寸穩(wěn)定性，而且壓縮后的楊木提高了原木材表面平整度和光澤度，克服了楊木易青變的缺陷。

1.1.2 高溫蒸汽預(yù)處理 高溫蒸汽預(yù)處理的原理與水煮預(yù)處理相似，即在高溫高濕環(huán)境中，木材中的部分半纖維素易降解，而纖維素非結(jié)晶區(qū)分子鏈上的羥基容易和水形成氫鍵，使得纖維素之間的間距增大，相互之間引力降低，在壓力作用下，容易產(chǎn)生位移，在宏觀環(huán)境中則表現(xiàn)為木材的塑形提高，容易被壓縮而不會(huì)破壞其細(xì)胞壁。研究發(fā)現(xiàn)，提高高溫蒸汽預(yù)處理溫度能顯著提高壓縮密實(shí)木材的尺寸穩(wěn)定性，如C.H.Fang等[25]利用該高溫蒸汽噴射熱壓機(jī)對(duì)楊木單板進(jìn)行致密化，蒸汽預(yù)處理溫度分別為140、160、180、200、220 ℃，然后在4.5～9.0 MPa的壓力下，從初始厚度壓縮至目標(biāo)厚度。結(jié)果表明隨著預(yù)處理溫度的增加致密化單板的吸濕性明顯降低，且致密后的單板布氏硬度提高2～3倍，拉伸和彎曲強(qiáng)度也顯著提高。另外致密單板顯示出良好的外觀產(chǎn)品潛力，可用于工程木地板、樓梯臺(tái)階和桌面等。

與處理溫度一樣，高溫蒸汽預(yù)處理時(shí)間對(duì)壓縮密實(shí)木材的力學(xué)性能和尺寸穩(wěn)定性有一定的影響，如魏新莉等[26]研究發(fā)現(xiàn)，在130 ℃的汽蒸溫度下，汽蒸軟化時(shí)間控制在60 min以內(nèi)對(duì)熱壓密實(shí)化楊木的物理力學(xué)性能較好；如果汽蒸軟化時(shí)間超過(guò)60 min，熱壓密實(shí)化楊木的力學(xué)性能指標(biāo)都有明顯降低。趙鐘聲等[27]研究發(fā)現(xiàn)，日本柳杉(Cryptomeriajaponica)、日本厚樸(Magnoliahypoleuca)、中國(guó)產(chǎn)大青楊(Populuscathayana)、落葉松(Larixgmelinii)和杉木5種木材在200 ℃的水蒸氣溫度下進(jìn)行壓縮處理5～60 min后，壓縮木材試件都隨著水蒸氣處理時(shí)間的增加而壓縮變形恢復(fù)率減少。因此，在適宜的蒸汽預(yù)處理時(shí)間范圍內(nèi)，能顯著提高壓縮材的性能，一旦超過(guò)范圍，性能可能會(huì)出現(xiàn)降低的趨勢(shì)。

高溫蒸汽預(yù)處理中常用的一種處理工藝是粘彈性熱壓(簡(jiǎn)稱VTC)改性工藝。VTC工藝是一種使用蒸汽、熱量和機(jī)械壓縮處理木材，壓縮過(guò)程中不會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞壁破裂且會(huì)增加木材的強(qiáng)度和硬度[28]，通過(guò)該工藝制備的壓縮木稱為VTC處理材[29]。VTC處理材表面具有疏水性能，尺寸穩(wěn)定性高，具有良好的生物耐腐性[30]，是一種極具發(fā)展前景的制備壓縮密實(shí)木材工藝技術(shù)。

1.1.3 微波加熱預(yù)處理 微波加熱預(yù)處理木材是20世紀(jì)80年代研究和開發(fā)的一種新型工藝，微波加熱是在微波場(chǎng)作用下使極性分子如水及有關(guān)的官能團(tuán)(如羥基)等，產(chǎn)生擺動(dòng)，摩擦生熱的過(guò)程[31-32]。與傳統(tǒng)的水熱預(yù)處理(水煮預(yù)處理和高溫蒸汽預(yù)處理)相比，微波加熱預(yù)處理有如下優(yōu)點(diǎn)：第一，水熱預(yù)處理軟化木材耗時(shí)較長(zhǎng)且加熱不均勻，而微波加熱來(lái)自木材內(nèi)部，可達(dá)到里外一起加熱的目的，且升溫迅速，可縮短軟化時(shí)間；第二，微波加熱預(yù)處理過(guò)程中溫度可控性強(qiáng)，使得木材能在最佳工藝條件下進(jìn)行軟化處理[33]。

90年代初，M.Inoue等[34]將干燥的日本柳杉鋸材的表層浸泡在水中，當(dāng)水滲透到一定量以后，用微波輻射加熱使表層軟化，然后放置在熱壓機(jī)上壓縮、壓密、干燥定型得到表面壓密的木材?？芙嫉萚35]對(duì)楊木采用水煮、冷凍、微波3種方式預(yù)處理后再進(jìn)行壓縮密實(shí)化，結(jié)果表明微波加熱軟化處理材壓縮后吸水厚度膨脹率平均值為84.4%，回復(fù)率平均值為72.0%，低于其他2種軟化處理方法，證明微波預(yù)處理對(duì)壓縮處理?xiàng)钅境叽绶€(wěn)定性有改善。這是由于木材中的水分在高強(qiáng)度微波的輻射下作取向運(yùn)動(dòng)，相互摩擦產(chǎn)生熱量，使水分汽化，迅速增大的蒸汽壓強(qiáng)能瞬間沖破木材結(jié)構(gòu)中最薄弱的部位(木材細(xì)胞壁上紋孔膜等)[36]。在此過(guò)程中木材中大量水分被蒸發(fā)，從而使試樣含水率降低易于壓縮，因此木材的吸濕膨脹率及回彈率較小。J.D?mény等[37]發(fā)現(xiàn)微波增塑山毛櫸木材進(jìn)行壓縮致密后的木材密度增加，剖面密度在整個(gè)橫截面上分布均勻，徑向和切向的致密試樣恢復(fù)率分別為13%和2%；且從微觀結(jié)構(gòu)圖可以看出微波塑化以及隨后的致密化沒(méi)有任何細(xì)胞壁破裂，證明微波加熱是山毛櫸軟化的一個(gè)有效途徑。

水煮結(jié)合微波預(yù)處理可以通過(guò)水的作用增大木材細(xì)胞壁內(nèi)自由體積的空間，利用微波加熱提高分子熱運(yùn)動(dòng)的能量，還可以破壞纖維素和半纖維素鏈分子間的氫鍵以及木質(zhì)素與碳水化合物之間的連接鍵，使木質(zhì)素本身產(chǎn)生熱軟化的作用，利于植物纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的疏松，從而增大木材細(xì)胞壁內(nèi)自由體積的空間，提高軟化性能。如宋魁彥等[38]對(duì)榆木(Ulmusrubra)試樣進(jìn)行水煮處理，然后在輸出功率600 W的微波條件下對(duì)其處理260、280、300 s后進(jìn)行壓縮密實(shí)化木材，結(jié)果表明處理時(shí)間為280 s時(shí)順紋壓縮率最大。采用同樣方法對(duì)水曲柳(Fraxinusmandshurica)木材進(jìn)行預(yù)處理，微波處理時(shí)間分別為320、350、380 s，發(fā)現(xiàn)微波軟化處理時(shí)間350 s時(shí)軟化效果最好[39]。

1.1.4 浸漬預(yù)處理 浸漬預(yù)處理一般選用低分子量樹脂或非甲醛化交聯(lián)體浸漬木材，由于樹脂或非甲醛化交聯(lián)體固化在木材細(xì)胞腔、細(xì)胞間隙以及細(xì)胞壁微纖絲中，會(huì)抑制木材細(xì)胞壁微纖絲的回彈，使樹脂浸漬處理后的壓縮木材具有很高的穩(wěn)定性[40-41]。研究發(fā)現(xiàn)，樹脂浸漬預(yù)處理的濃度是影響圧縮材尺寸穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，如提高酚醛樹脂水溶液浸漬預(yù)處理濃度對(duì)降低泡桐(Paulownia)壓縮木材的回彈率具有一定促進(jìn)作用，10%的酚醛樹脂水溶液濃度具有理想的結(jié)果[42]；10%的低分子量三聚氰胺甲醛樹脂(MF)處理?xiàng)钅竞鬅釅?，壓縮試樣在室溫條件下浸水可完全保持其壓縮變形，17.5%和25%的樹脂處理的壓縮楊木在沸水中仍可保持其壓縮變形[43]。

樹脂浸漬預(yù)處理后不僅能提高壓縮木材的尺寸穩(wěn)定性，還會(huì)影響壓縮木材的力學(xué)性能。隨著酚醛樹脂處理濃度的增加，壓縮木材的順紋抗壓強(qiáng)度、表面硬度和耐磨性均有不同程度的提高[44]。劉艷萍等[45]采用改性三聚氰胺樹脂處理?xiàng)钅緣嚎s密實(shí)化后，處理材順紋抗壓強(qiáng)度大幅度提高，比未處理的楊木素材平均提高201.44%，彈性模量增加量也較大，比未處理材平均提高138.13%，靜曲強(qiáng)度比未處理材平均提高63.64%[45]。柴宇博等[46]研究發(fā)現(xiàn)，楊木熱壓密實(shí)前經(jīng)過(guò)乙酸酐酯化處理或三聚氰胺改性脲醛樹脂(MUF)浸漬預(yù)處理，其各項(xiàng)力學(xué)性能均得到大幅提高，且三聚氰胺改性脲醛樹脂相比于乙酸酐酯浸漬后提升力學(xué)性能的效果好，可使楊木密度從0.39 g/cm3提高到0.76 g/cm3，表面硬度、彈性模量和抗彎強(qiáng)度分別提高192%、196%和142%。

但是，使用含有甲醛和苯酚的樹脂可能會(huì)引發(fā)潛在的環(huán)境問(wèn)題[47]，研究開發(fā)以多元羧酸類化合物為酯化劑、無(wú)機(jī)鹽類為催化劑的交聯(lián)劑是一類新型的水溶性、無(wú)毒害、無(wú)污染的非甲醛系試劑交聯(lián)體系[48]。方桂珍等[49]發(fā)現(xiàn)多元羧酸類化合物(1，2，3，4-丁烷基四甲酸)對(duì)大青楊浸漬后壓縮處理的試材變形恢復(fù)率較低，陳太安等[50]發(fā)現(xiàn)糠醇浸漬壓縮木的吸水厚度增長(zhǎng)率在4.38%～5.97%，遠(yuǎn)低于對(duì)照材的49.81%～57.28%，相比于天然材糠醇浸漬壓縮材的抗彎強(qiáng)度和表面硬度顯著提高，增幅分別為89.1%和131.1%；更重要的是醇樹脂的原料糠醛主要來(lái)源于玉米(Zeamays)秸稈、甘蔗(Saccharumofficinarum)渣等農(nóng)業(yè)剩余物，既能實(shí)現(xiàn)資源的再利用又對(duì)環(huán)境友好。A.Pfriem等[51]用糠醇和馬來(lái)酸酐混合溶液以真空和加壓浸漬的方式對(duì)山毛櫸木材進(jìn)行處理，然后機(jī)械壓縮密實(shí)化制得的壓縮木材呈現(xiàn)出較低的回彈率。J.W.Wu等[52]采用環(huán)保型反應(yīng)性水性丙烯酸樹脂浸漬楊木，致密后的木材性能優(yōu)良，適用于地板、桌椅和浴室柜等。

1.1.5 化學(xué)藥劑脫木素預(yù)處理 最先提出化學(xué)藥劑脫木素預(yù)處理制備壓縮密實(shí)木材的是美國(guó)馬里蘭大學(xué)材料科學(xué)與工程系胡良兵課題組。該課題組主要通過(guò)圖2中的“兩步法”制備壓縮密實(shí)木材，先將尺寸為120.0 mm×44.0 mm×44.0 mm的天然木塊在2.5 mol的氫氧化鈉和0.4 mol的亞硫酸鈉混合的沸騰水溶液中浸泡7 h，然后在沸騰的去離子水中浸泡數(shù)次以去除化學(xué)物質(zhì)；再在5 MPa的壓力下，100 ℃下壓制1 d獲得尺寸為115.6 mm×46.5 mm×9.5 mm的致密木材[3]。該預(yù)處理方法原理與傳統(tǒng)的堿性亞硫酸鹽制漿法一致，即在堿性亞硫酸鹽蒸煮液中，SO32-在堿性條件下與木素反應(yīng)，使木素磺化的同時(shí)，還能使各種醚鍵結(jié)合發(fā)生斷裂，木素磺化即是在苯環(huán)側(cè)鏈上引入磺酸基，使其能夠溶于水，達(dá)到脫木素預(yù)處理效果[53]。利用“兩步法”制備的壓縮密實(shí)木材由于脫除了部分細(xì)胞壁成分，壓縮率更高，強(qiáng)度、韌性和抗彈力均提高十倍以上且尺寸穩(wěn)定性強(qiáng)，是一種優(yōu)異的高性能結(jié)構(gòu)材料。此外，M.Frey等[54]將云杉(PiceaasperataMast)在80 ℃的過(guò)氧化氫和冰醋酸的混合溶液中脫木素預(yù)處理制備的致密木材力學(xué)性能也優(yōu)于天然木材和許多其他天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。

圖2 自上而下“兩步法”將天然木材轉(zhuǎn)化為超強(qiáng)的致密木材的示意圖[3]Fig.2 Schematic of the top-down two-step approach to transforming bulk natural wood directly into super-strong and tough densified wood[3]

總的來(lái)說(shuō)，通過(guò)化學(xué)藥劑脫木素預(yù)處理制備的壓縮密實(shí)木材壓縮率高，性能提升顯著，但由于部分脫木素會(huì)導(dǎo)致木材細(xì)胞壁成分分布不均勻，使壓縮后的木材均勻性較差，且脫木素會(huì)增加親水性纖維素的暴露，導(dǎo)致穩(wěn)定性差使圧縮材使用環(huán)境受到限制[55-57]。為了解決以上問(wèn)題，M.Frey等[58]提出一種新的化學(xué)藥劑脫木素預(yù)處理制備壓縮密實(shí)木材方法，先將天然木材在過(guò)氧化氫和冰醋酸的混合溶液中進(jìn)行脫木素預(yù)處理，留下纖維素骨架形成一個(gè)連續(xù)的多孔結(jié)構(gòu)，然后將環(huán)氧樹脂滲透到纖維素骨架中，再在壓力為3 MPa、熱壓溫度為60 ℃下對(duì)樹脂滲透的木質(zhì)纖維素骨架進(jìn)行壓縮，得到一種脫木素木材增強(qiáng)聚合物(DWRP)復(fù)合材料。這種復(fù)合材料具有高達(dá)70 GPa的拉伸性能和600 MPa的強(qiáng)度，與合成復(fù)合材料相比，此方法使纖維素之間聯(lián)系緊密，單位體積內(nèi)纖維素的體積分?jǐn)?shù)占比高，因此其力學(xué)性能優(yōu)越。

1.2 熱壓密實(shí)

熱壓密實(shí)即在一定條件下對(duì)木材進(jìn)行壓縮，從而得到壓縮密實(shí)木材。根據(jù)木材在壓縮過(guò)程的細(xì)胞壁的形狀來(lái)看，木材壓縮共分為3個(gè)階段：最初的彈性變形階段，這個(gè)過(guò)程中木材細(xì)胞壁的形狀幾乎不變；之后的穩(wěn)定變形階段，木材細(xì)胞壁被擠壓變形，相鄰細(xì)胞壁之間距離減??；最后的細(xì)胞腔幾乎消失階段，木材的細(xì)胞壁相互緊貼。這就達(dá)到了木材的極限壓縮情況，如果繼續(xù)加壓，細(xì)胞壁則可能被破壞。

熱壓密實(shí)工藝中的含水率、壓縮比、熱壓溫度、保溫時(shí)間、熱壓壓力和保壓時(shí)間等均是影響制備的壓縮密實(shí)化木材性能的因素。如劉獻(xiàn)奇等[59]發(fā)現(xiàn)熱壓溫度是壓縮木性能的主要因素，處理時(shí)間為次要因素。呂慧敏[60]發(fā)現(xiàn)，壓前含水率越高(100%左右)，木材的恢復(fù)率則會(huì)越低，但含水率過(guò)高，則會(huì)因木材細(xì)胞間水分不易排出造成壓縮后的鼓泡現(xiàn)象；含水率過(guò)低(25%左右)的情況下，熱壓后的木材會(huì)發(fā)生一定程度的表面碳化現(xiàn)象，且熱壓后的試件顏色較深；最終得出最佳的壓前含水率為50%左右。K.Laine等[61]研究得出保壓時(shí)間及保壓溫度不僅影響密度分布的形成，而且影響木材的硬度。由此可見(jiàn)，熱壓工藝參數(shù)對(duì)壓縮材的性能影響較大，因此應(yīng)根據(jù)樹種及壓縮木用途，合理設(shè)定壓縮工藝參數(shù)，獲得理想的壓縮密實(shí)木材。

1.3 后期固定

壓縮密實(shí)后的木材受到水分以及濕熱作用后，壓縮變形可以部分甚至全部恢復(fù)[62-63]，這是由于木材細(xì)胞壁中的微纖絲(纖維素大分子鏈聚集并結(jié)晶化的構(gòu)造體)和細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)(部分無(wú)定型高分子木質(zhì)素和非結(jié)晶性多支鏈半纖維素)的彈性應(yīng)變引起的[64]。

針對(duì)壓縮密實(shí)木材的變形回彈機(jī)理，主要采取以下3個(gè)途徑來(lái)防止壓縮密實(shí)木材后期變形回彈：第一，變形狀態(tài)下的木材組分分子間形成架橋，以防止微纖維的相對(duì)位移；第二，使表面疏水化，減少水分的作用；第三，加熱，緩解內(nèi)部應(yīng)力[65]。目前常用以下方法提高壓縮密實(shí)木材的穩(wěn)定性。

1.3.1 高溫加熱處理 當(dāng)木材熱處理后，半纖維素和纖維素間的氫鍵被破壞，纖維素和木質(zhì)素的相互作用被削弱或者破壞，微纖絲和Matrix基體(半纖維素和木質(zhì)素)中內(nèi)應(yīng)力因而得到一定程度的釋放。熱處理過(guò)程中會(huì)使得半纖維素降解，導(dǎo)致吸濕性較強(qiáng)的羥基和羰基減少。木質(zhì)素大分子中的甲氧基基團(tuán)在高溫下發(fā)生脫甲氧基反應(yīng)，在半纖維素水解的酸性條件下酚羥基發(fā)生酯化反應(yīng)，導(dǎo)致羥基減少，同時(shí)木質(zhì)素發(fā)生解聚反應(yīng)生成醛類物質(zhì)參與亞甲基橋的交聯(lián)反應(yīng)，形成穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[66-70]。這些是提高壓縮材尺寸穩(wěn)定性的主要因素。A.Darwis等[71]和高志強(qiáng)等[72]的研究結(jié)果均發(fā)現(xiàn)，熱處理后期固定能顯著改善致密材的尺寸穩(wěn)定性。

1.3.2 高溫高壓水蒸氣處理 水蒸氣后期固定原理與熱處理相似，相比于高溫?zé)崽幚?，利用水蒸氣后期固定能夠大量縮短處理時(shí)間。大量研究發(fā)現(xiàn)，壓縮木在溫度為160～200 ℃的高溫水蒸氣下后期固定2～8 min幾乎可實(shí)現(xiàn)永久固定[73]。

1.3.3 浸漬處理 浸漬固定采用樹脂或非甲醛系列試劑的交聯(lián)劑浸漬壓縮密實(shí)后的木材，浸漬溶液使木材細(xì)胞壁中的微纖絲和細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)進(jìn)行固定，且浸漬固定后的木材表面疏水化，減少木材表面與水分的接觸，進(jìn)一步提高壓縮木材的穩(wěn)定性[74]。研究發(fā)現(xiàn)三聚氰胺甲醛樹脂和異氰酸酯樹脂等處理可使壓縮材的變形回彈受到有效抑制。利用濃度為6%的三聚氰胺甲醛樹脂浸漬處理固定的泡桐壓縮木在室溫水中幾乎無(wú)回彈，而用25%的三聚氰胺甲醛樹脂處理的壓縮木試樣，即使在沸水中也幾乎無(wú)回彈[75]。隨著改性異氰酸酯樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，無(wú)論是冷水浸泡還是煮沸處理，壓縮材的厚度膨脹率和壓縮變形恢復(fù)率都明顯降低，當(dāng)樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)>15%時(shí)，尺寸穩(wěn)定性提高更加明顯[76]。

1.3.4 其他處理 除以上3種常用的固定方法外，高能射線照射處理、常壓高溫處理和高頻熱處理等方法也可以提高壓縮木材的尺寸穩(wěn)定性[64]。

2 展望

壓縮密實(shí)改性技術(shù)是提高速生材強(qiáng)度的重要措施，這對(duì)于發(fā)揮我國(guó)速生材資源的優(yōu)勢(shì)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義以及社會(huì)效益。近年來(lái)，針對(duì)木材壓縮密實(shí)改性技術(shù)的研究越來(lái)越多，傳統(tǒng)的預(yù)處理方法主要有物理法(水煮、高溫蒸汽和微波加熱等)和化學(xué)法(樹脂浸漬、化學(xué)藥劑脫木素等)。其中，水煮預(yù)處理溫度可控范圍窄，且木材受熱不均勻，對(duì)于一些相對(duì)較厚的試件加熱的時(shí)間長(zhǎng)，軟化效果不是很理想；高溫蒸汽預(yù)處理雖然溫度可控范圍大，耗時(shí)較水煮預(yù)處理更短，軟化效果比水煮好，但是其設(shè)備要求高，投資相對(duì)較高；微波預(yù)處理與高溫蒸汽預(yù)處理相似，設(shè)備以及技術(shù)要求高；而浸漬預(yù)處理以及化學(xué)藥劑脫木素預(yù)處理過(guò)程中需要使用化學(xué)藥劑，會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生一定的影響，不適合大幅度推廣使用。

針對(duì)傳統(tǒng)的預(yù)處理方法中存在的問(wèn)題，水煮預(yù)處理應(yīng)提高其傳熱速度以及傳熱均勻性；高溫蒸汽預(yù)處理和微波預(yù)處理應(yīng)該在尋求低廉的設(shè)備，減少成本的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)；樹脂預(yù)處理可以使用并開發(fā)一些環(huán)保樹脂進(jìn)行預(yù)處理，而化學(xué)藥劑脫木素預(yù)處理可回收利用產(chǎn)生的廢液，以免造成環(huán)境污染。不同預(yù)處理工藝，尋找合適的工藝參數(shù)，從而獲得性能優(yōu)異的產(chǎn)品進(jìn)行深入研究改進(jìn)。除了改善傳統(tǒng)的預(yù)處理方法，未來(lái)還可以從以下幾方面進(jìn)行深入研究新的預(yù)處理方法。目前化學(xué)藥劑脫木素預(yù)處理過(guò)程是對(duì)木材試樣進(jìn)行不同程度的脫木質(zhì)素和半纖維素，最后壓縮致密的木材細(xì)胞壁成分大都是纖維素，未來(lái)可以利用化學(xué)試劑對(duì)木材進(jìn)行不同程度脫纖維素和半纖維素預(yù)處理，探究壓縮致密木質(zhì)素的木材性能影響。此外，木腐真菌可以不同程度地腐朽木材，實(shí)質(zhì)上也就是不同程度地降解木材中的木質(zhì)素、纖維素和半纖維素，這個(gè)過(guò)程與化學(xué)藥劑脫木素處理的原理大致相同，但是更加生態(tài)環(huán)保。因此可以嘗試木腐真菌預(yù)處理方法制備壓縮密實(shí)木材，從而探究生物法預(yù)處理制備壓縮密實(shí)化木材的可行性，可為壓縮自然界的腐朽木材提供參考，變廢為寶，實(shí)現(xiàn)資源的再利用。

此外，目前壓縮密實(shí)木材存在提升性能單一等問(wèn)題。針對(duì)這一問(wèn)題，未來(lái)可在提升木材力學(xué)性能的同時(shí)添加一些輔助性能，從而打造出多功能壓縮密實(shí)木材，如可在壓縮密實(shí)木材表面涂覆絕緣漆等制備壓縮密實(shí)絕緣木材。絕緣材料往往需耐化學(xué)藥品、耐氣候變化、耐腐蝕等性能，而壓縮密實(shí)絕緣木材具有力學(xué)性能強(qiáng)、耐腐蝕性等優(yōu)越性能；制備壓縮密實(shí)木材的同時(shí)進(jìn)行染色或模擬紋理，既提高原木機(jī)械性能又能提高其美學(xué)價(jià)值，擴(kuò)大壓縮密實(shí)木材的使用范圍；可利用壓縮密實(shí)木材用作阻燃材料，因?yàn)閴嚎s密實(shí)木材可以部分或完全去除木材細(xì)胞壁之間的空間，從而形成高度致密的層壓結(jié)構(gòu)。這種密集的層壓結(jié)構(gòu)不僅有效地降低了材料的透氣性，而且有助于在材料著火時(shí)在木材表面形成絕緣炭層。濃密的木炭層對(duì)下層木材形成了一道隔熱屏障，通過(guò)減少熱擴(kuò)散和氧擴(kuò)散，提高了防火性能，致密木材還具有優(yōu)異的抗壓強(qiáng)度，有效防止了木結(jié)構(gòu)的倒塌和破壞，在發(fā)生火災(zāi)時(shí)獲得寶貴的救援時(shí)間。