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熏蒸处理对落叶松木材颜色和力学强度的影响

王丹青 何静 张求慧

王丹青, 何静, 张求慧. 熏蒸处理对落叶松木材颜色和力学强度的影响[J]. 北京林业大学学报, 2017, 39(2): 100-107. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160317
引用本文: 王丹青, 何静, 张求慧. 熏蒸处理对落叶松木材颜色和力学强度的影响[J]. 北京林业大学学报, 2017, 39(2): 100-107. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160317
WANG Dan-qing, HE Jing, ZHANG Qiu-hui. Effects of fumigation treatment on wood color and mechanical strength of Larix gmelinii[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2017, 39(2): 100-107. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160317
Citation: WANG Dan-qing, HE Jing, ZHANG Qiu-hui. Effects of fumigation treatment on wood color and mechanical strength of Larix gmelinii[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2017, 39(2): 100-107. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160317

熏蒸处理对落叶松木材颜色和力学强度的影响

doi: 10.13332/j.1000-1522.20160317
基金项目: 

国家质检总局质检公益性行业科研专项 201410054-04

详细信息
    作者简介:

    王丹青。主要研究方向:木材科学。Email:932854672@qq.com  地址:100083 北京海淀区清华东路35号北京林业大学材料科学与技术学院

    通讯作者:

    张求慧,教授,博士生导师。主要研究方向:包装材料。Email:qhzh66@163.com  地址:同上

  • 中图分类号: S482.6

Effects of fumigation treatment on wood color and mechanical strength of Larix gmelinii

  • 摘要: 为研究熏蒸处理对木材颜色和力学性能的影响,采用氧硫化碳(COS)、溴甲烷(MB)和硫酰氟(SF)分别在3种不同质量浓度下对落叶松材进行熏蒸处理,用色差分析、力学性能测试、电子扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)和红外光谱分析(FTIR)对熏蒸前后木材的物理力学性能和官能团变化进行表征。结果发现:1)使用3种熏蒸剂处理后,落叶松材的颜色均发生明显变化,其中COS熏蒸处理对试样的明度(L*)、红绿轴色度指数(a*)的影响最小;2)落叶松材经过COS熏蒸处理后,顺纹抗压强度、静曲强度、弹性模量均下降,其中顺纹抗压强度下降最明显,在熏蒸剂质量浓度为124.2 g/m3时,顺纹抗压强度下降幅度达13.09%,而静曲强度和弹性模量分别下降9.38%、8.66%;经MB、SF熏蒸处理后,试样的顺纹抗压强度、静曲强度、弹性模量均无明显变化;3)熏蒸后的落叶松材表面微观结构未发生明显变化,但COS熏蒸后木材表面的S元素和SF熏蒸后木材表面的F元素分布密度均有所增加;4)在落叶松红外光谱图中,经MB、SF熏蒸后,碳氧双键和碳氢键明显增多;COS熏蒸后,半纤维素上的碳氧双键伸缩振动减弱,芳香环骨架上的碳氧双键的伸缩振动加强,木质素相对含量增加。
  • 图  1  熏蒸剂处理后落叶松的ΔEab*、ΔL*、Δa*、Δb*

    Figure  1.  ΔEab*, ΔL*, Δa* and Δb* values of larch after fumigation treatments

    图  2  熏蒸剂处理后落叶松材C*值的变化

    Figure  2.  Changes of C* value of larch after fumigation treatment

    图  3  熏蒸处理后落叶松材h*值的变化

    Figure  3.  Changes of h* value of larch after fumigation treatment

    图  4  熏蒸剂处理前后SEM形貌

    Figure  4.  SEM micro-topography of larch before and after fumigation treatment

    图  5  COS熏蒸处理前(a)和处理后(b)S元素的分布

    Figure  5.  S element distribution of larch before(a) and after(b) COS fumigation treatment

    图  6  MB熏蒸处理前(a)和处理后(b)Br元素的分布

    Figure  6.  Br element distribution of larch before(a) and after(b) MB fumigation treatment

    图  7  SF熏蒸处理前(a)和处理后(b)F元素的分布

    Figure  7.  element distribution of larch before(a) and after(b) SF fumigation treatment

    图  8  3种熏蒸剂处理后与未处理(CK)落叶松材红外谱图

    Figure  8.  FTIR spectroscopy of larch before and after fumigation treatment

    表  1  熏蒸处理前后落叶松力学强度变化

    Table  1.   Changes of mechanical strength of larch before and after fumigation treatment

    样品
    Sample
    顺纹抗压强度*
    Compressive strength
    parallel to grain/
    MPa
    顺纹抗压强度变化率**
    Change rate of
    compressive strength
    parallel to grain/%
    静曲强度*
    Static bending
    strength/MPa
    静曲强度变化率**
    Change rate of
    static bending
    strength/%
    弹性模量*
    Modulus of
    elasticity/
    MPa
    弹性模量变化率**
    Change rate of
    modulus of
    elasticity/%
    对照Control 46.61 80.50 7 400
    41.4 g/m3 COS 44.35 -4.85 79.13 -1.70 7 490 1.22
    82.8 g/m3 COS 43.77 -6.09 76.11 -5.45 7 087 -4.23
    124.2 g/m3 COS 40.51 -13.09 72.95 -9.38 6 759 -8.66
    41.4 g/m3 MB 46.20 -0.88 82.50 2.48 7 449 0.66
    82.8 g/m3MB 45.78 -1.78 81.59 1.35 7 340 -0.81
    124.2 g/m3 MB 45.34 -2.72 79.82 -0.84 7 246 -2.08
    41.4 g/m3 SF 45.36 -2.68 81.22 0.89 7 481 1.09
    82.8 g/m3 SF 45.19 -3.05 79.63 -1.08 7 219 -2.45
    124.2 g/m3 SF 44.81 -3.86 77.98 -3.13 7112 -3.89
    注:*为平均数。**正值表示增加,负值表示减少。Notes: * represents mean. Positive ** values mean rise, and negative ** values mean fall.
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    ZHAOGuang-jie, 王云琦, 吴斌, 王玉涛, 张灿, 韩烈保, 温俊宝, 洪伟, 翟洪波, 朱天辉, 何正权, 王玉杰, 张路平, 余新晓, 宋湛谦, 李吉跃, 韩士杰, 赵广杰, 何兴元, 白陈祥, 张建国, 吴斌, LUOWen-sheng, 吴庆利, 何友均, 李增元, 何承忠, 张树文, 郭忠玲, ]魏晓霞, ]陈玮, 骆有庆, 何静, 姜伟, 童书振, 陈尔学, 刘凤芹, 骆有庆, 黄文豪, 张养贞, 张志毅, 林秦文, 陈发菊, 李俊清, FurunoTakeshi, 梁小红, 匡秋明, RENQian, 李颖, 许志春, 曾会明, 胡伟华, 安新民, 庞勇, 张振明, 赵桂玲, 张璧光, 许志春, 梁宏伟, 郑兴波, 张军, 崔国发, PaulWolfgang, 郑杰, 曹川健, 刘君, 宋国正, 杨凯, 赵广亮, 雷渊才, 李福海, 李凤兰, 侯伟, 张有慧, 董建生, 李考学, 姚永刚, 张全来, 田桂芳, 李永波, 赫万成, 李长明, 张世玺.  三倍体毛白杨及杉木苯酚液化物的结构分析 . 北京林业大学学报, 2006, 28(3): 139-144.
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-09-30
  • 修回日期:  2016-12-29
  • 刊出日期:  2017-02-01

熏蒸处理对落叶松木材颜色和力学强度的影响

doi: 10.13332/j.1000-1522.20160317
    基金项目:

    国家质检总局质检公益性行业科研专项 201410054-04

    作者简介:

    王丹青。主要研究方向:木材科学。Email:932854672@qq.com  地址:100083 北京海淀区清华东路35号北京林业大学材料科学与技术学院

    通讯作者: 张求慧,教授,博士生导师。主要研究方向:包装材料。Email:qhzh66@163.com  地址:同上
  • 中图分类号: S482.6

摘要: 为研究熏蒸处理对木材颜色和力学性能的影响,采用氧硫化碳(COS)、溴甲烷(MB)和硫酰氟(SF)分别在3种不同质量浓度下对落叶松材进行熏蒸处理,用色差分析、力学性能测试、电子扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)和红外光谱分析(FTIR)对熏蒸前后木材的物理力学性能和官能团变化进行表征。结果发现:1)使用3种熏蒸剂处理后,落叶松材的颜色均发生明显变化,其中COS熏蒸处理对试样的明度(L*)、红绿轴色度指数(a*)的影响最小;2)落叶松材经过COS熏蒸处理后,顺纹抗压强度、静曲强度、弹性模量均下降,其中顺纹抗压强度下降最明显,在熏蒸剂质量浓度为124.2 g/m3时,顺纹抗压强度下降幅度达13.09%,而静曲强度和弹性模量分别下降9.38%、8.66%;经MB、SF熏蒸处理后,试样的顺纹抗压强度、静曲强度、弹性模量均无明显变化;3)熏蒸后的落叶松材表面微观结构未发生明显变化,但COS熏蒸后木材表面的S元素和SF熏蒸后木材表面的F元素分布密度均有所增加;4)在落叶松红外光谱图中,经MB、SF熏蒸后,碳氧双键和碳氢键明显增多;COS熏蒸后,半纤维素上的碳氧双键伸缩振动减弱,芳香环骨架上的碳氧双键的伸缩振动加强,木质素相对含量增加。

English Abstract

王丹青, 何静, 张求慧. 熏蒸处理对落叶松木材颜色和力学强度的影响[J]. 北京林业大学学报, 2017, 39(2): 100-107. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160317
引用本文: 王丹青, 何静, 张求慧. 熏蒸处理对落叶松木材颜色和力学强度的影响[J]. 北京林业大学学报, 2017, 39(2): 100-107. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160317
WANG Dan-qing, HE Jing, ZHANG Qiu-hui. Effects of fumigation treatment on wood color and mechanical strength of Larix gmelinii[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2017, 39(2): 100-107. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160317
Citation: WANG Dan-qing, HE Jing, ZHANG Qiu-hui. Effects of fumigation treatment on wood color and mechanical strength of Larix gmelinii[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2017, 39(2): 100-107. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160317
  • 木质包装材料具有强重比高、缓冲作用好、来源广泛、运输方便、易降解、绿色环保等优势,但由于木材为天然生物质材料,其自身的生物特性使其易携带生物害虫,且我国现已成为世界上最大的木材进口国,大量进口原木及制材产品进入我国木材原料市场的同时,有害生物传入我国的风险也随之大幅提高,另一方面,我国现在也是机电产品的出口大国,用于大型机电设备包装的木质包装箱用量也很大,这些木材在进出口时均有必要进行严格的检疫处理[1-3]

    熏蒸处理是目前广泛应用的检疫处理方法,效率高,便于操作,在帐幕条件下即可完成,且经过一段时间通风处理后熏蒸剂在环境中基本无残留,常用的熏蒸剂有溴甲烷(Methyl Bromide,MB)、硫酰氟(Sulfuryl Fluoride, SF)等[4]。,近年来国内外学者的研究发现:MB对臭氧具有破坏作用,SF含有的氟元素会造成环境污染,且具有温室效应,因此这两种熏蒸剂的应用正在受到越来越严格的限制[5-9]。氧硫化碳(Carbonyl sulfide, COS)作为一种新型的熏蒸剂,近年来受到业内学者的关注和重视,其本身是一种易溶于水,易溶于有机溶剂的不稳定化学物质,在大气状态下为具有臭鸡蛋气味的无色气体,在水中可以分解为二氧化硫和硫化氢,燃烧产物为一氧化碳和硫[10-12]。相对于MB和SF,COS对自然环境的危害性小,更重要的是对某些昆虫、线虫和真菌有很好的防治效果。

    常用木材熏蒸剂在木材内部的残留量、杀虫效果等都有一定的研究[13]。有学者研究发现:氰化氢气体在木材内具有较好的渗透性,能够在极短时间里渗透到木材中心位置,熏蒸进行15 h后,木材中心处熏蒸剂的浓度可以达到熏蒸室内浓度的50%[14-15]。Miklečić等[16]研究发现:氨气熏蒸木材时,氨气能在短时间内迅速渗透到木材内部,使木材材色在短时间内变暗。王立海等[17]研究发现:SF熏蒸处理樟子松后,除顺纹抗剪强度增加以外,抗弯强度、抗弯弹性模量和顺纹抗压强度均有所减小。这些研究表明:熏蒸处理会对某些木材的力学性能、材色产生影响。其原因可能是熏蒸剂的成分会在木材内发生不同程度的附着残留和反应残留,例如:MB是一种亲核试剂,Br-具有富电子性,在与缺电性物种反应时,能提供电子对而成键[18-19]

    目前,COS熏蒸对木材物理性能的影响尚未有系统的研究,因此进行有针对性的研究很有必要。本研究以落叶松木材为对象,探讨COS熏蒸对木材颜色和力学性能的影响,并与常规熏蒸剂MB、SF进行对比研究,进一步分析COS熏蒸对木材材性的影响,同时采用扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析(EDS)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析这些变化的深层原因。

    • 落叶松(Larix gmelinii)木材购于北京东坝木材市场。木材产地为内蒙古大兴安岭,树龄42年,胸径约36 cm,试件取自距基部1.3 m处向上延伸约1 m长的部位内。SF,化学纯,金锦乐(湖南)化学有限公司;MB,化学纯,上海麦克林生化科技有限公司;COS,分析纯,天津东祥特种气体有限公司。

    • 用玻璃器皿制成封闭的6 L熏蒸罐,顶盖配有进气装置。

    • 选取无明显腐朽和节子,且材色均匀的木材,按照GB/T 1929—2009《木材物理力学试材锯解及试样截取方法》[20]中的具体规定进行取样,将其加工为50 mm (L)×50 mm (R)×10 mm (T) (色指数测试)、30 mm (L)×20 mm×20 mm(顺纹抗压强度)、300 mm (L)×20 mm×20 mm (静曲强度、抗弯弹性模量)的四面光试样并编号。3种熏蒸剂为COS、MB、SF,3种质量浓度分别为41.4、82.8、124.2 g/m3(3种质量浓度是以深圳出入境检验检疫局动植中心提供的常规熏蒸方法采用的气体浓度为依据,结合COS的熏蒸效果,以保证杀虫率能达到99%为前提而选取的熏蒸剂质量浓度)。

    • 将加工成标准尺寸的木块放入熏蒸罐中,熏蒸罐与顶盖之间的连接处涂抹明矾密封,保证在封闭状态下熏蒸,然后将钢瓶中的熏蒸剂先注入1 L的气袋内静置待用,用进样器按照不同剂量采集气体, 并注入熏蒸箱内。将熏蒸罐放在25 ℃的室内环境中平衡处理48 h。熏蒸结束后将试样放于自然通风条件下15d。

    • 根据GB/T 7921—2008《均匀色空间和色差公式》[21],用色差计(NH310型,广东深圳3nh公司)对熏蒸前后的木块进行测量,在每个木块的四角和中心位置各测量5个点,求其平均值。记录下各试件的明度值L*、红绿轴色品指数a*、黄蓝轴色品指数b*,并计算出色差ΔE*、彩度C*以及色调角h*值,计算公式如下:

      $$ \Delta E_{ab}^{*}=\sqrt{{{(\Delta {{L}^{*}})}^{2}}+{{(\Delta {{a}^{*}})}^{2}}+{{(\Delta {{b}^{*}})}^{2}}}\text{ } $$ (1)
      $$ C_{ab}^{*}=\text{ }\sqrt{{{({{a}^{*}})}^{2}}+\text{ }{{({{b}^{*}})}^{2}}} $$ (2)
      $$ h_{ab}^{*}=\text{arctan}({{b}^{*}}/\text{ }{{a}^{*}}) $$ (3)

      式中:ΔEab*为两个样品的色差;ΔL*为明度差,ΔL*=L样品*-L对照*;Δa*为红绿轴色品指数差,Δa*= a样品*-a对照*;Δb*为黄蓝轴色品指数差,Δb*= b样品*-b对照*Cab*为彩度值;hab*为色调角。

    • 力学性能采用万能力学试验机(MMW-50型,济南耐尔试验机有限公司)测试。试件顺纹抗压强度的测定按GB/T 1935—2009《木材顺纹抗压强度试验方法》[22];抗弯弹性模量的测量按照GB/T 1936.1—2009《木材抗弯弹性模量测定方法》[23];静曲强度按GB/T 1936.2—2009《木材抗弯强度试验方法》[24]。每组试件为15件,取平均值。

    • 将试样弦切面(因为要检测木材表面元素分布,未对试样进行浸泡处理)用滑动式切片机(Thermo Scientific HM430型,赛默飞世尔科技有限公司)切成长宽约为1 cm、厚度1 mm的薄片,真空条件下对试样喷金处理,在扫描电子显微镜(SU8010型,株式会社日立高新技术事业)下观察试样的表面形态结构,并对试样表面进行元素分析。

    • 采用高速万能粉碎机(FW-80型,北京市永光明医疗仪器有限公司)将试样粉碎后,过200目筛,取筛后将1~2 mg试样与100 mg溴化钾碎晶粒混合压片;采用傅立叶变换红外光谱仪(Spectrum GX型,PerkinElmer公司)进行官能团测试。红外光谱仪的扫描范围为4 000~400 cm-1,光谱分辨率为4 cm-1

    • 3种熏蒸剂在不同浓度条件下熏蒸,落叶松材的L*a*b*值均发生明显变化(见图 1)。熏蒸后的木材试样均发生不同程度的变色,但不同条件下的色差值并无明显区别,木材变色度与熏蒸剂浓度的变化没有显著的线性关系。82.8 g/m3的SF熏蒸后,所得试样色差最大,达到7.24,这主要是因为SF熏蒸后试样L*a*值变化较大。3种熏蒸剂处理后的木材明度普遍减小,只有124.2 g/m3的SF熏蒸后木材明度有所增加;而82.8 g/m3的SF熏蒸后,所得试样明度变化最大,达到-6.48;COS熏蒸后木材明度变化最小。熏蒸处理后试样的红绿轴色品指数差均为正值,说明红绿轴色品指数均向红轴方向偏移,82.8 g/m3的SF和41.4 g/m3的COS熏蒸后,红绿轴色品指数明显向红轴方向偏移,这一变化直接影响了试样的色差值。熏蒸处理后试样的黄蓝轴色品指数均有明显变化,且均向黄轴方向偏移。熏蒸处理后木材颜色发生明显变化,可能是熏蒸过程中木材发生降解,内部各组分相对含量发生变化,尤其是木质素相对含量增加。木质素是木材本身具有天然色调的主要成因之一,在木质素大分子中含有许多发色基团,如苯环、羰基、乙烯基和松柏醛基,还含有羟基、羧基及醚键结合的助色基团[25]。而熏蒸剂的存在会改变木材的存放环境,从而促进木材降解。有研究表明:SF在紫外线辐射下会分解出氧化物和硫化物[26],可能促进木材中羟基发生氧化反应;MB会提供富电子基团与木材中的多聚糖发生取代反应[18-19];COS易溶于水,在水中会发生水解反应生成CO2和H2S[11],熏蒸环境中空气里的水分会不同程度地与COS反应生成H2S,H2S是一种典型的酸性气体,使木材发生酸性降解,导致内部各组分的相对含量发生变化,进而导致木材颜色变化。

      图  1  熏蒸剂处理后落叶松的ΔEab*、ΔL*、Δa*、Δb*

      Figure 1.  ΔEab*, ΔL*, Δa* and Δb* values of larch after fumigation treatments

      图 2可以看出:COS、MB和SF 3种熏蒸剂处理木材后,其C*值均随着质量浓度的增加略有变化,且升降趋势显著。相较于空白样品,3种熏蒸剂在质量浓度为41.4 g/m3下处理后的样品C*值均发生明显增加,且COS、SF熏蒸处理的木材的彩度达到最大,分别增加了24%、21%,随着质量浓度增加至82.8 g/m3时又略有下降;熏蒸质量浓度为124.2 g/m3条件下,COS、SF熏蒸处理的木材的彩度分别增加11%、20%。MB熏蒸处理样品在82.8 g/m3条件下C*值达到最大值,较未处理样增加了23%。总体来看,熏蒸处理之后木材的彩度略微增加,木材色彩更加饱和。

      图  2  熏蒸剂处理后落叶松材C*值的变化

      Figure 2.  Changes of C* value of larch after fumigation treatment

      熏蒸剂处理后试样h*值变化如图 3所示。MB、COS熏蒸后试样的h*值随熏蒸剂质量浓度的变化基本呈一条直线,说明色调角无明显变化。82.8 g/m3的SF熏蒸后,试样色调角与未处理样相比略有下降(降低了7.6%),继续提高熏蒸剂质量浓度至124.2 g/m3时,试样色调角与未处理样相比基本没有变化。3种熏蒸剂在质量浓度为124.2 g/m3时对试样色调角均无显著影响,说明熏蒸处理对木材色调角没有显著影响。

      图  3  熏蒸处理后落叶松材h*值的变化

      Figure 3.  Changes of h* value of larch after fumigation treatment

    • 表 1是熏蒸处理前后落叶松力学强度的变化,从中可以看出:COS熏蒸处理后落叶松材的顺纹抗压强度、静曲强度、弹性模量明显下降,且随着熏蒸剂质量浓度的增加,下降幅度也随之增加。在124.2 g/m3条件下,顺纹抗压强度下降了13.09%,静曲强度下降了9.38%,弹性模量下降了8.66%。其原因可能是木材中的化学成分发生了变化。木材中的主要化学成分分别赋予木材不同的力学强度,其中纤维素的骨架作用赋予木材顺纹抗拉强度和弹性,半纤维素具有粘结作用,木质素作为结壳物质赋予木材硬度和刚性[27]。在采用COS作为熏蒸剂的处理条件下,COS可能与空气中的H2O反应,生成H2S,促进木材组分发生酸性降解,相较于纤维素,半纤维素更易发生酸性降解,半纤维素的降解会导致纤维素与木质素之间的粘结作用变弱,不但导致木材的顺纹抗压强度明显下降,静曲强度和弹性模量也显著下降。MB和SF熏蒸后,落叶松材的顺纹抗压强度、静曲强度、弹性模量变化较小,变化幅度均保持在4%以内,且变化幅度与熏蒸剂质量浓度无明显关系,其原因可能是MB、SF对木材中主要化学组分的降解无明显影响。

      表 1  熏蒸处理前后落叶松力学强度变化

      Table 1.  Changes of mechanical strength of larch before and after fumigation treatment

      样品
      Sample
      顺纹抗压强度*
      Compressive strength
      parallel to grain/
      MPa
      顺纹抗压强度变化率**
      Change rate of
      compressive strength
      parallel to grain/%
      静曲强度*
      Static bending
      strength/MPa
      静曲强度变化率**
      Change rate of
      static bending
      strength/%
      弹性模量*
      Modulus of
      elasticity/
      MPa
      弹性模量变化率**
      Change rate of
      modulus of
      elasticity/%
      对照Control 46.61 80.50 7 400
      41.4 g/m3 COS 44.35 -4.85 79.13 -1.70 7 490 1.22
      82.8 g/m3 COS 43.77 -6.09 76.11 -5.45 7 087 -4.23
      124.2 g/m3 COS 40.51 -13.09 72.95 -9.38 6 759 -8.66
      41.4 g/m3 MB 46.20 -0.88 82.50 2.48 7 449 0.66
      82.8 g/m3MB 45.78 -1.78 81.59 1.35 7 340 -0.81
      124.2 g/m3 MB 45.34 -2.72 79.82 -0.84 7 246 -2.08
      41.4 g/m3 SF 45.36 -2.68 81.22 0.89 7 481 1.09
      82.8 g/m3 SF 45.19 -3.05 79.63 -1.08 7 219 -2.45
      124.2 g/m3 SF 44.81 -3.86 77.98 -3.13 7112 -3.89
      注:*为平均数。**正值表示增加,负值表示减少。Notes: * represents mean. Positive ** values mean rise, and negative ** values mean fall.
    • 图 4是3种124.2g/m3的熏蒸剂处理前后的SEM形貌,从中可以看出:木材表面的微观形貌并没有发生明显变化,说明熏蒸处理不会改变木材表面的微观构造。值得指出的是:熏蒸处理后,木材材色、力学强度均发生了变化,说明熏蒸剂在木材内部有残留。由于熏蒸剂为气体状态,既可能在木材表面发生附着残留,也可能发生反应残留。若熏蒸剂与木材内的聚糖类、芳香族发生反应,可能会引起木材表面微观结构的变化。图 4的实验结果证实:在微米级的放大倍数下,3种熏蒸剂处理后木材表面的微观构造并无明显变化。

      图  4  熏蒸剂处理前后SEM形貌

      Figure 4.  SEM micro-topography of larch before and after fumigation treatment

      由EDS元素分析可以看出样品表面的S、Br、F元素分布密度的变化。以COS熏蒸前后木材表面S元素的分布密度变化来表征COS在木材内的残留,以MB熏蒸前后木材表面Br元素的分布密度变化来表征MB在木材内的残留,以SF熏蒸前后木材表面F元素的分布密度变化来表征SF在木材内的残留。

      图 5~7分别为3种124.2g/m3的熏蒸剂处理前后落叶松木材表面S、Br及F元素的分布情况。COS和SF熏蒸处理后样品表面S元素和F元素明显增加,说明COS和SF熏蒸处理后,在木材样品内有明显残留;而MB熏蒸处理落叶松材前后,均没有发现明显的Br元素分布,可能是因为木材表面吸附性能较差,导致MB几乎不能吸附于木材表面,因此对MB在木材表面的残留还需进一步探讨。

      图  5  COS熏蒸处理前(a)和处理后(b)S元素的分布

      Figure 5.  S element distribution of larch before(a) and after(b) COS fumigation treatment

      图  6  MB熏蒸处理前(a)和处理后(b)Br元素的分布

      Figure 6.  Br element distribution of larch before(a) and after(b) MB fumigation treatment

      图  7  SF熏蒸处理前(a)和处理后(b)F元素的分布

      Figure 7.  element distribution of larch before(a) and after(b) SF fumigation treatment

    • 图 8是3种124.2g/m3的熏蒸剂处理后与未处理的落叶松材红外谱图。熏蒸处理前后落叶松材红外光谱的吸收峰位置、形状比较相似,但峰的吸收强度略有变化。在木材红外光谱中,3 417 cm-1处的吸收峰,一般都来自羟基的伸缩振动;2 920 cm-1处的吸收峰,一般是甲基或亚甲基的C—H伸缩振动;1 734 cm-1处为半纤维素的C=O键伸缩振动的特征吸收峰;1 604、1 510、1 260 cm-1均主要归属于木质素,1 604 cm-1处吸收峰为木质素中连接在芳香环骨架上的C=O键的伸缩振动,1 510 cm-1处吸收峰为木质素中芳香环骨架C=C振动,1 260 cm-1处吸收峰则归属于木质素中苯环氧键Ar—O伸缩振动;1 428 cm-1处吸收峰一般为纤维素CH2的剪式振动和木质素CH2弯曲振动;1 371、1 050 cm-1处吸收峰分别为纤维素或半纤维素的C—H弯曲振动、C—O伸缩振动;622 cm-1处吸收峰为C—Br伸缩振动[28-30]

      图  8  3种熏蒸剂处理后与未处理(CK)落叶松材红外谱图

      Figure 8.  FTIR spectroscopy of larch before and after fumigation treatment

      SF性质稳定,通常条件下不易分解,但是在紫外光照射下会与空气中的颗粒物质反应分解出氧化物和硫化物。图 8中,SF熏蒸后,在1734cm-1处吸收峰明显增强,这可能是因为多聚糖中的醇羟基发生氧化反应,导致非共轭羰基的吸收峰明显增强[31],半纤维素具有较多的还原性末端,易氧化为羧基,促进木材内的多聚糖发生酸性降解;1 371 cm-1处吸收峰明显增强,表明C—H弯曲振动加强,可能木材内的纤维素或者半纤维素发生苷键断裂;1 604 cm-1处吸收峰明显增强,表明芳香环骨架上的C=O键的伸缩振动加强,一方面可能有苯醌类助色基团生成,导致木材材色变暗,另一方面可能是木质素相对含量增加,进而导致材色变暗,这与1 510、1 260 cm-1处吸收峰也明显加强的现象相一致。

      MB熏蒸处理后的样品在1 734、1 371 cm-1处吸收峰明显加强,表明C O键和C—H明显增多,因为这两个吸收峰主要归属于半纤维素,而半纤维素的主要成分是聚合度较低的非纤维素聚糖类,可能是MB中的CH3—取代了多聚糖中的—OH,造成C—H增多,同时有醌类化合物生成,醌类化合物的增多会导致木材材色加重,这与MB熏蒸处理后木材材色加重现象相一致;MB处理后的样品在622 cm-1处吸收峰也有所加强,说明C—Br键增多,可能是MB中的Br-与木材中的多糖基团发生了亲核取代反应;在1 510、1 260 cm-1处吸收峰有所增强,可能木质素相对含量略有增加。

      COS熏蒸处理后,与未处理材相比,1 734 cm-1处的特征吸收峰明显减弱,说明半纤维素的C=O键伸缩振动减弱,可能半纤维素发生酸性降解,因为COS会与空气中的H2O反应,生成H2S,而半纤维素发生降解,会使木质素与纤维素之间的联接作用减弱,导致木材力学强度明显下降;1 604 cm-1处吸收峰强度增加,说明木质素中连接在芳香环骨架上的C=O键的伸缩振动加强;1 428 cm-1处吸收峰无明显变化,说明纤维素相对含量无明显变化,而半纤维素发生降解,则相对应的木质素相对含量会增加,这与1 604 cm-1处吸收峰强度增加这一现象相一致。

    • 1) 熏蒸处理后,落叶松试样均发生明显变色,但不同熏蒸条件的变色度并无明显区别。

      2) COS熏蒸处理后,落叶松材的顺纹抗压强度、静曲强度、弹性模量均明显下降,124.2 g/m3的COS熏蒸后,顺纹抗压强度下降最明显,下降幅度达13.09%;MB、SF熏蒸处理后落叶松材的顺纹抗压强度、静曲强度、弹性模量无明显变化。

      3) 熏蒸处理后,落叶松表面微观上并没有明显变化,但COS熏蒸后的表面的S元素和SF熏蒸后表面的F元素的分布密度有所增加。

      4) MB、SF处理后样品的红外光谱图中,1 734、1 371 cm-1处吸收峰明显加强,C=O键和C—H明显增多;COS处理后,半纤维素的C=O键伸缩振动减弱,可能半纤维素发生酸性降解,1 604 cm-1处芳香环骨架上的C=O键的伸缩振动加强,说明木质素相对含量增加。

参考文献 (31)

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