木材壓縮改性技術研究進展

涂登云，陳川富，周橋芳，歐榮賢，王先菊

(華南農業大學材料與能源學院，廣州 510642)

為適應木材加工產業的快速發展態勢，人工林速生材的應用逐漸成為我國林業經濟發展和家具產業發展的必由之路。我國人工林速生材主要包括楊木、杉木和松木，其顯著特點是蓄積量大和分布廣。然而，因其材質疏松、力學強度低、尺寸穩定性差，實木化高值利用的程度并不高，極大地限制了其應用范圍。為實現軟質速生材的實木化高值利用，木材強化改性成為人工林木材綜合高效利用技術的研究熱點。木材壓縮改性技術作為一種木材物理強化改性方法，具有無化學污染、易于產業化生產等優勢，壓縮木具有環保、強重比高、木材原生態利用及環境使用特性良好等優點，可廣泛應用于家具、地板、室內裝飾、木結構等領域。

木材壓縮改性是對木材進行前期熱軟化處理，然后在不破壞細胞壁結構的條件下，采用機械壓縮法減小木材細胞腔體體積，以提高木材密度、改善木材材性的一種物理改性技術。木材壓縮改性技術最早出現于20世紀30年代的美國、德國和蘇聯，我國的壓縮木技術始于20世紀50年代末和60年代初，印度始于70年代。20世紀90年代后，為提高人工林速生材的材性，拓寬速生材的應用范圍，木材壓縮改性技術得到了眾多科研工作者及產業界的重視[1]。發展至今，木材壓縮改性技術已趨于成熟，形成了完備的技術體系。

筆者在前人所做研究工作的基礎上，從木材壓縮改性類別、木材軟化、壓縮木定型、木材壓縮工藝、壓縮木材性能及應用等方面進行廣泛論述，以期為后續研究工作提供參考和借鑒。

1 木材壓縮改性技術類別

依據木材壓縮改性時木材所處環境不同，可分為封閉式和開放式壓縮改性技術。封閉式壓縮改性技術是將木材置于封閉處理罐體中，采用高溫高壓蒸汽軟化處理后，再利用機械壓縮和高溫定型處理，實現木材壓縮強化的改性目的。該方法的處理全過程均在同一設備中完成，具有操作工序少、處理材壓縮回彈小的優點，但對設備要求高且生產效率較低[2]。開放式壓縮改性技術是木材在大氣環境下，采用熱機械設備對木材進行軟化、壓縮和高溫定型，實現木材壓縮強化的改性方法。該方法的處理過程均在同一設備中完成，具有設備投資成本低、生產效率高的優勢，但處理材的壓縮回彈較大[3]。

依據木材壓縮改性時熱壓形式的不同，可分為平壓和輥壓壓縮改性技術。平壓壓縮改性是將木材放置在熱壓機的熱平板之間，通過熱平板熱量和機械力的共同作用實現木材壓縮強化的改性技術。根據熱壓機的軸數不同，平壓壓縮改性技術又可分為單軸平壓法和多軸平壓法。在多軸平壓法中，一種是雙軸方向施壓使木材壓縮形變制得方材，稱之為壓縮整形木[4]。輥壓法是木材從兩個金屬熱壓輥間通過，迫使木材表層逐漸壓縮形變的處理技術[5]，適用于表層壓縮木的制造。

根據木材壓縮改性時木材被壓縮程度的不同，可分為整體和層狀壓縮改性技術，二者同屬于單軸壓縮改性方法。整體壓縮法是將木材置于熱壓機中，整體軟化后在一定壓縮率下實現木材整體壓縮強化的改性技術。該方法所制得的壓縮木沿壓縮方向上木材的密度分布較均勻[6]。層狀壓縮法是對木材的表層或芯層進行熱濕軟化，通過控制壓縮層位置和厚度制備層狀壓縮木的改性技術。采用該方法可制得單側表層壓縮木[7-8]、雙側表層壓縮木[9]和層狀壓縮木[10]。

2 木材軟化研究進展

2.1 木材軟化原理

在木材壓縮改性之前，需對木材進行充分的軟化處理，促使木材內部相鄰纖絲間、微纖絲間和微晶間產生相對滑移，且滑移的位置可被固定，從而減少壓縮時所需要的壓力，亦可在一定程度上保持被壓縮層細胞壁的完整性。為實現木材軟化，可使用化學藥劑(如氨水)浸漬法使木質素、半纖維素和纖維素的非結晶區的體積膨脹，增大分子鏈段之間的自由體積空間，進而提高木材的塑性[11]。同樣，水作為極性分子進入木材細胞壁后，也可以與纖維素的非結晶區、半纖維素中的羥基形成新的氫鍵結合，從而使分子鏈之間的距離增大。特別是當木材含水率達到纖維飽和點時，分子鏈段間的自由體積膨脹至最大，是木材壓縮的最佳狀態[12]。值得注意的是，如果分子間的振動不夠，即分子熱運動的能量不足，即使具備足夠的自由體積空間，也無法完全改善木材的塑性。因此，只有能量和增塑劑共同作用于木材時，才能有效提高木材的塑化特性，進而提高木材的壓縮性能。

2.2 木材軟化方法

木材軟化方法可分為化學軟化法和物理軟化法。化學軟化法所使用的化學藥劑主要包括液態氨、氨水、氣態氨、亞胺、堿液、尿素和單寧酸等，其中氨類藥劑對木材的軟化效果最佳[11]。物理軟化法則是利用水分子對纖維素的非結晶區、半纖維素和木質素的潤脹作用，以及在熱量的協同作用下，使得細胞壁分子鏈獲得足夠的能量而產生劇烈運動，達到木材軟化的目的。相比于化學軟化法，物理軟化法由于未添加化學藥劑，具有環保、工藝簡單和成本較低等優點，更具有潛在的商業化應用前景。依據加熱介質的不同，物理軟化法可分為熱壓板加熱軟化法、蒸汽加熱軟化法和高頻、微波加熱軟化法。Tu等[6]采用熱壓板加熱軟化法對低含水率的楊木進行軟化處理后，經過機械壓縮制得整體壓縮木，此種軟化方法處理全過程均在熱壓機中進行，具有工藝簡單、處理能耗低等優勢。井上雅文等[4]利用封閉式木材壓縮改性技術，首先采用蒸汽加熱軟化法對木材進行軟化處理，然后沿木材徑向壓縮制得整體壓縮木。劉一星等[13]將原木置于密閉高溫高壓處理罐體中，采用高溫高壓蒸汽對其進行軟化處理，而后經過雙軸壓縮制得整形壓縮木。由于高溫蒸汽的作用，木材軟化充分，但此種軟化方法對設備要求高，操作、管理復雜，在工業化應用領域受到一定限制。采用高頻加熱法和微波加熱法亦可實現木材的充分軟化[14-15]，但前提是木材的初始含水率不能低于30%，因此，針對低含水率的木材需要進行增濕處理。此種木材軟化方法所具有的優勢是軟化效率高、軟化層位置可控，但設備投資成本也相對較高。

3 壓縮木定型研究進展

木材經過軟化-機械壓縮，壓縮層內部存在殘余壓縮應力，如若在壓縮應力沒有釋放的情況下解除壓縮荷載，極易造成壓縮層形變的恢復[16-17]。雖然制得的壓縮木在低濕度環境中會保持較高的穩定性，但在濕熱交替變化的環境條件下，壓縮木會發生部分或全部回彈[18]。因此，在壓縮木制備過程中實現壓縮層形變的固定具有極大的挑戰性。目前，固定壓縮木形變的方法主要包括物理定型法和化學定型法。

物理定型方法是在沒有外來化學物質添加的條件下，僅依靠熱濕作用，促使木材的細胞壁化學組分發生軟化及部分半纖維素的熱降解，半纖維素和纖維素分子鏈段之間相互靠近形成新的氫鍵結合，實現細胞壁的定型[19]；而部分半纖維的熱降解亦可導致木質素和纖維素之間的連接松弛[20]，促使壓縮應力釋放，實現細胞腔變形的定型。依據加熱介質不同，物理定型法可分為熱壓板定型法、熱處理定型法、高溫高壓蒸汽定型法和高頻微波加熱定型法。鄔飛宇等[21]、Bao等[22]采用熱壓法對木材進行密實化處理，而后原位升溫對壓縮木進行熱處理，所制得的壓縮木熱處理材呈現出較低的吸濕性及較高的尺寸穩定性。由于木材的壓縮密實化和定型均在同一設備中完成，處理工藝簡單，是有望普及的壓縮木定型方法。以高溫濕空氣[23]或常壓過熱蒸汽[20, 24]為介質的熱處理定型法亦可顯著降低壓縮木的彈性恢復率,提高壓縮木的尺寸穩定性。杜超等[25]首先采用常壓過熱蒸汽對楊木進行熱處理，而后進行壓縮密實化，結果表明處理材的吸水厚度膨脹率為13.9%，弦向尺寸穩定性增加了46%。相比于高溫熱處理定型法，以高溫飽和蒸汽和帶壓過熱蒸汽為介質的高溫高壓定型法對壓縮木的定型效果較好[26-27]，處理時間較短，但由于蒸汽壓力的存在，此種定型方法對處理設備的要求較高。采用高頻、微波加熱方式亦可對壓縮木進行定型處理，其作用原理主要是在電磁波的作用下，木材內部具有正負極性的偶極子產生劇烈運動，從而實現被加熱物體的自身發熱[28]，相比于高溫高壓蒸汽處理法，該方法具有加熱速度快、處理時間短、適用于大斷面尺寸的壓縮木定型處理等優點[29]。

化學定型方法是向木材中添加化學物質，使木材分子形成新的連接方式或使木材內部形成凝聚結構或使壓縮木材內部形成憎水基團，實現壓縮木的定型。依據所使用的化學物質的不同，化學定型法可分為樹脂處理法和交聯化反應處理法。樹脂處理法是采用低分子量的樹脂溶液對木材進行浸漬處理，待樹脂浸漬入木材細胞腔，結合熱機械壓縮改性處理，實現樹脂的熱固化以膠結木材壓縮后的相鄰細胞壁，從而抑制壓縮層的吸濕彈性恢復，實現細胞腔形變的固定[30]。Gabrielli等[31]、柴宇博等[32]采用不同的浸漬方法(常壓浸漬、真空浸漬和真空加壓浸漬)和各類樹脂對木材進行浸漬處理，而后壓縮制得壓縮木，研究結果表明，壓縮木的彈性恢復率顯著降低，部分細胞腔形變甚至完全被固定。Pfriem等[33]用糠醇和馬來酸酐混合溶液以真空和加壓浸漬的方式對山毛櫸木材進行處理，然后機械壓縮密實化，制得的壓縮木材呈現出較低的回彈率。交聯化反應處理法是將低分子量的化學試劑浸漬進木材細胞壁中，在加熱或者催化助劑存在的條件下，促使其與細胞壁分子相互鍵合形成穩定的交聯網狀結構，實現細胞壁形變的固定[31]。方桂珍等[34-35]采用多元羧酸類化合物以常壓或加壓浸漬方式對木材進行處理，然后機械壓縮制得壓縮木，結果表明壓縮木的尺寸穩定性得到顯著提升。Rassam等[36]以納米銀溶液對預壓縮木材進行浸漬處理，而后機械壓縮強化，所制得的壓縮木呈現較低的彈性恢復率。

4 壓縮木的制備工藝

4.1 整體壓縮木制造工藝

目前，整體壓縮木的制備技術主要包括封閉式木材壓縮改性技術和開放式木材壓縮改性技術。采用封閉式木材壓縮改性技術制備整體壓縮木的工藝主要包括3種：第1種是將木材置于帶有壓縮裝置的密閉高溫高壓處理罐體中，采用高溫高壓蒸汽對木材進行軟化處理，待木材的芯層溫度達到85 ℃后，啟動機械壓縮裝置實現木材的整體壓縮處理[37]；第2種木材壓縮工藝是在第1種工藝的基礎上將熱平板溫度控制在160～220 ℃，對壓縮木進行熱壓保溫處理，之后降溫至60 ℃卸壓出料；第3種木材壓縮工藝是將經過軟化處理的木材壓縮至目標厚度，并在壓縮狀態下采用180～200 ℃的飽和水蒸氣對壓縮木進行熱處理，之后強制冷卻至60 ℃卸壓出料[2]。相比于第1種木材壓縮工藝，第2和第3種工藝所制得的整體壓縮木呈現出較高的尺寸穩定性。采用開放式木材壓縮改性技術亦可實現木材的整體壓縮。第1種開放式木材壓縮工藝：首先采用蒸煮法對木材進行軟化處理，然后采用熱壓機壓縮制得整體壓縮木；第2種工藝：首先將樹脂注入木材，而后機械壓縮制得壓縮木[38]；第3種工藝：采用熱空氣、蒸汽或者熱壓板對木材進行預熱軟化處理，然后機械壓縮制得整體壓縮木[6]。

4.2 壓縮整形木制造工藝

壓縮整形木的制備是基于木材的濕熱軟化特性和可塑化的原理，經壓縮整形處理可使木材從原木直接加工成方形材以及其他規則截面形狀的木材。壓縮整形木的制造工藝主要包括微波加熱軟化聯合機械壓縮、高溫水蒸氣軟化聯合機械壓縮[13]和高溫高壓蒸煮軟化聯合機械壓縮[39]3種形式。采用加熱軟化-機械壓縮的壓縮整形木制造技術可將軟質速生材加工成優質材，如小徑級原木經過軟化處理(微波軟化、高溫水蒸氣軟化、高溫高壓蒸煮軟化等)，然后機械壓縮制得壓縮整形木，其木射線、年輪的形狀和位置均隨著各個壓縮方向壓縮程度的不同而產生顯著的變化，再將壓縮整形木進行刨切和砂光處理，其表面可呈現出奇特的紋理圖案，實現了劣材優用。

4.3 層狀壓縮木制造工藝

層狀壓縮木是指對木材的表層或者中間層進行壓縮密實，形成壓縮層與未壓縮層同時存在的壓縮木[3]。壓縮層的分布位置主要有3種類型，分別是壓縮層位于壓縮木的表層(表層壓縮木)、內層和芯層[40]。在20世紀90年代，日本首先進行了表層壓縮木的研究，主要以水或樹脂作為木材表層的增塑劑，采用熱平板或微波軟化法[9,15]對木材表層進行軟化處理，然后經過機械壓縮制得表層壓縮木。木材的表層壓縮改性工藝與刨花板和中密度纖維板的熱壓工藝相類似，所控制的熱壓工藝參數主要包括熱壓溫度、木材含水率、熱壓時間、閉合速度、熱壓壓力、木材壓縮率等[41]。其中熱壓溫度是表層壓縮木制造工藝中極為關鍵的工藝參數，通過控制上下熱平板溫度趨于一致，可制備具有對稱剖面密度分布的表層壓縮木。熱壓溫度不僅決定壓縮木密實層的形成，也對壓縮木的變形回彈、表面硬度、握釘力、耐磨性等產生影響[42-44]。為實現壓縮層的位置位于木材內層或者芯層，需要對木材進行分層軟化處理，在木材內部的不同層面上形成屈服應力差[40]。研究表明，木材熱壓工藝參數預熱時間和預熱溫度對層狀壓縮木的剖面密度分布具有顯著影響，預熱時間增加，密實層向中間層移動，同時密實層的厚度增大[10]。

4.4 非對稱單側表層壓縮木制造工藝

整體壓縮木和雙側表層壓縮木的制造需要以較大的材積損失為代價。針對壓縮木的特定用途，諸如作為地板、桌椅面板、墻板等制品，僅對木材的單側表面的力學性能有較高的要求，因此，單側表層壓縮木是最好的選擇。單側表層壓縮木是指在木材壓縮方向上只有一個面的表層被壓縮，木材內部沿壓縮方向形成非對稱結構的密度分布[8]。有關研究表明，熱壓溫度、木材含水率、閉合時間、保壓時間、熱壓壓力等壓縮工藝參數對單側表層壓縮木的剖面密度分布具有顯著影響：熱壓溫度增大，單側表層壓縮木的峰值密度呈現出增大的變化趨勢[45-46]；木材含水率增大，壓縮木的密實化區域增大[7]；閉合時間對密實層的厚度具有顯著影響，閉合時間增大，密實層厚度增大，但壓縮木的峰值密度降低[47]；保壓時間延長，木材冷端部分產生明顯變形，所制得的壓縮木易產生瓦彎變形[48]，但延長保壓時間有助于降低壓縮木的變形回彈[49]，因此為保證壓縮木的質量，應合理設定木材的保壓時間；熱壓壓力對木材壓縮密實層的形成具有顯著的影響，為保證木材壓縮層的形成，熱壓壓力應高于木材的屈服應力。然而，木材的屈服應力因樹種、木材組織構造、壓縮方向、木材含水率和溫度的不同而差異顯著[50]，因此在保證木材軟化的原則下，應根據樹種及壓縮木用途，合理設定壓縮工藝參數，獲得理想的單側表層壓縮木。

5 壓縮木的性能及應用

5.1 壓縮木的性能

軟質木材經過壓縮強化改性后，木材原有的組織構造、物理性能和力學性能均發生了顯著變化。研究和認識壓縮木的性能對正確使用壓縮木乃至改進木材壓縮改性技術均具有重要的指導意義，一直受到眾多科研工作者和生產廠商的廣泛關注。采用木材整體壓縮強化改性技術可顯著減小木材的孔隙率，增加木材的密度，壓縮木的早材與晚材的密度差減小，材質更加均勻，整體壓縮木的各項物理力學性能均有大幅提高[51-52]。相比于整體壓縮木，單側表層壓縮木的突出特點是剖面密度呈非對稱分布，單側表層密度可到達1.24 g/cm3[8]。木材經過壓縮整形改性處理，壓縮整形木的表面硬度和耐磨性均比對照材有大幅度的提高[13]。壓縮率作為影響壓縮木力學性能的關鍵因素，隨著壓縮率的增加，壓縮木的抗彎強度和抗彎彈性模量均呈現出線性增大的變化趨勢[49,53]。

木材經壓縮改性處理，其材質變得均勻，更易于雕刻、切削加工、微細加工和飾面加工[4]。不同樹種的木材由于具有不同的微觀、宏觀構造，壓縮改性處理對不同木材的加工性能的影響不盡相同。相比于素材的機械加工特性，壓縮改性處理的楊木機械加工質量具有顯著提升[54]。壓縮改性處理對木材的涂飾性能沒有產生負面影響，甚至可以使得木材的涂飾性能得到小幅度改善。如研究人員采用意楊木材進行單側表層壓縮-熱處理，并測試了處理材的涂飾特性，測試結果表明，漆膜硬度、漆膜附著力和耐磨轉數均得到提高，各向性能指標符合實木地板國家標準要求[8]。

5.2 壓縮木的應用

雖然木材壓縮改性技術的誕生時間較早，但是其研發、應用的高速成長期是從21世紀初開始的。其中的一個突出表現就是關于木材壓縮改性技術專利的大量申請與授權，我國與日本的相關專利申請量占據全球專利申請量的80%[55]。發展至今，木材壓縮改性技術已從單一型向集成型轉變，逐漸將木材壓縮改性技術與功能型木材改性技術相結合，所制得的改性處理材具有廣泛的用途。

1)在實木制品中的應用：由于壓縮木具有較高的力學性能及優異的加工性能，其制品主要應用在木地板、家具部件和木制工藝品等領域。諸如，單側壓縮的意楊木材可制造實木地板[8]；酚醛樹脂浸漬壓縮楊木亦適用于實木地板的制造[54]；乙酰化壓縮楊木適用于制造實木地板、家具及戶外木棧道等高附加值的產品[51]；壓縮防腐木由于同時存在較高的力學強度和防腐性能，其制品可在戶外家具領域應用[56]。采用壓縮木制造木制工藝品是壓縮木的另一種實木化利用途徑，由于壓縮木的力學強度和耐磨耐久性滿足工藝品的使用要求，普遍得到了消費者的認可。目前，壓縮木制造的工藝品主要是木梳[57]，其梳理流暢性好，物理性能符合制梳的要求，具有巨大的消費市場。

2)在木結構連接件中的應用：近年來，在木結構領域應用壓縮木的研究得到了眾多科研工作者的青睞。壓縮木可制成木銷釘連接件，以替代金屬連接件應用于大跨度的木框架結構中[58-59]。為進一步研究分析木銷釘連接件的承載力，Elhoujeyri等[60]對直徑為16 mm的云杉壓縮木銷釘和直徑為12 mm的鋼榫釘承載力進行測試及對比分析，結果發現它們之間的承載力相當，且在剪切試驗中壓縮木銷釘不會像金屬銷釘那樣引起木材構件的破碎。亦可將壓縮木制成木塊連接件。Anshari等[61]研究發現在膠合梁上插入壓縮木塊，膠合梁的抗彎強度和承載力得到顯著提高。

3)在其他領域的應用：在20世紀20年代，日本開始研究壓縮木，壓縮木制品主要應用在紡織制造業。蘇聯在1956年以前也大量采用壓縮木制造梭子。20世紀70年代印度采用壓縮木代替進口的鵝耳櫪木材，制造織布機木梭。20世紀80年代，紡織工業上首先申請了關于壓縮技術的專利。壓縮木相比于金屬材料具有輕質高強的特性，在飛機制造[4]、熱軋機制造[62]等領域亦可得到廣泛的應用，具有高值化利用的潛力。

6 展 望

木材壓縮改性技術相關研究已有百年歷史，除了早期在紡織工業中有過大量應用，近代木材壓縮改性技術的大規模應用幾乎停滯不前。因此，對于木材壓縮改性技術，有必要在以下幾方面展開研究并取得突破：

1)高效型木材壓縮改性技術開發。木材在熱濕作用下的致密化路徑、壓縮形變回彈機理等尚未探明。在木材壓縮改性過程中需要消耗大量的時間和能源，勢必造成生產成本的提高和經營效益的降低；因此，開發經濟、節能、環保、高效的木材壓縮改性技術，以突破制造成本和效率的瓶頸，有助于擴寬壓縮木的商業化應用空間。

2)復合型木材壓縮改性技術開發。將木材壓縮改性技術與其他改性技術聯合形成復合型功能改性技術，其目的是在充分利用木材自身特有的結構屬性，開發具備功能性的新型材料，賦予壓縮木表面疏水自潔凈、防霉抑菌以及阻燃抑煙等功能，使壓縮木和其他天然林木材之間的競爭不局限于強度、密度，而是功能價值的競爭，從而實現壓縮木的高附加值應用。

3)森林-壓縮木價值鏈評估分析。木材的有效利用貫穿其整個價值鏈，包括森林管理、采伐、加工、安裝、使用、壽命結束及焚燒和能量回收等階段。在壓縮木產品開發過程中，需要綜合考慮木材壓縮改性過程對產品性能、環境和使用壽命的影響，有針對性地確定壓縮木密度和木材壓縮部位，以準確定位壓縮木的價值，做到適才適用，實現木材壓縮改性技術的可持續發展。