木材表面性质分析与优化

1.木材的耐久性

木材是由纤维素、半纤维素和木质素构成的天然高分子复合材料，浸提物沉积、充填在构造分子的表面上和间隙中。其主要成分的物理化学性质有明显差别，但作为一个整体，这些性质之间互为表里，各取所长，相互补充，从而赋予木材许多其他材料所没有的独特性能。正是这些特性和浸提物的作用，从总体上决定了大多数木材的天然耐久性。

耐久性是一个相对概念，是和其他材料比较而言。木材是一种生物材料，和其他生物材料一样，易在外界环境因素，如风、霜、雨、露、化学、热和光辐射、外力等的长期作用下发生一系列变化，导致表层成分降解，不断流失，使木材表面纹理突起、粗糙不平、构造疏松，外观劣化，发生变色、龟裂、变脆。这些现象统称为风蚀。由于大气污染日趋严重，空气中的二氧化硫、二氧化氮等酸性氧化物含量增加，进一步加速了木材的风蚀。单一因素造成的风蚀相对而言不是十分严重，但如果是在多种因素的协同作用下，风蚀现象就变得很复杂，变化速度也可能更快。对木材风蚀影响最大的是光照和雨水，二者交替作用，能加速风蚀的过程。

光照引起木材风蚀，主要是通过阳光中的紫外线起作用。透过大气层到达地球表面的太阳光由红外光、可见光和紫外光三个波段组成，其中紫外波段的波长在290～400nm，波长低于290nm的短紫外光大都被大气层过滤掉了。

2.木材的润湿性

润湿是当液体和固体表面接触时，原来的气—固界面被液—固界面所代替的过程。木材表面的润湿性，它是表征某些液体（水、粘合剂、染色剂、涂料及各种酸性木材的处理药剂溶液等）与木材接触时，在表面上润湿、铺展及粘附的难易程度和效果。这种性质对木材界面粘合、表面涂装和改性处理非常重要。

木材具有润湿性源于木材表面有极性，具有巨大的比表面积和动电电位。

表面润湿性是固体的表面张力与固—液界面张力之差。固—液两相之间的润湿行为取决于各相之间的表面能（或表面张力），对于固体材料用表面自由能表示，对于液体用表面张力表示。润湿性的大小因固体表面自由能和液体表面张力的大小而变化。通常液体的表面张力在（2～7）×10^-4N/cm之间，固体分子表面自由能分为高和低表面自由能，高表面自由能如玻璃、金属、无机非金属材料，表面自由能可达5×10^-3N/cm以上，低表面自由能如碳水化合物、高分子材料、木材等，表面自由能在（2～4）×10^-4N/cm之间。一般具高表面自由能的固体几乎总能被液体润湿，反之，则难以被润湿。

简便快速评价测定木材表面自由能润湿性的方法是测定接触角的大小。当一个轴对称的液滴位于某一固体材料表面时，存在着三个界面，这三个界面的界面张力分别用γ_s1、γ_s及γ₁表示，图12.4-2中的角θ是接触角。

图12.4-2 润湿作用与接触角

当液体位于木材表面并达到平衡时，由Yong方程知：

γ_s=γ_s1+γ₁cosθ （12.4-1）

式中 θ——接触角；

γ_s——固体材料（木材）的表面张力；

γ₁——液体（涂料）的表面张力；

γ_s1——固—液界面的表面张力。

液体和界面之间润湿功与液体和木材表面张力的关系式由Dupre式（12.4-2）表示：

Wa=γ_s+γ₁-γ_s1 （12.4-2）

将式（12.4-1）导入式（12.4-2），得著名的Young-Dupre方程式（3）：

Wa=γ₁（1+cosθ） （12.4-3）(www.xing528.com)

式中 Wa——木材和涂料界面的润湿功，其余字母的意义同前。

从式（12.4-3）可知，涂料涂饰在木材表面，γ₁一定，润湿功Wa随着cosθ的变化而变化，即：

当θ=0°时，cosθ=1时，液滴在固体表面接近于薄膜状态，完全润湿，润湿功最大，即铺展润湿；

当θ在0°～90°之间，即0＜cosθ＜1时，液滴在固体表面形成小于半球形，称为浸渍润湿；

当θ在90°～180°之间，即-1＜cosθ＜0时，液滴在固体表面形成大于半球形，称为粘附润湿；

当θ=180°时，cosθ=-1时，液滴在固体表面形成球形，为完全不润湿。

由上述可知，影响和决定液固润湿性大小的原因主要有：

1）固体表面自由能。

2）液体表面张力。

3）固体表面的吸附、污染。

4）固体表面的均匀性和表面粗糙度。

为改善木材表面润湿性，提高涂饰附着效果，许多学者研究开发了许多改善表面润湿性的新方法，如NaOH处理、电晕处理等，还有生产上常用的砂磨处理等均可改善和提高木材表面润湿性。

3.木材的表面活化和钝化

在木材表面形成过程中，其化学组成未必与主体一致，这与表面形成条件和方法有关，尤其影响到木质素、半纤维素、纤维素在木材表面的含量大小。此外，抽提物成分在木材表面形成中会再分配，尤其在木材干燥后，使大量非极性抽提物沉积在木材表面。

木材的表面活化，其一采用氧化和分解方法，使木材化学组成中的官能团活化，变成具有反应特性的基团。其二是引入反应活性基团，并与木材组分的羟基结合。木材表面活化是实现木材胶合的先决条件，也为有机单体接枝到木材表面奠定基础。

当木材采用过氧化氢、硝酸盐等氧化时，试剂首先与木质素发生反应，形成酚氧自由基，发生聚合或断键，形成醌结构等。当木材用酸催化活化时，碳水化合物发生降解，使木材增加脆性。对木材表面活化处理后的特征分析，可采用红外光谱（IR）、紫外光谱（UV）、X射线光电子能谱分析（ESCA）、差热分析（DTA）、差示扫查量热法（DSC）、萤光显微镜（FM）和扫查电子显微镜（SEM）等进行分析。

引起木材表面钝化的原因，除由于非极性抽提物在干燥过程中移至木材表面，聚集表层，降低可湿性外，当干燥温度过高时，木材表面发生氧化及热解，使表面形成一层憎水表层导致表面钝化，这种现象又称热钝化。木材表面发生热钝化会影响木材机械加工产品的质量，尤其对单板胶合时，影响胶液向木材表面扩散，导致胶层固化不良，影响胶合质量。为此，在单板干燥前采取有机溶剂抽取或喷撒化学药剂来防止木材的表面钝化。

4.木材的材色与变色

所有木材均含有木质素，木材表面的木质素在光照下与空气中的活性氧发生所谓光致化学氧化反应，通常是颜色变黄并逐渐加深，也有一些树种材颜色变浅。可以说这是一种普遍现象，几无例外。但是木材的材色虽然基调相近，都是暖色，位于色立体的红黄区，但色调千变万化，深浅各不相同，差别很大。其根本原因是因为各种木材的浸提物成分组成和含量各不相同，即使是同种、同株树木，因为取样部位不同，材色也有差异。由此可见，木材的材色主要是由木材所含浸提物中的化合物种类和相对含量决定的。

木材变色可分为生物变色、生理病理变色和化学变色三大类。担子菌纲的木腐菌，如褐腐菌、白腐菌是危害木材的微生物。生物变色是生材表面感染真菌后，菌丝体穿入木材组织，分泌的色素存留在木材中造成的变色。通常所说的青变（或蓝变）就是最典型的木材生物变色。生理病理变色是树木生长过程中受环境因素影响，发生生理或病理变化，产生色素而导致材色局部异常。湿心材、树木的愈伤组织、髓斑等材色异常都属于此类变色。化学变色是木材成分，主要是浸提物成分在酸、碱、金属离子等的作用下发生的变色。常见的酸污染、碱污染和金属污染都属于此类变色。有些树种材，如泡桐属木材的浸提物成分本身并没有颜色，但随水分移动到木材表面后，在光照下发生缓慢的氧化、聚合反应，材色改变，也属于化学变色。木材表面在室外阳光直射和室内自然光的照射下都会发生变色。木质素的氧化变色是最普遍的光致化学变色。