王永貴 周衙欣 岳金權(quán)

(東北林業(yè)大學(xué)生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱，150040)

木材浸漬研究是研究木材在浸漬過程中浸漬液在木材結(jié)構(gòu)中傳輸?shù)倪^程，與木材干燥、制漿造紙、木材膠合、木材軟化、油漆、染色、阻燃、防腐、增硬等木材改良與利用有密切的關(guān)系［1］。在制漿造紙領(lǐng)域，浸漬或蒸煮藥液在木片中的傳輸一直受到廣泛的關(guān)注，其對化學(xué)漿和化機(jī)漿制漿過程中的成漿性能、蒸煮時(shí)間、磨漿能耗等均具有較大的影響［2-3］。

木材屬于非均一三相體系，浸漬液從不同方向向各向異性的木材內(nèi)部浸漬需要依靠不同的機(jī)理來完成，浸漬過程中浸漬液傳輸機(jī)理主要有兩種［4-5］，一是滲透，即流體在壓力梯度作用下沿木材結(jié)構(gòu)中的毛細(xì)管系統(tǒng)移動的過程，一般以Darcy定律為理論基礎(chǔ);二是擴(kuò)散，即在濃度梯度作用下，浸漬液中的溶質(zhì)離子和水分子等從高濃區(qū)向低濃區(qū)擴(kuò)散的自發(fā)濃度均勻化過程，一般遵循Fick擴(kuò)散定律。

1 理論模型

1.1 基于滲透理論的浸漬模型

滲透理論為木材浸漬研究的基本理論，在木材滲透研究中主要以Darcy定律為基本出發(fā)點(diǎn)，同時(shí)根據(jù)木材特性對Darcy定律的形式進(jìn)行修正。為了將Darcy定律應(yīng)用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的木材浸漬研究中，木材科學(xué)工作者提出了一些簡化的木材結(jié)構(gòu)模型，并以氣體作為主要的滲透流體來研究木材的滲透性能，主要模型有以下幾種:

(1)均勻并聯(lián)毛細(xì)管模型［1，6］

作為最簡單的流體縱向滲透結(jié)構(gòu)模型，該模型視木材內(nèi)流體滲透路徑由數(shù)目眾多、大小均勻、互不相通且平行排列的毛細(xì)管組成，并假定流體流經(jīng)管胞腔和導(dǎo)管時(shí)，呈黏性穩(wěn)態(tài)流動，符合Poiseuille定律。該模型適于研究部分針葉木和闊葉木散孔材纖維方向的流體滲透。

(2)Sebatian 針葉木模型［1，6-8］

Sebatian等人認(rèn)為對于針葉材不論氣體縱向滲透還是橫向滲透，都可看作管胞腔流阻和紋孔膜微孔流阻的串聯(lián)。若紋孔膜微孔半徑足夠小，相比之下管胞腔流阻可忽略，則根據(jù)Klinkenberg方程描述的滲透系數(shù)與平均壓力倒數(shù)間的線性關(guān)系，便可求得木材紋孔的有效半徑及其數(shù)量密度。該模型用于氣體縱向與橫向滲透，它開辟了一個(gè)通過木材滲透性測量來探索木材內(nèi)部毛細(xì)管結(jié)構(gòu)特性的新方法。

(3)Bramhall木材縱向滲透有效截面衰減模型［9-10］

Bramhall在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)木材氣體滲透系數(shù)會隨著試件長度增加而減少，據(jù)此提出了木材縱向滲透有效截面衰減模型。木材內(nèi)的氣體縱向滲透經(jīng)由許多不連通的通道進(jìn)行，組成這些通道的細(xì)胞中某個(gè)可能被堵塞，通道越長堵塞的幾率越大，這樣就得到了木材中流體滲透截面、滲透系數(shù)隨長度作指數(shù)衰減的公式，即Bramhall衰減公式，見式 (1)。

式中，K0為L→0時(shí)的滲透系數(shù)，L為試件長度，b為衰減常數(shù)。

(4)Petty 模型［1，11-12］

大量實(shí)驗(yàn)表明，縱向滲透性和木材試件的平均壓力倒數(shù)間往往成曲線關(guān)系，而非Klinkenberg方程所表達(dá)的直線關(guān)系。Petty等人認(rèn)為木材內(nèi)存在流導(dǎo)值相差懸殊的兩大類等效毛細(xì)管，如針葉材管胞腔與紋孔膜微孔，闊葉材導(dǎo)管腔與紋孔膜微孔。木材流導(dǎo)就是由許多個(gè)這兩種毛細(xì)管串聯(lián)通道平行排列所構(gòu)成，一個(gè)通道的流阻如式 (2)所示:

式中，gτ為管胞或?qū)Ч艿牧鲗?dǎo)，gL為紋孔膜微孔的流導(dǎo)，g為兩流阻串聯(lián)的等效流導(dǎo)，木材的滲透系數(shù)則為單位滲透截面所有通道等效流導(dǎo)的并聯(lián)值。這就是常用的Petty模型，該模型可以用來說明木材流體縱向滲透的滲透系數(shù)與平均壓力倒數(shù)間的非線性關(guān)系。

(5)Comstock 針葉木模型［1，6，13-14］

Comstock假定針木木紋孔全部位于管胞的徑面并集中在兩端，所有紋孔膜微孔大小相同;管胞端部均有兩個(gè)紋孔對將上下左右相鄰的管胞連通，一系列平行排列的成串管胞構(gòu)成木材滲透通道，連接相鄰管胞的紋孔對不僅是流體縱向滲透通道，也是流體橫向滲透通道，故這一模型適用于針葉材縱向和橫向滲透。Comstock根據(jù)上述模型，導(dǎo)出了軸向上的滲透系數(shù)關(guān)系式、橫向上的滲透系數(shù)關(guān)系式及兩者的比值關(guān)系式。

(6)針葉木縱向氣體滲透三維流阻網(wǎng)絡(luò)模型［15-16］

理論上，每一個(gè)針葉木管胞對于滲透氣體都具有縱、徑、弦向的流阻，氣體在針葉木中滲透等效于在針葉木管胞流阻構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)中流動。鮑甫成等人利用針葉木管胞氣體滲透流阻和管胞在縱、徑、弦向的連接特性，建立一個(gè)描述針葉木縱向氣體滲透的三維流阻網(wǎng)絡(luò);并運(yùn)用重正化變換求解流阻網(wǎng)絡(luò)的流阻，計(jì)算針葉木氣體縱向滲透系數(shù)。

1.2 基于擴(kuò)散理論的浸漬模型

木材浸漬過程中，擴(kuò)散是木材水分飽和后藥液進(jìn)入木材的主要方式，擴(kuò)散過程中溶液中的離子或其他可溶性物質(zhì)在濃度梯度下進(jìn)入木材內(nèi)部，化學(xué)物質(zhì)在木片中的擴(kuò)散速率主要取決于擴(kuò)散系數(shù)［17］。木材浸漬擴(kuò)散研究主要是擴(kuò)散系數(shù)的測定，多年來相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，提出了多種用于木材浸漬擴(kuò)散研究的數(shù)學(xué)模型，其中用于制漿造紙領(lǐng)域的模型主要有以下幾種:

(1)Magnus等人［18］將載流子的漂移速率運(yùn)用到木材堿浸漬穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散研究中，通過Einstein關(guān)系式(見式 (3))建立起了由漂移速率測定擴(kuò)散系數(shù)的理論模型。同時(shí)，引入了有效擴(kuò)散長度和有效擴(kuò)散面積的概念。

式中，D為擴(kuò)散系數(shù)，m2/s;μ為遷移率，m2/(V·s);R為普適氣體常量;T為絕對溫度，K;z為轉(zhuǎn)移電子數(shù);F為法拉第常數(shù)。

(2)Vicente等人［19］認(rèn)為木材制漿堿浸漬過程中擴(kuò)散與化學(xué)反應(yīng)均影響浸漬液的傳輸，由此得出了基于Fick第一定律的木材堿浸漬擴(kuò)散-反應(yīng)模型，該模型能夠很好地預(yù)測不同浸漬溫度下木材內(nèi)部藥液濃度，從而預(yù)測化學(xué)漿制漿終點(diǎn)或高得率漿的浸漬終點(diǎn)。

(3)Zanuttini等人［20］用實(shí)驗(yàn)方法確定了浸漬過程中木片厚度方向上堿濃、堿含量、液體含量以及乙?；康淖兓€，并用“收縮核”模型來描述堿濃度和乙?；吭谀酒穸确较蛏系淖兓?/p>

(4)Kazi等人［21］基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用Fick第二定律建立了用于測定木片縱橫向液體傳輸速度的堿浸漬模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)擴(kuò)散系數(shù)隨溫度成指數(shù)增長，符合Arrhenius-type相關(guān)關(guān)系。

2 研究方法

木材浸漬研究主要是研究一定條件下液體進(jìn)入木材內(nèi)部的途徑、方式以及液體的進(jìn)入量等信息，主要分為定性法和定量法。

定性法一般通過切片分析藥液的傳輸途徑及方式，主要有染色分析法、放射性示蹤法、核磁共振法、圖形分析法和電子顯微鏡法等［2］。同時(shí)，放射性示蹤法和核磁共振法也可作為定量分析方法，但具有較高的技術(shù)要求。

定量法是木材浸漬研究中普遍采用的方法，主要有沉沒測試法、液體吸收法、夾持法及木片浸漬連續(xù)測量法［2，17］等。目前，制漿造紙領(lǐng)域木材浸漬研究以連續(xù)測定法為主，主要有質(zhì)量連續(xù)測定法［4］、體積連續(xù)測定法［22］及擴(kuò)散連續(xù)測定法［18-19］3種，具體測定裝置示意圖見圖1～圖3。

圖1為質(zhì)量連續(xù)測定裝置，上部質(zhì)量感應(yīng)器是其核心元件，它與浸漬器中心網(wǎng)籠相連。實(shí)驗(yàn)時(shí)木塊置于網(wǎng)籠內(nèi)，木塊質(zhì)量可通過與質(zhì)量感應(yīng)器連接的數(shù)據(jù)顯示器讀出，從而連續(xù)測量木塊浸漬過程的質(zhì)量變化。該裝置結(jié)構(gòu)緊湊、密閉性好、具有多個(gè)進(jìn)氣通道，可進(jìn)行不同浸漬條件下的木材浸漬研究，如加壓浸漬、真空浸漬、汽蒸、氣體置換等。

圖1 質(zhì)量連續(xù)測定裝置

圖2為體積連續(xù)測定裝置，用于測定木材浸漬過程中浸漬液進(jìn)入木材中的體積流量。實(shí)驗(yàn)時(shí)，先通過中間的加液槽向裝置中注入浸漬液，使液位到達(dá)木塊支架底部，此時(shí)左右兩邊液位相等。然后將木塊固定到支架上，使木塊與液面接觸，浸漬液向木塊中傳輸，右側(cè)刻度管液面下降，下降值可通過連接的壓力變送器讀出，從而對浸漬過程中木塊吸收浸漬液的體積進(jìn)行連續(xù)測量。

圖3為擴(kuò)散連續(xù)測定裝置，主要用于研究木材浸漬過程中強(qiáng)電解質(zhì)浸漬液在木材中的擴(kuò)散速率。該裝置用帶通孔的隔板將容器分成A、B兩室。實(shí)驗(yàn)時(shí)將木片密封于通孔上，并將浸漬液和去離子水分別盛于A、B兩室。在通氮?dú)狻嚢?、系統(tǒng)恒溫條件下，浸漬液從A室經(jīng)過木片向B室擴(kuò)散，通過連續(xù)測定B室電導(dǎo)率的變化來表征浸漬液在木材中的擴(kuò)散速率。

3 影響因素

木材浸漬過程涉及木材、流體及浸漬條件三方面，因此控制和影響木材浸漬程度的因素也由此三方面組成，其中最主要的影響因素是木材本身的性質(zhì)。

3.1 木材性質(zhì)

3.1.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

木材作為一種具有復(fù)雜多孔毛細(xì)管結(jié)構(gòu)的天然生物材料，主要由大毛細(xì)管系統(tǒng)和微毛細(xì)管或超微毛細(xì)管系統(tǒng)構(gòu)成。其中針葉木的管胞腔、樹脂道，闊葉木的導(dǎo)管腔、纖維管胞腔、木射線細(xì)胞腔等，構(gòu)成木材的大毛細(xì)管系統(tǒng);紋孔膜和細(xì)胞壁上的微纖維或纖絲之間的縫隙，形成微毛細(xì)管和超微毛細(xì)管系統(tǒng)。木材復(fù)雜的毛細(xì)管系統(tǒng)構(gòu)成了木材浸漬過程中流體傳輸?shù)闹饕ǖ?，也是木材浸漬的主要影響因素。

鮑甫成等人［23］通過對針葉木浸漬過程理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，液體在針葉木中的縱、橫向流動滲透阻力幾乎全由紋孔來控制，對于闊葉木，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，液體浸漬滲透性除取決于紋孔外，還與導(dǎo)管腔中侵填體和復(fù)合穿孔板等有關(guān)。因此，木材中的有效紋孔膜微孔大小和數(shù)量是影響木材滲透性最主要的結(jié)構(gòu)因素，有效紋孔膜微孔大而多者，滲透性高。

Inalbon等人［24］研究發(fā)現(xiàn)，有效毛細(xì)管橫截面積對木材浸漬的滲透及擴(kuò)散過程均具有顯著影響。此外，鮑甫成等人［25］通過對杉木與馬尾松滲透性能的研究發(fā)現(xiàn)，每管胞開放紋孔數(shù)、紋孔閉塞率、單位面積開放紋孔數(shù)、紋孔膜微孔堵塞程度、管胞長度及管胞搭接率等木材微細(xì)結(jié)構(gòu)也會顯著影響木材的滲透性能。

3.1.2 化學(xué)成分

浸漬過程的流體毛細(xì)管上升、纖維潤脹以及化學(xué)反應(yīng)等都與木材的化學(xué)組成有關(guān)。因此木材的化學(xué)組成對木材浸漬過程同樣重要，其中抽出物的影響最為顯著。

流體在木材中傳輸主要有兩個(gè)途徑，其一是紋孔系統(tǒng);其二是細(xì)胞壁毛細(xì)管系統(tǒng)，抽出物會對這兩個(gè)傳輸通道造成堵塞，影響木材的浸漬。木材抽提物含量高使細(xì)胞壁各層及細(xì)胞腔內(nèi)壁沉積包裹的基質(zhì)和結(jié)殼物質(zhì)增加，降低表面潤濕性，堵塞微毛細(xì)管系統(tǒng)，對浸漬起到消極的作用［26］。通過對我國東北4種常見木材 (紅松、興安落葉松、白樺、山楊)的研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過4種方法 (冷水、熱水、堿和苯乙醇)的抽提以后木材滲透性均有不同程度的提高，木材滲透性的提高與抽提時(shí)間成線性關(guān)系［27］。此外，細(xì)胞腔中樹脂或樹膠的含量與分布對浸漬流體傳輸過程也有較大影響，樹脂或樹膠含量高，則流通通道易堵塞，滲透性差，這也是富含樹脂落葉松滲透性差的主要原因之一［28］。

3.1.3 物理性能

木材含水率、胞腔內(nèi)空氣含量及尺寸等物理性能也會對木材浸漬過程產(chǎn)生影響。一般認(rèn)為，木材毛細(xì)管中的殘余空氣是浸漬過程流體傳輸?shù)闹饕系K［2］。木材浸漬過程受毛細(xì)管作用力的影響，孔隙內(nèi)的空氣壓力上升阻礙液體滲透。同時(shí)，空氣含量較高的木材浸漬過程中會形成較多的氣-液界面，產(chǎn)生毛細(xì)管張力，阻止毛細(xì)管中氣體外溢，使浸漬阻力增加［23］。此外，木材水分含量對其浸漬過程也有較大影響。木材含水量低于纖維飽和點(diǎn)時(shí)，細(xì)胞壁會吸收液體產(chǎn)生一定程度的潤脹，增加細(xì)胞壁的潤濕性能，減少液體流動阻力。王金滿等人［29］研究發(fā)現(xiàn)，在吸濕范圍內(nèi)木材含水率對木材滲透性的影響成二次函數(shù)關(guān)系。其中，在徑向和弦向滲透性與含水率成負(fù)二次曲線關(guān)系，在軸向成正二次函數(shù)關(guān)系。

由于木材結(jié)構(gòu)的各向異性，使得木材不同方向上的滲透速率不同。Stone等人發(fā)現(xiàn)［30］，木材縱向滲透能力最強(qiáng)，是橫向和徑向的5～200倍。因此，木材縱向長度是影響浸漬最重要的尺寸因素，縱向長度減少有助于提高液體浸漬效果［31］。另外，木材橫向厚度會影響浸漬過程中空氣的排出，較小的厚度為空氣的擴(kuò)散排出創(chuàng)造了更短的通道［32］。

3.2 浸漬藥液

木材浸漬效果與浸漬液種類、極性、分子大小及構(gòu)造、黏度和濃度等因素有關(guān)。一般來說，液體黏度越低，分子空間體積越小，極性參數(shù)與木材越相近，則越有利于浸漬液的傳輸。浸漬液的黏度和氣-液界面表面張力是影響木材內(nèi)液體傳輸?shù)闹饕蛩?，黏度越低，流體流動過程的黏滯阻力越小;氣-液界面的表面張力越小，浸漬過程中由于毛細(xì)管凝結(jié)而形成的氣-液界面阻力越小，滲透越容易。

3.3 浸漬工藝條件

與浸漬工藝條件有關(guān)的影響因素主要有溫度、壓力和浸漬時(shí)間等［26］。一般升高溫度可降低液體黏度從而加速液體的滲透;施加壓力和延長滲透時(shí)間均可不同程度提高木材浸漬效果。壓力差是液體進(jìn)入木材的主要?jiǎng)恿?，因此提高外部壓力可以提高液體的浸漬效果;同時(shí)，提高壓力可以改變毛細(xì)管結(jié)構(gòu)，使紋孔膜延伸或膨脹，紋孔膜上的開口增大;壓力高有助于木材孔隙內(nèi)空氣的溶解，降低孔隙內(nèi)空氣阻力，從而提高傳輸速率［30］。

3.4 化學(xué)反應(yīng)

在早期制漿堿浸漬研究中主要將堿浸漬過程看成單純的Fick擴(kuò)散過程，即將木材看做是惰性物質(zhì)，在堿浸漬過程中其化學(xué)成分恒定［33-34］。實(shí)際上，未處理木材對堿來說并非惰性物質(zhì)，Kazi等人［35］對云杉浸漬過程的研究發(fā)現(xiàn)，單純依據(jù)Fick擴(kuò)散定律得出的結(jié)果與實(shí)際并不相符。研究表明，木材堿浸漬過程是一個(gè)包括毛細(xì)管滲透、擴(kuò)散及化學(xué)反應(yīng)的綜合過程。木材堿浸漬過程中，堿液主要與木材中的葡萄糖醛酸及其酯類、乙酰基等發(fā)生反應(yīng)，同時(shí)會造成部分半纖維素的溶出，其中脫乙?；磻?yīng)是木片浸漬過程中研究最多的化學(xué)反應(yīng)［36］。

木材半纖維素中含有大量的乙?；?，主要集中在闊葉木的聚木糖及針葉木的聚半乳糖甘露糖中［37］。木材在酸、堿或熱處理過程中，半纖維素中的乙酰基會快速脫出，稱為脫乙酰基反應(yīng)。Zanuttini等人［38］對木材堿浸漬脫乙?；磻?yīng)研究發(fā)現(xiàn)，堿濃和溫度對堿浸漬脫乙?；磻?yīng)有顯著影響。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)在闊葉材堿法高得率制漿中，脫乙?；磻?yīng)是造成堿消耗的主要原因［39］，也對木材細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)具有顯著影響，例如脫乙?；饔脮黠@提高木材纖維細(xì)胞壁的可及度［37］。Obataya 等人［40-41］對乙?；^的日本魚鱗云杉樣品不同溶劑親和性能的研究發(fā)現(xiàn)，在氫鍵力小的液體 (如苯、甲苯)中，乙?；哪酒瑯悠份^未乙?；哪酒瑯悠窛櫭浰俣瓤臁櫭洺潭雀?在水、烯乙二醇、乙醇中，乙?；哪酒瑯悠坊静划a(chǎn)生潤脹?；谝陨涎芯靠梢园l(fā)現(xiàn)，脫乙?；磻?yīng)對木材堿浸漬過程具有重要影響，從而影響堿法制漿的成漿性能。因此，對以脫乙酰基為主的化學(xué)反應(yīng)的研究對完善堿法制漿過程中堿浸漬理論具有重要意義。

4 改善措施

改善木材浸漬效果必然要從其影響因素入手尋找解決途徑，改善途徑大致歸納為以下幾個(gè)方面:①改善木材本身特性，如增加浸漬液傳輸通道、改善表面性能、改變紋孔結(jié)構(gòu)及排除空氣等;②改善流體特性，如減小分子質(zhì)量、降低黏度等;③改善浸漬工藝，如通過提高溫度、改變滲透壓力差等方式制造含水率梯度、濃度梯度、溫度梯度、壓力梯度等，從而改善浸漬過程的滲透及擴(kuò)散性能?？紤]到制漿造紙領(lǐng)域木材浸漬過程浸漬液比較固定，而調(diào)整工藝條件屬于工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化范疇，故本文對這兩方面的內(nèi)容不做介紹，只對木材本身的改性措施進(jìn)行論述。

4.1 增加傳輸通道

增加浸漬液傳輸通道是指通過物理、化學(xué)及生物等手段改善木材毛細(xì)管結(jié)構(gòu)或使木材產(chǎn)生變形、裂紋等以增加額外的傳輸通道，提高木材浸漬效果。常見的有機(jī)械擠壓法、汽蒸爆破法、微生物法等。

機(jī)械擠壓法分為靜態(tài)擠壓和動態(tài)擠壓。Law等人［42］通過對靜態(tài)擠壓處理后的白樺進(jìn)行TMP制漿研究表明，擠壓作用容易使纖維細(xì)胞壁在P-S1或S1-S2處分層，有利于木片吸收藥液。Ikuho Iida等人［43-44］發(fā)現(xiàn)壓榨后在相同時(shí)間內(nèi)木材吸液量可提高7～25倍。電鏡分析發(fā)現(xiàn)壓榨過程對木材紋孔結(jié)構(gòu)有較大影響，如紋孔膜破裂、脫落等。動態(tài)擠壓是指木材的連續(xù)壓榨過程，其中用于制漿造紙領(lǐng)域的主要是螺旋擠壓［30］。螺旋擠壓過程中，在加壓區(qū)木片體積減小，離開時(shí)木片尺寸回彈產(chǎn)生抽吸力，使得藥液滲透增加并且藥液浸漬更加均勻。

汽蒸爆破法是利用高溫蒸汽軟化木材，進(jìn)而通過瞬時(shí)降壓局部破損木材最薄弱的紋孔膜及薄壁組織從而改善木材浸漬效果的方法。汽蒸爆破后，許多紋孔膜部位選擇性破壞，纖維細(xì)胞壁急劇膨脹，細(xì)胞腔增大，細(xì)胞壁膨松;當(dāng)爆破強(qiáng)度較大時(shí)會發(fā)生胞間層分離，次生壁內(nèi)外層部分剝離等現(xiàn)象［45］。

微生物法是利用微生物對木材薄壁組織及紋孔膜進(jìn)行輕度侵蝕，增加流體傳輸通道以提高木材浸漬效果的方法。微生物侵蝕一般可分為細(xì)菌處理、真菌處理和酶處理3種［46］。大量研究表明，微生物處理能夠破壞紋孔膜、紋孔塞及薄壁組織等，同時(shí)還會去除一部分抽出物。

4.2 排除空氣

木材毛細(xì)管中殘留氣體是浸漬過程中流體傳輸?shù)闹饕枇Γ?］，浸漬前對其適當(dāng)去除能夠顯著提高木材浸漬效果。目前，排除空氣的方法主要有汽蒸法、抽真空法及氣體置換法。

汽蒸法是一種最常用且有效的通過排除空氣來改善木片浸漬的方法。汽蒸排除木材內(nèi)部空氣的途徑主要有3方面:①蒸汽加熱作用使得木材空隙中的空氣受熱膨脹而排出;②汽蒸使得木材內(nèi)部水蒸氣分壓提高排除空氣;③水蒸氣的穿透能力很強(qiáng)，可直接驅(qū)趕木材中的空氣。其中汽蒸導(dǎo)致的水蒸氣壓力提高是排除空氣的主要原因［47］。此外，汽蒸還具有降低抽出物含量、導(dǎo)致部分紋孔膜和紋孔塞破裂等作用［48］。

抽真空法是指通過抽真空排除木材內(nèi)空氣，形成木材內(nèi)外壓力差，借此將液體注入木材內(nèi)的一種改善木材浸漬的方法。抽真空排除空氣的效率主要取決于所用的真空度，由于受到木材水分及毛細(xì)管特性的影響，木材內(nèi)的空氣很難徹底排出，但在適當(dāng)真空度條件下可以排除木材中大部分氣體。目前，制漿造紙領(lǐng)域已經(jīng)有利用真空浸漬來改善制漿性能的相關(guān)報(bào)道，如真空-壓力浸漬蒸煮制漿工藝［49-50］。

氣體置換法是指用可凝或可溶氣體置換木材中的空氣以改善木材浸漬的方法。浸漬前可凝氣體首先進(jìn)入木材孔隙中驅(qū)趕空氣，當(dāng)木材開始浸漬時(shí)孔隙內(nèi)的可凝氣體會溶解在液體中，從而產(chǎn)生負(fù)壓，將浸漬液吸入。氣體置換法可操作性較差，目前其研究僅僅停留在實(shí)驗(yàn)室階段。

4.3 改善表面性能

木材毛細(xì)管表面特性對木材的浸漬過程具有重要影響。木材表面改性就是通過物理、化學(xué)等手段對木材表面進(jìn)行改性以提高其浸漬效果。目前，添加表面活性劑是木材浸漬過程表面改性的主要手段。

表面活性劑是指具有固定的親水親油基團(tuán)，在溶液的表面能定向排列，并能使表面張力顯著下降的物質(zhì)。木材浸漬過程加入表面活性劑能夠?qū)δ静目障都耙后w表面進(jìn)行改性，降低木材表面的接觸角并提高潤濕性，從而改善浸漬效果。然而，由于表面活性劑的種類、浸漬液以及木材表面性能的差異性，增加了通過添加表面活性劑改善木材浸漬的不確定性，因此表面活性劑的應(yīng)用要綜合考慮表面活性劑本身、浸漬液及木材等多種因素。

5 結(jié)語

木材浸漬過程是一個(gè)包含流體滲透、分子擴(kuò)散及化學(xué)反應(yīng)的綜合流體傳輸過程。目前，基于滲透理論及擴(kuò)散理論的浸漬模型均存在基礎(chǔ)理論運(yùn)用單一的問題，無法對浸漬過程各種流體傳輸形式進(jìn)行全面表征，從而制約了木材浸漬的相關(guān)研究。此外，研究方法及設(shè)備的不完善也是木材浸漬研究的主要制約因素。就木材浸漬連續(xù)測定方法來說，目前的測定裝置均為研究者自制設(shè)備，缺乏一定的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范。因此在今后木材浸漬研究中應(yīng)合理選擇理論模型并注重多種理論模型及分析手段的綜合應(yīng)用，同時(shí)不斷完善木材浸漬的研究方法，使其向標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化發(fā)展。

木材浸漬影響因素的研究是木材浸漬研究的重點(diǎn)，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對其做了大量的工作，也取得了一定成果。但由于浸漬過程影響因素眾多，各因素之間又相互作用，增加了研究難度，目前對一些影響因素的影響機(jī)制仍未形成一致的結(jié)論。今后，應(yīng)進(jìn)一步借助 SEM-EDX、TEM、FTIR、NRM、CT等先進(jìn)手段，深入分析木材的主要流體傳輸通道，以更精準(zhǔn)地確定浸漬過程的主要影響因素及影響機(jī)理。

機(jī)械擠壓及汽蒸法是目前制漿造紙領(lǐng)域工業(yè)化應(yīng)用較成熟的木材浸漬改善措施，汽蒸爆破法和抽真空法也有小規(guī)模的應(yīng)用，而其余大部分的改善方法仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，工業(yè)化應(yīng)用較少。因此，應(yīng)加大木材浸漬改善措施的工業(yè)化應(yīng)用研究，并注重不同改善措施的綜合運(yùn)用，更好地改善木材浸漬效果，提高成漿性能。

［1］李永峰，劉一星，于海鵬，等.木材流體滲透理論與研究方法［J］.林業(yè)科學(xué)，2011，47(2):134.

［2］Sergey Malkov，Panu Tikka，Johan Gullichsen.Towards complete impregnation of wood chips with aqueous solutions Part 1:A retrospective and critical evaluation of the penetration process［J］.Paperi ja Puu，2003，85(8):460.

［3］Jo?o P F Sim?o，Ana P V Egas，M Gra?a Carvalho，et al.Heterogenous studies in pulping of wood:Modelling mass transfer of alkali［J］.Chemical Engineering Jurnal，2008，139(3):615.

［4］Sergey Malkov，Panu Tikka，Johan Gullichsen.Towards complete impregnation of wood chips with aqueous solutions.Part 2.Studies on water penetration into softwood chips［J］.Paperi ja Puu-Paper and Timber，2001，83(6):468.

［5］夏 炎，彭 紅，盧曉寧.木材流體滲透性的研究現(xiàn)狀與展望［J］.林業(yè)科技開發(fā)，2007，21(5):9.

［6］侯祝強(qiáng)，莊作峰.木材流體滲透性研究的發(fā)展與趨勢［J］.世界林業(yè)研究，1999，12(1):33.

［7］徐 超.兩種棕櫚藤的滲透性及其與燃料的關(guān)系［D］.合肥:安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2009.

［8］Sebastian L P，Cté W A，Skaar C.Relationship of gas phase permeability to ultrastructure of white spruce wood［J］.Journal of Forest Product，1965，15(9):394.

［9］Bramhall G.The validity of Darcy`s Law in the axial permeability of wood［J］.Wood Sci.Technol.，1971，5(2):12.

［10］彭萬喜，李凱夫，張黨權(quán).木材滲透性研究的現(xiàn)狀與趨勢［J］.木材工業(yè)，2004，18(5):8.

［11］Petty J A.Permeability and structure of the wood of sitka spruce［J］.Proc.Roy.Soc.Lond.，B175:149.

［12］Petty J A.Fluid flow through the vessels of birch wood［J］.Journal of Experimental Botany，1978，29(113):1463.

［13］Comstock G L.Longitudinal permeability of wood to galses and nonswelling liquids ［J］. Journal ofForestProduct，1967，17(10):41.

［14］Comstock G L.Directional permeability of softwoods［J］.Wood Fiber，1970，1(4):283.

［15］鮑甫成，侯祝強(qiáng).針葉樹材縱向氣體滲透的三維流阻網(wǎng)絡(luò)［J］.林業(yè)科學(xué)，2002，38(4):111.

［16］侯祝強(qiáng)，鮑甫成.針葉樹材徑向和弦向氣體滲透的三維流阻網(wǎng)絡(luò)［J］.林業(yè)科學(xué)，2002，38(6):93.

［17］劉閏昌，樊永明，李明飛.高得率制漿中木片浸漬研究進(jìn)展［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31(supp.1):210.

［18］Magnus T?rnqvist，Tapio Hurme，Jarl B.Rosenholm.Drift speed:a way of measurding diffusion and tortuosity of porous materials［J］.Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects，2001，180:23.

［19］Vicente Constanza，Pedro Costanza.Estimating pure Diffusion Contributions in Alkaline Pulping Processes［J］.Latin American Applied Research，2002，32(2)，151.

［20］Zanuttini M，Cltroni M，Marzocchi V，et al.Pattern of alkali impregnation of poplar wood at moderate conditions［J］.Holzforschung，2000，54(6):631.

［21］Kazi K M F，Gauvin H，Jollez P，et al.A diffusion model for the impregnation of lignocellulosic materials［J］.Tappi J.，1997，80(11)，209.

［22］Chen D，Zhao J，Berk D，et al.A Method for Measuring Pulping Liquor Penetration into Wood Structure［J］.Cellulose Chem.Technol.，2010，44(9):319.

［23］鮑甫成，呂建雄.木材滲透性可控制原理研究［J］.林業(yè)科學(xué)，1992，28(4):336.

［24］Inalbon M Cristina，Zanuttini Miguel.Dynamics of the effective capillary cross-sectional area during the alkaline impregnation of euca-lyptus wood［J］.Holzforschung，2008，62(4)，397.

［25］鮑甫成，趙有科，呂建雄.杉木和馬尾松木材滲透性與微細(xì)結(jié)構(gòu)的關(guān)系研究［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，25(1):1.

［26］李永峰，劉一星，王逢瑚，等.木材滲透性的控制因素及改善措施［J］.林業(yè)科學(xué)，2011，47(5):131.

［27］王金滿，劉一星，戴澄月.抽提物對木材滲透性影響的研究［J］.東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1991，19(3):41.

［28］Matsumura J，Tsutsumi J，Kazuyuki O.Relationship of bordered pit aspiration occurring during to longitudinal gas permeability in Karamatsu(Larix leptolepis)woods natural and freeze dried ［J］.Mokuzai Gakkaishi，1995，41(4):433.

［29］王金滿，劉一星，戴澄月.吸濕范圍內(nèi)木材含水率對滲透性影響的研究［J］.東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1991，19(1):15.

［30］林友鋒，房桂干，楊淑蕙，等.制漿過程中木片浸漬機(jī)理及改善措施［J］.中國造紙，2007，26(2):50.

［31］Hatton JV，Keays JL.Effect of chip geometry and moisture on yield and quality of kraft pulps from Western Hemlock and Black Spruce［J］.Pulp and Paper Magazine of Canada，1973，74(1):79.

［32］Jimenez G，Chian D S，MaKean W T，et al.Experimental and theoretical studies to improve pulp uniformity［C］//Proceedings of the 1990 TAPPI Pulping Conference.Toronto，1990.

［33］Jacobs-young C，Venditti R，Joyce T.Effect of Enzymatic Pretreatment on the Diffusion of Sodium Hydroxide in Wood［J］.Tappi J.，1998，81(1):260.

［34］Mckibbins S.Application of Diffusion Theory to the Washing of Kraft Cooked Wood Chips［J］.Tappi J.，1960，43(10):801.

［35］Kazi K，Gauvin H，Jollez P，et al.A Diffusion Model for the Impregnation of Lignocellulosic Materials［J］，Tappi J.，1997，80(11):209.

［36］Zahnttini M，Marzocchi V，Citroni M，et al.Alkali impregnation of hardwoods.Part 1:Moderate Treatment of Poplar Wood ［J］.Journal of Pulp Paper Science，2003，29(9):313.

［37］María Cristina Inalbon，Paulina Mocchiutti，Miguel Zanuttini.The deacetylation reaction in Eucalyptus wood:Kinetics and effects on the effective diffusion ［J］.Bioresource Technology，2009，100(7):2254.

［38］Zanuttini M，Marzocchi V.Kinetics of alkaline deacetylation of poplar wood［J］.Holzforschung，1997，51(3):251.

［39］Zanuttini M，Marzocchi V，Citroni M，et al.Alkali impregnation of Hardwoods.Part I:moderate treatment of poplar wood ［J］.JPPS，2003，29(9):313.

［40］Obataya E，Gril J.Swelling of acetylated wood I.Swelling in organic liquids［J］.Journal of Wood Science，2005，51(2):124.

［41］Obataya E，Shibutani S，Minato K，et al.Swelling of acetylated wood II:Effects of delignification on solvent adsorption of acetylated wood［J］.Journal of Wood Science，2007，53(5):408.

［42］Kwei-Nam Law，Robert Lanouette，Kung-Chi Yang.Effect of Compression on Refining Energy and Pulp Properties of Birch Pulp［J］.Appita Journal，2000，53(4):296.

［43］Ikuho Iida，Sulaeman Yusuf，Ugai Watanabe，et al.Liquid penetration of precompressed woodⅦ:combined treatment of precompression and extraction in hot water on the liquid penetration of wood［J］.Wood Sci.，2002，48(1):81.

［44］Ugai Watanabe，Yuji Imamura，Ikuho Iida.Liquid penetration of precompressed woodⅥ:Anatomical characterization of pit fractures［J］.Wood Sci.，1998，44(2):158.

［45］竇金龍，劉云川，劉連生.爆破法制漿的研究與應(yīng)用［J］.纖維素科學(xué)與技術(shù)，2007，15(2):69.

［46］閆 麗，曹金珍，余麗萍，等.微生物侵蝕處理對木材滲透性影響研究進(jìn)展［J］.林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2008，36(3):7.

［47］Novikov G Y，Yugova A N，Haramurza L V，et al.Intensification of chip impregnation and improvement of kraft pulp properties［J］.Bumazhnaja Promishlenost，1991，5(1):5.

［48］苗 平，張文靜.汽蒸處理對木材橫向滲透性的影響［J］.南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009，3(2):99.

［49］董繼先，高新勤.真空-壓力浸漬蒸煮工藝及其設(shè)備的研究［J］.中國造紙，2005，24(1):13.

［50］杜 煜，張安龍，董繼先，等.真空浸漬蒸煮制漿工藝［J］.紙和造紙，2005(6):50. CPP