林产工业投稿格式参考范文：一次浸渍杉木及其代替樟子松的应用研究

　　装配式木结构建筑具有绿色低碳、施工周期短等特点，近年来发展迅速。保守估计，到 2025 年，全国农村地区木结构房屋施工面积将达到 10.2-10.3 亿 m²。然而，国内木材资源匮乏，进口依赖度高。装配式轻型木结构建筑常用选材为进口樟子松，成本较高，在一定程度上限制了其推广应用。随着国内速生杉木的成熟，利用速生杉木代替进口木材是解决这一问题的有效途径。然而，速生杉木具有质地松软、强度低、多结痂、易燃等缺点，影响其在装配式木结构建筑中的应用。

　　浸渍改性是提升速生杉木性能的常用手段。其中，有机树脂如小分子酚醛树脂、脲醛树脂、环氧树脂能够渗透到木材细胞壁中，并与木材中羟基等官能团发生反应，提高木材尺寸稳定性。但有机树脂改性木材的成本高，且可能存在甲醛等挥发性物质，不利于环保和人体健康。无机材料如硅酸钠、硅酸钠 - 氯化镁、二氧化硅 - 氧化铝等能够固着在杉木中，提高杉木的尺寸稳定性和氧指数，且其价格低廉、无毒无害，有望成为商业化改性速生杉木的手段之一。

　　然而在实际应用中，无机材料多次浸渍或多种溶质复配浸渍的工艺极大提高了操作难度和生产成本，限制了浸渍杉木的生产与推广。鉴于此，本研究以硅酸钠溶液为改性剂，采用简单可行的一次负压 - 正压浸渍法处理杉木，探究硅酸钠在杉木表面的固着机理，并从尺寸稳定性、握钉力、极限氧指数和成本等维度评估改性杉木代替樟子松用于装配式轻型木结构建筑的可行性，为木结构建筑的选材提供技术支撑。

　　1 材料与方法

　　1.1 试验材料

　　杉木(Cunninghamia lanceolate)采自江西省上饶市，纵向长度为 1.2m，胸径为 8-10cm，气干密度为 0.29-0.41g/cm³，含水率约 12%-15%。俄罗斯进口无疖樟子松(Pinus sylvestris)购自靖江中林集团国林木业有限公司，气干密度为 0.49-0.51g/cm³。硅酸钠溶液购自嘉善县优瑞耐火材料有限公司，模数为 3.3，波美度为 38°。

　　1.2 试验设备

　　木材浸渍罐(R2020-108，0.07m³)，诸城市鼎业机械科技有限公司;鼓风干燥箱(HD-E804-60A)，东莞市海达仪器有限公司;恒温恒湿箱(LHS-100CL)，上海一恒科学仪器有限公司;万能力学试验机(UTM4104)，深圳三思纵横科技股份有限公司;色差仪(CM-5)，柯尼卡美能达公司。

　　1.3 试验方法

　　将气干后的杉木试件置于温度为(20±2)℃、相对湿度为(65±3)% 的恒温恒湿箱中调整含水率，使其平衡含水率达到 12%。将平衡后的杉木放入木材浸渍罐中，抽真空至 - 0.06MPa，保压 20min，再将硅酸钠溶液吸入浸渍罐中，加压至 0.7MPa，保压 40min。卸压后，将浸渍杉木取出，置于温度为(20±2)℃、相对湿度为(65±3)% 的恒温恒湿箱中进行平衡处理，最终得到改性杉木样品。

　　1.4 性能评价

　　杉木改性前后的密度按照 GB/T 1927.5-2021《无疵小试样木材物理力学性能实验方法 第 5 部分：密度测定》要求检测，试样尺寸为 20mm(纵向)×20mm(径向)×20mm(弦向)，试件数 5 个 / 样。握钉力按照 GB/T 1927.21-2021《无疵小试样木材物理力学性质试验方法 第 21 部分：握钉力测定》要求检测，试件尺寸为 150mm(纵向)×50mm(径向)×50mm(弦向)，试件数 5 个 / 样。吸水率按照 GB/T 1927.7-2021《无疵小试样木材物理力学性质试验方法 第 7 部分：吸水性测定》要求进行检测，试件尺寸为 20mm(纵向)×20mm(径向)×20mm(弦向)，试件数 10 个 / 样。抗弯强度按照 GB/T 1927.9-2021《无疵小试样木材物理力学性质试验方法 第 9 部分：抗弯强度测定》要求进行检测，试样尺寸为 300mm(纵向)×20mm(径向)×20mm(弦向)，试件数 4 根 / 样。

　　SEM 与 Mapping 分析改性处理前后杉木的微观形貌和表面元素分布，样品直接粘到导电胶上，并喷金 45s，采用 ZEISS Sigma 300 扫描电子显微镜完成拍摄。XPS 测试采用美国 Thermo Scientific K-Alpha 完成，激发源：Al Kα 射线，工作电压：12kV，全谱扫描：通能为 100eV，步长 1eV，窄谱扫描：通能为 50eV，步长 0.1eV。氧指数测试按照 GB/T 2406.2-2009《塑料 用氧指数法测定燃烧行为 第 2 部分：室温试验》要求检测，试件尺寸 100mm(纵向)×10mm(径向)×10mm(弦向)，试件数 10 根 / 样。

　　色差分析试件尺寸为 50mm(纵向)×12mm(径向)×50mm(弦向)，选取弦切面进行测试，每块试板测试 5 个点，记录木材表面的明度(L*)、红绿轴色品指数(a*)和黄蓝轴色品指数(b*)。

　　2 结果与分析

　　2.1 浸渍改性对杉木性能的影响

　　密度对木材的物理力学性能影响显著。经过一次 “负压 - 正压” 浸渍后，杉木表面、孔隙、细胞壁等结构均以物理填充或化学吸附的方式结合硅酸钠溶液，从而增加了其密实度。同时，硅酸钠溶液呈碱性，pH 值为 10-13，能溶解杉木部分材质疏松、易吸水的木质素和半纤维素，从而提高杉木的渗透性。

　　密度在 0.32g/cm³ 以下的杉木经过一次浸渍处理后，增重率可达 80%，密度在 0.35g/cm³ 以上的杉木经处理后，增重率可达 30% 以上。通过硅酸钠处理后，改性杉木的密度可提升至(0.52±0.05)g/cm³，接近于进口樟子松的密度。密度的提升会使物理力学性能得到改善，杉木的静曲强度由(63±2)MPa 提升至(74±2)MPa，弹性模量由(8900±200)MPa 提升至(9300±200)MPa。

　　杉木素材的木纤维排列疏松，沿着纤维方向有较多孔隙结构;而改性杉木的纤维孔隙结构被填充物沉积，填充物连接紧密，并形成平滑过渡面，表现出良好的成膜性。结合 Mapping 元素分析可以看出，杉木素材表面除 C 背景外，主要是 O;改性杉木表面除了 C 和 O 外，还多了 Na 和 Si，且二者在木材表面均匀分布，证明了硅酸钠在木材孔隙中的存在，同时硅酸钠均匀填充，表现出了良好的成膜性。

　　硅酸钠改性杉木的 XPS 分析显示，主要元素 C 和 O 的电子结合能分别为 285eV 和 533eV，Si 1s 和 Si 2p 的峰位置表现明显，分别位于 151-155eV 和 99-104eV。Na 1s 分谱结果表明，木材表面形成了 NaOH，这是因为附着在木材表面的硅酸钠水解后形成 H₂SiO₃和 NaOH。H₂SiO₃能与木材表面的羟基形成氢键，从而紧密附着在木材表面。Si 2p 分谱的分峰结果中位于 103.5eV 的 Si-O-C 结构证实了 H₂SiO₃与木材表面羟基的结合。位于 102.6eV 位置的峰揭示了硅酸钠中形成了 “Si-O-Si” 结构，这表明硅酸钠形成了长链，因而表现出良好的成膜性。

　　硅酸钠良好的成膜性封闭了木材表面的孔隙，有利于木材吸水率的降低。改性杉木的吸水率低于杉木素材，且随着浸水时间的延长，二者吸水率差距拉大。浸泡 312h 时，杉木素材的吸水率达到 216%，而改性杉木的吸水率仅为 161%，下降约 25.5%。这是因为一方面硅酸钠固着在杉木表面、孔隙中，形成致密的膜层，有效减少了水的渗入;另一方面，硅酸钠溶液呈碱性，浸渍过程中溶解了杉木部分吸水性好的木质素和半纤维素，降低杉木自身的吸水率。此外，硅酸钠浸渍处理对改性杉木抗渗水性具有较长的时效性，说明成膜的硅酸钠具有较好的耐水性能。

　　2.2 改性杉木与樟子松的性能对比

　　为评估改性杉木代替进口樟子松用于装配式轻型木结构建筑中的可替代性，分别对杉木素材、改性杉木和樟子松的湿胀性、氧指数、握钉力进行测试。

　　杉木素材的径向气干湿胀性为 3.23%，径向饱水湿胀性为 7.16%;樟子松径向气干湿胀性为 1.22%，径向饱水湿胀性为 4.82%;而改性杉木的径向气干湿胀性仅为 0.81%，较杉木素材下降 74.92%，较樟子松低 33.66%;其径向饱水湿胀性为 2.56%，较杉木素材下降 64.79%，较樟子松低 46.89%。这表明改性杉木在气干状态和饱水状态下的尺寸稳定性均优于进口樟子松。

　　改性杉木的板面握钉力 386N/cm，略低于樟子松 440N/cm，但仍能满足实际使用需求;改性杉木的端面握钉力为 247N/cm，与樟子松接近(245N/cm)。杉木素材、改性杉木和樟子松的极限氧指数测试结果显示，杉木素材极限氧指数为 26%，樟子松为 26.6%，而改性杉木达到了 29.8%，这是因为其表面覆盖的硅酸钠固化层能有效发挥阻燃作用。

　　杉木素材、改性杉木和樟子松的表面颜色和色度分析显示，改性杉木的颜色偏暗，对光的吸收率高，反射率低，因此明度 L较低。改性杉木的 a在三者中最大，对红色波段的反射率高，因其表面更偏向于红褐色。结合以往研究来看，改性杉木的表面色调更接近于云南红豆杉，说明硅酸钠浸渍改性使杉木速生材具有类似于硬木的视觉效果。

　　2.3 改性成本核算

　　为评估改性杉木代替进口樟子松用于装配式轻型木结构建筑的可行性，对杉木浸渍改性的成本进行核算。

　　采用一次浸渍硅酸钠改性杉木，相当于在杉木木方的生产过程中引入了浸渍、烘干两道工序。由于原料价格随市场变化有波动，因此杉木木方按 1000 元 /m³ 计，浸渍的硅酸钠按 900 元 /t 计。以密度为 0.37g/cm³ 的杉木为例，在增重率达到 30% 时，实际消耗硅酸钠约 99.9 元 /m³，结合工厂生产数据，烘干成本按 150 元 /m³，烘干体积收缩率按 13% 计，加工费约 100 元 /m³，实际改性杉木成本则为 1551.6 元 /m³，相较于进口樟子松 1800 元 /m³(靖江国林木业有限公司调研数据)的价格具有一定竞争优势。

　　3 结论

　　本文以硅酸钠为改性剂，采用简单可行的一次负压 - 正压浸渍改性杉木，并评估其代替樟子松应用于装配式轻型木结构建筑的可行性，主要得出以下结论：

　　改性杉木的密度可达(0.52±0.05)g/cm³，接近于进口樟子松;静曲强度可达(74±2)MPa，弹性模量可达(9300±200)MPa。

　　硅酸钠填充于杉木的纤维孔隙结构中，并以 “Si-O-Si” 结构成膜，同时与木材表面的游离羟基以 “Si-O-C” 结合，因而一次浸渍改性对杉木的性能提升明显。

　　改性杉木的径向气干湿胀性仅为 0.81%，径向饱水湿胀性为 2.56%，极限氧指数达 29.8%，均优于樟子松，且其表面色调接近于云南红豆杉，表现出近似硬木的视觉效果。

　　成本核算显示，密度 0.37g/cm³ 的速生杉木通过一次浸渍增重 30%，成本约为 1551.6 元 /m³，相较于进口樟子松 1800 元 /m³(靖江国林木业有限公司调研数据)的价格具有一定优势。因而一次浸渍杉木有望代替进口樟子松，可用于装配式轻型木结构建筑。

汪述平,王洪松,魏任重,郇冬冬,马同华,陆铜华,千年舟新材科技集团股份有限公司,202507