木材化学改性chemical modification ofwood

通过化学药剂与木材中的反应基团（主要是羟基）在催化剂（或没有催化剂）作用下产生化学反应，二者之间形成共价键，以提高木材的尺寸稳定性、防腐能力或其他性能。木材化学改性不同于化学处理，化学处理是用化学药剂处理木材，药剂和木材之间没有化学反应产生。
有许多化学药剂可以用来对木材进行化学改性，如酐类、醛类、环氧化物、异氰酸脂、酰基氯、羧酸、内酯、烷基氯及丙烯腈均能与木材羟基发生化学反应。对木材化学改性有很多分类方法，按照木材与化学药剂生成共价键的形式可以分为生成酯键、缩醛键和醚键三大类。木材与酸酐、异氰酸酯、酰基氯、羧酸的反应生成酯键；木材与醛反应生成缩醛键；与烷基氯、内酯、丙烯腈、环氧化物生成醚键。如果按照改善木材尺寸稳定性的机理来分可以分为交联反应和充胀反应。木材经过交联反应和充胀反应后尺寸稳定性可大幅度提高，但二者作用机理绝然不同：经过交联反应处理的木材试样与未经交联反应处理的木材试样具有相同的干体积，但经水膨胀后，经交联反应处理的木材试样湿体积远远小于未经交联反应处理过的木材试样；充胀处理的木材试样干体积大于未经充胀处理过的木材试样干体积，经水膨胀后，二者具有相同的湿体积。有些充胀剂是不与木材发生化学反应的，如聚乙二醇(PEG)处理木材，PEG只是沉积在木材细胞壁中，使木材处于胀大状态；浸渍木所用酚醛树脂虽在木材细胞中产生缩聚反应，并对木材细胞壁有充胀作用，但酚醛树脂并未与木材发生化学反应，均不属于木材化学改性。
20世纪30～40年代美国即已着手木材化学改性的研究，最早研究的交联反应是与甲醛的反应，最早研究的充胀反应是木材乙酰化处理。中国在80年代，南京林业大学、北京林业大学亦先后开展过木材乙酰化的研究。
交联反应 因为1个甲醛分子可以同时与2个木材纤维素链上的羟基反应，故称为交联反应，其反应式为：

木材的抗胀率(ASE值)随木材中甲醛含量增加而增加，当甲醛含量为4.1%时，ASE值为55%；当甲醛含量为7%时，ASE值为90%。经甲醛处理的木材，物理力学性能大幅度下降，如ASE值为60%的处理材，韧性只为原有的20～30%，耐磨强度只为原有的7%。木材物理力学性能的大幅度下降使得交联处理未能投入实际使用。有人认为甲醛处理的木材，木材易损是因为短而僵硬的交联单元(即O-C-O)引起的。假如交联单元中不只是一个碳原子，那么这个交联单元就会比较柔软，从而有人设想用碳链较长的双官能团的化学药剂来进行交联反应。
木材乙酰化处理 充胀反应最典型的例子就是木材乙酰化处理。木材乙酰化处理就是用醋酐与木材中羟基发生化学反应，并同时产生副产物醋酸，其反应式为：

木材乙酰化处理可以分为液相乙酰化处理和气相乙酰化处理。早期的木材乙酰化处理是醋酐在催化剂（吡啶或氯化锌）作用下进行反应。目前一般采用醋酐的二甲苯溶液(体积比为1:1)，不用催化剂，在100～130℃下进行木材乙酰化处理。木材经乙酰化处理后，当木材增重达20～25%时，充胀后木材体积与木材生材的体积相当，抗缩率(ASE值)可达70%以上，具有良好的尺寸稳定性。乙酰化木材由于分子结构发生了变化，使那些引起木材腐朽的微生物不能依赖新的木材分子而继续生存，从而具有良好的抗腐能力。木材增重为19.2%时，埋桩试验证明，乙酰化木材寿命为17.5年，而未经乙酰化处理的木材对照件只有2.7年。一般说来，经乙酰化处理的木材物理力学性能略有改善，抗压强度、硬度、比例极限纤维应力等均有增加，韧性没有变化，顺纹抗剪强度、弹性模量略有下降，针叶树材的抗弯强度有所增加，而阔叶树材的抗弯强度则有所下降。
木材乙酰化处理长期以来之所以未能大规模投入生产，其原因主要是： ❶产品总带有醋酸味；
❷由于木材长期处于酸性状态，迟早会导致木材纤维分解，致使强度下降；
❸木材中残存的酸对嵌入木材的金属件（如螺钉）有腐蚀性；
❹有一半醋酐未能与木材反应，生成醋酸，从而生产成本过高。
除甲醛之外，大多数能与木材发生化学反应的化学药剂都发生充胀反应。木材因充胀所增加的体积随充胀药剂的增加而增加，当药剂重量为木材的20%左右时，经过处理的木材之体积接近于湿材的体积。经过这样充胀的木材与水接触，只产生很小的体积膨胀，这是充胀处理之所以能使木材达到很高尺寸稳定性的缘故。
尽管木材化学改性迄今未能大规模投入实际使用，但人们还是给予极大的期望，不断地探索新的化学药剂、新的工艺，以求改善木材的尺寸稳定性、抗腐蚀能力、阻燃性等性能，并且谋求降低处理费用，争取早日投入实际使用。