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國產柳杉防腐處理所遇之問題與可參考解決辦法

(一)木材之壁孔閉塞現象

現今受廣泛使用之木材保存/防腐處理藥劑係屬水溶性之木材防腐劑為最大宗,於濃度調配之便利性與加壓注入處理之合適性方面,其深受我國保存/防腐處理業者之喜愛。

然於保存/防腐處理之流程中亦存在諸多之變因與障礙尚待克服,摒除人為之操作與藥劑本身之問題,由木材之組織型態及其水分梯度變化所引發之壁孔閉塞現象,係現今木材經防腐藥劑加壓注入處理後產生藥劑滲透度不足與吸收量未達標之主因。

木材中壁孔之存在與木質線之作用相同,均可提供水平方向水分與養分之流通,然當木材組織中之流體存在有壓力差時,其孔托將受牽引壓迫至壓力較低側之壁孔緣上,進而阻礙水分或氣體之流通,此類木材之生理調節機能稱為壁孔之閉塞現象。

而各樹種間發生壁孔閉塞之頻率各不相同,於相同樹種間之不同材部所發生之頻率亦各有差異,

如生材狀態下之花旗松(Pseudotsuga menziesii)及歐洲赤松(Pinus sylvestris),其邊材之春材部經乾燥至纖維飽和點後,大多數之壁孔均呈現閉塞狀態(Phillips,1933)

相似之情況亦常見於柳杉之邊材及心材中,根據貴島恆夫及林昭三(1962)之研究成果指出,生材狀態下,樹高1.5 m處之柳杉邊材,其春材與秋材之壁孔閉塞率分別為40.5%及85.5%,心材中春材與秋材之壁孔閉塞率則分別係87.5%與84.0%,且隨著樹高之增加柳杉之壁孔閉塞現象亦有降低之趨勢。

而有文獻指出柳杉心材之壁孔閉塞率高於邊材之現象係與其生成模式有關,其研究解果解釋柳杉心材於生成時因伴隨著快速之脫水情況,故在滲透壓瞬間改變下即引發心材處之壁孔閉塞,進而導致心材於立木狀態時壁孔閉塞率便接近90%(Nakada and Fukatsu, 2012)。

(二)木材防腐劑之滲透度檢測

我國自日據始有鐵路之建設與修整,當時枕木之保存處理多係以雜酚油等油性防腐藥劑進行處理,惟滲透性較差,故有刺縫處理之研發。

然現今之防腐處理木材用途廣泛,為保留完整之木材外觀及考量木材形狀之合適性,並非所有之戶外用木材均可以刺縫處理作為增進防腐藥劑吸收量之方法。

故以下列出部分之研究文獻與新型處理方式予以參考。

1、乾燥速率調控法

所謂乾燥速率調控係調整木材於防腐藥劑注入處理前抑或是注入處理後之乾燥流程,調配時長、溫度藉以降低升溫過快、水分流失過於迅速而導致之壁孔閉塞情況。Sakagami等人(2016)將60年生之柳杉原木進行分段裁切後施以長期氣乾法(20℃、相對濕度65%之標準狀態調濕20個月)及於40℃、60℃、80℃、100℃、120℃下以爐乾法乾燥至試材含水率10%等六種不同之乾燥處理方式進行乾燥後,再以減壓注入之方式將試材進行CuAz銅系防腐藥劑之注入,並探討乾燥速率對防腐藥劑留存量之影響。其結果顯示,以長期氣乾調濕乾燥者之防腐藥劑留存量為431.5 kg/m3,而以40℃爐乾法乾燥者之防腐藥劑留存量則為266.4 kg/m3,且隨乾燥溫度之提升,防腐藥劑之留存量具顯著之減低趨勢,說明以較緩和之乾燥方法進行木材之乾燥,可減低因滲透壓急遽變化而引發之壁孔閉塞情形,進而提升防腐處理之效率及成效。

2、超臨界流體萃取法

曾有文獻指出即使木材心材之壁孔為開放狀態,液體於其中之流動性亦較邊材為差,此係由於部分樹種心材之壁孔處容易被抽出成分等覆蓋物填充,導致孔徑縮減,甚至呈完全遮蔽之情況(Fujii et al., 1997)。Matsunaga等人(2005)即提出利用超臨界流體之特性進行心材抽出成分之萃取,其以液態之二氧化碳灌注於含心材試片之萃取槽中,將溫度提升至40℃與80℃後於壓力120 MPa下行二氧化碳超臨界化之萃取流程(部分條件輔以加入純乙醇作為萃取流程之輔助溶劑),萃取完成之試材再以水溶性木材防腐藥劑進行注入處理,並探討心材抽出物對藥劑留存量之影響。結果顯示,心材試片經超臨界流體萃取處理者之防腐藥劑留存量均較未處理者為高,其中以40℃進行萃取處理之效果顯著高於以較高溫80℃萃取處理者,此係由於溫度之提昇將使超臨界流體之密度減低,間接降低其萃取之效率。此外,加入乙醇作為輔助溶劑可有效增進超臨界流體對心材抽出物之萃取能力,進而提高對防腐藥劑之吸收量,由以上結果可證明以超臨界流體進行木材心材抽出物之萃取,可有效去除阻礙液體或氣體流通之成分,藉以降低心材壁孔閉塞現象之發生。

3、壓縮前處理法

木材之三大組成分中,纖維素係受木質素與半纖維素於層層包裹之狀態存在,故若可局部破壞三者之連結,抑或是使包覆層產生剝離及裂隙,將有機率提升木材保存/防腐藥劑之滲透性。飯田生穗與今村祐嗣(1994)之研究中曾提及纖維素之熱軟化溫度為220℃以上,然木質素與半纖維素則係介於20℃-110℃間,若於高含水率下後兩者之熱軟化溫度可再為減低,故可針對高含水率之木材於適當溫度下施以壓縮前處理,壓潰表層之木質素與半纖維素包覆後,再藉纖維素之高變形回復率提升保存/防腐藥劑之滲透能力與吸收量。此外,壓潰之同時由於壁孔組織屬細胞壁結構中之不連續個體,故於此處易形成應力集中之現象,促使孔托或壁孔膜因外力而產生裂隙,輔以增進保存/防腐藥劑之處理效能。而宜蘭昆晉實業股份有限公司近年為提升ACQ與MCA木材防腐藥劑吸收量所研發之八面壓縮工法(O&D)即屬此類壓縮前處理工程。

4、微波加熱法

部分木材之心材壁孔周圍由於容易積聚抽出成分、半乳聚醣與果膠質之沉澱,因此常見有壁孔堵塞情形。然上述之成分多數於高溫高濕環境下會有軟化甚至產生自水解之反應,故飯田生穗與今村祐嗣(1994)即針對高含水率之木材施以微波加熱處理,利用微波輻射與木材內水分子之振動產生的高熱,將壁孔周圍之沉積物軟化分解。另一方面,微波處理所產生之高溫環境將促使木材內之水分蒸發為高壓水蒸氣,積聚一定之內部壓力後極可能導致之壁孔膜無法承受而破裂,於後續之保存/防腐藥劑注入處理時便可增進其吸收量與滲透至心材內部之可行性。

文章提供:楊德新教授

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