陳澤君， 王 勇， 馬 芳， 范友華

(湖南省林業(yè)科學院， 湖南 長沙 410004)

聚乙烯醇縮甲醛膠對杉木木材的物理與力學性能的影響

陳澤君， 王 勇， 馬 芳， 范友華

(湖南省林業(yè)科學院， 湖南 長沙 410004)

對杉木素材與聚乙烯醇縮甲醛浸漬處理材的物理與力學性能進行了對比研究，并利用掃描電子顯微鏡(SEM)分析了改性劑在木材中的分布情況。結果表明：隨著改性劑濃度的提高，改性材的氣干密度和抗縮系數(shù)均逐漸提高，氣干密度最大可達0.4g/cm3，提高了5.7 %，抗縮系數(shù)最大提高了18.8%；改性材的吸水率逐漸下降，最多下降了21.1%；當改性劑濃度為30%時，改性材的破壞極限和彈性模量分別提高了6.7%和35.3%；當改性劑濃度為15%時，靜曲強度下降了9.9%。SEM結果表明，改性劑填充于部分木射線以及交錯纖維間的空隙中。

杉木； 改性； 尺寸穩(wěn)定性； 掃描電鏡分析

湖南省杉木速生材資源豐富，但其材性存在很多不足，如密度小、強度低、尺寸穩(wěn)定性差、易腐朽等，給加工利用帶來諸多問題。要提高杉木速生材材性，實現(xiàn)劣材優(yōu)用，提高其經濟利用價值，就必須對其進行改性處理。目前研究最多的是利用“三醛”樹脂(酚醛樹脂、脲醛樹脂和三聚氰胺樹脂)對木材進行壓注改性[1-2]，但這些改性劑甲醛釋放量大，在加工和利用過程中對人體和環(huán)境均有較大的影響。因此，我們采用一種無毒低甲醛釋放的環(huán)保型改性劑對木材進行改性，分析改性材的物理和力學性能，并利用掃描電鏡分析了改性劑與木材結構發(fā)生的反應及對木材尺寸穩(wěn)定性和力學性能的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設備

1.1.1 試驗材料 試驗用木材采自湖南省林業(yè)科學院試驗林場的15年生人工速生杉木林，按照GB/T1929-09中《木材物理學試材鋸解及試樣截取方法》[3]規(guī)定將其加工成20(R)mm×20(R)mm×300(L)mm(靜曲強度、抗彎彈性模量測試試件)和20mm×20mm×20mm(尺寸穩(wěn)定性測試及氣干密度測試試件)2種規(guī)格，并將它們分別依次編號。試件的含水率為12%左右。改性劑主劑為聚乙烯醇縮甲醛膠，購于多邦涂料有限公司，外觀為無色透明液體，不揮發(fā)物含量為6%，粘度為100Pa·s，pH值為6.5～7.5，貯存期6個月；助劑為實驗室自配。

1.1.2 主要儀器及設備 真空/加壓木材處理設備(自行設計，最大壓力2.5MPa、真空度-0.08MPa、容積0.0345m3)；長春科新試驗儀器公司WDM3100型萬能力學試驗機；日本JEOL 公司JSM-6940LV型掃描電子顯微鏡；電子天平(精確到0.01g)；電子千分尺(精確到0.02mm)。

1.2 改性方法

(1) 將試件進行室干。

(2) 將試件置于自組裝改性處理罐內密封。

(3) 將處理罐抽至0.085MPa的真空度且保持真空0.5h。

(4) 真空狀態(tài)下向處理罐中注入改性藥劑，對處理罐加壓，使壓力達到實驗設定壓力，并分段保壓一段時間，以控制載藥量。

(5) 卸壓，將試件從處理罐中取出。

(6) 去除多余殘留藥液后在自然條件下陳放15 d，至改性試件含水率達到平衡。

1.3 測試

1.3.1 SEM掃描電鏡測定 從經改性處理后的杉木試件及未處理材的中間部位截取出20(R)mm×20(R)mm×30 (L)mm的小試樣，用滑走式切片機制取面積為8mm×8mm、厚度為1～2mm的木薄片若干，選取表面結構完好無損、無污染和無變形的木片，將其用導電膠固定在金屬托片上，然后在每1片木片表面鍍上一層鉑金，目的是為了防止充電、放電效應，減少電子束對樣品的損傷作用，增加二次電子的產生率，獲得較好的圖像。

1.3.2 主要力學性能測定 素材和改性材的靜曲強度(MOR)采用GB/T1936.1-1991中《木材抗彎強度試驗方法》[4]規(guī)定的方法測定，彈性模量(MOE)采用GB/T1936.2-2009中《木材抗彎彈性模量測定方法》[5]規(guī)定的方法測定。

1.3.3 尺寸穩(wěn)定性能測試 素材和改性材的抗?jié)衩浶圆捎肎B1934-1991中《木材濕脹性測定方法》[6]規(guī)定的方法測定。通過改性材和素材的濕脹率計算改性材的抗縮系數(shù)(ASE)，并將該值作為評價木材尺寸穩(wěn)定性的主要指標。計算公式見公式(1)。

(1)

式中：S1——素材的體積濕脹率(%)；

S2——處理材的體積濕脹率(%)。

1.3.4 吸水率測定 試件的吸水率按參照公式(2)計算，精確至1%。

(2)

2 結果與分析

2.1 改性材物理性能變化

圖1為不同濃度改性劑對改性材氣干密度影響的趨勢圖。從圖1中可以看出，隨著改性劑濃度的升高，改性材氣干密度逐漸提高；當濃度為25%時，改性材氣干密度達到最高，達0.4g/cm3，比素材提高了5.7%。說明改性劑通過壓注進入木材內部，填充了木材內部的孔隙，提高了木材單位體積的質量，從而提高了木材的氣干密度。

圖1 改性材氣干密度變化趨勢圖Fig.1 Air-dry density variations of modified wood

圖2為素材和經過不同濃度改性劑改性的杉木木材吸水率的變化曲線圖。從圖2中可以看出，隨著改性劑濃度的升高，改性材的吸水率逐漸下降，當改性劑含量為20%時，改性材吸水率降到了155.5%，比素材的吸水率(197%)最多降低了21.1%；隨著改性劑濃度進一步升高，改性材吸水率變化趨于平緩。這一結果說明木材細胞壁對改性劑的吸收存在著一定的極限。過量的改性劑主要填充于木材細胞腔內表面和細胞腔中，而賦予木材阻濕抗脹性能的主要是進入細胞壁內的改性劑[7-8]。

圖2 改性材吸水率的變化趨勢圖Fig.2 Water absorption ratio variations of modified wood

圖3是杉木改性材從全干到吸水飽和狀態(tài)下的抗縮系數(shù)(ASE)變化圖。從圖3中可以看出，隨著改性劑濃度的增加，改性材的抗縮系數(shù)(ASE)也不斷提高。當改性劑的濃度為30%時，抗縮系數(shù)(ASE)達到系列試驗的最大值，為18.8%。

圖3 改性材ASE的變化趨勢圖Fig.3 ASE variations of modified wood

改性材尺寸穩(wěn)定性的提高，可能是改性劑壓注進入木材內部后，與木材大分子上的羥基發(fā)生縮合，減少了木材內部大分子上的羥基數(shù)量，降低了木材的親水性，從而降低了木材的吸水性能，改善了其濕脹和抗干縮的性能，提高了木材尺寸穩(wěn)定性[9-10]。

2.2 改性材主要力學性能變化

由于改性劑通過壓注進入木材內部，填充了木材內部的紋孔并與其細胞壁結合，從而提高木材的力學性能。從表1可以看出：與素材相比，隨著改性劑濃度的不斷提高，改性材的破壞極限和彈性模量增加，靜曲強度有所下降；當改性劑濃度為30%時，木材的破壞極限提高了6.7%，彈性模量提高了35.3%；其靜曲強度，無論改性劑濃度如何提高，其均值均下降，當改性劑濃度為15%時，靜曲強度最大下降9.9%。這可能是藥液引入木材后，使木材變脆，從而降低了其靜曲強度[11]。

表1 杉木素材及改性材主要力學性能Tab.1 MechanicalperformanceofuntreatedandmodifiedChinesefirwood改性劑質量百分比(%)破壞極限(N)靜曲強度(MOR)彈性模量(MOE)01326.7551.834022.1551368.9248.434020.2310133447.5234337.1151396.0846.715364201395.2549.95328.13251392.547.85066.32301415.6746.795440.32

2.3 改性材SEM分析

圖4為杉木素材與改性材的徑向剖面掃描電鏡譜圖。通過對比觀察可以發(fā)現(xiàn)，改性劑填充于交錯纖維間的空隙以及部分木射線中，這樣就增強了纖維與纖維間的結合，從而增強了木材的尺寸穩(wěn)定性。同時改性劑與細胞壁中的纖維素和半纖維素可能通過鍵合作用相結合，也可以增強木材的尺寸穩(wěn)定性。由于木材被浸漬改性劑后，使得木材纖維之間增加了機械膠接和化學鍵結合，部分纖維之間的接合力有所提高，對縱向拉伸和橫向折斷起到了阻礙作用，致使木材的韌性增強[12-13]。

圖4 杉木素材(a)與改性材(b)SEM分析對比圖Fig.4 SEM analysis of the untreated Chinese fir(a) and treated Chinese fir(b)

3 結論

(1) 改性材的氣干密度和抗干縮系數(shù)均隨著改性劑濃度的提高有明顯的提高，改性材的吸水率則有明顯下降。

(2) 當改性劑濃度為30%時，改性材的破壞極限和彈性模量分別提高了6.7%和35.3%，；當改性劑濃度為15%時，靜曲強度下降了9.9%。

(3) SEM 譜圖說明了改性劑已經填充于木材纖維間的間隙及木射線中。

[1] 陳小輝, 林金國. 最近10 年我國木材功能性改良研究進展[J]. 福建林業(yè)科技, 2011, 38(1):154-158.

[2] Kowalski S J,Kyziol L.Mechanical Properties of Modified Wood[J]. Solid Mechanics and Its Applications, 2002, 87(10): 221-228.

[3] 中國國家標準化管理委員會，GB/T 1929-2009，木材物理力學試材鋸解及試樣截取方法[S].北京:中國標準出版社,2009.

[4] 國家質量技術監(jiān)督局,GB/T 1936.1-1991,木材抗彎強度試驗方法[S]. 北京：中國計量出版社，1991.

[5] 國家質量技術監(jiān)督局，GB/T 1936.2-2009,木材抗彎彈性模量測定方法[S].北京：中國計量出版社，2009.

[6] 國家質量技術監(jiān)督局，GB/T 1934-1991,木材濕脹性測定方法[S]. 北京：中國計量出版社,1991.

[7] 劉君良, 王玉秋. 酚醛樹脂處理楊木、杉木尺寸穩(wěn)定性分析[J]. 木材工業(yè), 2004, 18(6):5-8.

[8] 王舒, 魏洪斌, 伊松林, 等. 杉木素材與浸漬處理材尺寸穩(wěn)定性的比較[J]. 干燥技術與設備, 2010, 8(1):25-29.

[9] Callum S H. Wood Modification: Chemical, Thermal and Other Processes[M]. England: John Wiley amp; Sons Ltd, 2006：23-25.

[10] 汪佑宏, 顧煉百, 劉啟明, 等. 三聚氰胺改性脲醛對馬尾松速生材性質影響[J]. 南京林業(yè)大學學報, 2011, 35(1):67-70.

[11] 沈德君, 周從禮. 納米復合材料改性楊木木材的物理力學性能[J]. 東北林業(yè)大學學報, 2009, 37(3):53-54.

[12] 武國峰, 姜亦飛, 宋舒蘋, 等. 木材/改性UF預聚體復合材料制備及性能表征[J]. 光譜學與光譜分析, 2011, 31(4):1083-1086.

[13]劉喜明, 于再君. 采用脲醛樹脂浸漬法提高泡桐抗彎性能[J]. 龍巖學院學報, 2008, 26(3):54-56.

(文字編校：唐效蓉，龔玉子)

EffectofpolyvinylformaltreatmentonpropertiesofChinesefir

CHEN Zejun, WANG Yong, MA Fang, FAN Youhua

(Hunan Academy of Forestry, Changsha 410004, China)

Comparison of physical and mechanical properties between polyvinyl formal treated Chinese fir and untreated Chinese fir was conducted, and the distribution of resin in wood was studied by scanning electron microscopy. The results showed that, comparing with untreated Chinese fir, due to the increase of resin content, the air-dry density and the ASE of modified wood were gradually increased. The ASE of modified wood increased 18.8% while the air-dry density increased 5.7%, which could reach 0.4 g/cm3at most. The water absorption ratio decreased with the increase of resin content which decreased 21.1% at most. When the resin content was 30%, the failure limit and MOE of treated Chinese fir increased 6.7% and 35.3% respectively. Moreover, MOR decreased 9.9% when resin content was 15%. The SEM spectrum showed that the resin was filled in some wood rays and the gap between staggered fibers.

Chinese fir; modify; dimensional stability; SEM analysis

2012 — 08 — 22

2012 — 10 — 15

中央財政林業(yè)科技推廣項目([2009]XT 01)； 長沙市科技局基金項目(K 1005163-31)。

陳澤君(1962 — )，男，湖南省汨羅市人，研究員，主要從事木材改性及配套裝備研究。

S 781.7

A

1003 — 5710(2012)05 — 0029 — 04

10. 3969/j. issn. 1003 — 5710. 2012. 05. 007