李民 陸全濟(jì) 蔣匯川 李曉文 李家寧

摘 ?要 ?先采用硅溶膠對(duì)橡膠木進(jìn)行浸注預(yù)處理獲得增重率為16%～20%的浸注材，再采用185和200 ℃對(duì)橡膠木及浸注材進(jìn)行熱改性處理，對(duì)比了二者經(jīng)不同溫度熱改性后力學(xué)性能的差異。結(jié)果表明：與熱改性材相比，浸注-熱改性材的MOR及沖擊韌性無(wú)顯著差異，MOE在185 ℃時(shí)有顯著性降低，而在200 ℃時(shí)無(wú)顯著差異，弦面、徑面及端面硬度均有顯著性提高。

關(guān)鍵詞 ? 硅溶膠;預(yù)處理;熱改性;橡膠木;力學(xué)性能

中圖分類(lèi)號(hào) ?S781.3 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ?A

Effects of Silica Sol Pretreatment on Mechanical

Properties of Heat-treated Rubber Wood

LI Min，LU Quanji，JIANG Huichuan，LI Xiaowen，LI Jianing

Rubber Research Institute， CATAS/State Engineering and Technology Research Center for Key

Tropical Crops， Danzhou， Hainan 571737， China

Abstract ?The rubber wood impregnated with silica sol with WPG enhancement of 16%-20% was modified by 185 ℃ and 200 ℃ heat treatment. The differences between mechanical properties were compared. The results showed that there were no significant differences in MOR and toughness between the two; MOE of the impregnate-heat treated specimens significant decreased by 185 ℃ heat treated， but had no significant differences by 200 ℃ heat treated;Tangential， radial and longitudinal hardness of the impregnate-heat treated specimens significant increased.

Key words ?Silica sol;Pretreatment;Heat treatment;Rubber wood;Mechanical properties

doi ?10.3969/j.issn.1000-2561.2015.10.029

橡膠木（Hevea brasiliensis）是中國(guó)熱帶地區(qū)重要的人工林商品材，其紋理美觀、加工性能優(yōu)良，目前多用于家具制造和室內(nèi)裝修。采用熱改性（俗稱(chēng)炭化）技術(shù)對(duì)橡膠木進(jìn)行改性處理，能使其平衡含水率降低，尺寸穩(wěn)定性提高，耐腐性能改善，同時(shí)還賦予橡膠木類(lèi)似熱帶硬木的深褐色外觀，具有較好的工業(yè)化生產(chǎn)前景。然而，熱改性后的橡膠木材質(zhì)變脆，力學(xué)性能下降顯著，降低了木制品的出材率，影響了其使用性能，從而使熱改性橡膠木的使用范圍受到限制[1-3]。

為了改善熱改性木材力學(xué)性能下降的問(wèn)題，有學(xué)者對(duì)此作了相關(guān)研究，其中，在木材熱改性前對(duì)其進(jìn)行浸注預(yù)處理是一種有效的方法。李龍哲等[4]采用三聚氰胺改性脲醛樹(shù)脂對(duì)粗皮桉進(jìn)行浸注預(yù)處理，然后對(duì)其熱改性處理，結(jié)果表明：浸注預(yù)處理能在一定程度上阻止熱改性木材彈性模量及抗彎強(qiáng)度的下降。然而，作為有機(jī)合成的樹(shù)脂多少會(huì)存在游離甲醛的釋放，且在木材熱改性過(guò)程中會(huì)發(fā)生一定程度的熱分解。作為無(wú)機(jī)硅系化合物的硅溶膠是一種粘度較低、滲透性較好的無(wú)色無(wú)味透明液體，干燥固化可成堅(jiān)硬的凝膠結(jié)構(gòu)，具有較高的硬度;和樹(shù)脂相比，無(wú)臭無(wú)毒無(wú)游離甲醛釋放，安全環(huán)保，且一般可耐1 600 ℃左右的高溫[5-10]。因此，硅溶膠是一種很有前景的木材浸注改性液。林蘭英等[11]采用硅溶膠浸漬處理?xiàng)钅荆频玫膹?fù)合木材的抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量分別提高至87.70 MPa和12.41 GPa。王群等[12]以硅溶膠和水性苯丙乳液雜化而成的復(fù)合體系為前驅(qū)液浸注楊木，其力學(xué)性能隨木材增重率的增加而增大。王群等[13]還用聚丙烯酸酯/硅溶膠的有機(jī)/無(wú)機(jī)雜化共混液處理?xiàng)钅?，結(jié)果表明復(fù)合材的硬度及抗壓強(qiáng)度均明顯提高。譚惠芬等[14]利用脲醛樹(shù)脂/丙烯酸酯乳液/硅溶膠三元復(fù)合浸漬液制備楊木復(fù)合木材，結(jié)果表明復(fù)合木材的順紋/弦向/徑向抗壓強(qiáng)度均比楊木素材高。由此可見(jiàn)，采用硅溶膠浸注改性能提高木材的力學(xué)性能，但將其浸注預(yù)處理再熱改性木材的研究則鮮見(jiàn)報(bào)道。

因此，筆者針對(duì)橡膠木，采用硅溶膠對(duì)其浸注預(yù)處理，然后再采用過(guò)熱蒸汽作為保護(hù)氣體，分別將對(duì)照材及浸注材在不同溫度下進(jìn)行熱改性。分析了浸注預(yù)處理對(duì)橡膠木熱改性材力學(xué)性能的影響，為提高熱改性橡膠木的性能、擴(kuò)大其使用范圍提供理論依據(jù)。

1 ?材料與方法

1.1 ?材料

試材：橡膠木，品系為PR107，樹(shù)齡30 a，產(chǎn)自海南省儋州市八一農(nóng)場(chǎng)，取距地面1.3 m以上長(zhǎng)度為2 m的原木一段，鋸解成650 mm×100 mm×25 mm（L×R×T）的徑向板，干燥至含水率12%，選其中無(wú)黑線、無(wú)節(jié)疤的板四面刨光，然后制成300 mm×20 mm×20 mm（L×R×T）和70 mm×50 mm×20 mm（L×R×T）的標(biāo)準(zhǔn)徑弦向試件用于五種不同處理，分別為對(duì)照、185 ℃熱改性、200 ℃熱改性、浸注-185 ℃熱改性及浸注-200 ℃熱改性。

浸注改性液：堿性硅溶膠（工業(yè)級(jí)），固體含量為30%，粘度為12 s（涂-4杯，25 ℃），pH值為9.2。

1.2 ?方法

浸注預(yù)處理工藝：采用真空加壓法，浸注工藝參數(shù)選取前期試驗(yàn)確定的最優(yōu)工藝參數(shù)，即先抽真空至-0.08 MPa，保持20 min后恢復(fù)常壓，平衡5 min后，再加壓至1.4 MPa，保持40 min后卸壓。經(jīng)浸注預(yù)處理后，試件的增重率為16%～20%。

熱改性工藝：采用芬蘭ThermoWood熱處理工藝[15]。首先緩慢升溫至130 ℃，待木材接近絕干時(shí)快速升溫至185或200 ℃并保持3 h。溫度升至130 ℃時(shí)通入過(guò)熱蒸汽作為保護(hù)氣，改性結(jié)束后停止加熱，并適量通入冷卻水降溫，保持通入過(guò)熱蒸汽直到溫度降至130 ℃以下。

力學(xué)性能檢測(cè)：按照GB 1936.2-2009《木材抗彎彈性模量測(cè)定方法》測(cè)定抗彎彈性模量;按照GB 1936.1-2009《木材抗彎強(qiáng)度測(cè)定方法》測(cè)定抗彎強(qiáng)度;按照GB 1940-2009《木材沖擊韌性測(cè)定方法》測(cè)定沖擊韌性;按照GB 1941-2009《木材硬度測(cè)定方法》測(cè)定弦面、徑面和端面硬度。其中，硬度測(cè)定的試件規(guī)格為70 mm×50 mm×20 mm（L×R×T），每個(gè)處理共計(jì)20個(gè)重復(fù);其它三項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)測(cè)定的試件規(guī)格均為300 mm×20 mm×20 mm（L×R×T），每個(gè)處理共計(jì)10個(gè)重復(fù)，且抗彎彈性模量和抗彎強(qiáng)度測(cè)定共用一組試件。

1.3 ?數(shù)據(jù)分析

采用軟件Microsoft Office Excel對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，采用軟件SPSS對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多重比較（顯著性分析）。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?抗彎彈性模量（MOE）

橡膠木對(duì)照及不同工藝處理材的MOE如表1所示。由表1可知，與對(duì)照材相比，不同工藝處理材的MOE既有升高也有降低。由于受木材材性變異、改性方法及工藝參數(shù)等因素影響，MOE呈現(xiàn)出無(wú)規(guī)律變化，這與國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)報(bào)道接近。在本試驗(yàn)的增重率條件下，無(wú)論是在試件測(cè)試含水率條件下還是在12%條件下，與熱改性材相比，浸注-熱改性材的MOE在185 ℃時(shí)顯著降低，而在200 ℃時(shí)無(wú)顯著變化。

2.2 ?抗彎強(qiáng)度（MOR）

橡膠木對(duì)照及不同工藝處理材的MOR如表2所示。由表2可知，與對(duì)照材相比，不同工藝處理材的MOR均有顯著下降，且熱改性溫度越高其處理材下降幅度越大。同時(shí)，在兩個(gè)溫度條件下，浸注-熱改性材的MOR均比熱改性材的低，這與浸注-熱改性材比熱改性材的含水率高2%有關(guān)。統(tǒng)一到12%含水率時(shí)，無(wú)論哪個(gè)溫度條件下，二者的MOR差異均不顯著。

2.3 ?沖擊韌性

橡膠木對(duì)照及不同工藝處理材的沖擊韌性如表3所示。由表3可知，與對(duì)照材相比，不同工藝處理材的沖擊韌性均有顯著下降，且熱改性溫度越高其處理材下降幅度越大。同時(shí)，在兩個(gè)溫度條件下，浸注-熱改性材的沖擊韌性均比熱改性材的高，分別高了4.81%和1.86%，但顯著性分析無(wú)差異;而統(tǒng)一到12%含水率時(shí)，在兩個(gè)溫度條件下，二者的沖擊韌性則分別高了7.03%和4.04%，但顯著性分析仍無(wú)差異。故在本試驗(yàn)的增重率條件下，硅溶膠浸注預(yù)處理對(duì)熱改性橡膠木的沖擊韌性有小幅提升，但差異并不顯著。

2.4 ?硬度

橡膠木對(duì)照及不同工藝處理材的弦面、徑面、端面硬度分別如表4、5、6所示。

由表4可知，與對(duì)照材相比，橡膠木經(jīng)185 ℃熱改性后，弦面硬度變化不大，而經(jīng)200 ℃熱改性后，弦面硬度則顯著降低。同時(shí)，浸注-熱改性材與熱改性材相比，在兩個(gè)溫度條件下則分別提高了9.46%和66.85%，差異顯著。

由表5可知，除含水率為12%時(shí)200 ℃熱改性材的徑面硬度低于對(duì)照材外，其余情況下不同工藝處理材的徑面硬度均高于對(duì)照材。同時(shí)，浸注-熱改性材與熱改性材相比，在兩個(gè)溫度條件下則分別提高了20.43%和41.99%，差異顯著。

由表6可知，除含水率為12%時(shí)200 ℃熱改性材的端面硬度低于對(duì)照材外，其余情況下不同工藝處理材的端面硬度均高于對(duì)照材。同時(shí)，浸注-熱改性材與熱改性材相比，在兩個(gè)溫度條件下則分別提高了6.23%和46.18%，差異顯著。

3 ?討論與結(jié)論

本試驗(yàn)的增重率為16%～20%，在此條件下，硅溶膠浸注預(yù)處理對(duì)熱改性橡膠木力學(xué)性能的影響如下：MOE呈無(wú)規(guī)律變化;MOR無(wú)顯著影響;沖擊韌性在兩個(gè)溫度條件下分別提高了7.03%和4.04%，但差異并不顯著;弦面、徑面及端面硬度在185 ℃時(shí)提高了9.46%、20.43%和6.23%，在200 ℃時(shí)提高了66.85%、41.99%和46.18%，且差異顯著。林蘭英[16]也對(duì)硅溶膠浸注楊木的力學(xué)性能作了研究，結(jié)果顯示：楊木的增重率達(dá)到了34.28%，且與對(duì)照材相比，MOE提高了21.67%，MOR提高了6.83%，弦面、徑面及端面硬度則分別提高了49.15%、53.45%及34.62%。其研究結(jié)果與本試驗(yàn)研究有一定差異，主要原因是楊木本身材質(zhì)疏松，滲透性良好，因而其增重率相對(duì)較高。而橡膠木受自身材質(zhì)因素的影響，經(jīng)硅溶膠浸注后的增重率相對(duì)較低，力學(xué)性能的提升不如楊木顯著。此外，本試驗(yàn)與林蘭英的研究結(jié)果均表明：浸注改性材的MOR與增重率多少的無(wú)關(guān)，而與浸注改性液進(jìn)入木材內(nèi)部的位置和深度有關(guān)，簡(jiǎn)單的物理填充不會(huì)改變浸注改性材的MOR。

綜上，在本試驗(yàn)研究條件下，硅溶膠浸注預(yù)處理對(duì)熱改性橡膠木的MOR及沖擊韌性均無(wú)顯著影響;其MOE在185 ℃時(shí)有顯著性降低，而在200 ℃時(shí)無(wú)顯著影響;其弦面、徑面及端面硬度均有顯著性提高。

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