低分子量脲醛樹脂浸漬速生楊木工藝初步研究

侯瑞光，李賢軍，劉 元，徐 康，喬建政，胡嘉裕，程曦依，李 蕓

(中南林業(yè)科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410004)

低分子量脲醛樹脂浸漬速生楊木工藝初步研究

侯瑞光，李賢軍，劉 元，徐 康，喬建政，胡嘉裕，程曦依，李 蕓

(中南林業(yè)科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410004)

采用木材真空加壓浸漬處理專用設(shè)備，較系統(tǒng)地研究了浸漬壓力和浸漬時間對楊木增重率的影響規(guī)律。結(jié)果表明：浸漬壓力和時間對楊木增重率有很大影響；在本研究范圍內(nèi)，隨著浸漬壓力的提高和浸漬時間的延長，增重率呈現(xiàn)先快速增長后趨于平緩的趨勢，增重率最高可達(dá)到36.6％；從節(jié)約時間和能源成本方面綜合考慮，選定本試驗的優(yōu)化浸漬工藝為浸漬壓力1.0MPa、浸漬時間2h。

速生楊木；浸漬工藝；脲醛樹脂；浸漬壓力；浸漬時間；增重率

楊木生長迅速，蓄積量大，分布范圍廣，適應(yīng)性強(qiáng)，是我國北方地區(qū)主要的人工林樹種。但楊木存在結(jié)構(gòu)疏松、密度小、材質(zhì)軟、強(qiáng)度低、干燥時易變形和皺縮、切削加工易起毛等缺點，有必要對其進(jìn)行改性處理，以改善其材性，提高附加值，擴(kuò)大應(yīng)用范圍[1-3]。木材浸漬填充改性是將一些填充或膨脹性能好，一定條件下能與木材成分發(fā)生反應(yīng)或起到固定支撐作用的有機(jī)物、無機(jī)物通過浸注方式浸入到木材細(xì)胞內(nèi)，經(jīng)干燥去除木材中水分，再進(jìn)行熱處理使樹脂因加熱而固化[4]，生成不溶于水的聚合物，沉積填充于細(xì)胞腔內(nèi)，或與木材組分發(fā)生交聯(lián)，起到填充、粘連、增強(qiáng)的作用，從而使木材密度增大，顏色加深，尺寸穩(wěn)定性增強(qiáng)，強(qiáng)度增大，進(jìn)而改變木材性能的一種方法[5-6]。我國學(xué)者錢俊等[7-8]將速生杉木氣干材用脲醛樹脂浸漬后熱壓，結(jié)果表明改性后的杉木靜曲強(qiáng)度和彈性模量(平均值)分別提高42％、17％，吸水率(平均值)降低45％。用低分子量、低粘度的脲醛樹脂浸漬楊木，可以改善其表面硬度及耐磨性，降低其吸濕性和膨潤性，使其表面光滑平整，并提高其整體強(qiáng)度[9-12]。

本研究對速生楊木浸漬低分子量、低粘度的脲醛樹脂工藝中的浸漬時間、浸漬壓力兩個主要的影響因素進(jìn)行了初步探索與試驗，并以重量增加率(以下簡稱增重率)和掃描密度為表征，得到優(yōu)化的浸漬工藝。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗用材為2 000mm(長)×115mm(寬)×30mm(厚)人工林I-69楊Populus deltoides cv.I-69/55，新鮮鋸材，購自于湖南省益陽市洞庭湖區(qū)。低粘度的脲醛樹脂為浙江林科院自制，主要性能指標(biāo)參照GB/T 14074-2006 《木材膠黏劑及其樹脂檢驗方法》進(jìn)行檢測，列于表1。

表1 脲醛樹脂技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main properties of UF resin

1.2 儀器與設(shè)備

試驗設(shè)備為木材真空加壓浸漬處理設(shè)備，試驗儀器主要有X-射線掃描儀(DENSE-LAB mark3)、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(DHG-q245A)、電子天平等。

1.3 方法與步驟

1.3.1 試材處理

從2m長新鮮鋸材上截取試樣，試樣加工按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB1929-40-91，將其加工成310mm(長)×105mm(寬)×25mm(厚)的四面光標(biāo)準(zhǔn)試件，并用環(huán)氧樹脂和鋁箔封閉試件端面，待樹脂充分固化后用塑料薄膜包好，備用。

1.3.2 試驗安排

在單因素試驗基礎(chǔ)上，以浸漬時間和浸漬壓力為影響因子，分別選取1.0、1.5、2.0、2.5h和0.6、0.8、1.0、1.2MPa 4個水平進(jìn)行正交試驗,試驗安排如表2所示。

表2 正交試驗Table 2 Orthogonal test design

1.3.3 浸漬處理

以低分子量、低粘度脲醛樹脂為浸漬液，采用真空—加壓工藝進(jìn)行浸漬處理。將楊木試材放入浸漬罐中先抽真空處理，待真空度至-0.09MPa后保壓10min，再加壓至指定的壓力，并保持壓力至指定的時間后，取出試材，將表面浸漬液擦拭干凈后先氣干2d，再將試材移至普通干燥箱中，低溫干燥1d，然后提高溫度至60℃(干燥時間1d)，最后逐步提高溫度至115℃，使樹脂在木材內(nèi)完全固化，待試件前后稱重誤差小于0.02g時取出，立即進(jìn)行稱重并記錄數(shù)據(jù)，并按以下公式計算試樣增重率(WPG，R)。

式中：R為增重率(％)；m1為試件浸漬處理前絕干質(zhì)量(g)；m2為試件浸漬處理后絕干質(zhì)量(g)。

1.3.4 X-射線掃描

利用X射線衍射儀改裝而成的木材密度計對經(jīng)過壓力1.0MPa、時間2h浸漬過的木材進(jìn)行密度掃描測試。試驗時，從絕干板材上依次截取3個重復(fù)掃描試樣，測量掃描試樣的初始尺寸和質(zhì)量，沿著掃描試樣厚度方向掃描(步長為0.02mm)，測量木材厚度方向的密度分布[11]，得到其絕干密度分布，根據(jù)以下公式計算木材密度r。

式中：I0為X射線的初始強(qiáng)度；I為測試時的強(qiáng)度；t為木片厚度；μ*是與X射線波長以及物質(zhì)種類有關(guān)的常數(shù)，本次試驗為μ*=6.965。

2 結(jié)果與分析

圖1和圖2分別表示了浸漬壓力和浸漬時間對楊木試件增重率的影響規(guī)律。從圖1、圖2中可以明顯看出，浸漬壓力和浸漬時間對楊木試件增重率有很大的影響，且隨著浸漬壓力的增大和浸漬時間的延長，楊木試件增重率都呈現(xiàn)出先較快增加后趨于平緩的變化趨勢。由圖1可知，時間為1、1.5、2.0和2.5h時，增重率分別為11.6％～30.4％、20.3％～31.8％、26.5％～36.4％和27.2％～36.6％。在同一個時間條件下，當(dāng)壓力從0.6MPa增至1.0MPa時，楊木試件增重率增加得較快；當(dāng)壓力從1.0MPa增至1.2MPa時，增重率增加得比較平緩，特別是當(dāng)壓力為1.2MPa時，浸漬時間從2.0h增至2.5h時，增重率從36.4％增加至36.6％，僅增加了0.2％。圖2與圖1增重率增加的趨勢大體相同，但增幅沒有圖1迅猛，比較平緩，說明浸漬時間對楊木增重率的影響次于浸漬壓力對增重率的影響。

圖1 浸漬壓力對增重率的影響Fig.1 Effects of impregnation pressure on WPG

圖2 浸漬時間對增重率的影響Fig.2 Effects of impregnation time on WPG

增重率出現(xiàn)先較快增加后趨于平緩的變化趨勢，主要是因為木材是由數(shù)量眾多的大毛細(xì)管和微細(xì)毛細(xì)管系統(tǒng)通過串聯(lián)、并聯(lián)組成的多孔性材料，樹脂浸漬楊木是一個“多級過濾—浸入”的過程，分子量較大部分的樹脂被“截留”在導(dǎo)管中，稍小的分子浸入并覆蓋在木纖維及射線細(xì)胞的細(xì)胞腔內(nèi)表面，更小的分子才能浸入到木材細(xì)胞壁中，對細(xì)胞壁起到充脹作用[9]。所以利用真空加壓浸漬時，浸漬壓力、浸漬時間等因素都直接影響到樹脂浸漬效果。浸漬壓力作為樹脂浸到木材內(nèi)部的動力源，可以抵消樹脂浸入到木材內(nèi)部的巨大阻力；浸漬時間直接影響低分子量脲醛樹脂與木材作用的時間，即在橫向上經(jīng)由木材的毛細(xì)管系統(tǒng)慢慢進(jìn)入木材內(nèi)部所需時間。在浸漬初期，樹脂進(jìn)入木材所受阻力較小，木材內(nèi)部還未浸入樹脂，故在1.0MPa、2.0h前，隨著浸漬時間的增加，浸漬液在浸漬壓力的作用下比較容易浸入木材內(nèi)部，木材增重率增加較快；但浸漬液浸入到木材內(nèi)部的量和時間并非呈線性相關(guān)，當(dāng)時間達(dá)到2h后，大部分樹脂已經(jīng)進(jìn)到楊木的導(dǎo)管和細(xì)胞腔中，小部分進(jìn)入到木材細(xì)胞壁中，此時樹脂進(jìn)入到木材內(nèi)部的量已趨于飽和，木材內(nèi)外樹脂濃度已達(dá)到平衡，同時已經(jīng)在導(dǎo)管和細(xì)胞腔內(nèi)的樹脂也堵住了細(xì)胞內(nèi)部的紋孔等通道，故在1.0MPa、2.0h后，木材增重率增加得很緩慢，所以再延長浸漬時間和增大浸漬壓力效果并不是很明顯，此外壓力過大可能會造成木材早材部分受壓過大而產(chǎn)生變形。從圖3可以看出，經(jīng)過壓力1.0MPa、時間2h浸漬過的試樣，其厚度方向掃描密度比較均勻[14-15]，基本能達(dá)到0.5g/cm3，說明此工藝處理下，低分子量、低粘度脲醛樹脂能浸透25mm厚的楊樹木材，且在木材內(nèi)分布較均勻。綜上所述，認(rèn)為壓力1.0MPa、時間2h為較優(yōu)的浸漬工藝參數(shù)。

圖3 素材、浸漬材掃描密度Fig.3 Relations between scanning density and sample thickness of untreated wood and dipped wood

3 結(jié) 論

本研究以速生楊木為研究對象，采用木材真空加壓浸漬處理專用設(shè)備，系統(tǒng)研究了浸漬壓力和浸漬時間對楊木增重率的影響規(guī)律。結(jié)果表明：

(1)浸漬壓力和時間對楊木增重率有很大影響，在本研究范圍內(nèi)，隨著浸漬壓力的提高和浸漬時間的延長，增重率呈現(xiàn)先快速增長后趨于平緩的變化趨勢，增重率最高可達(dá)到36.6％。

(2)綜合考慮成本及改性效果，選定本試驗的優(yōu)化浸漬工藝為浸漬壓力1.0MPa、浸漬時間2h。

(3)經(jīng)過優(yōu)化浸漬工藝浸漬過的楊樹木材的密度能達(dá)到0.5g/cm3，且樹脂能在木材內(nèi)均勻分布。

[1] 江澤慧,陳緒和,葉克林,等.世界木材利用與發(fā)展態(tài)勢[J].木材工業(yè),2010,24(1):16-18.

[2] 劉君良,江澤慧,孫家英.酚醛樹脂處理楊樹木材物理力學(xué)性能檢視[J].林業(yè)科學(xué),2002,38(4):176-180.

[3] Yilgor Nural,Unsal Oner,Kartal S Nami. Physical,mechanical and chemical properties of steamed beech wood[J].Forest Products Journal,2001,12(11):89-93.

[4] 唐 輝,徐興偉,李 星,等.電子束輻射用于木材增強(qiáng)改性的研究[J].云南工業(yè)大學(xué)學(xué)報,1999,1(2):15-19.

[5] 陸文達(dá).木材改性工藝學(xué)[M].哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué)出版社,1993:10-13.

[6] 張冬梅,楊亮慶.速生楊木改性研究進(jìn)展[J].林業(yè)機(jī)械與木材設(shè)備,2012,40(3):17.

[7] 羅建舉,向仕龍.脲醛樹脂改性木材的研究[J].木材工業(yè),1993,7(2):19-22.

[8] 韓 健,高喜桃.楊木PF樹脂浸漬工藝的響應(yīng)面分析[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報,2013,33(10):9-18.

[9] 方桂珍.木材功能性改良[M].北京:化工出版社,2005.

[10] 譚惠芬,郭紅霞,杜萬里.有機(jī)無機(jī)復(fù)合浸漬液對楊木的改性處理[J].木材工業(yè),2009,23(4):40-42.

[11] 楊 慶,行淑敏,邱增處.表面強(qiáng)化楊木膠合板模板的研究[J].林產(chǎn)工業(yè),2005,32(5):31-33.

[12] P Souloungangga,B Loubinoux,EW ozniak,et al.Improement of wood properties by impregnation with polyglycerol methacrylate[J].Holz Roh Werkst,2004,62:281-285.

[13] 余 樂,呂建雄,李賢軍,等.X射線掃描法和切片法測量干燥過程中杉木含水率分布的比較研究[J].浙江農(nóng)林大學(xué)學(xué)報,2013,30(4):147-150.

[14] 周永東,傅 峰,李賢軍,等.微波處理對桉木應(yīng)力及微觀構(gòu)造的影響[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報,2009,31(2):543-547.

[15] 李賢軍,傅 峰,周永東.高強(qiáng)度微波預(yù)處理對桉木滲透性的影響規(guī)律[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報,2011,31(2):28-30.

Study on impregnation technology by using UF resin for fast-grown poplar wood

HOU Rui-guang,LI Xian-jun,LIU Yuan,XU Kang,QIAO Jian-zheng,HU Jia-yu,CHENG Xi- yi,LI Yun
(School of Material Science and Engineering,Central South University of Forestry and Technology,Changsha 410004,Hunan,China)

The in fl uence laws of impregnation pressure and time on the weight gain rate(WPG)of poplar wood were systematically investigated by using special equipment for vacuum pressure impregnation of wood processing.The results show that the effects of the impregnation pressure and time on the WPG had great in fl uences; With the increases in pressure and temperature and time,the WPG tended to sharply increase at fi rst and then to gently grow,and the hightest WPG went up to 36.6％; Based on the comprehensive consideration of saving time and energy costs,it is suggested that the optimized impregnation process conditions should be as follows:impregnation pressure 1.0MPa,dipping time 2 hours.

fast grown poplar; impregnation technology; urea resin; impregnation pressure; impregnation time; weight gain rate of wood

S781.43

A

1673-923X(2015)01-0122-04

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.01.022

2013-12-10

“十二五”國家科技支撐計劃課題(2012BAD24B02)；國家自然科學(xué)基金(31370564)；林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(201304509)

侯瑞光，碩士研究生；E-mail：452883852@qq.com

劉 元，教授；E-mail：liuyuan601220@163.com

侯瑞光，李賢軍，劉 元，等.低分子量脲醛樹脂浸漬速生楊木工藝初步研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2015,35(1):122-125.

[本文編校：謝榮秀]