自制PF樹脂不同處理對(duì)馬尾松LVL性能的影響

于紅衛(wèi)，劉紅征，李延軍，于 利

（1. 浙江農(nóng)林大學(xué)，浙江 臨安 311300；2. 浙江大莊實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 311251）

目前，隨著世界范圍內(nèi)天然林資源的枯竭和國(guó)家天然林保護(hù)工程的實(shí)施，我國(guó)木材資源供求的矛盾日益緊張，人工林速生材更是日益成為我國(guó)木材工業(yè)的主要原料，成為解決我國(guó)木材供需緊張矛盾的重要途徑[1～2]。然而，由于人工林材質(zhì)軟、密度低，在工藝品、地板及各種家具的生產(chǎn)過程中，造成了產(chǎn)品的表面強(qiáng)度低，加工工藝復(fù)雜等種種因素限制其應(yīng)用[3]。

本文主要研究了不同處理工藝與單板增重率的關(guān)系，以及增重率對(duì)松木LVL物理力學(xué)性能的影響，為節(jié)約木材資源、緩解我國(guó)木材資源供需緊張的矛盾，拓寬人工林速生材的應(yīng)用領(lǐng)域，并開發(fā)出合適、系統(tǒng)的速生材高效利用新技術(shù)，開創(chuàng)我國(guó)人工林速生材利用的新途徑提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

馬尾松（Pinus massoniana）產(chǎn)于浙江省江山市。單板幅面460 mm×460 mm×2 mm，密度0.426 g/cm3，最高含水率13.6%，最低含水率12.3%。

PF樹脂 試驗(yàn)所用的水溶性低分子量酚醛樹脂為實(shí)驗(yàn)室合成，采用摩爾比為 n(P):n(F):n(NaOH) = 1:2:0.05，樹脂性能指標(biāo)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14074-2006進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表1所示。

表1 自制PF樹脂的各項(xiàng)性能指標(biāo)Table 1 Specifications of PF resin

1.2 試驗(yàn)方法

把PF樹脂配制成10%、20%、30%、40%和50%不同濃度的處理液，采用同一處理工藝，研究濃度對(duì)濕增重率與干增重率的影響；同時(shí)對(duì)30%的處理液設(shè)計(jì)了10種不同的浸漬處理方式，得到不同的濕增重率與干增重率，并進(jìn)行制板。本研究依據(jù)參考文獻(xiàn)[4]，同時(shí)參照日本JAS SIS-24《結(jié)構(gòu)單板層積材》標(biāo)準(zhǔn)，主要對(duì)單板層積材的密度、吸水厚度膨脹率（TS）、24 h吸水率、彈性模量（MOE）、靜曲強(qiáng)度（MOR）指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。

1.3 工藝流程

1.3.1 浸漬 將合成好的酚醛樹脂調(diào)制成需要的濃度，將松木單板放置在浸漬設(shè)備中進(jìn)行真空加壓浸注。材料在浸注前后分別稱重，計(jì)算材料的增重率。

1.3.2 干燥 浸注過的松木單板分別在50 ～ 55°條件下進(jìn)行干燥，干燥至含水率為12% ～ 15%。

1.3.3 組坯 每塊LVL由13層單板鋪裝而成，中間9層與最外兩層按照紋理相同方向進(jìn)行組坯，為了提高橫紋方向的物理力學(xué)性能與板材的平整性，向內(nèi)第2層與其它11層垂直組坯。設(shè)計(jì)厚度為20 mm，壓縮率為22%。

1.3.4 熱壓 采用熱進(jìn)冷出工藝，溫度145℃，壓力2.10 Mpa，保壓時(shí)間25 min。

1.3.5 平衡養(yǎng)護(hù) 在調(diào)溫調(diào)濕箱中處理至恒重，溫度（20±2）℃，濕度（65±5）%

2 結(jié)果與分析

2.1 不同浸漬處理方式對(duì)松木單板濕增重率與干增重率的影響

實(shí)驗(yàn)采用了10種浸漬處理方式，采用樹脂的固體含量為30%，松木單板的濕增重率與干增重率情況如表2。

表2 浸漬處理工藝與增重率的關(guān)系Table 2 Relationship between weight gain and impregnation process

從表2中可以看出，常溫常壓下隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，濕增重率與干增重率逐漸增加，但隨著時(shí)間的延長(zhǎng)增速變慢。當(dāng)松木單板浸泡時(shí)間為1 ～ 2 h時(shí)，濕增重率與干增重率分別增加了10.1%與2.7%，但浸泡為4 ～ 8 h時(shí)，濕增重率與干增重率分別只增加了3.2%與3.5%。因此，在常溫常壓下浸泡2 mm厚度的松木單板，浸泡時(shí)間在2 h之內(nèi)，濕增重率與干增重率增長(zhǎng)速度較快，其原因是水分子的直徑比膠液的粒徑小，水分子先進(jìn)入單板內(nèi)部，隨著浸漬時(shí)間的延長(zhǎng)膠液中的水份減少，膠液的粘度增加，導(dǎo)致進(jìn)入單板內(nèi)部的膠液減少，濕增重率與干增重率增長(zhǎng)速度減慢。采取加壓方式，可促進(jìn)單板對(duì)樹脂溶液的快速吸收。壓力至0.8 MPa保壓10 min的濕增重率與干增重率達(dá)到137%與54.6%，比常溫常壓下浸泡8h的濕增重率與干增重率分別增加了2.3%與1.8%，當(dāng)浸漬膠液量達(dá)到165%左右后，再延長(zhǎng)保壓時(shí)間單板的浸漬膠液量增加速度很慢；因此，為了提高生產(chǎn)率，對(duì)含水率在13%左右的2 mm松木單板的最大浸漬膠液量控制在165%左右。

2.2 不同樹脂濃度對(duì)松木單板濕增重率與干增重率的影響

實(shí)驗(yàn)分別采用了10%、20%、30%、40%和50%的膠液濃度，用同一浸漬處理工藝，研究松木單板的濕增重率與干增重率，結(jié)果如表3所示。

由表3可以看出，松木單板干增重率隨著樹脂濃度的增加而增大，濕增重率隨著樹脂濃度達(dá)到一定程度后達(dá)到最大值，當(dāng)超過一定濃度后濕增重率反而減少。低分子量的酚醛樹脂浸漬木材時(shí)與木材的組織結(jié)構(gòu)和尺寸相關(guān)，松木單板相對(duì)于板材來說厚度較小，樹脂浸漬過程中能夠均勻的滲透到其中，在相同工藝條件下，松木單板的吸收樹脂液的量相當(dāng)，而隨著樹脂濃度的增加，單板吸附樹脂分子的量增多，此外樹脂溶液的密度增大，所以單板的吸收樹脂溶液的重量增大。但是當(dāng)濃度過高時(shí)，樹脂溶液的黏度變大，水份相對(duì)變少，影響濕增重率。隨著樹脂濃度的增加，干增重率增加，但樹脂滲透均勻性不好，造成表面吸附多，而且濃度增加，成本也隨之加大，因此采用樹脂濃度以30%為宜。

表3 浸漬濃度與松木單板濕增重率與干增重率的關(guān)系Table 3 Relationship between resin concentration and wet and dry weight gain %

2.3 增重率對(duì)LVL物理性能的影響

不同工藝條件下，強(qiáng)化單板層積材的密度、吸水厚度膨脹率（TS）與24 h吸水率如表4所示。

在相同的工藝條件下，隨著干增重率與濕增重率的增加，單板層積材密度逐漸增大。當(dāng)干增重率為 45.7%時(shí)密度為0.623 g/cm3，隨著浸漬量的增加，經(jīng)熱壓后樹脂固化，致使制得的單板層積材密度增大。

隨著增重率的增大，單板層積材的TS與24 h吸水率逐漸下降。當(dāng)濕增重率與干增重率浸漬分別為114.2%、45.7%時(shí)，TS與24 h吸水率分別為1.57%和14.87%。浸注在松木單板內(nèi)的酚醛樹脂經(jīng)熱壓后固化，不僅起到膠接作用，同時(shí)在單板內(nèi)部形成網(wǎng)狀不融不溶物質(zhì)起到填充作用，從而減少吸收水分的厚度膨脹與24 h吸水率。

表4 增重率對(duì)LVL物理性能的影響Table 4 Effect of weight gain on the physical properties of LVL

2.4 增重率對(duì)LVL靜曲強(qiáng)度（MOE）和彈性模量（MOR）的影響

不同工藝條件下，增重率對(duì)強(qiáng)化單板層積材的靜曲強(qiáng)度和彈性模量的影響如表5所示。

由表5可以看出，隨著增重率的增加MOE和MOR都呈先快速增大，后下降趨勢(shì)。濕增重率為 114.2%時(shí)，MOE和MOR分別為12560.7 MPa和107.5 Mpa；濕增重率為164.8%時(shí)，MOE和MOR分別為15659.4 MPa和127.43MPa ；MOE達(dá)到了日本JAS SIS-24《結(jié)構(gòu)單板層積材》標(biāo)準(zhǔn)的140E級(jí)（14.0 GPa），MOR超過了最高標(biāo)準(zhǔn)180E特級(jí)（67.5 MPa）。由于浸膠法生產(chǎn)單板層積材樹脂在熱壓過程中受熱后在單板內(nèi)固化，起填充密實(shí)作用，隨著浸漬量的增多單板層積材的力學(xué)強(qiáng)度增加。但由于酚醛樹脂與其它樹脂相比本身脆性較大，當(dāng)單板浸漬量過大時(shí)，生產(chǎn)的單板層積材韌性下降，脆性增加，所以MOE下降；同時(shí)隨著樹脂固體含量的增加，膠的粘度也相應(yīng)增加，濕增重率呈先快速增大，后下降趨勢(shì)，干增重率由于粘度增加，附著在單板表面的樹脂增加，導(dǎo)致干增重率隨著增加。綜上，浸膠法生產(chǎn)單板層積材以濕增重率為150% ～ 170%，干增重率為60%左右為宜。

表5 增重率對(duì)LVL靜曲強(qiáng)度和彈性模量的影響Table 5 Effect of weight gain on MOR and MOE of LVL

3 結(jié)論

（1）在30%PF樹脂濃度條件下，松木單板增重率隨浸漬條件的不同而改變，在常溫常壓和加壓條件下，增重率隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增加；不同的濃度條件下，采用同一浸漬工藝，松木單板濕增重率先增后減，干增重率隨濃度的增加而增加。

（2）不同工藝條件下，強(qiáng)化單板層積材的密度隨增重率的增加而增加，單板層積材的TS與24 h吸水率則逐漸下降。

（3）不同工藝條件下，增重率對(duì)強(qiáng)化單板層積材的靜曲強(qiáng)度和彈性模量有明顯影響。濕增重率為 164.8%時(shí)，MOE和MOR分別為15659.4 MPa和127.43 MPa；MOE達(dá)到了日本JAS SIS-24《結(jié)構(gòu)單板層積材》標(biāo)準(zhǔn)的140E級(jí)（14.0 GPa），MOR超過了最高標(biāo)準(zhǔn)180E特級(jí)（67.5 MPa）。

[1]劉君良，江澤慧，孫家杰. 酚醛樹脂處理?xiàng)顦淠静奈锢砹W(xué)性能測(cè)試[J]. 林業(yè)科學(xué)，2002，38（4）：176－180.

[2]張占寬，劉君良. 密實(shí)型楊木強(qiáng)化單板層積材制造工藝及應(yīng)用前景分析[J]. 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2005，33（7）：28－30.

[3]劉煥榮，劉君良，柴宇博. 樹脂浸漬量對(duì)楊木單板層積材性能的影響[J]. 木材工業(yè)，2007，21（3）：11－13.

[4]GB/T17657-1999，人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法[S].