酚醛樹脂浸漬處理對杉木單板層積材性能的影響

姚遲強(qiáng)，于 利,2，李延軍，林 勇，劉紅征

（1. 浙江農(nóng)林大學(xué)，浙江 臨安 311300；2. 浙江升華云峰新材股份有限公司，浙江 湖州 313200；3. 杭州強(qiáng)生圣威裝飾材料有限公司，浙江 杭州 310007；4. 浙江大莊實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 311251）

酚醛樹脂浸漬處理對杉木單板層積材性能的影響

姚遲強(qiáng)1，于 利1,2，李延軍1，林 勇3，劉紅征4*

（1. 浙江農(nóng)林大學(xué)，浙江 臨安 311300；2. 浙江升華云峰新材股份有限公司，浙江 湖州 313200；3. 杭州強(qiáng)生圣威裝飾材料有限公司，浙江 杭州 310007；4. 浙江大莊實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 311251）

采用自制低分子量酚醛樹脂浸漬處理杉木單板，探討了浸漬處理工藝對其增重率和單板層積材性能的影響，研究結(jié)果表明在常溫常壓和加壓條件下，增重率均隨浸漬時(shí)間的延長而增加，隨著增重率的增大，板材密度逐漸增大，吸水厚度膨脹率（TS）逐漸降低，靜曲強(qiáng)度（MOR）和彈性模量（MOE）先增大后減小。干增重率52.5%時(shí)，MOR和MOE達(dá)到最大，分別為51.19MPa和10 886MPa，MOR達(dá)到了GB/T 20241-2006《單板層積材》120E優(yōu)級，MOE達(dá)到了100E級。鑒于產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)成本，建議采用浸膠法生產(chǎn)杉木單板層積材時(shí)，干增重率控制在50%左右，濕增重率控制在160%左右。

杉木；單板層積材；浸漬；處理；性能；增重率

杉木（Cunninghamia lanceolata）是我國主要人工林樹種之一，樹干通直、高大，木材紋理直、材質(zhì)輕軟、結(jié)構(gòu)細(xì)致、不易開裂[1]。然而與天然林杉木相比，人工林杉木存在一些材質(zhì)缺陷，如密度小、強(qiáng)度低[2]、加工性能差等，使其工業(yè)化應(yīng)用受到限制。密實(shí)化是一種有效的木材功能性改良方法，采用低分子量樹脂浸漬單板方法生產(chǎn)的密實(shí)型單板層積材，其物理力學(xué)性能明顯提高，能夠替代優(yōu)質(zhì)天然林木，被用作托梁、桁架、車廂地板和集裝箱底板等結(jié)構(gòu)材料，不僅提高人工林木材的應(yīng)用領(lǐng)域和附加值，還在一定程度上緩解了我國優(yōu)質(zhì)天然林木的供需矛盾。

Lloyd[3]等人研究發(fā)現(xiàn)，單板經(jīng)浸膠、干燥、壓縮后，其耐候性能顯著提高。Chui等[4]采用浸膠法生產(chǎn)的楊木單板層積材力學(xué)強(qiáng)度和耐水性能得到明顯提高。近年來，國內(nèi)學(xué)者[5~7]對采用浸漬樹脂和壓縮提高人工林單板層積材的密度進(jìn)而改善其物理力學(xué)性能的方法進(jìn)行了大量的研究，但大多集中在楊木單板層積材和竹/楊復(fù)合層積材，通過浸膠法制造杉木單板層積材的研究還未見報(bào)道。本研究以杉木單板和自制水溶性低分子量酚醛樹脂為原料，研究了不同浸漬處理工藝與單板增重率的關(guān)系，以及增重率對杉木單板層積材性能的影響，為拓寬速生材基礎(chǔ)研究和應(yīng)用領(lǐng)域提供理論依據(jù)，為使密實(shí)型強(qiáng)化單板層積材成為一種實(shí)用的工業(yè)化加工技術(shù)奠定了良好的基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

杉木單板 速生杉木取自臨安遠(yuǎn)航木業(yè)有限公司，單板平均厚度2 mm，含水率10%左右。

實(shí)驗(yàn)室自制水溶性低分子量酚醛樹脂[8]，由上海高橋化學(xué)工業(yè)公司生產(chǎn)的工業(yè)苯酚和衢州化工集團(tuán)生產(chǎn)的工業(yè)甲醛（36.9%），在NaOH作用下以采用摩爾比為n（P）：n（F）：n（NaOH）= 1：2：0.05、三聚氰胺的加入量為苯酚量的20%條件下進(jìn)行合成。主要性能指標(biāo)：固體含量51.2%，游離酚含量0.65%，游離甲醛含量0.18%，黏度（涂四杯25℃）17.8 s，pH值9.5，水混合性 > 5倍。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 采用單因素試驗(yàn)方法，探討11種浸漬工藝對單板增重率的影響，以及增重率對層積材物理力學(xué)性能的影響，每個(gè)條件平行制備3塊板材。

1.2.2 工藝流程

調(diào)膠—→浸漬—→干燥—→熱壓—→養(yǎng)生—→性能檢測

將實(shí)驗(yàn)室自制水溶性低分子量酚醛樹脂調(diào)制成固含量30%的樹脂溶液，將裁剪好的杉木單板放入調(diào)制好的樹脂溶液中，浸漬一段時(shí)間，把浸漬好的杉木單板自然晾干至含水率8% ~ 12%；按照紋理相同方向進(jìn)行組坯，每塊杉木單板層積材由12張單板鋪裝而成，將組坯好的板坯放入熱壓機(jī)內(nèi)，調(diào)整熱壓參數(shù)（熱壓溫度145℃、熱壓壓力1.5MPa、熱壓時(shí)間24 min），熱壓結(jié)束后，壓制的板材平衡處理后裁邊、制取試件。

1.3 性能檢測 按照GB/T17657-1999《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》和GB/T 20241-2006《單板層積材》標(biāo)準(zhǔn)，主要對單板層積材的密度、彈性模量（MOE）和靜曲強(qiáng)度（MOR）指標(biāo)進(jìn)行檢測，每項(xiàng)指標(biāo)取6個(gè)試件，結(jié)果取平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 浸漬工藝對杉木單板增重率的影響

實(shí)驗(yàn)采用了11種不同浸漬工藝，每種工藝取10個(gè)試件，根據(jù)下式計(jì)算單板干增重率與濕增重率，結(jié)果取其平均值。

式中：Wg——干增重率；Mg——單板浸漬后絕干重；M0——單板浸漬前氣干重；Ws——濕增重率；Ms——單板浸漬后濕重。

杉木單板的干增重率與濕增重率情況如表1。

表1 浸漬時(shí)間與單板增重率的關(guān)系Table 1 Relationship between impregnation process and weight gain

如表1所示，常溫常壓下，隨著浸漬時(shí)間的延長，杉木單板的干增重率和濕增重率都逐漸增加。浸漬時(shí)間從1 h延長到2 h，單板干增重率和濕增重率分別提高了4.3%和16.8%；浸漬時(shí)間從2 h延長到4 h，平均1 h單板干增重率和濕增重率分別提高了2.4%和7.4%；浸漬時(shí)間從8 h延長到24 h，平均1 h單板干增重率和濕增重率僅提高了1.6%和0.6%。隨著浸漬時(shí)間的延長，干增重率和濕增重率的增長速度趨于緩和。因此，在常溫常壓下浸漬2mm厚度的杉木單板，浸漬時(shí)間在2 h之內(nèi)，干增重率與濕增重率增長速度較快，隨后增長速度減緩。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了國內(nèi)外相關(guān)研究結(jié)論[8]，即水分子的直徑比樹脂的粒徑小，水分子比樹脂先進(jìn)入單板內(nèi)部，隨著浸漬時(shí)間的延長樹脂溶液中的水份減少，樹脂溶液的粘度增加，導(dǎo)致進(jìn)入單板內(nèi)部的樹脂溶液減少，干增重率與濕增重率增長速度減慢。

采取加壓方式，可促進(jìn)單板對樹脂溶液的快速吸收。在0.6 MPa下保壓20 min的條件下，干增重率與濕增重率分別是常溫常壓下浸漬1 h的1.98倍和1.89倍，比常溫常壓24 h增加了3%和12.5%。與常溫常壓條件下一樣，杉木單板的干增重率與濕增重率隨著保壓時(shí)間的延長而增加，但增長速度趨于緩和。因此，為了提高生產(chǎn)效率，建議采用加壓浸漬的方式。

2.2 增重率對杉木單板層積材性能的影響

在前期試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，本試驗(yàn)篩選出4種增重率的杉木單板，進(jìn)行不同浸漬量對層積材性能的研究，結(jié)果如表2。

表2 增重率對杉木單板層積材物理力學(xué)性能的影響Table 2 Effect of weight gain on the physical and mechanical properties of Chinese fir LVL

2.2.1 增重率對杉木單板層積材物理性能的影響 由表2可以看出，隨著增重率的增加，杉木單板層積材密度逐漸增大。由于浸漬量的增加，浸注到杉木單板的樹脂量增加，樹脂經(jīng)熱壓固化后產(chǎn)品的密度就越大，同時(shí)有利于提高產(chǎn)品的耐磨性和硬度。

隨著干增重率和濕增重率的增加，層積材吸水厚度膨脹率逐漸減小。杉木單板浸漬低分子量酚醛樹脂時(shí)，部分樹脂浸注到單板內(nèi)，在溫度作用下樹脂與木材主要組份纖維素、半纖維素和木質(zhì)素發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)[9]，熱壓固化后形成不融不溶的網(wǎng)狀物起到填充密實(shí)的作用[10]，這種填充作用降低了板材的吸水性和吸脹性能。

2.2.2 增重率對杉木單板層積材力學(xué)性能的影響 從表2可以看出，隨著增重率的增加，MOR和MOE都呈先升高再降低的趨勢。當(dāng)干增重率低于52.5%時(shí)，MOR和MOE隨著熱壓溫度的升高均有不同程度的提高。干增重率52.5%時(shí)，MOR和MOE分別為51.19 MPa和10 886 MPa，分別比23.7%時(shí)提高了65.7%和59.3%，MOR達(dá)到了《單板層積材》120E優(yōu)級（45.0 MPa），MOE達(dá)到了《單板層積材》100E級（10.0×103MPa）。干增重率增大到73.2%時(shí)，MOE和MOR反而降低，分別比52.5%時(shí)降低了8.2%和4.8%。由于浸膠法生產(chǎn)杉木單板層積材，酚醛樹脂經(jīng)熱壓在單板內(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。但與其它樹脂相比，酚醛樹脂脆性較大，單板浸漬量過大，單板層積材的韌性降低，脆性增加。

3 結(jié)論

（1）杉木單板增重率隨浸漬時(shí)間的不同而改變，在常溫常壓和加壓條件下，增重率都隨時(shí)間的延長而增加，加壓浸漬有利于提高樹脂浸漬量。

（2）隨著增重率的增加，杉木單板層積材密度逐漸增大，吸水厚度膨脹率則逐漸降低。

（3）隨著增重率的增加，杉木單板層積材MOR與MOE先增大后減小。干增重率52.5%時(shí)，MOR和MOE分別為51.19MPa和10 886MPa，MOR達(dá)到了GB/T 20241-2006《單板層積材》120E優(yōu)級，MOE達(dá)到了100E級。鑒于產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)成本，建議采用浸膠法生產(chǎn)杉木單板層積材時(shí)，干增重率控制在50%左右，濕增重率控制在160%左右。

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信息

Effect of PF Resin Treatment on Physical and Mechanical Properties of Chinese Fir LVL

YAO Chi-qiang1，YU Li1,2，LI Yan-jun1，LIN Yong3，LIU Hong-zheng4*
（1. Zhejiang A & F University, Lin’an, 311300, China; 2. Zhejiang Shenghua Group, Huzhou 313200, China; 3. Hangzhou Qiangsheng Shengwei Decorative Material Co. Ltd., Hangzhou 310007, China; 4. Zhejiang Dasso Industry Group Co. Ltd., Hangzhou 311251, China）

Chinese fir laminated veneer lumber (LVL) was impregnated with laboratory prepared low molecular weight water soluble phenol formaldehyde (PF) resin. The effects on mechanical and physical properties of the LVL were determined under normal temperature and pressure and increased pressure. The results showed that weight gain would increase with the impregnating time. Under the same impregnation condition, dry weigh gain increased with resin concentration, while wet weight gain increased first and then decreased. Density of LVL increased, thickness swelling rate(TSR) reduced, modulus of rupture in bending (MOR) and modulus of elasticity in bending (MOE) increased first and then decreased as the weight gain increased.

Chinese fir; LVL; impregnation; properties; weight gain

S785

A

1001-3776（2013）02-0019-04

2012-11-30；

2013-02-18

浙江省科技廳資助項(xiàng)目（2006C12047、2008C32023）資助

姚遲強(qiáng)（1988－），男，浙江杭州人，碩士生，從事木材科學(xué)與技術(shù)研究；*通訊作者。