楊木PF樹脂浸漬工藝的響應面分析

韓 健，高喜桃

(中南林業(yè)科技大學，湖南 長沙410004)

楊木PF樹脂浸漬工藝的響應面分析

韓 健，高喜桃

(中南林業(yè)科技大學，湖南 長沙410004)

采用響應面Box-Benhnken中心組合試驗設計與分析方法，對PF樹脂浸漬楊木單板的工藝因素進行了分析，建立了浸漬工藝因素與單板增重率之間關系的二次回歸模型。方差分析表明，二次回歸模型高度顯著，計算值與實際值之間的誤差很小。抽真空時間、膠液濃度和常壓浸漬時間對單板增重率具有高度顯著的影響，上述因素的交互項對單板增重率影響很小。RSA得到的優(yōu)化工藝參數(shù)為抽真空時間為20 min，膠液濃度為28%，常壓浸漬時間為3.0 h，以上述工藝參數(shù)進行重復驗證試驗，試驗結果與二次回歸模型的計算結果誤差很小，表明二次回歸模型的預測是可靠的。

楊木單板；PF樹脂；響應面分析；增重率

楊樹是我國重要的速生豐產(chǎn)林和短周期工業(yè)用材林樹種[1-3]，楊樹適應性廣，成材時間短，木材紋理細致均勻，但楊木材質松軟，密度低，含水率不均勻，干燥變形嚴重[4]，這使其應用受到了較大限制，因此對楊木進行改性處理是提高楊木質量、擴大應用范圍的重要途徑。通過低分子量合成樹脂對楊木進行浸漬是近年來楊木改性領域的一個研究熱點。樹脂浸漬是在一定的外界條件作用下，使樹脂滲透到木材內部，與木材形成一定的物理、化學結合，從而使木材的物理力學特性得到改善和提高[5-6]，木材的增重率是評價浸漬效果的主要指標。浸漬用合成樹脂主要有三聚氰胺-甲醛樹(MF)、酚醛樹脂(PF)、脲醛樹脂(UF)以及異氰酸酯類、多元羧酸類等[7-8]。有研究表明，與普通LVL相比，用經(jīng)PF樹脂浸漬的楊木單板生產(chǎn)的LVL的彈性模量(MOE)和靜曲強度(MOR) 分別提高了25%和10%，吸水厚度膨脹率(TS)下降了50%左右[9-12]。文章通過響應面試驗設計與分析方法(RSA)，對工藝因素與楊木單板浸漬效果之間的關系進行研究。

1 材料與方法

1.1 材 料

楊木單板樹種為意楊Populus euramevicana，取于湖南益陽，單板基本密度0.39 g/cm3，幅面規(guī)格200 mm×400 mm，厚度2 mm，含水率7%～10%。浸漬膠黏劑為實驗室自制PF樹脂，pH值8.5，固體含量45.6%，粘度115 mPa·s，游離酚含量0.63%。

主要試驗儀器設備：RZZ湘-024-05真空壓力罐，2XZ-2型旋片真空泵。

1.2 試驗方法

單板浸漬采用減壓浸漬和常壓浸漬相結合的工藝，先將單板置入裝有PF樹脂膠液的真空罐內，抽真空浸漬一段時間(真空度0.02 MPa)，然后在常壓下繼續(xù)浸漬，達到規(guī)定時間后將單板取出，滴去表面多余的膠液。試驗選取抽真空時間(A)、膠液濃度(B)、浸漬溫度(C)和常壓浸漬時間(D)4個因素，每個因素選取5個水平，試驗因素與水平如表1所示。

首先通過單因素試驗方法，確定各因素與單板浸漬效果之間的關系，對某一因素各水平進行試驗時，其余各因素均選擇某一固定水平(抽真空時間為30 min，膠液濃度為30%，浸漬溫度為30 ℃，常壓浸漬時間為3 h)。在對單因素試驗結果分析的基礎上，再采用Box-Behnken中心組合設計方法，對保留下的試驗因素、水平與單板浸漬效果之間的關系進行響應面分析，以確定試驗因素與水平的優(yōu)化組合。單板的浸漬效果用單板增重率評價，單板增重率計算公式如下：

式中：W為增重率，M1為單板浸漬處理后重量，M0為單板浸漬前重量。

表1 試驗因素與水平Table 1 Factors and levels of test

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果分析

單因素試驗的目的是為響應面試驗和分析提供工藝因素及水平的選擇區(qū)間，從單因素試驗結果可見，抽真空時間、膠液濃度和常壓浸漬時間在試驗水平所選區(qū)間內，單板增重率均可在某一

水平處具有最大值(圖1a、b、d)，但在浸漬溫度的所選水平區(qū)間，隨溫度上升單板增重率總體呈下降趨勢，無法確定單板獲得最大增重率對應的浸漬溫度水平，因此選擇抽真空時間、膠液濃度和常壓浸漬時間作為響應面試驗因素。試驗因素與水平設計如表2所示。

圖1 工藝因素與單板增重率之間的關系Fig.1 Relationship between technology factors and the weight gain rate of veneers

表2 響應面試驗因素與水平Table 2 Fctors and levels of test of RSA

2.2 二次回歸模型顯著性分析

通過響應面分析軟件(RSA)對試驗結果的分析，得到各工藝因素與單板增重率之間的二次回歸模型如下：

式中：y為單板增重率（%），A為抽真空時間（min），B為膠液濃度（%），C為常壓浸漬時間。

表3 響應面二次方程模型的方差分析Table 3 Variance analysis of response surface quadratic model

二次回歸模型的方差分析結果表明，該模型 F=71.33，p-value(Prob＞ F)＜ 0.000 1，表 明該二次回歸模型建立的工藝因素與單板增重率之間的關系是高度顯著的。另由表3可見，三因素的交互項AB、AC和BC的 p-value(Prob＞F)＞0.05，表明它們對單板增重率的影響很小，基于此，可將二次回歸方程(2)修正為:

表3中 的“Lack of Fit”(擬 合 缺 失 )為0.014，且p-value(Prob＞F)= 0.9972，表明二次回歸模型與實際值之間的誤差很小，可以用二次回歸模型(3)對一定條件下的單板增重率進行預測。

2.3 工藝因素對單板增重率的影響

由表3可見，浸漬工藝因素抽真空時間(A)、膠液濃度(B)和常壓浸漬時間(C)的P值(Prob＞F)分別為0.000 1、0.000 7和0.000 1，均遠小于0.01，表明它們對單板增重率具有高度顯著的影響。如前所述，上述因素的交互項AB、AC和BC對單板增重率的影響很小。圖2、圖3、圖4反映了各工藝因素與單板增重率之間的關系。

由圖2可見，對某一確定的單板增重率，當膠液濃度在28%以下時，隨抽真空時間延長，膠液濃度呈下降趨勢；當膠液濃度在28%以上時，隨著抽真空時間延長，膠液濃度亦呈增加趨勢。如，單板增重率為162%，抽真空時間為30 min時，膠液濃度為21%或36%；當抽真空時間縮短至20 min時，膠液濃度則分別增加或降低至24%和33%。

圖2 抽真空時間和膠液濃度與單板增重率關系的等高線與響應面Fig.2 Contour line and response surface of relationships between vacuumizing time and resin concentration and weight gain rate of veneers

圖3 抽真空時間和常壓浸漬時間與單板增重率關系的等高線與響應面Fig.3 Contour line and response surface of relationships between vacuumizing time and impregnation time in ordinary pressure and the weight gain rate of veneers

圖4 膠液濃度和常壓浸漬時間與單板增重率關系的等高線與響應面Fig.4 Contour line and response surface of relationships between resin concentration and impregnation time in ordinary pressure and weight gain rate of veneers

由圖3可見，在常壓浸漬時間3.8 h以內，抽真空時間與常壓浸漬時間具有反向增長的關系，即對某一確定的單板增重率，隨抽真空時間延長，常壓浸漬時間相應縮短，相反亦然。如，單板增重率為166%，抽真空時間為30 min時，常壓浸漬時間為1.8 h，當抽真空時間延長至40 min時，常壓浸漬時間縮短為1.4 h；相反，當抽真空時間縮短至20 min時，常壓浸漬時間則延長至3.2 h。

由圖4可見，對于某一單板增重率，當膠液濃度在28%以下時，隨膠液濃度增加，常壓浸漬時間相應縮短，當膠液濃度在28%以上時，隨膠液濃度增加，常壓浸漬時間也相應增加。如，單板增重率為169.5%，膠液濃度為25%時，常壓浸漬時間為2.5 h，當膠液濃度增加到28%時，常壓時間縮短至2.1 h；另，當膠液濃度增加到35%時，常壓時間則延長至4.0 h。

2.4 工藝因素選擇與驗證

通過RSA響應面分析軟件對二次回歸模型的計算，得到抽真空時間為20.42 min，膠液濃度為27.53%，常壓浸漬時間為3.27 h時，單板預測的最大增重率為178.94%。為便于操作，對上述工藝參數(shù)作適當調整，取抽真空時為20 min，膠液濃度為28%，常壓浸漬時間為3.0 h，由于不同膠液溫度對單板增重率的影響差異不大，選擇膠液溫度為室溫，通過重復試驗對RSA分析預測的可靠性進行驗證，重復試驗結果為單板增重為177.85%，RSA分析的預測值與實際值相差很小，表明上述工藝參數(shù)是使單板增重率達到最大的最優(yōu)組合，可以用于對單板浸漬PF樹脂后的增重率的預測。

3 結 論

(1)方差分析表明，二次回歸模型建立的工藝因素與單板增重率之間的關系是高度顯著的，模型計算值與實際值之間的誤差很小，可以用該模型對一定條件下的單板增重率進行預測。

(2)抽真空時間(A)、膠液濃度(B)和常壓浸漬時間(D)對單板增重率具有高度顯著的影響，但上述因素的交互項AB、AC和BD對單板增重率的影響很小，浸漬溫度(C)各水平對單板增重率的影響差異也很小。

(3)RSA分析得到的優(yōu)化工藝參數(shù)為抽真空時間為20 min，膠液濃度為28%，常壓浸漬時間為3.0 h，以上述工藝參數(shù)進行重復驗證試驗，試驗結果與二次回歸模型的計算結果誤差很小，表明二次回歸模型的預測是可靠的。

[1] 張忠濤.我國的楊樹資源與開發(fā)利用[J].林業(yè)建設,2001,(5):21-24.

[2] 張勤麗.我國意楊加工利用概況[J].林產(chǎn)工業(yè),2000,27(5):3-6.

[3] 劉盛全.我國楊樹人工林材性與加工利用研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].木材工業(yè),1999,13(3):14-16.

[4] 劉艷萍,陳志林,曾 輝.楊木特性對其膠合板質量的影響及對策[J].河南林業(yè)科技,2006,26(1):29-30.

[5] 張云嶺.低分子量三聚氰胺-甲醛樹脂固定泡桐壓縮木回彈的研究[J].木材工業(yè),1996,10(6):15-18.

[6] 劉君良,李 堅,劉一星.PF預聚物處理固定木材壓縮變形的機理[J].東北林業(yè)大學學報,2000,28(4):16-20.

[7] 方桂珍,李 堅,孔 漫,等.多元羧酸與木材酯化反應特征和交聯(lián)反應參數(shù)[J].林業(yè)科學,1998,34(6):93-97.

[8] 常德龍,陳玉和,胡偉華,等.用低分子樹脂進行泡桐木材表面強化的研究[J].林產(chǎn)工業(yè),1997,24(6):7-10.

[9] 韓 健,高喜桃.熱壓過程竹材的徑向應變特性[J].中南林業(yè)科技大學學報,2010,30(8):96-99.

[10] 劉凱能,韓 健.不同熱壓條件下的中溫酚醛樹脂竹膠合板力學性能比較[J].中南林業(yè)科技大學學報,2012,32(6):168-171.

[11] 韓 健,羅 丹.圓竹氣干過程的物理特征變化[J].中南林業(yè)科技大學學報,2012,32(7):110-114.

[12] H J Zhang,Y H Chui M H. Schneider compression control and its significance in the manufacture and effects on properties of poplar LVL[J]. Wood Science and Technology,1994,28,285-290.

Response surface analysis on impregnation technology of poplar with PF resin

HAN Jian, GAO Xi-tao
(Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

The technology factors, which affect the impregnation result of PF resin into poplar veneer, were investigated through the response surface Box-Benhnken centre combination tests, and the quadratic regression model, on the relationship between impregnation technology factors and weight gain rate of veneers, was established. The variance analysis results show that the quadratic regression model was highly significant, the errors between calculated value and actual value was very small, and the pump-down time, concentration of resin and impregnation time in ordinary pressure significantly affected the weight gain rate of the veneers，but the interactive items as above factors had scarcely any effects to the weight gain rate of veneers. The optimized technology factors through RSA were: vacuumizing time 20 min, concentration of resin 28%, and impregnation time in ordinary pressure 3.0 hours which were tested repeatedly for confirmation. The findings show that there was very small error between the calculated value by quadratic regression model and the test value.

poplar veneer; PF resin; response surface; weight gain rate

S792.11；S781.6

A

1673-923X(2013)09-0098-05

2013-02-26

科技部科技人員服務企業(yè)行動計劃項目(SQ2009GJD2005258)

韓 ?。?954-），男，湖南懷化人，教授，博士，主要從事木材改性與人造板工程研究；E-mail：hanjianwm@163.com

[本文編校：吳 毅]