楊樹(shù)浸漬改性材物理及力學(xué)性能研究

李志高， 王 勇， 陳澤君， 鄧臘云， 馬 芳， 范友華

(湖南省林業(yè)科學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410004)

楊樹(shù)浸漬改性材物理及力學(xué)性能研究

李志高， 王 勇， 陳澤君*， 鄧臘云， 馬 芳， 范友華

(湖南省林業(yè)科學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410004)

利用聚乙烯醇縮甲醛復(fù)合改性劑對(duì)楊樹(shù)木材進(jìn)行浸漬改性處理，對(duì)比研究了楊樹(shù)素材與改性材的物理性能及主要力學(xué)性能的變化，并利用掃描電子顯微鏡(SEM)分析了改性劑在改性材中的分布情況。結(jié)果表明：改性材的氣干密度和抗縮系數(shù)(PASE)隨改性劑濃度的上升而增加，改性材的氣干密度最高為0.41 g/cm3，比素材的提高了13.9%，抗縮系數(shù)(PASE)最大提高到47.8%。改性材吸水率隨改性劑濃度的上升而下降，與素材相比最大下降了19.2%。當(dāng)改性劑的濃度為25%時(shí)，改性材的彈性模量和靜曲強(qiáng)度達(dá)最大，分別為27.4%和13%。SEM分析顯示改性劑填充于部分木射線以及交錯(cuò)纖維間的空隙中。

楊樹(shù)； 改性； 物理性能； 力學(xué)性能； 掃描電鏡分析

在國(guó)內(nèi)高質(zhì)量大徑級(jí)原木資源日益匱乏的背景下，楊樹(shù)作為重要的速生材樹(shù)種，其種植范圍及面積在國(guó)內(nèi)已有快速提高。湖南作為重要的人工林種植省份，近年來(lái)?xiàng)顦?shù)種植面積及蓄積量也在快速增長(zhǎng)。因而楊樹(shù)木材的開(kāi)發(fā)和利用不斷受到科研工作者及木材經(jīng)營(yíng)者的重視。楊樹(shù)木材在諸多領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，但由于楊樹(shù)生長(zhǎng)速度快，輪伐周期短，致使其木材材質(zhì)軟、密度低、物理力學(xué)性能較差，應(yīng)用范圍受到嚴(yán)重限制。因而，改善楊樹(shù)木材材性有望提高木材利用價(jià)值及拓展其應(yīng)用范圍。近年來(lái)，研究較多的改性方法主要為化學(xué)和物理改性法，其中化學(xué)改性法中的樹(shù)脂浸漬改性是最常用的改性方法[1-2]。通過(guò)樹(shù)脂浸漬改性可以有效改善木材的物理及力學(xué)性能，增強(qiáng)其耐久性。因此，根據(jù)現(xiàn)有研究基礎(chǔ)[3-4]，作者利用復(fù)合改性劑對(duì)楊樹(shù)木材進(jìn)行浸漬改性處理，并對(duì)楊樹(shù)素材和改性材的物理及力學(xué)性能等進(jìn)行了對(duì)比研究。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

(1) 試驗(yàn)材料。試驗(yàn)用木材采自湖南省沅江市林場(chǎng)的8年生人工速生楊樹(shù)林。按照GB/T1929 — 09規(guī)定的取樣方法將試材加工成20 (R)mm×20 (T)mm×300 (L)mm和20 (R)mm×20 (T)mm×20 (L)mm 2種規(guī)格的試件，并將試件分別依次編號(hào)。試件的含水率控制在12%左右。改性主劑聚乙烯醇縮甲醛膠為實(shí)驗(yàn)室自制，其外觀為無(wú)色透明的液體，不揮發(fā)物含量為6%，粘度為100 mPa·s，pH值為6.5～7.5，貯存期6個(gè)月。助劑為實(shí)驗(yàn)室自配。配置6個(gè)濃度梯度的改性劑，其中主劑聚乙烯醇縮甲醛膠含量分別為5%、10%、15%、20%、25%、30%，助劑含量為5%。

(2) 主要儀器及設(shè)備。真空/加壓木材改性設(shè)備(最大壓力2.5 MPa、真空度-0.08 MPa、容積0.0345 m3)；濟(jì)南時(shí)代試金試驗(yàn)機(jī)有限公司W(wǎng)DW — 20E微機(jī)控制電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)；日本日立公司TM3000型掃描電子顯微鏡；電子天平(精確到0.01 g)；電子千分尺(精確到0.02 mm)。

1.2 改性流程

(1) 將試件置于恒溫恒濕箱中(溫度20 ℃，濕度 65%)，放置15天。

(2) 將試件置于改性罐內(nèi)，密封。

(3) 將改性罐抽真空(-0.08 MPa)，保持30 min。

(4) 向處于真空狀態(tài)的改性罐中注入改性劑，恢復(fù)常壓后對(duì)改性罐加壓，使罐內(nèi)壓力達(dá)到試驗(yàn)設(shè)定壓力，保持1 h。

(5) 卸壓，將試件從改性罐中取出。

(6) 去除試件上殘留改性劑后，在恒溫恒濕箱中(溫度20 ℃，濕度 65%)放置15天。

1.3 測(cè)試

1.3.1 SEM掃描電鏡測(cè)定 從楊樹(shù)素材及改性材試件的中間部位截取20(R)mm×20(R)mm×30(L)mm的小試樣，用滑走式切片機(jī)制取面積為8 mm×8 mm、厚度為1 mm的木片若干，選取表面結(jié)構(gòu)完好無(wú)損、無(wú)污染和無(wú)變形的木片，將其用導(dǎo)電膠固定在金屬托片上。

1.3.2 力學(xué)性能測(cè)定 素材和改性材的靜曲強(qiáng)度(MOR)及彈性模量(MOE)分別采用GB/T1936.1 — 2009中《木材抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)方法》和GB/T 1936.2-2009中《木材抗彎彈性模量測(cè)定方法》[5-6]規(guī)定的方法測(cè)定。

1.3.3 吸水率測(cè)定 試件的吸水率參照公式(1)計(jì)算，精確至1%。

(1)

1.3.4 尺寸穩(wěn)定性測(cè)試 素材和改性材的抗干縮性采用GB 1934 — 91[7]規(guī)定的方法測(cè)定。通過(guò)素材和改性材的體積干縮率來(lái)分析改性材的抗縮系數(shù)(PASE)，并將其作為考察楊樹(shù)改性材尺寸穩(wěn)定性的主要指標(biāo)。計(jì)算公式見(jiàn)公式(2)。

(2)

2 結(jié)果與分析

2.1 改性材的物理性能

改性劑浸漬進(jìn)入木材內(nèi)部并固化后，使木材的物理性能有顯著的提高。從圖1中可以看出：改性材的密度與素材相比均有不同程度的提高，而改性材的密度隨改性劑濃度的提高而逐漸增大。當(dāng)改性劑的濃度為30%時(shí)，改性材的密度達(dá)0.41 g/cm3，比素材的密度提高了13.9%。說(shuō)明改性劑通過(guò)浸漬進(jìn)入木材內(nèi)部，填充了木材內(nèi)部的部分孔隙，從而提高了楊樹(shù)木材單位體積的質(zhì)量，使改性材的密度得以提高。

圖1 改性材的氣干密度變化Fig.1 Air-dry density variations of modified wood

通過(guò)浸漬改性，楊樹(shù)改性材的孔隙被改性劑填充，也影響木材的吸水率及穩(wěn)定性能。從圖2中可以看出： 改性材的吸水率隨改性劑濃度的提高而逐漸下降。當(dāng)改性劑的濃度為30%時(shí)，改性材的吸水率下降到了160%，與素材的吸水率(198%)相比最大下降了19.2%。從圖3中可以看出：改性材的抗縮系數(shù)隨改性劑濃度的增加而逐漸提高。當(dāng)改性劑的濃度為30%時(shí)，抗縮系數(shù)為47.8%，達(dá)到最大值。楊樹(shù)改性材抗縮系數(shù)的顯著提高，也說(shuō)明了通過(guò)改性，楊樹(shù)改性材的尺寸穩(wěn)定性相對(duì)素材的有了顯著提高。這可能是改性劑通過(guò)浸漬進(jìn)入木材內(nèi)部后，改性劑大分子與木材細(xì)胞壁大分子上的羥基發(fā)生縮合反應(yīng)，減少了木材內(nèi)部大分子上的羥基官能團(tuán)含量，顯著降低了楊樹(shù)木材的親水性，從而降低了木材的吸水性能，改善了其濕脹和干縮的性能，使得其尺寸穩(wěn)定性得到提高[8-10]。

圖2 改性材的吸水率變化曲線圖Fig.2 Water absorption of modified wood

圖3 改性材的ASE變化曲線圖Fig.3 ASE variations of modified wood

2.2 改性材的力學(xué)性能

圖4為楊樹(shù)木材在經(jīng)不同濃度改性劑浸漬改性后的彈性模量與靜曲強(qiáng)度變化情況。從圖4中可知：當(dāng)改性劑的濃度為5%時(shí)，改性材的彈性模量和靜曲強(qiáng)度的變化率分別為-5.28%和-10.9%，與素材相比，其彈性模量和靜曲強(qiáng)度均下降了。這可能是改性劑的濃度偏低，在浸漬改性過(guò)程中破壞了木材的物理強(qiáng)度，使其力學(xué)性能下降。但隨著改性劑濃度的上升，改性材的彈性模量和靜曲強(qiáng)度均有不同程度提高。當(dāng)改性劑濃度達(dá)到25%時(shí)，改性材的彈性模量和靜曲強(qiáng)度均達(dá)到最高值，分別為27.4%和13%。浸入木材內(nèi)部的改性劑能夠與木材內(nèi)部大分子上的活性基團(tuán)(如羧基、羰基、醛基等)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成類似于木質(zhì)素、半纖維素等結(jié)殼類物質(zhì)，并包裹在纖維素纖絲周圍，對(duì)纖絲起到強(qiáng)化作用，在外力作用下可以更好地起到分散和傳遞應(yīng)力的作用，使木材在承受載荷過(guò)程中的纖維素纖絲間抵抗滑移破壞的能力增強(qiáng)[11-13]。因此，浸漬改性后的木材，其力學(xué)性能改善效果顯著。

圖4 不同濃度改性劑浸漬改性后的改性材力學(xué)性能變化曲線Fig.4 Mechanical performance of treated poplar wood in different modifier concentration

2.3 SEM分析

圖5為改性材與素材的徑向剖面掃描電鏡對(duì)比譜圖。通過(guò)對(duì)比可以看出，與楊木素材相比，改性材中交錯(cuò)纖維間的部分空隙以及木射線中被改性劑填充，這樣就增強(qiáng)了纖維與纖維間的結(jié)合，在載荷作用下纖維與纖維之間應(yīng)力的傳遞與分散作用增強(qiáng)，從而可以有效提高木材的力學(xué)性能。改性劑與細(xì)胞壁中的纖維素和半纖維素通過(guò)鍵合作用相結(jié)合，減少了細(xì)胞壁大分子上的親水官能團(tuán)數(shù)量，有效降低了木材的吸水性，從而提高了木材抗干縮和濕脹的性能，改善了其尺寸穩(wěn)定性。木材浸漬改性后，改性劑通過(guò)對(duì)木材內(nèi)部孔隙的填充及與纖維的交聯(lián)反應(yīng)，使木材纖維之間增加了機(jī)械膠接和化學(xué)鍵結(jié)合，部分纖維之間的接合力得到提高，對(duì)橫向折斷和縱向拉伸起到了阻礙作用，從而使木材的力學(xué)性能得到提高[14-15]。

(a)楊樹(shù)素材

(b)改性材

圖5楊樹(shù)素材與改性材SEM對(duì)比譜圖

Fig.5SEManalysisofpoplarwoodandtreatedpoplarwood

3 結(jié)論與討論

通過(guò)利用復(fù)合改性劑對(duì)楊樹(shù)木材進(jìn)行真空加壓浸漬改性，使其物理及力學(xué)性能等均有不同程度的改善。

(1) 當(dāng)改性劑的濃度為30%時(shí)，改性材的密度為0.41 g/cm3，達(dá)到了最大值，比素材提高了13.9%。改性材的吸水率與素材相比最大下降了19.2%。當(dāng)改性劑的濃度為30%時(shí)，抗縮系數(shù)(PASE)達(dá)到了最大值，為47.8%。

(2) 當(dāng)改性劑的濃度超過(guò)5%時(shí)，改性材的彈性模量和靜曲強(qiáng)度與素材相比才有較明顯的改善。改性劑的濃度達(dá)到25%時(shí)，改性材的彈性模量和靜曲強(qiáng)度均達(dá)到最高值，分別為27.4%和13%。

(3) SEM分析顯示，楊樹(shù)改性材中改性劑已填充于部分木射線以及交錯(cuò)纖維間的空隙中。

(4) 本研究探討了在不同工藝條件下楊樹(shù)木材的物理及力學(xué)性能的變化情況，但未對(duì)其耐腐及加工等性能進(jìn)行研究，未充分掌握改性材各項(xiàng)性能的變化規(guī)律，因而在未來(lái)的工作中還需對(duì)楊樹(shù)改性材進(jìn)行更全面和深入的研究。

[1] Homan J, Jorissen J M.Wood modification developments [J].HERON, 2004,49(4):361-386.

[2] Hill C A.Wood Modification: An update[J]. Bioresources, 2011, 6(2):918-919.

[3] 陳澤君, 范友華, 胡偉. 湖南速生材杉木浸漬改性工藝研究[J]. 湖南林業(yè)科技, 2008, 35(3):11-13.

[4] 陳澤君, 王勇, 馬芳, 等. 聚乙烯醇縮甲醛膠對(duì)杉木木材的物理與力學(xué)性能的影響[J]. 湖南林業(yè)科技, 2012, 39(5):29-32.

[5] GB/T 1936.1-2009, 木材抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)方法[S].

[6] GB/T 1936.2-2009, 木材抗彎彈性模量測(cè)定方法[S].

[7] GB/T 1932-1991, 木材干縮性測(cè)定方法[S].

[8] 劉培義, 孟國(guó)忠. 木材的尺寸穩(wěn)定性處理[J]. 木材工業(yè), 2003, 17(2):24-26.

[9] 何莉, 余雁, 喻云水, 等. 糠醇樹(shù)脂改性杉木的尺寸穩(wěn)定性及力學(xué)性能[J]. 木材工業(yè), 2012, 26(3):22-24.

[10] 王相君, 王喜明, 張明輝. 4種改性楊木的尺寸穩(wěn)定性研究[J]. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 30(4):212-215.

[11] Papadopoulos A N, Pougioula G. Mechanical behaviour of pine wood chemically modified with a homologous series of linear chain carboxylic acid anhydrides[J]. Bioresource Technology, 2010, 101(15):6147-6150.

[12] 岳孔, 劉偉慶, 盧曉寧. 化學(xué)改性對(duì)速生楊木木材力學(xué)性能和天然耐久性的影響[J]. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 38(3):453-457.

[13] 岳孔, 章瑞, 盧曉寧, 等. 速生楊木改性材力學(xué)及膠合性能的研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 29(6):93-67.

[14] 武國(guó)峰, 姜亦飛, 宋舒蘋, 等. 木材/改性UF預(yù)聚體復(fù)合材料制備及性能表征[J]. 光譜學(xué)與光譜分析, 2011, 31(4):1083-1086.

[15] 劉喜明, 于再君. 采用脲醛樹(shù)脂浸漬法提高泡桐抗彎性能[J]. 龍巖學(xué)院學(xué)報(bào), 2008, 26(3):54-56.

(文字編校：唐效蓉)

Propertiesoftreatedpoplarwood

LI Zhigao, WANG Yong, CHEN Zejun*, DENG Layun, MA Fang, FAN Youhua

(Hunan Academy of Forestry, Changsha 410004, China)

With polyvinyl formal as the modifier, the physical and mechanical properties were compared between untreated poplar wood and treated poplar wood. The results showed that the air-dry density and the ASE value of treated samples were increased progressively with addition of the modifier concentration, comparing with untreated poplar wood. The air-dry density of treated wood reached 0.41 g/cm3that was maximum increase of 13.9% compared with poplar wood. The value of ASE reached 47.8% at most. The water-absorption ratio was decreased by 19.2% with the increase of modifier content. Moreover, the MOE and MOR of treated poplar wood increased to 27.4% and 13% at most respectively when the modifier concentration was 25%. The SEM spectrum showed the modifier was filled in some wood rays and the gap between staggered fibers.

poplar; modification; physical properties; mechanical properties; SEM

2014-02-14

湖南省長(zhǎng)沙市科技計(jì)劃項(xiàng)目(K1308282-11)；湖南省科技廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012NK2002)。

李志高(1968-)，男，湖南省汨羅市人，助理研究員，主要從事木材加工及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作。

*為通訊作者。

S 781.7

A

1003 — 5710(2014)03 — 0038 — 04

10. 3969/j. issn. 1003 — 5710. 2014. 03. 009