壓縮率與樹(shù)脂濃度對(duì)改性速生杉木基本性能的影響

劉明輝，洪 璐，張 倩，孫德林

（中南林業(yè)科技大學(xué) 家具與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

壓縮率與樹(shù)脂濃度對(duì)改性速生杉木基本性能的影響

劉明輝，洪 璐，張 倩，孫德林

（中南林業(yè)科技大學(xué) 家具與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

以速生杉木為基材，采用低分子量酚醛(PF)樹(shù)脂浸泡及熱壓密實(shí)工藝對(duì)其進(jìn)行表面改性處理，并對(duì)改性后材料的基本性能進(jìn)行檢測(cè)，研究了改性過(guò)程中壓縮率與樹(shù)脂濃度對(duì)改性材基本性能的影響。結(jié)果表明：試件密度隨壓縮率與樹(shù)脂濃度的增加而增加，其中壓縮率的影響更為明顯；隨壓縮率和樹(shù)脂濃度的提高,其彈性模量、靜曲強(qiáng)度以及硬度不斷增加，當(dāng)樹(shù)脂濃度為50%、壓縮率為10%時(shí)，彈性模量、靜曲強(qiáng)度、徑面硬度、弦面硬度和端面硬度分別增加了88.69%、66.07%、25.60%、29.72%和42.91%。同時(shí)，改性材表面耐磨性隨樹(shù)脂濃度的增加而有顯著提高，但受壓縮率的影響很小。

速生杉木；改性處理；壓縮率；樹(shù)脂濃度；基本性能

杉木Cunninghamia lanceolata是我國(guó)特有的重要速生用材樹(shù)種，是南方主要的速生材種類(lèi)之一。由于速生杉木本身存在材質(zhì)疏松、力學(xué)性能差等缺陷，從而限制了速生杉木的應(yīng)用范圍，導(dǎo)致速生杉木雖然資源豐富，但利用率偏低。

木材改性是改善材料材性、提高其利用率的主要方法之一。呂建雄[1]等人對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)速生楊木的增強(qiáng)改性技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)并探討了存在的問(wèn)題和發(fā)展思路；武國(guó)峰[2]等對(duì)人工林楊木進(jìn)行脲醛預(yù)聚體浸漬與熱壓干燥處理，提高了楊木的物理力學(xué)性能；余先純[3-4]等采用脲醛樹(shù)脂-鈉基蒙脫土浸漬液改性速生楊木，使楊木的密度、尺寸穩(wěn)定性及力學(xué)性能均有顯著提高；韓健[5]等對(duì)楊木的PF樹(shù)脂浸漬工藝進(jìn)行了響應(yīng)面分析。針對(duì)速生杉木的改性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)行了相關(guān)的研究：司琳琳[6]等對(duì)速生杉木的改性方法進(jìn)行了總結(jié)；Md Ifcekhar Shams、鮑濱福、錢(qián)俊、王向歌等[7-11]研究發(fā)現(xiàn)對(duì)材料進(jìn)行低分子量樹(shù)脂浸漬和表面熱壓密實(shí)處理后，材料的彈性模量、靜曲強(qiáng)度、表面硬度等性能均有不同程度的提高；姚遲強(qiáng)[12]等人采用低分子量酚醛樹(shù)脂浸漬處理杉木單板，發(fā)現(xiàn)在常溫常壓和加壓條件下，增重率均隨浸漬時(shí)間延長(zhǎng)而增加，材料屬性隨增重率的增大而愈加得到改善；趙紫劍[13]等人以人工林杉木為試材探究超聲波輔助木材常壓浸漬工藝，發(fā)現(xiàn)木材的初含水率越高，超聲波輔助作用越明顯；李丹[14]等人對(duì)速生杉木長(zhǎng)條地板坯進(jìn)行表面壓密化后，密度、抗彎強(qiáng)度、表面硬度都得到大幅提高。但上述研究大多是集中在杉木單板的處理上，而對(duì)杉木方材處理方面的研究涉及較少。

本研究針對(duì)速生杉木材質(zhì)疏松、力學(xué)性能差、表面耐磨性能低等的缺陷，采用低分子量PF樹(shù)脂浸泡以及表面熱壓密實(shí)的方法，對(duì)速生杉木進(jìn)行表面改性處理，且對(duì)改性后試件的基本性能進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)分析材料改性后基本性能的變化，探究不同工藝參數(shù)對(duì)材料改性效果的影響，并對(duì)改性處理后速生杉木的耐磨性能進(jìn)行了初步探討，以期為速生杉木的改性處理研究以及提高材料附加值等方面提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

實(shí)驗(yàn)材料：速生杉木Cunninghamia lanceolata采自湖南益陽(yáng)，樹(shù)齡16年，胸徑16～18 cm，立木無(wú)異常缺陷，材料氣干后含水率為10%左右；酚醛（PF）樹(shù)脂：自制，固含量50%，分子量 350～ 400。

試驗(yàn)設(shè)備：木材和人造板自動(dòng)萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)（KHQ-002H，中國(guó)蘇州）、150T萬(wàn)能試驗(yàn)壓機(jī)（BY302*2/2，中國(guó)蘇州）、Taber磨耗試驗(yàn)機(jī)（美國(guó)）、電子天平（PL203，中國(guó)上海）、游標(biāo)卡尺和刷子等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將PF樹(shù)脂調(diào)配成不同濃度的溶液（10%、20%、30%、40%、50%），在常溫常壓下，將試件用不同溶度的PF樹(shù)脂溶液浸泡30 min后取出，瀝干后在溫度145 ℃、壓力2.5 MPa的條件下熱壓固化15 min，壓縮率用厚度規(guī)控制（壓縮率分別為5%、10%、15%）。

2 結(jié)果與討論

2.1 對(duì)密度的影響

密度是影響木材基本性能的主要因素之一，實(shí)驗(yàn)按照1.2中工藝以及單因素試驗(yàn)的方法，分別采用不同的壓縮率與不同濃度的PF樹(shù)脂對(duì)試件進(jìn)行處理，通過(guò)對(duì)改性材密度進(jìn)行檢測(cè)且與未處理材相對(duì)比來(lái)探尋壓縮率與樹(shù)脂濃度對(duì)材料密度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示（圖中起點(diǎn)為未處理材的數(shù)據(jù)，圖中的數(shù)據(jù)為5個(gè)試件的平均值，以下皆同）。

圖1 壓縮率(a)、樹(shù)脂濃度(b)對(duì)密度的影響Fig.1 Effects of compression ratio(a), resin concentration(b) on density

由圖1可見(jiàn)，隨著壓縮率的提高，改性材的密度也隨之增加，且增幅速度也較均勻。當(dāng)壓縮率為15%時(shí)，試件密度達(dá)到0.378 g/cm3，較素材提高了29%；當(dāng)壓縮率一定時(shí)，試件的密度隨樹(shù)脂濃度的升高而增加，在濃度為10%之前急劇增加，隨后增速變緩。這一方面是因?yàn)殡S壓縮率的增加，試件內(nèi)部細(xì)胞間的間隙減少，同時(shí)低分子量PF樹(shù)脂進(jìn)入試件表層，并在熱壓作用下凝結(jié)，導(dǎo)致試件壓縮后恢復(fù)率減小，使得試件變得更加致密；另一方面是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中PF樹(shù)脂只能進(jìn)入試件表層而未能滲入試件內(nèi)部，導(dǎo)致PF樹(shù)脂的浸入量隨濃度的增加變化不大，因此在樹(shù)脂濃度的影響下，試件密度開(kāi)始迅速增加而后增幅減小。

2.2 對(duì)靜曲強(qiáng)度和彈性模量的影響

彈性模量和抗彎強(qiáng)度是衡量材料力學(xué)性能的重要指標(biāo)[15]。按照《GB/T 1936.1—2009*木材抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)方法》以及《GB/T 1936.2—2009*木材抗彎彈性模量測(cè)定方法》中的要求制備試件。

在相同的浸泡處理?xiàng)l件下（以20%的樹(shù)脂濃度為例），采用不同壓縮率對(duì)試件進(jìn)行熱壓密實(shí)，再對(duì)處理試件的靜曲強(qiáng)度和彈性模量進(jìn)行測(cè)試，并與未浸漬的試件進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示：在樹(shù)脂濃度相同的情況下，隨著試件壓縮率的增大，材料的彈性模量和靜曲強(qiáng)度也隨著增加。當(dāng)壓縮率為15%時(shí)，材料的靜曲強(qiáng)度和彈性模量最大，分別為67.30 MPa和7 488.03 MPa。

表1 不同壓縮率下靜曲強(qiáng)度和彈性模量的變化Table 1 Changes of MOR and MOE with different compression ratios

用不同濃度的PF樹(shù)脂對(duì)試件進(jìn)行處理，在壓縮率相同的情況下（以10%的壓縮率為例），試件靜曲強(qiáng)度和彈性模量的變化情況如表2所示：改性后試件的靜曲強(qiáng)度和彈性模量隨著溶液濃度的提高而增加，當(dāng)溶液濃度達(dá)到50%時(shí)，試件的靜曲強(qiáng)度和彈性模量分別提高88.69%和66.07%。

根據(jù)表1和表2中的數(shù)據(jù)可看出，經(jīng)過(guò)PF樹(shù)脂浸泡以及熱壓密實(shí)后，速生杉木的靜曲強(qiáng)度和彈性模量均有不同程度的提高，且上升幅度隨著樹(shù)脂濃度和壓縮率的提高而增加。這一方面是在壓縮密實(shí)的過(guò)程中，單位截面內(nèi)細(xì)胞壁數(shù)量的增加而導(dǎo)致其靜曲強(qiáng)度和彈性模量增加。另一方面是因?yàn)榉尤?PF)樹(shù)脂分子量較低，部分能夠進(jìn)入到木材表層的細(xì)胞壁中和細(xì)胞腔的內(nèi)表面[16]，并且PF樹(shù)脂中的活性官能團(tuán)受熱后與木材中的活性基團(tuán)產(chǎn)生縮合、聚合反應(yīng)，生成不溶性樹(shù)脂[17]，從而提高了材料的強(qiáng)度。此外，根據(jù)劉君良[16]等人的研究，低分子量PF樹(shù)脂與木材活性基團(tuán)之間反應(yīng)形成類(lèi)似于木質(zhì)素、半纖維素的結(jié)殼類(lèi)物質(zhì)從而包裹在纖維素纖絲周?chē)?，并?duì)纖絲起到捆縛作用，使材料在承受外載荷過(guò)程中，纖維素纖絲間抵抗滑移破壞的能力增強(qiáng)，從而使改性材的強(qiáng)度以及穩(wěn)定性等得到較大改善。

表2 不同樹(shù)脂濃度下彈性模量和靜曲強(qiáng)度的變化Table 2 Changes of MOR and MOE with different resin concentrations

圖2 壓縮率對(duì)硬度的影響Fig.2 Effects of compression ratio on hardness

2.3 對(duì)硬度的影響

木材硬度表示的是木材抵抗其他剛體壓入的能力。參照國(guó)標(biāo)《GB/T 1941-2009 木材硬度試驗(yàn)方法》對(duì)改性后杉木的硬度進(jìn)行檢測(cè)。按照1.2中的工藝，根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)要求，探討壓縮率和樹(shù)脂濃度對(duì)處理材硬度的影響，并與未處理試件進(jìn)行對(duì)比，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2、表3所示。

圖2表示的是壓縮率對(duì)硬度的影響，由圖2可見(jiàn)：在樹(shù)脂濃度一定的情況下，改性后試件各面硬度都隨壓縮率的提高而增加，其中徑面硬度和弦面硬度隨壓縮率的提高穩(wěn)步上升，端面硬度開(kāi)始迅速增強(qiáng)，當(dāng)壓縮率達(dá)到5%時(shí)，其端面硬度相較于未處理材，提高了558.05 N，隨后速度逐漸變緩慢。這是因?yàn)殡S著壓縮率的增加，熱壓密實(shí)后試件內(nèi)部被壓縮區(qū)域隨之增多，使得細(xì)胞間間隙不斷減小，導(dǎo)致試件變得更加致密，從而增強(qiáng)了試件抵抗其他剛體壓入的能力。

表3 不同樹(shù)脂濃度下硬度的變化Table 3 Changes of hardness with different resin concentrations

表3位不同樹(shù)脂濃度下處理材硬度的變化情況。根據(jù)表3的數(shù)據(jù)可知：隨著PF樹(shù)脂濃度的提高，試件硬度隨之增強(qiáng)，其中端面硬度與徑面硬度開(kāi)始迅速提升，當(dāng)樹(shù)脂濃度達(dá)到10%時(shí)，材料的端面與徑面硬度分別提高了550.69 N和90.9 N，當(dāng)樹(shù)脂濃度超過(guò)10%后，其增加速度較為均勻，而材料弦面硬度的提升速度則相對(duì)較為均勻，當(dāng)樹(shù)脂濃度達(dá)到50%時(shí)，其徑面、弦面及端面的硬度分別提高了25.60%、29.72%和42.91%。

由圖2和表3的結(jié)果可看出：經(jīng)過(guò)PF樹(shù)脂浸泡以及表面熱壓處理后試件的硬度有明顯增強(qiáng)。這是因?yàn)榻?jīng)過(guò)浸泡后，PF樹(shù)脂進(jìn)入到試件表層，并受高溫和壓力的影響，在表層纖維與細(xì)胞間凝結(jié)，從而增強(qiáng)了木材表面纖維素間的連接強(qiáng)度，使得木材表面抗外力壓入的能力增強(qiáng)；同時(shí)由于壓縮率的增加，導(dǎo)致壓縮回彈后試件厚度變小，從而使得試件內(nèi)部更加致密，在一定程度上再次提升了試件的抗外力壓入強(qiáng)度。

2.4 對(duì)耐磨性的影響

耐磨性是材料的一個(gè)重要指標(biāo)，材料的耐磨性能一般用磨耗值或耐磨指數(shù)表示，實(shí)驗(yàn)按照《GB/T 1768—2006*色漆和清漆耐磨性的測(cè)定——旋轉(zhuǎn)橡膠砂輪法》中的要求對(duì)試件尺寸進(jìn)行加工，用Taber磨耗試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件的耐磨性進(jìn)行檢測(cè)（耐磨性檢測(cè)中試件尺寸加工成100 mm×100 mm），并探討試驗(yàn)中壓縮率及樹(shù)脂濃度對(duì)試件耐磨性的影響，其結(jié)果如圖3所示。

圖3 壓縮率(a)、樹(shù)脂濃度(b)對(duì)耐磨性的影響Fig.3 Effects of compression ratio(a), resin concentration(b) on abrasion resistance

由圖3(a)可見(jiàn)，速生杉木改性材的耐磨性隨壓縮率的增加而提高，壓縮率達(dá)到5%時(shí)的磨耗值為12.7 mg/100r，相較于未處理的試件降低了38.65%，但當(dāng)壓縮率超過(guò)5%后，試件表面的磨耗值變化不大，壓縮率從5%增加到15%，其磨耗值僅減少了0.3 mg /100r。根據(jù)圖3(b)顯示，隨著PF樹(shù)脂溶度的提高，改性材磨耗值逐漸降低，樹(shù)脂濃度為10%之前，材料磨耗值急劇下降，由未處理材的20.7 mg/100r降到了13 mg/100r，當(dāng)樹(shù)脂溶度達(dá)到10%以后，磨耗值下降趨勢(shì)變緩，當(dāng)樹(shù)脂濃度達(dá)到30%后，每100 r的損耗量降到10 mg以下。

綜合圖3中試件磨耗值的變化可發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中材料耐磨性的增強(qiáng)主要與浸泡的PF樹(shù)脂濃度有關(guān)，而壓縮率對(duì)其的影響不明顯。這一方面是因?yàn)槟湍?shí)驗(yàn)中試件厚度偏?。?1 mm）而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)所采用的壓縮率對(duì)其影響不大；另一方面是因?yàn)镻F樹(shù)脂在高溫和壓力的作用下，在試件表面凝結(jié)并形成類(lèi)似于漆膜的保護(hù)層，能對(duì)材料表面起保護(hù)作用，減少外力對(duì)木材表面的磨耗。

3 結(jié) 論

（1）速生杉木經(jīng)過(guò)PF樹(shù)脂常壓浸泡和表面熱壓密實(shí)處理后，力學(xué)性能可得到有效改善，彈性模量和靜曲強(qiáng)度均有大幅度提高，且隨著壓縮率以及PF樹(shù)脂溶度的增加而增加，其中壓縮率的影響更為突出。

（2）速生杉木改性材的硬度較未處理材在徑面、弦面和端面上都有不同程度的提升，并隨著壓縮率和PF樹(shù)脂濃度的提高而逐漸增強(qiáng)。

（3）速生杉木經(jīng)過(guò)PF樹(shù)脂浸泡和熱壓密實(shí)處理后，材料耐磨性得到大幅提高，其中樹(shù)脂濃度對(duì)耐磨性的影響更為明顯。

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Effects of compression ratio and resin concentration on basic performance of fast-growing fi r in modifying process

LIU Ming-hui, HONG Lu, ZHANG Qian, SUN De-lin
(College of Furniture and Art Design, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

Fast-growing fi r was used as studying materials and then immersed with low molecular weight PF resin and compressed.The effects of compression ratio and resin concentration on basic performance of modi fi ed wood were researched. The results show that: The density of wood was improved with the increase of compression ratio and concentration of PF resin, and compression ratio were more in fluential. The modulus of elasticity (MOE), modulus of rupture (MOR) and hardness of treated wood were increased with the increasing of compression ratio and concentration of PF resin. The MOE, MOR and hardness in radical section, tangential section and cross section were increased by 88.69%, 66.07%, 25.60%, 29.72% and 42.91%, respectively, as the concentration of PF resin was 50% and compression ratio was 10%. And the surface abrasion resistance of modi fi ed wood was improved with the increasing of resin concentration rather than the compression ratio.

Key woods: fast-growing fi r; modi fi cation treatment; compression ratio; resin concentration; basic performance

S791.27；S781.7

A

1673-923X(2016)04-0111-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.04.020

http: //qks.csuft.edu.cn

2015-04-25

林業(yè)公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)（201204712）；中南林業(yè)科技大學(xué)研究生科技創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（CX2014B15）

劉明輝，碩士研究生

孫德林，教授，博導(dǎo)；E-mail：sdlszy@163.com

劉明輝，洪 璐，張 倩，等. 壓縮率與樹(shù)脂濃度對(duì)改性速生杉木基本性能的影響[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016, 36(4):111-115.

[本文編校：吳 彬]