高溫熱處理對UF樹脂改性杉木力學強度的影響

全 鵬，李 蕓，曹 敏，姜成宇，劉 元，胡進波，李賢軍

（中南林業(yè)科技大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙 410004）

高溫熱處理對UF樹脂改性杉木力學強度的影響

全 鵬，李 蕓，曹 敏，姜成宇，劉 元，胡進波，李賢軍

（中南林業(yè)科技大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙 410004）

本研究以脲醛（UF）樹脂改性杉木為研究對象，采用高溫過熱蒸汽對其進行熱處理，系統(tǒng)研究了熱處理溫度和時間對UF樹脂改性杉木力學強度的影響規(guī)律。結果表明：與杉木對照材相比，UF樹脂改性杉木力學強度顯著提高；高溫熱處理使杉木浸漬材的力學強度降低；隨著溫度升高和時間延長，杉木浸漬材的抗彎彈性模量和強度、順紋抗壓強度和橫紋抗壓比例極限應力均呈明顯下降趨勢；經熱處理后，UF改性杉木抗彎彈性模量、抗彎強度、順紋抗壓強度最大分別可降低11.4%、65.1%和17.3%，橫紋全部弦向和徑向抗壓比例極限應力最大分別可降低60.9%和59.6%，橫紋局部弦向和徑向抗壓比例極限應力最大分別可降低36.5%和56.5%。

杉木；UF樹脂改性；熱處理；力學性能

杉木Cunninghamia lanceolata是我國重要的人工速生林樹種，其具有生長快、干形通直、易加工、尺寸穩(wěn)定性好、有特殊香氣、抗蛀耐腐等優(yōu)點[1-2]。然而，與硬質闊葉材相比，杉木具有材質差、結構疏松、強度和硬度低、不耐磨等缺陷[3-4]。

為改善人工速生林杉木材性能，擴大其適用范圍，有必要對其進行改性處理。近些年來，國內外研究學者選用脲醛樹脂、酚醛樹脂、甲基丙烯酸甲酯等對杉木進行改性處理，其研究結果表明，經過樹脂改性處理后，杉木的密度、硬度、力學強度等性能均能得到改善[1-6]。但樹脂改性杉木也存在干燥周期長、樹脂固化不完全，木材后期加工和產品后續(xù)使用過程中出現游離甲醛釋放、樹脂溢出等問題[7-8]，嚴重制約了該改性技術的推廣應用。高溫熱處理是一種綠色木材改性處理技術，它可以使木材顏色加深、尺寸穩(wěn)定性增強[9-14]、力學強度降低[9-10,12-16]。

本研究擬采用高溫熱處理方法使改性杉木內的樹脂充分固化，解決游離甲醛釋放和樹脂溢出的問題，研究高溫熱處理對UF樹脂改性杉木力學強度的影響規(guī)律，以期為人工速生杉木材增值改性處理技術的工業(yè)化推廣應用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

UF樹脂改性杉木購置于廣東省宜華木業(yè)股份有限公司，鋸材規(guī)格為1 000 mm（長）× 140 mm（寬）×20 mm（厚）。試驗選取的木材要求無開裂、腐朽和變色等可見缺陷。試驗前，將16塊鋸材鋸解成規(guī)格為200 mm(長)×120 mm (寬)×20 mm（厚）的四面光試件，另將16塊鋸材按照GB/T1929-2009[17]木材物理力學試件鋸解及試樣截取方法，鋸解成規(guī)格為300 mm(長)×20 mm(徑)× 20 mm（弦）的力學試件。試樣加工好后，在恒溫恒濕環(huán)境中調控其含水率為12%左右。

1.2 儀器與設備

自制小型高溫熱處理裝置（處理溫度≤250 ℃），恒溫恒濕箱（HWS-70B，天津泰斯特），電熱鼓風干燥箱（101-3AB，天津泰斯特），微機控制電子式木材萬能力學試驗機（MWD-50，濟南試驗機廠）。

1.3 方法與步驟

1.3.1 高溫熱處理

高溫熱處理過程中，處理溫度（160、180、200、220 ℃）和處理時間（1、2、3、4 h）均設定為4個水平。每次處理4塊杉木浸漬材試件和8個抗彎強度力學試件。在熱處理初期升溫段，從室溫升高到100 ℃，升溫速度控制在20 ℃/h；從100 ℃升溫到130 ℃，升溫速度控制在10 ℃/h。在130 ℃附近保溫30 min，然后將溫度升高到試驗設定值，并保持相應時間（1、2、3、4 h）。在熱處理過程中，用蒸汽發(fā)生器向處理箱通入水蒸汽，使被處理木材始終處于水蒸汽的保護之下。熱處理結束后，使熱處理箱自然冷卻至室溫，取出處理試件，在恒溫恒濕箱中平衡處理7 d，然后將UF樹脂改性杉木試件按照GB/T1929-2009[17]要求制作試驗所需的力學試件。

1.3.2 力學性能測試

分別參照GB/T1936.2-2009[18]、GB/T1936.1-2009[19]、GB/T1939-2009[20]、GB/T1935-2009[21]測試未經處理杉木材（以下簡稱“對照材”）、樹脂浸漬而未經熱處理杉木材（以下簡稱“浸漬材”）和樹脂浸漬-高溫熱處理聯合工藝處理后杉木材（以下簡稱“浸-熱材”）的抗彎彈性模量、抗彎強度、順紋抗壓強度、橫紋抗壓比例極限應力。

1.3.3 數據處理

采用Excel2016進行計算和分析，采用SPSS進行差異顯著性分析，其中P＜0.01為非常顯著，P＜0.05為顯著。

2 結果與分析

2.1 高溫熱處理對木材抗彎彈性模量、抗彎強度和順紋抗壓強度的影響

浸漬材、浸-熱材和對照材的抗彎彈性模量如圖1所示。從圖中可以得出，通過浸漬改性處理可以提高杉木的抗彎彈性模量，與對照材相比，浸漬材的抗彎彈性模量提高了36.5%，這是因為木材浸漬樹脂后，其細胞腔和細胞壁存在大量的樹脂，使木材的密度分布較對照材均勻，同時這些樹脂與細胞壁的纖維素無定形區(qū)的游離羥基發(fā)生交聯反應，使得纖維素之間形成網狀結構，提高了木材的抗彎彈性模量[6,23]；熱處理使浸漬材的抗彎彈性模量降低，與浸漬材相比，浸-熱材的抗彎彈性模量下降了1.0%～11.4%，平均下降幅度為6.5%；當熱處理時間相同時，隨著熱處理溫度的升高，浸-熱材的抗彎彈性模量整體呈現降低趨勢，當溫度從160 ℃升高到220 ℃，浸-熱材的抗彎彈性模量下降了1.6%～5.7%，平均下降幅度為3.1%；當熱處理溫度相同時，浸-熱材的抗彎彈性模量隨著熱處理時間延長而降低，當熱處理時間從1 h延長到4 h，浸-熱材的抗彎彈性模量下降了3.6%～7.7%，平均下降幅度為 5.4%；方差分析結果顯示熱處理溫度和時間對杉木浸漬材的抗彎彈性模量影響顯著，這一現象與李延軍等研究結果[13]相似。

圖1 熱處理材和對照材的抗彎彈性模量Fig.1 Bending MOE of heat-treated and control specimens

圖2表示浸漬材、浸-熱材和對照材的抗彎強度。從圖中可以看出，通過浸漬改性處理可以提高杉木的抗彎強度，與對照材相比，浸漬材的抗彎強度提高了38.9%，其原因同抗彎彈性模量；熱處理使浸漬材的抗彎強度下降，與浸漬材相比，浸-熱材的抗彎強度下降了8.2%～65.1%，平均下降幅度為27.4%；當熱處理時間相同時，浸-熱材的抗彎強度隨熱處理溫度的升高而降低，當溫度從160 ℃升高到220 ℃，浸-熱材的抗彎強度下降了4.4%～60.8%，平均下降幅度為23.3%； 當處理溫度相同時，浸-熱材的抗彎強度隨熱處理時間的延長而降低，當熱處理時間從1 h延長到4 h，浸-熱材抗彎強度下降了0.7%～7.9%，平均下降幅度為3.3%；方差分析結果顯示熱處理溫度對杉木浸漬材的抗彎強度影響非常顯著，熱處理時間對杉木浸漬材的抗彎強度影響顯著，這一現象與李延軍等人的研究結果[13]相似。

圖2 熱處理材和對照材的抗彎強度Fig.2 Bending MOR of heat-treated and control specimens

浸漬材、浸-熱材和對照材的順紋抗壓強度見圖3。由圖中可以看出，通過浸漬改性處理可以明顯增強杉木的順紋抗壓強度，與對照材相比，浸漬材的順紋抗壓強度提高了59.2%，這可能是因為木材浸漬樹脂后，密度增大，其具體原因國內外尚無詳細研究；熱處理使杉木浸漬材的順紋抗壓強度下降，與浸漬材相比，浸-熱材的順紋抗壓強度下降了2.7%～17.3%，平均下降幅度為9.0%；當熱處理時間相同時，隨著處理溫度的升高，浸-熱材的順紋抗壓強度整體呈下降趨勢，但下降幅度較小，當溫度從160 ℃升高到220 ℃，浸-熱材的順紋抗壓強度下降了0.5%～12.2%，平均下降幅度為5.7%； 當熱處理溫度相同時，浸-熱材的順紋抗壓強度隨著處理時間延長而降低，當熱處理時間從1 h延長到4 h，浸-熱材的順紋抗壓強度下降了0.6%～5.6%，平均下降幅度為2.9%，這可能是因為隨著熱處理溫度的升高和處理時間的延長，會使木材中構成細胞壁基體物質的半纖維素、木質素這兩類非結晶型高聚物發(fā)生玻璃化轉變，從而使木材塑性增大，力學強度下降[7]，而高溫熱處理會使纖維素結晶區(qū)比重加大，且細胞壁中多數微纖絲方向幾乎都與細胞軸平行，所以導致木材的順紋抗壓強度下降幅度小[22]。方差分析結果顯示熱處理溫度和時間對杉木浸漬材的順紋抗壓強度影響顯著。

圖3 熱處理材和對照材的順紋抗壓強度Fig.3 Compressive strength of heat-treated and control specimens

由圖1～圖3可知：隨著熱處理溫度的升高，浸漬材的抗彎強度和抗彎彈性模量均出現不同程度的下降，且在相同的處理工藝條件下，熱處理對浸漬材的抗彎強度影響比對抗彎彈性模量的大，這是由于當熱處理溫度較低時（160 ℃），木材的主要化學組成幾乎沒有變化，而在180 ℃熱處理時，較熱不穩(wěn)定的半纖維素先行發(fā)生分解，細胞壁的結構疏松不明顯，對應MOR，MOE有較小的變化；200 ℃以上熱處理時，半纖維素的熱分解程度增大，使纖維素和木質素之間的連接作用變弱，引起纖絲相對地和纖維素骨架一起發(fā)生滑移，再加之纖維素也開始分解而使木材的內部強度被削弱，導致試件的MOR和MOE顯著降低[12]。此外，纖維素主要賦予木材彈性和強度，木素主要賦予木材硬度和剛度[24]，且抗彎彈性模量表征的是木材的剛度，抗彎強度則對應木材的強度；在熱處理過程中，隨著熱處理溫度的升高，木材的纖維素降解程度加大，而木質素含量增加，導致木材的強度下降幅度較大，剛度的下降幅度較小[11]。

2.2 高溫熱處理對木材橫紋抗壓比例極限應力的影響

圖4表示浸漬材、浸-熱材和對照材的橫紋弦向、徑向全部抗壓比例極限應力。從圖中可以看出，通過浸漬改性處理可以明顯改善杉木的橫紋弦向、徑向全部抗壓比例極限應力，與對照材相比，浸漬材的橫紋弦向、徑向全部抗壓比例極限應力分別提高了157.2%、148.6%，其可能與浸漬脲醛樹脂使杉木的密度增大有關；在相同的熱處理條件下，浸-熱材的弦向與徑向橫紋全部抗壓比例極限應力的差距不明顯；熱處理使杉木浸漬材的弦、徑向橫紋全部抗壓比例極限應力降低，與浸漬材相比，浸-熱材的弦向與徑向橫紋全部抗壓比例極限應力分別下降3.0～60.9%、11.2～59.6%，平均下降幅度分別為39.3%、 45.0%，且當熱處理時間相同時，隨著處理溫度的升高，浸-熱材的弦向和徑向的橫紋全部抗壓比例極限應力整體均呈現下降趨勢，當熱處理溫度從160 ℃升高到220 ℃時，浸-熱材的弦向橫紋全部抗壓比例極限應力下降了3.1～36.1%，平均下降幅度為25.8%，徑向橫紋全部抗壓比例極限應力下降了6.3%～36.7%，平均下降幅度為21.2%，其可能是纖維素、木素的熱穩(wěn)定性均比半纖維素好，在溫度較低的情況下，可以認為纖維素和木素不會發(fā)生分解或部分分解，只是在局部發(fā)生了微小的變化，當溫度達到220 ℃時，木材細胞壁的纖維素和木素開始發(fā)生大量分解，導致木材力學性能顯著下降[13]；當熱處理溫度固定時，浸-熱材的橫紋弦向和徑向全部抗壓比例極限應力隨處理時間延長而降低，當熱處理時間從1 h延長到4 h時，浸-熱材的弦向橫紋全部抗壓比例極限應力下降了13.4%～38.4%，平均下降幅度為26.6%，徑向橫紋全部抗壓比例極限應力下降了3.3%～39.6%，平均下降幅度為17.7%。方差分析結果顯示熱處理溫度和時間對杉木浸漬材的橫紋全部抗壓比例極限應力的影響非常顯著。

圖4 熱處理材和對照材的橫紋全部抗壓比例極限應力Fig.4 Overall compressive stress at proportional limit perpendicular to the grain of heat-treated and control specimens

圖5表示浸漬材、浸-熱材和對照材的橫紋弦、徑向局部抗壓比例極限應力。從圖中可以看出，通過浸漬改性處理可以明顯提高杉木的橫紋局部弦向和徑向抗壓比例極限應力，與對照材相比，浸漬材的橫紋局部弦向和徑向抗壓比例極限應力分別提高了170.6%、141.3%；熱處理使杉木浸漬材的弦、徑向橫紋局部抗壓比例極限應力降低，與浸漬材相比，浸-熱材的弦向與徑向橫紋局部抗壓比例極限應力分別下降了0.4%～36.5%、0.9%～56.5%，平均下降幅度為分別為20.2%、28.4%；在相同的熱處理條件下，浸-熱材的弦向與徑向橫紋局部抗壓比例極限應力的差距不明顯；當熱處理時間相同時，浸-熱材的橫紋局部弦向和徑向抗壓比例極限應力隨著熱處理溫度的升高而降低，當熱處理溫度從160 ℃升高到220 ℃時，浸-熱材的弦向橫紋局部抗壓比例極限應力下降了1.5%～25.1%，平均下降幅度為13.4%，徑向橫紋局部抗壓比例極限應力下降了0.3%～30.6%，平均下降幅度為13.6%，其原因與橫紋全部抗壓比例極限應力的相同；當熱處理溫度相同時，浸-熱材的橫紋弦、徑向局部抗壓比例極限應力隨著熱處理時間延長而降低，當熱處理時間從1 h延長到4 h時，浸-熱材的弦向橫紋局部抗壓比例極限應力下降了1.0%～26.2%，平均下降幅度為11.5%，徑向橫紋局部抗壓比例極限應力下降了3.7%～45.3%，平均下降幅度為25.4%。方差結果顯示熱處理溫度和時間對杉木浸漬材的橫紋局部抗壓比例極限應力的影響非常顯著。

圖5 熱處理材和對照材橫紋局部抗壓比例極限應力Fig.5 Local compressive stress at proportional limit perpendicular to the grain of heat-treated and control specimens

由圖4～圖5可以得出：在相同的熱處理工藝下，杉木浸漬材的橫紋局部抗壓比例極限應力大于橫紋全部抗壓比例極限應力，其可能是因為局部壓縮時，與加壓板接觸的附近應力分布復雜，且受壓縮材的余長影響，所以和全部加壓相比，中央局部加壓的比例極限應力更大[7-8]。

3 結 論

本研究在4個溫度水平（160 ℃、180 ℃、200 ℃和220 ℃）和4個時間水平（1 h、2 h、3 h和4 h）下對杉木浸漬材進行高溫熱處理，研究了處理溫度和處理時間對木材抗彎彈性模量和強度、順紋抗壓強度、橫紋抗壓比例極限應力的影響規(guī)律，結果如下：

（1）通過UF樹脂改性處理可以顯著提高杉木的力學強度，提高幅度超過30%。

（2）熱處理使杉木浸漬材的力學強度出現下降。隨著溫度升高和時間延長，杉木浸漬材的抗彎彈性模量和強度、順紋抗壓強度、橫紋全部和局部抗壓比例極限應力均呈下降趨勢，且規(guī)律明顯。在本研究范圍內，與未經熱處理的杉木浸漬材相比，熱處理使杉木浸漬材的抗彎彈性模量下降1.0%～11.4%，抗彎強度下降8.2%～65.1%，順紋抗壓強度下降2.7%～17.3%，橫紋全部弦向和徑向抗壓比例極限應力分別下降3.0%～60.9%、11.2%～59.6%，橫紋局部弦向和徑向抗壓比例極限應力分別下降0.43%～36.5%、0.87%～56.5%。

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Effects of heat treatment on mechanical properties of urea formaldehyde resin modi fi ed Chinese fi r

QUAN Peng, LI Yun, CAO Min, JIANG Chengyu, LIU Yuan, HU Jinbo, LI Xianjun
(College of Material Science and Engineering, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

The UF resin modified Chinese fir was treated in the high temperature superheated steam to investigate the effects of temperature and processing time on wood properties. The results show that the mechanical properties of the Chinese fi r were improved after UF resin impregnation. The mechanical properties of the UF resin modified Chinese fir decreased after high-temperature heat treatment. With the increase of temperature and the extension of time, the bending MOE, MOR, the compressive strength to the grain and stress at proportional limit perpendicular to the grain of Chinese fi r were all decreased. After heat treatment, compared with the untreated UF resin modi fi ed Chinese fi r, the bending MOE and MOR, the compressive strength of the grain of the modi fi ed wood was reduced by 11.4%, 65.1%, 17.3% to the maximum extent, respectively, tangential and radial overall compressive stress at proportional limit perpendicular to the grain of the modi fi ed wood was reduced by 60.9%, 59.6% to the maximum extent, respectively. The tangential and radial local compressive stress at proportional limit perpendicular to the grain of the modi fi ed wood was reduced by 36.5%, 56.5%to the maximum extent, respectively.

Chinese fi r; urea formaldehyde resin modi fi ed; heat treatment; mechanical properties

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.12.024

http: //qks.csuft.edu.cn

S781.43

A

1673-923X(2017)12-0153-06

2017-05-24

十二五國家科技支撐計劃課題“人工林軟質木材增強制造關鍵技術與示范”（2015BAD14B01）；湖南省科技計劃專項“重要用材樹種高效培育及利用技術研究與示范”（2016NK2160）

全 鵬，碩士研究生

李賢軍，教授，博士，博導；E-mail：lxjmu@163.com

全 鵬，李 蕓，曹 敏，等. 高溫熱處理對UF樹脂改性杉木力學強度的影響[J].中南林業(yè)科技大學學報，2017, 37(12):153-158

[本文編校：文鳳鳴]