高溫?zé)崽幚砑t松和橡膠木的尺寸穩(wěn)定性及涂飾性能1)

嚴(yán)悅 李鳳龍 張坤 谷雪 郭明輝

(生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北林業(yè)大學(xué))，哈爾濱，150040)

對木材采用高溫?zé)崽幚砜蓸O大程度上提高木材品質(zhì)及其可利用范圍。高溫?zé)崽幚砜梢杂行Ы档湍静奈鼭裥?，通過在熱處理過程中改變木材內(nèi)部結(jié)構(gòu)使其不易發(fā)生翹曲變形，從而提高木材尺寸穩(wěn)定性、耐腐性和抗蟲害性，消除木材存在的生長應(yīng)力及干燥應(yīng)力等對熱處理后木材濕脹干縮性能的影響。高溫?zé)崽幚砟静牟捎梦锢矸椒?，不需添加任何化學(xué)試劑，不會(huì)造成環(huán)境污染，符合現(xiàn)代科技中的綠色環(huán)保的新思想。高溫?zé)崽幚砑夹g(shù)應(yīng)用范圍極廣，不僅可以在木材干燥、房屋建筑等方面有極其廣泛的應(yīng)用，還能大量地應(yīng)用于庭院家具、木柵、門窗和樂器等領(lǐng)域[1]。從加工工藝、材料選取、構(gòu)造差異等多方面進(jìn)行了大量全面有效的探討及研究。熱處理技術(shù)對木材的改性做出了突出的貢獻(xiàn)。

本研究以紅松及橡膠木作為試驗(yàn)試材，采用高溫?zé)崽幚淼姆椒?，以氮?dú)鉃榻橘|(zhì)，分別在120、140、160、180、200、220 ℃的條件下處理4 h；再對熱處理紅松及橡膠木分別進(jìn)行油性漆、水性漆和木蠟油涂飾，并分析涂飾后表面漆膜性能，為木材表面漆膜性能研究提供參考[2]。

1 材料與方法

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)試材紅松和橡膠木購買自三利雅風(fēng)有限公司，熱處理前，將試材鋸切成20 mm(長)×20 mm(寬)×20 mm(厚)的雙面刨光試件，試件在熱處理前后均進(jìn)行雙面平整化處理，將木塊分成6組，每組5塊，最終數(shù)據(jù)取其平均值。參考GB/T 1931—2009對紅松及橡膠木試件含水率進(jìn)行檢測并調(diào)整木材初始含水率為8%，除掉開裂、腐朽、變色等可見缺陷的試件。其中，為了方便記錄，H表示紅松，X代表橡膠木。編號(hào)A、B分別表示干縮性和濕脹性測試。標(biāo)號(hào)0、1、2、3、4、5、6分別表示對照組、120、140、160、180、200，220 ℃處理溫度。如，HAl表示紅松在120 ℃處理?xiàng)l件的干縮性試件。

多樂士油性透明木器漆、多樂士水性透明木器漆(半啞光)以及朗秀木蠟油(啞光)，均為市售。

自制高溫?zé)崽幚碓O(shè)備；SPX-250BⅢ恒溫恒濕箱；101-2電熱烘箱；SF2000三按鍵電子數(shù)顯卡尺；SB20002電子天平；Nicolet6700FT-IR傅里葉變換紅外光譜儀。

1.2 方法

1.2.1 高溫?zé)崽幚?/p>

升溫階段：在初期的熱處理升溫階段，以18 ℃/h的速度由室溫逐步升至103 ℃；然后以12 ℃/h的升溫速度由103 ℃升到120 ℃，在120 ℃時(shí)保溫4 h，以同樣的操作方法分別將溫度升至140、160、180、200、220 ℃。在熱處理過程中，要向箱體中通入氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣，保證熱處理設(shè)備內(nèi)的氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)始終低于2%。

保溫?zé)崽幚黼A段：當(dāng)溫度達(dá)到實(shí)驗(yàn)的設(shè)定值后，開始進(jìn)行保溫?zé)崽幚韺?shí)驗(yàn)，同時(shí)持續(xù)加大通入的氮?dú)饬坑脕肀ＷC避免其他副反應(yīng)的發(fā)生與實(shí)驗(yàn)的安全。

降溫階段：待熱處理結(jié)束后，關(guān)閉加熱開關(guān)，停止風(fēng)機(jī)的運(yùn)作，使其自然冷卻至室溫，取出樣品后密封保存。

1.2.2 干縮濕脹性檢測

將處理好的試件放置于恒溫恒濕箱中靜置，使每個(gè)試件含水率基本達(dá)到一致。用游標(biāo)卡尺分別測量每個(gè)試件三切面尺寸并稱質(zhì)量。將稱質(zhì)量后的試件置于熱處理箱中，控制其溫度緩慢上升，以防試件開裂變形[3]，將溫度分別控制在為120、140、160、180、200、220 ℃，處理時(shí)間為4 h。處理完畢后，將所有試件放置于恒溫恒濕箱中調(diào)節(jié)。按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1932—2009和GB/T 1934.2—2009《木材物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法》中測試方法測定，計(jì)算處理后試件的干縮濕脹率[4]。

熱處理材的抗脹(縮)率按照下列公式計(jì)算：

式中：S0為未經(jīng)過處理的體積膨脹(干縮)率；S1為處理材的體積膨脹(干縮)率。

1.2.3 FTIR的檢測

利用Nicolet6700FT-IR傅里葉變換紅外光譜儀對去抽提物木粉進(jìn)行紅外測定，掃描范圍400～4 000 cm-1，分辨率4 cm-1，頻率16次。

1.2.4 XRD的檢測

用接觸角測量儀(德國KRUSS設(shè)備公司DSA100)在恒溫恒濕條件下對試件接觸角進(jìn)行測量，將準(zhǔn)備好的試件放置于高度可調(diào)節(jié)的載物臺(tái)上，對焦距及試件位置進(jìn)行調(diào)整，使圖像清晰可見[5]。在測量過程中，用蒸餾水作為滴液。從初始滴形成時(shí)開始計(jì)時(shí)，測量在水滴下落過程中接觸角變化情況，每隔80 ms自動(dòng)測量1次，每個(gè)處理?xiàng)l件下測量1個(gè)試件，每個(gè)試件測試3個(gè)點(diǎn)。測量完畢后用吸水紙吸去液滴。取其平均值。

1.2.5 表面涂飾

對熱處理后的紅松及橡膠木分別用油性漆、水性漆和木蠟油進(jìn)行涂飾。試件在涂飾之前用400目的砂紙進(jìn)行砂光處理至表面平整光滑，手工將油性漆、水性漆和木蠟油直接涂刷，后一次涂刷要在前一次涂刷的漆膜自然干燥后進(jìn)行。每次涂刷的厚度誤差控制在在5%之內(nèi)，涂飾3次，待涂飾漆膜干燥后對其涂飾性能進(jìn)行測定。

1.2.6 熱處理紅松及橡膠木涂飾后漆膜性能評價(jià)

分別按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4893.2—2005、GB/T 4893.3—2005、GB/T 6739—2006、GB/T 4893.4—2013和GB/T 4893.8—2013進(jìn)行漆膜性能測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 尺寸穩(wěn)定性的變化

2.1.1 熱處理對紅松及橡膠木干縮性的影響

由表1可知，紅松及橡膠木的干縮率均隨著熱處理溫度的升高逐漸下降，在各個(gè)熱處理階段干縮率下降趨勢略有不同。在120～160 ℃時(shí)，木材干縮率變化幅度較小。當(dāng)溫度在180～220 ℃時(shí)，紅松及橡膠木干縮率下降趨勢較為明顯，紅松徑向全干干縮率從5.5%降低到2.15%，橡膠木徑向全干干縮率從4.97%降低到1.64%，紅松徑向氣干干縮率從4.85%降低到1.79%，橡膠木徑向氣干干縮率從4.36%降低到1.77%；紅松弦向全干干縮率從9.5%降低到3.2%，橡膠木弦向全干干縮率從8.92%降低到3.04%，紅松弦向氣干干縮率從9.2%降低到3.17%，橡膠木弦向氣干干縮率從8.68%降低到3.04%。通過比較得出，經(jīng)過高溫?zé)崽幚砗螅鹉z木干縮率較紅松相比，下降趨勢更為穩(wěn)定平緩，變化幅度相對較小。

由此可知，溫度是影響紅松及橡膠木干縮率的重要影響因素[6]，在木材經(jīng)過高溫?zé)崽幚磉^程中，其弦向及徑向干縮率均有明顯變化[7]。

2.1.2 熱處理對紅松及橡膠木濕脹性的影響

從表2中可以明顯看出，熱處理對木材徑向及弦向濕脹率均有顯著影響，在各個(gè)熱處理溫度下，木材從全干到氣干以及從全干到吸水過程中尺寸變化均較為明顯。隨著熱處理溫度的升高，紅松徑向飽和濕脹率從3.37%降低到2.62%，橡膠木徑向飽和濕脹率3.15%降低到2.53%；紅松徑向氣干濕脹率從2.67%降低到1.79%，橡膠木徑向氣干濕脹率從2.47%降低到1.68%。同一處理時(shí)間下，隨著熱處理溫度的升高，紅松弦向飽和濕脹率從7.04%降低到4.23%，橡膠木飽和濕脹率從6.65%降低到4.05%；紅松弦向氣干濕脹率從4.92%降低到3.49%，橡膠木弦向氣干濕脹率從4.52%降低到2.97%。

表1 紅松及橡膠木熱處理材的干縮率

表2 紅松及橡膠木熱處理材的濕脹率 %

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明熱處理對提高木材尺寸穩(wěn)定性有著積極的作用及效果[8]。這是由于在熱處理過程中木材的羥基減少，半纖維素降解導(dǎo)致。

2.1.3 熱處理對紅松實(shí)木和集成材抗脹縮率的影響

圖1為采用不同高溫?zé)崽幚砉に嚄l件對紅松以及橡膠木進(jìn)行熱處理后抗脹縮率的影響規(guī)律曲線。本實(shí)驗(yàn)中紅松抗脹縮率的增長范圍為46.8%～65.8%，橡膠木抗脹縮率的增長范圍為41.2%～60.2%?？梢钥闯鲭S著熱處理溫度的不斷升高，紅松及橡膠木的抗脹縮率均有不同程度的上升。通過對圖中兩條曲線的比較分析可以看出，在相同高溫?zé)崽幚砉に嚄l件下，橡膠木的尺寸穩(wěn)定性比紅松實(shí)木好。

圖1 不同熱處理工藝下的抗脹縮率

綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著熱處理溫度的不斷升高，木材的抗脹縮率不斷增大且木材徑向的干縮率(濕脹率)始終小于弦向的干縮率(濕脹率)，這符合木材的固有特性[9]。

2.1.4 熱處理對紅松及橡膠木表面接觸角的影響

由表3可知，在高溫?zé)崽幚項(xiàng)l件下，紅松和橡膠木的接觸角隨著溫度的升高逐漸增大，其潤濕性降低。溫度越高，木材潤濕性越差。

表3 熱處理對紅松及橡膠木表面接觸角的影響

由于木材是各向異性材料，影響木材表面潤濕性的影響因素很多。當(dāng)對木材進(jìn)行高溫?zé)崽幚頃r(shí)，木材內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，羥基基團(tuán)數(shù)量變少并產(chǎn)生乙酰基[10]，木材親水性降低，吸水性及吸濕性均下降。除了溫度影響以外，木材含水率、孔隙率、木材表面粗糙度及木材顯微排列順序等均會(huì)對紅松及橡膠木表面潤濕性產(chǎn)生影響[11]。

2.2 漆膜性能評價(jià)

①表面耐干熱：將熱處理后的紅松及橡膠木分別置于60、70和80 ℃的溫度下，靜置烘干30 min，觀察到油性漆、水性漆和木蠟油形成的漆膜并未出現(xiàn)明顯變化，判定紅松及橡膠木漆膜耐干熱性能均達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4893.3—2005評定等級的一級[12]。

②表面耐濕熱：將熱處理后的紅松及橡膠木分別在60、70和80 ℃，濕度為80%條件下，靜置30 min，觀察到油性漆、水性漆和木蠟油形成的漆膜表面無明顯翹曲開裂現(xiàn)象出現(xiàn)，判定紅松及橡膠木表面漆膜耐濕熱性能達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4893.2—2005評定等級的一級。

表4 熱處理紅松及橡膠木表面漆膜性能評價(jià)

③漆膜附著力：油性漆和木蠟油涂飾后的熱處理紅松及橡膠木表面漆膜附著力測試結(jié)果表明，表面漆膜割痕光滑，未出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，表面漆膜附著力性能達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4893.4—2013評定等級的一級[13]。測試中發(fā)現(xiàn)水性漆的漆膜附著力，在割痕交叉處出現(xiàn)漆膜脫落現(xiàn)象，漆膜附著力性能達(dá)到評定等級的二級。

④漆膜耐磨性：在砝碼質(zhì)量1 000 g，轉(zhuǎn)數(shù)為1 000 r條件下，分別對3種涂料的漆膜性能進(jìn)行測試，油性漆和木蠟油的漆膜未露白，耐磨性能達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4893.8—2013評定等級的一級；而水性漆涂飾形成的表面漆膜呈現(xiàn)出露白現(xiàn)象，耐磨性能達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4893.8—2013評定等級的二級。

⑤漆膜硬度：表面漆膜硬度測試結(jié)果表明，油性漆的表面漆膜在2B硬度鉛筆下測定合格，水性漆的表面漆膜在3B硬度鉛筆下測定合格，木蠟油的表面漆膜在HB硬度鉛筆下測定合格，達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6739—2006。

3 結(jié)論

隨著熱處理溫度的升高，紅松及橡膠木的全干干縮率和氣干干縮率均呈現(xiàn)極為規(guī)律的降低，木材徑向和弦向濕脹率明顯降低。

通過高溫?zé)崽幚?，紅松和橡膠木的表面接觸角增大，從而降低了木材的表面潤濕性。因此，熱處理可以有效的使木材的尺寸穩(wěn)定性增加。

紅松及橡膠木經(jīng)熱處理涂飾后的漆膜性能良好，水性漆、油性漆和木蠟油經(jīng)涂飾后耐干熱、耐濕熱性能均達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)評定等級的一級；油性漆、木蠟油涂飾后的附著力、耐磨性均達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求的一級，而水性漆涂飾后的附著力、耐磨性達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求的二級。3種涂料中，水性漆漆膜的硬度要低于油性漆和木蠟油。

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