藍(lán)變楊木重組木尺寸穩(wěn)定性及膠合界面微觀表征

楊思瑞，柳金章，張?jiān)瓶?，劉振學(xué)，關(guān)明杰

（1.南京林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.黃河三角洲京博化工研究院有限公司，山東 濱州 256500）

新型重組木是以速生材為原料，疏解單板為基本單元，通過浸膠、干燥、順紋組坯及成型等工藝制成的一種增強(qiáng)型復(fù)合材料，其力學(xué)性能和耐久性能優(yōu)良，可作為地板，門窗等建筑類用材[1-2]。楊木作為制備重組木常用的原料之一，其資源豐富，但其尺寸不穩(wěn)定、易變形且在露天存放或加工過程中容易受到真菌的侵害，發(fā)生藍(lán)變。木材藍(lán)變是指藍(lán)變菌等具有暗色菌絲的真菌侵入到木材細(xì)胞內(nèi)，使得木材材色、材性發(fā)生改變，降低了木材的品質(zhì)[3-4]。趙桂華等[5]認(rèn)為木材的性質(zhì)變化與藍(lán)變菌種類及木材種類有關(guān)。有國外學(xué)者認(rèn)為，藍(lán)變不僅會改變材色，也會影響木材的吸濕性和滲透性，一些藍(lán)變的真菌還會減少木材的質(zhì)量，降低其韌性[6-8]。木材的干縮濕脹受含水率[9]、密度的影響，2015年，Rouco M C A等人經(jīng)研究表明，藍(lán)變木材的干縮性要略小于普通木材[10]。楊木作為闊葉材中最易變色的材種，其材色較淺，藍(lán)變無疑是其重要的木材缺陷，它對楊木的生產(chǎn)利用，人造板制造都有嚴(yán)重的影響。但目前國內(nèi)外對楊木藍(lán)變后材性變化的研究甚少，用藍(lán)變楊木制備的重組木，其對膠黏劑的滲透、分布及重組木尺寸穩(wěn)定性的影響還有待進(jìn)一步研究。

因此，對比了以藍(lán)變楊木和普通楊木制備的重組木不同部位的尺寸穩(wěn)定性，利用熒光顯微鏡觀察并分析了重組木膠合界面上膠黏劑的分布情況，旨為藍(lán)變楊木重組木性能研究和重組木加工利用時提供基本技術(shù)參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本研究用楊木Populus euramevicana重組木取自山東京博木基有限公司，分別為疏解藍(lán)變木束單板和普通木束單板經(jīng)浸漬低分子量酚醛樹脂膠，冷壓熱固化壓制而成的藍(lán)變重組木和普通重組木，均為調(diào)濕調(diào)質(zhì)材。根據(jù)GB/T18261-2013《防霉劑對木材霉菌及變色菌防治效力的試驗(yàn)方法》中4.6.3試樣變色分級已測定出用于制備藍(lán)變楊木重組木的疏解藍(lán)變木束單板的變色分級為3級。藍(lán)變重組木和普通重組木的規(guī)格尺寸為2 600 mm×160 mm×230 mm（長×寬×厚），每根分別取端部和中部試樣各一塊，試樣尺寸為600 mm×160 mm×230 mm。試樣標(biāo)記如下：藍(lán)變重組木端部材（LD）、藍(lán)變重組木中部材（LM）、普通重組木端部材（PD）和普通重組木中部材（PZ）。4組重組木的基本物理力學(xué)性能如表1所示。

表1 4組重組木基本物理力學(xué)性能Table1 Basic physical and mechanical properties of four scrimbers

1.2 尺寸穩(wěn)定性測試

依據(jù)LY/T1854-2009《室內(nèi)高濕場所用木地板》中5.3.3耐濕熱尺寸穩(wěn)定性方法制樣分析測試。將LD、LM、PD、PZ每組的20個試樣在60 ℃熱水中煮6 h，然后在60 ℃，90%以上蒸汽中處理24 h后，測量其質(zhì)量和尺寸，計(jì)算其濕脹率。將濕脹后的材料，在室溫下陳放48 h，放入60 ℃烘箱內(nèi)干燥30 h后取出，至試件冷卻后測量其質(zhì)量及尺寸，計(jì)算其干縮率。

1.3 膠合界面熒光分析

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：大型滑走式切片機(jī)YAMATO TU-213，熒光顯微鏡BX51（顯微攝像頭DP70）奧林巴斯有限公司（OLMPUS）。

實(shí)驗(yàn)方法：將LD、LM、PD、PZ 4組式樣制備成尺寸為20 mm×10 mm×5 mm大小的木條，放置水中浸泡直至軟化，用滑走式切片機(jī)切片，每個切片厚度為10 μm。將切片用無水乙醇浸泡5 min進(jìn)行脫水處理。然后分別滴加1至2滴濃度為0.5%甲苯胺藍(lán)熒光跟蹤染色劑，染色時間為30 min。用蒸餾水進(jìn)行多次清洗后，滴加甘油，蓋上蓋玻片，進(jìn)行熒光顯微鏡觀察拍照。用圖像處理軟件繪制相應(yīng)的3D灰度圖，并計(jì)算膠黏劑的滲透面積、膠層厚度和滲透深度。其中總膠面積是指酚醛樹脂膠黏劑占整個熒光圖像的面積；膠層面積是膠黏劑在楊木基材表面的滲透面積（不包括基材內(nèi)部獨(dú)立分散在導(dǎo)管和木纖維細(xì)胞內(nèi)的膠斑）；膠層面積百分比為膠層面積占總膠面積的百分比；平均膠層厚度指在膠層上取5個最大厚度值求平均值；平均滲透深度指在膠層上取5個最大滲透深度值求平均值；總膠面積除以膠線長度所得到的數(shù)值為有效膠層厚度；膠層面積除以膠線長度所得到的數(shù)值為有效滲透深度。

2 結(jié)果與分析

2.1 濕脹率

重組木由于濕脹干縮而引起的厚度方向和板面方向上的尺寸變化稱為尺寸穩(wěn)定性。楊木木束單板在壓制過程中被高度壓縮，導(dǎo)致基材本身或基材之間存在較大的內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)把重組木放置濕度較高的環(huán)境下，木材細(xì)胞壁吸水膨脹，基材的內(nèi)應(yīng)力釋放，導(dǎo)致了宏觀上重組木尺寸的變化[11]。楊木重組木濕脹率如圖1所示。由圖1a可以看出，總體上縱向濕脹率在±0.20%之間波動，根據(jù)LY/T1854-2009《室內(nèi)高濕場所用木地板》的要求，縱向濕脹率應(yīng)小于等于0.50%，因此4組試樣均能達(dá)標(biāo)。如圖1b所示，4組試樣的厚度濕脹率在2.00%～7.50%之間，LM濕脹率最小，其主體分布在2.00%～3.00%之間，其次是LD組2.50%～3.50%，PZ組3.30%～4.40%，PD組4.40%～6.80%。

圖1 4組重組木濕脹率Fig.1 Swelling rate of four scrimbers

圖1c表明：寬度濕脹率LM組最小，其次是LD組，PZ組，PD組。寬度濕脹率明顯要比厚度濕脹率小很多，LM組在0.50%～1.00%、LD組1.00%～1.50%、PZ組1.50%～2.00%、PD組1.60%～2.70%。LY/T1854-2009《室內(nèi)高濕場所用木地板》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定寬度濕膨脹率小于等于1.50%，那么只有LM、LD可以達(dá)標(biāo)，PD、PZ組均不達(dá)標(biāo)。

4組重組木的縱向濕脹率變化不大，但厚度和寬度的濕脹率藍(lán)變組明顯小于普通組，中部小于端部，這可能是因?yàn)橹亟M木的尺寸穩(wěn)定性跟楊木疏解單板的含水率和密度有關(guān)。由表1可見，4組重組木的密度在0.80～0.90 g/cm3之間，中部密度大于端部，密度增大，木材空隙減小，減少了吸濕途徑。4組重組木的含水率在4.50%～6.50%之間，藍(lán)變重組木的含水率要略大于普通重組木，差值在0.85%左右，重組木中部含水率略大于端部含水率，差值在0.70%左右。重組木在未達(dá)到平衡含水率前，含水率增大，木材的吸濕性降低。

2.2 干縮率

經(jīng)濕熱處理后的試件再經(jīng)干燥處理近于絕干，其干縮率結(jié)果如圖2所示。從圖2a可以看出，4組縱向干縮率均小于0.35%。在4組試樣的厚度干縮率中（見圖2b），LM最小，在4.25%～4.75%之間，其次是LD組4.25%～5.00%、PZ組4.50%～5.25%、PD組4.75%～5.75%。圖2c中，寬度干縮率LM組最小，其次是LD組、PZ組、PD組。LM組在1.70%～2.30%、LD組1.90%～2.40%、PZ組2.20%～2.60%、PD組2.40%～2.90%。

圖2 4組楊木重組木干縮率Fig.2 Shrinkage rate of four scrimbers

由圖2可知，厚度方向的干縮率大于寬度方向大于縱向。由于木束都是順纖維方向排列的，長度方向的尺寸變化反映了木材順紋的變化。木材順紋干縮率在0.10%～0.30%之間，說明藍(lán)變組和普通組的縱向尺寸穩(wěn)定性都比較好?？傮w上，藍(lán)變組的干縮率小于普通組，試樣中部的干縮率比端部的干縮率要小。一般在相同條件下，板材的濕脹率、干縮率越小，尺寸穩(wěn)定性越好。藍(lán)變組的尺寸穩(wěn)定性比普通組要好，中部的尺寸穩(wěn)定性比端部要好。因而4組重組木中，尺寸穩(wěn)定性最好的是LM、其次是LD、PZ、PD。

2.3 膠合界面分析

顯微分析可以更直觀地觀察到膠黏劑在木材細(xì)胞上的分布情況[16]。藍(lán)變楊木重組木和普通楊木重組木的膠合界面熒光圖和3D灰度圖[12]如圖3、圖4所示。由于制備楊木重組木的基本單元是疏解單板，4組重組木的膠合界面均有膠液沿疏解單板的微觀縫隙方向或木射線方向基材內(nèi)部滲透。對比圖3、圖4可以看出膠黏劑大部分滲透于木纖維細(xì)胞中，滲透深度最大至15～20個木纖維細(xì)胞，少量膠體滲透于導(dǎo)管的細(xì)胞壁和細(xì)胞腔中。而普通組的導(dǎo)管內(nèi)滲透的膠黏劑較多，膠黏劑在管孔內(nèi)形成較為明顯的膠斑且較為分散，膠層上膠黏劑的滲透深度最大至10～15個木纖維細(xì)胞單位，圖3、圖4中的3D灰度圖其波峰值是酚醛樹脂膠（PF膠），基線暗的值為楊木基材。藍(lán)變組的波峰較少且峰值略大于普通組，說明膠合界面上藍(lán)變組滲入基材的膠黏劑比普通組少。藍(lán)變組中的膠黏劑主要分布在離膠線較近且具有小細(xì)胞腔的細(xì)胞中，而普通組有部分膠黏劑分布在離膠線較遠(yuǎn)且具有大細(xì)胞腔的細(xì)胞中，形成明顯的膠斑。這種差異可能是因?yàn)橐环矫嫠{(lán)變增大了楊木纖維細(xì)胞壁的滲透性[6]，膠黏劑更易于滲入離膠線較近的木纖維細(xì)胞中。另一方面，普通組的膠黏劑可通過木射線從基材表面滲入到導(dǎo)管中并將管孔填滿形成膠斑，而藍(lán)變組可能因藍(lán)變菌堵塞木射線致使膠液無法滲入離膠線較遠(yuǎn)的導(dǎo)管中[8]。膠液滲透到木材細(xì)胞壁內(nèi)，會影響重組木的機(jī)械強(qiáng)度和吸濕性能[13-14]。藍(lán)變組的膠黏劑滲入木纖維細(xì)胞壁內(nèi)的較多，降低了木纖維細(xì)胞壁的吸濕性，使得藍(lán)變楊木制備的重組木的濕脹率和干縮率小于普通楊木制備的重組木。

圖4 普通楊木重組木膠合界面的熒光顯微圖和3D灰度圖Fig.4 Fluorescence micrograph and 3D-Gray value graph of non-stained scrimbers

表2為4組重組木膠合界面的分析結(jié)果，可以看出PD、PZ的總膠面積比LD、LM大，最大是PD，總膠面積為224 207.76 μm2，最小是LD為141 190.00 μm2，最大值是最小值的 1.6倍。4組的膠層面積范圍在84 470.74～115 509.53 μm2。膠層面積百分比從大到小依次為LM、LD、PD、PZ，最大的是LM，其值為79.81%，最小的是PD，為39.36%，最大值比最小值大2倍以上。膠層面積百分比反映了酚醛樹脂膠黏劑在重組木膠合界面上的分布狀況，PD、PZ膠層面積百分比小是因?yàn)橛?0%以上的膠液分散于木材基體內(nèi)部的導(dǎo)管和木纖維細(xì)胞內(nèi)，不與膠線相連接，未起到粘結(jié)基材的作用。

膠層厚度和滲透深度也反應(yīng)了膠黏劑在膠合界面的分布情況，4組重組木的有效滲透在70.00～96.00 μm之間，有效滲透最大是LM，為95.79 μm。PD在4組重組木中膠層面積百分比最小，為39.36%，平均膠層厚度最小，為122.65 μm，平均滲透深度最小，為94.42 μm。雖然藍(lán)變組的膠層面積百分比大于普通組，但有效膠層厚度卻比普通組小，有效膠層厚度最大是PD，185.93 μm；最小是LD，117.09 μm。這說明藍(lán)變組基材表面附近的小腔細(xì)胞（如木纖維細(xì)胞）滲透性要好，膠黏劑更易于滲入膠線附近的小細(xì)胞的細(xì)胞壁和細(xì)胞腔內(nèi)。因而有效膠層厚度比普通組略小。而普通組基材表面的小腔細(xì)胞滲透性比藍(lán)變組略差，膠黏劑更易于通過木射線滲入到大腔細(xì)胞（如導(dǎo)管）的細(xì)胞壁和細(xì)胞腔中，形成較為分散的膠斑，使得有效膠層厚度略大。

表2 4組重組木膠合界面分析結(jié)果?Table2 Analysis result of bonding interface of four scrimbers in fluorescence micrograph

為探究酚醛樹脂膠黏劑在楊木重組木膠合界面上的滲透分布與尺寸穩(wěn)定性的關(guān)系，將4組重組木的膠層面積百分比與厚度、寬度方向上的濕脹率進(jìn)行比較，如圖5所示。

圖5 4組重組木膠層百分比與厚度、寬度濕脹率對比Fig.5 Comparison of thickness and width expansion with four scrimber colloidal percentages

由圖5可以看出，濕脹率從小到大依次為LM、LD、PZ、PD，膠層面積百分比從大到小依次為LM、LD、PZ、PD，膠層面積百分比與厚度、寬度方向的濕脹率成負(fù)相關(guān)。重組木受環(huán)境中水分的影響使得木材細(xì)胞壁吸水膨脹及木材單元之間內(nèi)應(yīng)力釋放導(dǎo)致宏觀上尺寸的變化，其屬于不可恢復(fù)膨脹[15]。由于藍(lán)變重組木有較好的滲透性和吸濕性，藍(lán)變重組木的含水率略高于普通重組木（如表1）且藍(lán)變重組木滲入木纖維細(xì)胞壁內(nèi)的膠黏劑多，當(dāng)環(huán)境中水分增大，藍(lán)變重組木木材細(xì)胞壁的吸水膨脹率小于普通重組木。膠層面積百分比反應(yīng)了重組木應(yīng)力應(yīng)變的分布情況，藍(lán)變重組木的膠黏劑分布較為集中在木纖維細(xì)胞內(nèi)，對基材的干縮濕脹時產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力較??；普通重組木的膠黏劑分布較為分散，且多分布在大導(dǎo)管內(nèi)，對基材的干縮濕脹內(nèi)應(yīng)力較大，尺寸穩(wěn)定性略差。因此，當(dāng)重組木吸濕內(nèi)應(yīng)力釋放時，普通重組木基材往往會產(chǎn)生開裂現(xiàn)象。因而可以認(rèn)為當(dāng)膠合強(qiáng)度合格時，在一定的膠層厚度范圍內(nèi)，膠層面積百分比越大，厚度、寬度濕脹率越小，重組木的尺寸穩(wěn)定性越好。因此，藍(lán)變重組木的尺寸穩(wěn)定性最好。然而，前面膠合界面的表征，藍(lán)變重組木的有效膠層厚度較小，也就是高密度膠層界面相對薄，在重組木制備工藝中仍需注意由于藍(lán)變引起的膠黏劑過于滲透對重組木有效膠層厚度的影響，以保證藍(lán)變重組木的膠合強(qiáng)度穩(wěn)定性。

3 結(jié)論與討論

對藍(lán)變端部材（LD）、藍(lán)變中部材（LM）、普通端部材（PD）、普通中部材（PZ）4組重組木的尺寸穩(wěn)定性和膠合界面的熒光顯微分析表明：

（1）4組重組木的縱向濕脹率和干縮率均小于0.50%，符合LY/T1854-2009《室內(nèi)高濕場所用木地板》標(biāo)準(zhǔn)要求，LM、LD的寬度濕脹率小于等于1.50%，符合標(biāo)準(zhǔn)要求，PD、PZ大于1.50%，未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。寬度、厚度方向的濕脹率和干縮率從小到大依次為LM、LD、PZ、PD。

（2）4組重組木的膠合界面熒光顯微分析表明，藍(lán)變組的膠黏劑主要滲透在離基體表面較近的木纖維細(xì)胞中，有效滲透厚度較?。黄胀ńM的膠黏劑有50%以上的膠液滲入離基材表面較遠(yuǎn)的導(dǎo)管細(xì)胞中，有效滲透厚度較大。4組重組木的膠層面積百分比從大到小依次為LM、LD、PZ、PD。藍(lán)變重組木中膠黏劑在膠層上的面積百分比最大為79.81%，是普通楊木重組木中膠層占比的1.5～2.0倍左右。膠層面積百分比與厚度、寬度方向的濕脹率成負(fù)相關(guān)。

通過熒光顯微分析對比了藍(lán)變重組木與普通重組木膠黏劑在膠合界面的分布情況并探討了尺寸穩(wěn)定性差異的原因，但影響重組木尺寸穩(wěn)定性的因素除了膠黏劑的分布外還與木材自身材質(zhì)有關(guān)。現(xiàn)國內(nèi)外對藍(lán)變楊木滲透性的研究較少，藍(lán)變對木材浸漬工藝、重組木制備的影響研究也較為缺乏，今后將對藍(lán)變楊木的尺寸穩(wěn)定性、藍(lán)變楊木重組木的裂紋及力學(xué)性能做進(jìn)一步探究。