輻射松重組木密度對其孔隙率和性能的影響

魏金光，韋亞南，鮑敏振，張亞慧，余養(yǎng)倫，李長貴，于文吉

（1.中國林業(yè)科學(xué)研究院 木材工業(yè)研究所 國家林業(yè)局木材科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100091；2.山東省林業(yè)科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南250014）

輻射松Pinus radiata是一種適應(yīng)性強(qiáng)、生長快、材質(zhì)好的優(yōu)良速生材，主要分布于新西蘭、澳大利亞、美國、智利等國［1］。目前，輻射松是中國進(jìn)口量較大的木材種類之一，但由于輻射松存在材質(zhì)疏松、密度低、節(jié)疤多、松脂含量高等不足，應(yīng)用局限于紙漿造紙、膠合板、集成材等低附加值產(chǎn)品［2］。因此，尋求新的制造工藝，高值高效化利用輻射松，已成為木材行業(yè)研究者關(guān)注的焦點(diǎn)。高性能重組木的研發(fā)與成功產(chǎn)業(yè)化為此提供了新的加工利用途徑。高性能重組木是以速生林木材為原料，疏解單板作為基本單元，與酚醛樹脂增強(qiáng)體膠合而成的重組材料［3］。該材料克服了速生林木材徑級(jí)小、材質(zhì)軟、強(qiáng)度低、材質(zhì)不均等缺陷，具有天然紋理結(jié)構(gòu)、規(guī)格可調(diào)、性能可控等特點(diǎn)，是劣材優(yōu)用、提高產(chǎn)品附加值的有效途徑?，F(xiàn)階段，高性能重組木的制造技術(shù)已在楊樹Populus，泡桐Paulownia，柳樹Salix和桉樹Eucalyptus等中低密度闊葉材上成功實(shí)踐，產(chǎn)品可應(yīng)用在景觀建筑、地板、家具等領(lǐng)域。但在針葉材輻射松上的應(yīng)用研究尚未涉及［4－7］。為此，筆者以新西蘭輻射松為原料，采用高性能重組木制造技術(shù)，制備了不同密度的重組木，并探究了密度對板材孔隙率、耐水性和力學(xué)強(qiáng)度的影響，為輻射松的高值化利用提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

材料：輻射松，購自新西蘭，胸徑30～60 cm；酚醛樹脂（PF）膠，購自北京太爾化工有限公司，固體含量47.49%，黏度37 Pa·s （25℃），pH 10.22，水溶倍數(shù)11.02，游離醛1.90 g·kg－1，游離酚＜10.00 g·kg－1。

主要試驗(yàn)設(shè)備：無卡軸單板旋切機(jī)，疏解機(jī)，熱壓機(jī)，全自動(dòng)真密度分析儀，萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)等。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 板材制備 工藝流程：原木旋切→單板剪裁→疏解→干燥→浸膠與干燥→組坯→熱壓→冷卻與卸板→砂光→板材。主要工序：①疏解單板：采用無卡軸旋切機(jī)，旋切單板厚為6 mm。利用專有的定向線裂纖維化分離裝置［8］，將旋切單板成粗細(xì)較均勻、纖維束寬度分布在1～3 mm的木單板。②浸膠與干燥：先將疏解單板干燥至含水率約8%，然后根據(jù)預(yù)浸膠試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)定單板在固含量為10%的PF膠中常壓浸漬2 min，再通過調(diào)控淋膠時(shí)間確保單板浸膠量在（13.0±0.5）%，最后自然晾曬至含水率8%～10%。③組坯：單板沿順紋方向平行逐張鋪放于鋪裝槽中，規(guī)格為450 mm×160 mm×12 mm，設(shè)計(jì)0.80，1.00，1.20和1.40 g·cm－3等4個(gè)密度水平。④熱壓：采用 “熱壓－冷出”的成型工藝。將板坯移至已預(yù)熱（145℃）的壓機(jī)模具中，加壓至模具完全閉合。熱壓溫度為145℃，閉合時(shí)間為1.0 min·mm－1，保壓25 min。⑤平衡：自然環(huán)境中平衡3周，含水率控制在7%左右。

1.2.2 密度與孔隙率的測定 參照GB/T 17657－2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》測定重組木的表觀密度，試件6個(gè)·樣品－1，結(jié)果取平均值。采用Accupy1330型真密度全自動(dòng)測試儀測定板材的實(shí)質(zhì)密度。測試前，試樣磨成木粉，過60～80目篩，含水率控制在7%左右。以高純氦氣為介質(zhì)，試件6個(gè)·樣品－1， 循環(huán)測量 5次， 結(jié)果取平均值。 孔隙率（P）按參考文獻(xiàn)［9］中方法計(jì)算， P=（1－V實(shí)/V表）×100%=（1－ρ表/ρ實(shí)）×100%。 其中， V實(shí)， ρ實(shí)分別為材料的絕對密實(shí)體積和密度（實(shí)質(zhì)密度）， V表， ρ表分別為材料在自然狀態(tài)下的體積和密度（表觀密度）。

1.2.3 耐水性測試 本試驗(yàn)設(shè)計(jì)重組木為戶外結(jié)構(gòu)用材，參考GB/T 30364－2013《重組竹地板》中室外用重組竹地板的耐水性測試方法。先將試件放入（100±2）℃沸水中煮4 h，再在（63±3）℃的干燥箱中干燥20 h，最后放入（100±2）℃沸水中繼續(xù)煮4 h，取出后在室溫下冷卻10 min。測定其吸水寬度膨脹率（WSR）、吸水厚度膨脹率（TSR）和吸水率（WAR）。各項(xiàng)目取試件6個(gè)·樣品－1，結(jié)果取平均值。

1.2.4 力學(xué)性能測試 參照GB/T 17657－2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》測定試件的抗彎性能。試件尺寸為200 mm×24 mm×10 mm （長×寬×厚），支持輥跨度150 mm，加載速度5 min·mm－1，記錄靜曲強(qiáng)度（MOR）和彈性模量（MOE）。參照GB/T 20241－2006《單板層積材》，測定試件的水平剪切強(qiáng)度（HSS⊥）。試件尺寸為60 mm×24 mm×10 mm（長×寬×厚），支撐輥直徑10 mm，跨度40 mm，加載輥直徑30 mm。垂直加載，加載速度為5 min·mm－1。各項(xiàng)目取試件6個(gè)·樣品－1，結(jié)果取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 重組木的密度與孔隙率

由表 1 可知： 輻射松素材的實(shí)質(zhì)密度為 1.50 g·cm－3， 接近軟木細(xì)胞壁的平均密度（1.52 g·cm－3）［10］。輻射松重組木的實(shí)質(zhì)密度隨表觀密度的增加稍有波動(dòng)。 表觀密度從 0.80 g·cm－3增加到 1.01 g·cm－3，實(shí)質(zhì)密度下降至1.39 g·cm－3；表觀密度大于1.01 g·cm－3時(shí)， 實(shí)質(zhì)密度保持在 1.42 g·cm－3。 素材的氣干密度為0.48 g·cm－3，此時(shí)孔隙率為68.00%，與樟子松 Pinus sylvestris var.mongolica的（約67.16%）接近［11］。輻射松重組木的表觀密度為0.80， 1.01， 1.20 和 1.39 g·cm－3時(shí)， 對應(yīng)的孔隙率分別為45.95%，29.37%，15.49%和2.11%；與素材的孔隙率相比，分別下降了32.43%，56.81%，77.22%和96.90%。

表1 輻射松重組木的表觀密度、實(shí)質(zhì)密度和孔隙率Table 1 Substantial density,apparent density and porosity of radiata pine scrimbers

不同表觀密度下，重組木板材內(nèi)部孔隙發(fā)生不同程度的變化。在疏解單板熱壓膠合中，木材細(xì)胞被壓縮，酚醛膠受熱固化，部分空隙被封閉，形成與外界隔絕的微孔；當(dāng)采用真密度測試儀測試時(shí)，惰性氣體難以進(jìn)入這些微孔，導(dǎo)致板材實(shí)質(zhì)體積偏大，實(shí)質(zhì)密度從1.48 g·cm－3降至1.39 g·cm－3。當(dāng)板材密度進(jìn)一步增大，部分隔絕的微孔受壓破裂或被填充，使得實(shí)質(zhì)密度增加至極限值1.42 g·cm－3。輻射松素材的實(shí)質(zhì)密度近乎是細(xì)胞壁的密度，這說明68.00%的孔隙率幾乎全部源于細(xì)胞腔的空隙。而重組木的空隙除細(xì)胞腔外，還包含單板旋切和疏解過程中產(chǎn)生的裂隙。在板材熱壓成型過程中，除細(xì)胞腔受壓縮小外，還存在纖維之間裂隙的減小。所以隨表觀密度的增加，細(xì)胞腔逐漸被細(xì)胞壁填充，裂隙逐漸被木纖維取代，孔隙率隨之降低。

經(jīng)回歸分析，孔隙率與表觀密度存在高度的線性關(guān)系，即y＝－72.988x＋103.42（R2＝0.999 5）。其中y為孔隙率，x為表觀密度。

2.2 密度對重組木耐水性能的影響

由圖1～3可知：隨著密度的增加，重組木試件的WSR，TSR和WAR均呈減小趨勢。當(dāng)密度為0.80 g·cm－3時(shí)，WSR，TSR和WAR分別為4.92%，31.51%和81.82%。而當(dāng)密度增至1.39 g·cm－3時(shí)，三者指標(biāo)分別為3.81%，24.72%和18.94%，同比下降了22.56%，21.55%和76.88%。表明重組木試件的尺寸穩(wěn)定性和耐水性隨密度增大而顯著提高。

輻射松為針葉材，主要由木纖維、木射線、軸向管胞、軸向薄壁組織和樹脂道組成，其中木射線、管胞、薄壁細(xì)胞和樹脂道等細(xì)胞腔大、壁薄［12－13］，吸水性強(qiáng)，易膨脹。當(dāng)密度較低時(shí)，板材內(nèi)部空隙較大，單板纖維相對松散，木纖維之間的有效膠合面降低，致使板材無法實(shí)現(xiàn)完全膠合，內(nèi)應(yīng)力較大。在濕熱作用下，板材易吸水膨脹。隨著密度增加，板坯密實(shí)化程度升高，水通道減少，進(jìn)入板材內(nèi)部困難。密度增大時(shí)，木纖維間接觸緊密，有效膠合點(diǎn)增多，膠合性能改善，內(nèi)應(yīng)力降低，使得板材耐水性和尺寸穩(wěn)定性增強(qiáng)，WSR，TSR和WAR降低。

圖1 密度對吸水寬度膨脹率的影響Figure 1 Effect of density on the width swelling rate

圖2 密度對吸水厚度膨脹率的影響Figure 2 Effect of density on the thickness swelling rate

圖3 密度對吸水率的影響Figure 3 Effect of density on the water absorption rate

2.3 密度對重組木力學(xué)性能的影響

如圖4～6所示：密度在0.80～1.39 g·cm－3范圍內(nèi)，輻射松重組木的MOR，MOE和HSS⊥隨著孔隙率的降低而增大。當(dāng)密度為1.39 g·cm－3時(shí)，試件的MOR，MOE和HSS⊥分別高達(dá)178.72 MPa，18.71 GPa和21.16 MPa；與密度0.80 g·cm－3的板材相比，3個(gè)力學(xué)指標(biāo)分別提高了116.47%，50.52%和86.29%。這表明高密度可有效提高重組木的力學(xué)強(qiáng)度，與前人研究的結(jié)果一致［14－15］。當(dāng)密度為0.80 g·cm－3時(shí)，所制重組木的MOR和HSS⊥分別達(dá)到GB/T 20241－2006《單板層積材》中結(jié)構(gòu)用單板層積材最高級(jí)180E和65V－55H的要求，MOE也能達(dá)到120E級(jí)的要求。

圖4 密度對靜曲強(qiáng)度的影響Figure 4 Effect of density on the modulus of rupture

圖5 密度對彈性模量的影響Figure 5 Effect of density on the modulus of elasticity

圖6 密度對水平剪切強(qiáng)度的影響Figure 6 Effect of density on the horizontal shear strength

單板纖維間的裂隙和木材細(xì)胞腔是重組木空隙的主要來源，板材力學(xué)性能的增強(qiáng)與其有著密不可分的關(guān)系。木纖維是板材承受外部載荷的主體。根據(jù)復(fù)合材料細(xì)觀強(qiáng)度理論，纖維主要起承載基體傳遞的載荷，防止基體屈曲，提高材料整體強(qiáng)度的作用［16］。密度的增加降低了板材內(nèi)部的空隙，增強(qiáng)細(xì)胞間的膠合性能，使得單根木纖維的承載能力提高；板坯經(jīng)熱壓后，纖維間的裂隙縮小或數(shù)量減少，即密度增大，單位體積內(nèi)的木纖維增多，提高了板材的整體承載能力。另外，源于纖維間裂隙的減少意味著纖維間的膠接點(diǎn)增多，膠合強(qiáng)度增大，也有效提高了板材的力學(xué)強(qiáng)度。

3 結(jié)論

輻射松素材的實(shí)質(zhì)密度為1.50 g·cm－3；熱壓膠合成重組木后，實(shí)質(zhì)密度為1.42～1.48 g·cm－3。輻射松重組木孔隙率與表觀密度存在負(fù)線性關(guān)系，即孔隙率隨表觀密度增大而降低。氣干素材的孔隙率約68.00%，重組木的孔隙率最低為2.11%。隨密度增大，輻射松重組木的耐水性和力學(xué)強(qiáng)度顯著提高。當(dāng)輻射松重組木表觀密度為1.39 g·cm－3時(shí)，輻射松重組木的物理力學(xué)性能最高，吸水厚度膨脹率（TSR），吸水率（WAR），靜曲強(qiáng)度（MOR）和水平剪切強(qiáng)度（垂直加載）（HSS⊥）分別為24.72%，18.94%，18.71 GPa和 21.16 MPa。

本試驗(yàn)范圍內(nèi)，所有重組木板材的力學(xué)指標(biāo)均能滿足甚至超過GB/T 20241－2006《單板層積材》的結(jié)構(gòu)用材要求，可根據(jù)生產(chǎn)和應(yīng)用的實(shí)際情況合理選擇板材密度，以達(dá)到高性價(jià)比產(chǎn)品。

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