藍(lán)變重組木的物理力學(xué)性能與膠合界面熒光顯微分析1)

劉振學(xué)

(黃河三角洲京博化工研究院有限公司,山東省·濱州，256500)

楊思瑞 張?jiān)瓶?柳金章 金太權(quán) 關(guān)明杰

(南京林業(yè)大學(xué)) (黃河三角洲京博化工研究院有限公司) (南京林業(yè)大學(xué))

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與人們生活水平的不斷提高，房地產(chǎn)裝飾裝修及一些公共娛樂場地的建設(shè)大大拉動了木門窗、木地板的市場需求；同時(shí)門窗地板行業(yè)對木結(jié)構(gòu)建筑類用材的需求量逐年增長，并對用材的品質(zhì)有了更高的要求。而重組木[1-2]作為一種利用疏解速生單板經(jīng)浸膠干燥，再經(jīng)加工而成的一種復(fù)合板材，其具有優(yōu)良的力學(xué)承載性能和尺寸穩(wěn)定性，大大滿足了市場對結(jié)構(gòu)用材的需要，提高了我國速生林木材的利用價(jià)值。

速生楊木作為制備重組木的主要原料之一，其資源豐富、價(jià)格低廉，但其密度低、表面松軟且在露天存放或加工過程中容易受到一些真菌的感染發(fā)生藍(lán)變。由于楊木自身的材色較淺，藍(lán)變后的楊木材色變深，在實(shí)木加工利用、造漿造紙及人造板制造等方面都有不良影響。藍(lán)變后的木材除了材色發(fā)生改變，其木材材性也會受到一定的影響。一些學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，由于藍(lán)變真菌侵蝕木材的木射線和其他薄壁組織使得藍(lán)變木材的滲透性大于普通木材，這對木材浸漬處理有一定積極影響[3-4]。關(guān)于藍(lán)變后木材的力學(xué)強(qiáng)度，有學(xué)者認(rèn)為藍(lán)變對木材的力學(xué)強(qiáng)度幾乎沒有影響[5]，也有學(xué)者認(rèn)為藍(lán)變會引起木材的干質(zhì)量損失，其韌性、表面硬度和彎曲強(qiáng)度均有所下降[6]。

目前，關(guān)于利用藍(lán)變楊木制備的重組木的物理力學(xué)性能研究較少，而實(shí)際生產(chǎn)中迫切需要將已經(jīng)藍(lán)變的楊木原料加以利用，以減少原料浪費(fèi)和降低生產(chǎn)成本。因此，本研究通過分析疏解藍(lán)變楊木單板制備的重組木和疏解普通楊木單板制備的重組木的含水率、不同部位的密度及力學(xué)性能，并利用熒光顯微技術(shù)觀察分析膠黏劑膠合界面的分布情況，探討藍(lán)變重組木與普通重組木性能差異的微觀機(jī)制，旨在對藍(lán)變楊木制備的重組木的生產(chǎn)加工和利用提供基本技術(shù)參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 材料

本研究用楊木(Populuseuramevicanacv.)重組木取自山東京博木基有限公司，分別為疏解藍(lán)變楊木單板和普通楊木單板經(jīng)浸漬低分子量酚醛膠，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。原料規(guī)格尺寸為2 600 mm(長)×160 mm(寬)×230 mm(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)。

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)。

1.2 性能測試

含水率及密度測試:將LD、LM、PD、PZ4組重組木去毛邊后，測量其質(zhì)量及尺寸，參照GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行密度測試。同時(shí)在余下試件上取含水率試件，測量試件的含水率分布。

力學(xué)性能測試:實(shí)驗(yàn)參照GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能實(shí)驗(yàn)方法》測試了LD、LM、PD、PZ4組重組木靜曲強(qiáng)度、彈性模量和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度。每項(xiàng)檢測每組取6個(gè)試樣，結(jié)果取其平均值。

膠合界面熒光顯微分析:將4組重組木鋸成規(guī)格為20 mm×10 mm×5 mm的試樣，放置水中浸泡至軟化，用滑走式切片機(jī)進(jìn)行切片，每個(gè)切片厚度為10 μm，然后進(jìn)行脫水處理。脫水后分別滴加1～2滴質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%甲苯胺藍(lán)熒光跟蹤染色劑，染色時(shí)間為30 min。用蒸餾水進(jìn)行多次清洗后，制好觀察樣片，在熒光顯微鏡下觀察拍照。用相關(guān)圖像處理軟件計(jì)算膠黏劑的膠層面積、平均滲透深度、有效滲透深度和平均膠層厚度。其中膠層面積是指酚醛樹脂膠黏劑占整個(gè)熒光圖像的面積，平均滲透深度是在膠層上取5個(gè)最大滲透深度值求得的平均值，膠層面積除以膠線長度所得到的數(shù)值為有效滲透深度，平均膠層厚度指在膠層上取5個(gè)最大厚度值求得的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 重組木的含水率及密度

LD、LM、PD、PZ4組重組木試樣經(jīng)過調(diào)濕調(diào)質(zhì)后的平衡含水率結(jié)果如圖1所示。LM的平衡含水率最高，均值在6.0%以上。其次是LD，含水率分布在5.0%～6.5%，LD組內(nèi)含水率差異較大。PZ在5.5%左右，PD的平衡含水率均5.0%以下。藍(lán)變組LD、LM的平衡含水率均大于普通組PD、PZ，這可能是因?yàn)槭杞馑{(lán)變單板本身有降解現(xiàn)象，親水性提高造成的。另外，重組木中部含水率普遍高于端部，這可能是在固化過程中，重組木中部水分散失慢，局部濕熱塑化[7-8]使得水分揮發(fā)速度減小，在一定濕熱作用下楊木單板產(chǎn)生濕熱效應(yīng)，導(dǎo)致固化后含水率增高。

圖1 4組楊木重組木平衡含水率

圖2 4組楊木重組木平均密度

圖2為4組楊木重組木的平均密度，其范圍在0.75～0.95 g/cm3。LD、LM的平均密度略大于PD、PZ，藍(lán)變和普通組的密度偏差幅度為4%左右，但每個(gè)組別內(nèi)密度分布差異偏差較大，LM組內(nèi)密度偏差10%以上。這種偏差應(yīng)在重組木生產(chǎn)中加以重視，盡量減小各部位的內(nèi)部密度偏差，以保證材料的均質(zhì)性。藍(lán)變組的平均密度比普通組略大與基材的含水率有關(guān)，另一方面可能因?yàn)樗{(lán)變基材的滲透性提高，膠液滲透好，單板本身的濕熱塑性好，單板易于壓縮密實(shí)化。同種重組木中，中部密度略大于端部密度。

2.2 重組木力學(xué)性能

重組木的力學(xué)性能結(jié)果見表1。可知：藍(lán)變重組木的靜曲強(qiáng)度和彈性模量大于普通重組木，中部略大于端部。靜曲強(qiáng)度由大到小依次為LM、LD、PZ、PD，4組均值在116.0～136.5 MPa。根據(jù)LY/T 1984—2011《重組木地板》中對重組木的靜曲強(qiáng)度需≥60.0 MPa的要求，4組重組木的性能指標(biāo)均超過標(biāo)準(zhǔn)值。其中LM最大，為136.3 MPa；PD最小，為116.1 MPa。藍(lán)變組比普通組的靜曲強(qiáng)度大8.6%～17.2%；同種重組木中，中部比端部大3%～5%。4組重組木的彈性模量的差異并不明顯，平均值范圍為1.6～1.8 GPa，最大的是LM，為1.8 GPa；最小的是PD，為1.6 MPa。藍(lán)變組的彈性模量比普通組略大，其差值幅度在3%～5%；同種重組木中中部略大于端部，其差值幅度小于3%。

表1 4組楊木重組木的力學(xué)性能

注：表中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差。

4組楊木重組木的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度平均值在2.4～2.7 MPa，已超過LY/T 1984—2011《重組木地板》中的要求(2.0 MPa)，由大到小依次為LM、LD、PZ、PD。重組木的力學(xué)性能受含水率和密度的影響[13]，密度大的重組木靜曲強(qiáng)度和彈性模量較大，內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度也表現(xiàn)出相同趨勢。除此之外，重組木的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度還與膠合界面上酚醛樹脂膠黏劑的分布有關(guān)。

2.3 膠合界面熒光顯微分析

為探究重組木性能差異的微觀機(jī)制，利用熒光顯微鏡觀察4組重組木膠合界面上酚醛樹脂的分布情況，結(jié)果見圖3，并應(yīng)用分析軟件對4組重組木的膠合界面進(jìn)行數(shù)量化分析，結(jié)果見表2。結(jié)合圖3與表2可知，在重組木的膠合界面上，酚醛樹脂膠在相鄰兩個(gè)疏解單板之間的滲透深度并不對稱，在相鄰單板滲透深度不一致。酚醛樹脂主要分布于楊木的薄壁細(xì)胞、木射線和導(dǎo)管的細(xì)胞腔和細(xì)胞壁內(nèi)，一些膠液沿疏解單板表面的裂隙向基材內(nèi)部滲透。普通組PD、PZ有一部分膠液滲入大導(dǎo)管內(nèi)，滲入導(dǎo)管細(xì)胞壁內(nèi)或黏附在導(dǎo)管細(xì)胞內(nèi)壁的膠液形成“膠圈”，滲入導(dǎo)管腔內(nèi)的膠液形成“膠斑”；而藍(lán)變組LD、LM滲入導(dǎo)管的膠液較少，大部分膠液滲透于薄壁細(xì)胞和木射線內(nèi)，且與普通組相比藍(lán)變組膠合界面上的膠液沿木射線或薄壁組織往基材內(nèi)部滲透較遠(yuǎn)，膠層面積更大。

表2 4組楊木重組木膠合界面分析結(jié)果

由表2可以看出，膠層面積最大的是LM，為75 999.02 μm2；其次是LD，為56 587.13 μm2；PZ為44 884.55 μm2；最小的是PD，為41 288.39 μm2。藍(lán)變組的滲透面積是普通組的1.26～1.84倍。平均滲透深度和有效滲透深度是評估木材膠合界面膠黏劑滲透性的兩個(gè)重要的指標(biāo)[10-11]，藍(lán)變組的平均滲透深度和有效滲透深度在100～160 μm，普通組在60～75 μm。平均膠層厚度最大的是LM，為130.31 μm；最小的是PD，為58.94 μm。由此可知藍(lán)變組與普通組相比，其滲透深度大，酚醛樹脂膠液的滲透性更好，其原因可能是藍(lán)變菌可自由穿透細(xì)胞壁，在細(xì)胞壁上留下比菌絲要小的孔洞，或細(xì)胞壁上的紋孔被菌絲破壞使得細(xì)胞壁滲透性增大[12]。

藍(lán)變組的中部、端部膠層面積相差較大，LM是LD的1.34倍；而普通組的中部、端部膠層面積相差較小，PZ僅是PD的1.08倍。LM、PZ的膠線分布比LD、PD均勻，LD、PD的膠線有些地方厚度大，有些地方厚度小，且膠線較為彎曲；同一重組木中部的平均滲透深度和有效滲透深度大于端部，其差值幅度為9%～35%。藍(lán)變組中部、端部滲透深度差異比普通組略大，可能是藍(lán)變不均勻性導(dǎo)致疏解楊木單板不同部位的滲透性有所差異。同一重組木中部的平均膠層厚度要大于端部，其差值幅度為68%左右。這可能是因?yàn)槎瞬繛榧訜峁袒瘯r(shí)熱量和水分進(jìn)出的主要通道，當(dāng)熱量和水分同時(shí)作用時(shí)，端部楊木表面的膠液隨濕熱擴(kuò)散的速度比中部的速度快，膠液滲透疏解楊木單板中的更多，引起膠層厚度變薄。

綜上可知，藍(lán)變楊木重組木的微觀膠層面積比普通重組木大，同一種重組木中部平均膠層厚度比端部大，但普通組中部、端部的平均滲透深度和有效滲透深度差異并不明顯。這驗(yàn)證了藍(lán)變會在一定程度上提高楊木單板的滲透性[5-6]。在同等浸膠量的前提下，酚醛樹脂膠在疏解藍(lán)變楊木單板內(nèi)更多地分布于尺寸較小的薄壁細(xì)胞的細(xì)胞壁和細(xì)胞腔中，相應(yīng)地減少了在大尺寸導(dǎo)管內(nèi)“膠圈”和“膠斑”的產(chǎn)生。同時(shí)，藍(lán)變楊木單板吸濕性增大，可能會在重組木模壓固化同時(shí)，有楊木本身的濕熱壓縮密實(shí)化發(fā)生，因而藍(lán)變楊木重組木的密度大于普通重組木。

圖3 4組楊木重組木的膠合界面熒光顯微圖

重組木的靜曲強(qiáng)度、彈性模量和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度同樣受疏解單板的滲透性影響，滲透性過小，膠液無法與單板表面細(xì)胞充分膠合；但滲透性過大會導(dǎo)致膠層過薄或出現(xiàn)缺膠現(xiàn)象，影響膠合性能。從重組木膠合界面的微觀分析可以看出，膠液滲入單板表面的裂隙中形成“膠釘”可增大膠液與單板的接觸面積，提高膠合強(qiáng)度。一些膠液沿木射線或裂隙滲入基材內(nèi)部導(dǎo)管的細(xì)胞壁或滲入薄壁細(xì)胞的細(xì)胞壁都會增大重組木的機(jī)械強(qiáng)度[14-16]，一些細(xì)胞的細(xì)胞腔被膠液填充會增大重組木的平均密度但對力學(xué)性能影響較小。因此，藍(lán)變重組木靜曲強(qiáng)度、彈性模量和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度大于普通重組木。

3 結(jié)論

藍(lán)變楊木重組木的平衡含水率大于普通楊木重組木，同一重組木的平衡含水率中部大于端部。4組重組木平衡含水率由大到小依次為LM、LD、PZ、PD，平均密度由大到小依次為LM、LD、PZ、PD，藍(lán)變楊木重組木的平均密度大于普通楊木重組木。

4組重組木的靜曲強(qiáng)度、彈性模量和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度的大小趨勢一致，由大到小依次為LM、LD、PZ、PD；且4組重組木的靜曲強(qiáng)度和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度均超過LY/T 1984—2011《重組木地板》標(biāo)準(zhǔn)值。藍(lán)變楊木重組木的靜曲強(qiáng)度、彈性模量和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度略大于普通楊木重組木。

熒光分析表明藍(lán)變楊木重組木微觀上膠層滲透面積比普通楊木重組木大，膠層面積由大到小依次為LM、LD、PZ、PD，這主要是因?yàn)樗{(lán)變提高了疏解楊木單板的滲透性，從而使酚醛樹脂膠在楊木基材上的微觀分布更加細(xì)化，使重組木的力學(xué)性能和平均密度有一定提升。藍(lán)變與普通重組木在微觀膠合界面上的差異表明，疏解藍(lán)變楊木單板不但可以用作重組木的原料，還可以在一定程度上提高重組木的性能。