炭化處理對(duì)橄欖木滲透性、膠合及涂飾性能的影響

孟素戎， 王慧珊， 王夢蕾， 王 靜

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河北 保定071000)

木材炭化處理(熱處理)已成為一種應(yīng)用廣泛的木材改性的化學(xué)處理方法[1-2]，木材經(jīng)過高溫?zé)崽幚砗笃湮锢?、化學(xué)性能和結(jié)構(gòu)均發(fā)生了變化。這些復(fù)雜的變化，使木材的滲透性能改變，進(jìn)而影響到木材表面的膠合性能和涂飾性能。木材高溫處理的主要優(yōu)點(diǎn)是吸濕性降低、尺寸穩(wěn)定性提高[3-5]，但同時(shí)也有一些負(fù)面影響，如降低了木材的強(qiáng)度和韌性。微炭化處理后制得的木材，廣泛應(yīng)用于大型與小型建筑業(yè)及室內(nèi)家具、庭院門窗、戶外柵欄制作等，微炭化處理技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比，不需要在高壓容器中進(jìn)行，與熱源間接接觸較安全，無化學(xué)浸漬劑、不污染環(huán)境，對(duì)木材微炭化的均勻性好。已有的研究表明：炭化木的化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)均發(fā)生了變化，抽提物被抽出，pH值降低，此外對(duì)于針葉材，炭化后油脂均布，有利于涂飾[6-7]。本實(shí)驗(yàn)主要測試分析橄欖木炭化處理前后滲透性、膠合及涂飾性能，通過對(duì)比炭化前后膠合及涂飾性能的差異，為炭化橄欖木的開發(fā)利用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

(1)橄欖木：采用廊坊華日家具公司提供的炭化前后的橄欖木作為實(shí)驗(yàn)材料，炭化木材初始尺寸為2 000 mm×150 mm×50 mm，未炭化橄欖木密度0.662 g/cm3，炭化橄欖木密度0.537 g/cm3；①滲透性試件：尺寸為20 mm×20 mm×20 mm，數(shù)量30個(gè)；②膠合性能試件：尺寸為30 mm×25 mm×20 mm，不同膠黏劑處理炭化與未炭化各6組；③涂飾性能試件：尺寸為150 mm×100 mm×20 mm，不同涂料涂飾處理炭化與未炭化木材各6組。

(2)染料：酸性大紅用蒸餾水配成濃度為1 g/L的染料水溶液備用。

(3)膠黏劑：選用三種(聚氨酯、聚醋酸乙烯酯、脲醛樹脂膠黏劑)不同的膠黏劑(均從市場上購得)，測試不同膠黏劑對(duì)炭化前后膠合性能的影響。①聚氨酯膠黏劑(雙組份)(簡稱聚氨酯)：此膠黏劑分為甲乙兩組，甲組為無色或淡黃色半透明黏稠液，乙組為無色或淡黃色透明液，不揮發(fā)物含量分別為28%～32%、48%～52%，膠黏劑黏度為40～90 cps，膠合前甲組和乙組按2：1的質(zhì)量比調(diào)制，在130 ℃下1 h則可完全固化；②聚醋酸乙烯酯膠黏劑：白色乳狀液體，固體含量為30%，黏度為5 000 cps，pH值為4.5，常溫即可固化；③脲醛樹脂膠黏劑：白色乳狀液體，固體含量為50%，黏度為44 cps，pH值為8.0，膠合前加入1.0%質(zhì)量比的NH4CLTI調(diào)膠，固化溫度為115 ℃。

(4)涂料均為外購，硝基清漆、聚氨酯清漆(雙組份)、水性涂料三種漆料。

1.2 木材炭化處理(熱處理)基準(zhǔn)

橄欖木薄板(18 ～35 mm)炭化處理(熱處理)基準(zhǔn)見表1。

表1 橄欖木薄板(18 ～35 mm)炭化處理(熱處理)基準(zhǔn)

階段參數(shù) 設(shè)定溫度/℃設(shè)定時(shí)間/h壓力/kPa保溫40以下820第一節(jié)40～45120第二節(jié)45～50120第三節(jié)50～55120第四節(jié)55～60120第五節(jié)60～65120第六節(jié)65～70120第七節(jié)70～75120第八節(jié)75～80120第九節(jié)80～85120第十節(jié)85～90220第十一節(jié)90～95220

續(xù)表1

1.3 性能測試方法

1.3.1 滲透性

采用常壓毛細(xì)管壓力滲透法測量[8]，在容器底部鋪設(shè)12號(hào)網(wǎng)眼的銅網(wǎng)，將試件立在銅網(wǎng)上，注入1 g/L染料水溶液，使溶液浸沒試件3～5 mm，浸透方向?yàn)榭v向。然后在50 ℃溫度下，經(jīng)過24 h、48 h、72 h、96 h、120 h、144 h分別取出10個(gè)試件，擦去側(cè)面、底層附著的水分，稱量試件質(zhì)量變化，每次取出稱量的時(shí)間為5～6 s，用橄欖木單位面積液體吸收量來表示滲透性的好壞。

1.3.2 膠合性能

(1)膠合工藝。①聚醋酸乙烯酯膠黏劑采用單面涂膠，涂膠量為240 g/m2，開放陳化2 min，閉合陳放5 min，試件在壓機(jī)上常溫加壓60 min，壓機(jī)壓力為1.0 MPa。②脲醛樹脂膠黏劑采用單面涂膠，涂膠量為240 g/m2，開放陳化2 min，閉合陳放5 min，試件在壓機(jī)上115 ℃壓25 min，壓機(jī)壓力為1.0 MPa。③聚氨酯膠黏劑采用單面涂膠，涂膠后露置10～15 min以不沾手為宜，試件在壓機(jī)上130 ℃壓60 min，壓機(jī)壓力為0.5 MPa。

為了比較三種膠黏劑膠合性能的差別，檢測膠合試件常態(tài)和老化處理后的剪切強(qiáng)度、木破率和浸漬剝離率。檢測剪切強(qiáng)度的膠合剪切標(biāo)準(zhǔn)試件如圖1所示，膠合破壞后試件如圖2所示。檢測剪切強(qiáng)度時(shí)，設(shè)定荷載加速度為1 mm/min。剪切強(qiáng)度計(jì)算式：

P=F/S

(1)

式中：P為剪切強(qiáng)度(MPa)；F為最大破壞荷載(N)；S為剪切面積(mm2)。

圖1 膠合剪切標(biāo)準(zhǔn)試件

圖2 膠合破壞后試件

(2)老化處理。參考相關(guān)文獻(xiàn)并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室條件以及三種膠黏劑的特性加以改進(jìn)，三種膠黏劑加速老化處理方法見表2。

表2 三種膠黏劑加速老化處理方法

膠黏劑加速老化處理方法聚氨酯沸水煮3 h,20 ℃冷水中浸泡1 h,(70±3)℃通風(fēng)條件下烘干24 h聚醋酸乙烯酯20 ℃冷水中浸泡6 h,(40±3)℃通風(fēng)條件下烘干18 h脲醛樹脂沸水煮30 min,20 ℃冷水中浸泡1 h,(70±3)℃通風(fēng)條件下烘干24 h

(3)膠合性能的表達(dá)。本實(shí)驗(yàn)通過測定膠合剪切強(qiáng)度、木破率及浸漬剝離率來表示膠合性能的好壞。

1.3.3 涂飾性能

按照GB/T 4893.4-2013家具表面漆膜理化性能試驗(yàn)第四部分附著力交叉切割測定法測定漆膜表面附著力并進(jìn)行附著力等級(jí)評(píng)定。影響涂飾性能的因素很多，但漆膜附著力為主要因素。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 滲透性

不同時(shí)間橄欖木的單位面積液體吸收量測試結(jié)果見表3。

由表3可以看出，炭化木與未炭化木浸泡24 h后，單位面積液體吸收量分別為0.514 g/cm2、0.358 g/cm2，144 h后，單位面積液體吸收量分別增加至0.869 g/cm2、0.358 g/cm2，從24 h到144 h單位面積液體吸收量分別增加了69%、100%。單位面積液體吸收量越多，木材滲透性越好。

炭化前后單位面積液體吸收量都隨著時(shí)間的延長不斷增加，在任何時(shí)間段炭化木的單位面積液體吸收量都比未炭化的高，炭化處理過橄欖木的滲透性明顯比未處理過橄欖木的滲透性高。炭化處理后，橄欖木的抽提物或小分子物質(zhì)減少，使得木材的表面孔隙和空置的細(xì)胞腔增加，提高了炭化木的滲透性。

2.2 膠合性能

橄欖木不同膠黏劑膠合性能測試結(jié)果見表4。

表3 不同時(shí)間橄欖木單位面積液體吸收量測試結(jié)果

時(shí)間/h炭化木未炭化木平均值/g·cm-2標(biāo)準(zhǔn)差/g·cm-2變異系數(shù)/%平均值/g·cm-2標(biāo)準(zhǔn)差/g·cm-2變異系數(shù)/%240.5140.0270.0530.3580.0220.061480.6560.0500.0770.4910.0180.037720.6930.0470.0680.5530.0300.054960.7350.0410.0560.6140.0240.0401200.7750.0460.0590.6500.0280.0431440.8690.0160.0180.7160.0230.032

表4 橄欖木不同膠黏劑膠合性能測試結(jié)果

條件橄欖木膠黏劑剪切強(qiáng)度木破率平均數(shù)/MPa標(biāo)準(zhǔn)差/MPa變異系數(shù)/%平均數(shù) /%標(biāo)準(zhǔn)差 /%變異系數(shù)/%浸漬剝離率/%常態(tài)檢測未炭化聚氨酯12.991.5111.6199.40.80.800.0炭化聚氨酯9.521.1011.5799.80.60.600.0未炭化白膠10.381.029.8495.21.952.040.0炭化白膠8.581.6919.7481.915.418.800.0未炭化脲膠11.681.3211.3399.21.541.550.0炭化脲膠8.320.789.3995.95.195.410.0老化處理未炭化聚氨酯10.862.3021.1792.811.0811.940.0炭化聚氨酯9.241.3514.6398.41.911.940.0未炭化脲膠10.362.9328.3181.016.8420.790.0炭化脲膠7.761.7021.9085.710.4912.240.0未炭化白膠9.491.22912.9570.126.0337.130.0炭化白膠6.542.1733.1933.022.3867.830.0

由表4可得如下結(jié)論：

(1)膠合剪切強(qiáng)度方面：常態(tài)檢測下，炭化處理的橄欖木比未處理的剪切強(qiáng)度低。聚氨酯膠、白膠、脲膠的剪切強(qiáng)度炭化木比未炭化的分別降低了26.7%、17.3%和28.8%。老化檢測下，炭化處理的橄欖木比未處理的剪切強(qiáng)度低，炭化木聚氨酯膠、白膠、脲膠的剪切強(qiáng)度比未炭化的分別降低了14.9%、31.1%和25.1%。

(2)木破率方面：常態(tài)檢測下，聚氨酯膠、脲膠、白膠炭化處理的木材木破率比未處理的分別降低了0.4%、3%、14%；老化檢測下，聚氨酯膠和脲膠炭化木反而比未炭化木材的木破率高了6%、5%，白膠炭化處理的木材木破率比未處理的降低了52.9%。因此，白膠的耐久性最低，聚氨酯膠最高。

(3)浸漬剝離率方面：常態(tài)檢測下，聚氨酯膠、白膠、脲膠膠合試件的浸漬剝離率都為零；老化檢測下，聚氨酯膠、白膠、脲膠膠合試件的浸漬剝離率也都為零。

從膠合剪切強(qiáng)度、木破率、浸漬剝離率看，聚氨酯膠、白膠、脲膠都能與橄欖木很好地膠合。

橄欖木經(jīng)炭化后，其膠合剪切強(qiáng)度下降，這是因?yàn)槟静慕?jīng)炭化后，其組成的半纖維素和纖維素?zé)o定形區(qū)降解，無定形多糖損失；木材經(jīng)炭化處理后，木材的吸濕性和平衡含水率顯著降低，進(jìn)而影響了白膠在炭化木表面的滲透和潤濕。另外，木材經(jīng)熱處理后，產(chǎn)生醋酸和蟻酸，pH值減小，木材的酸性增加，木材酸性的增加影響了膠黏劑膠層的固化[9]。

2.3 涂飾性能

炭化與未炭化橄欖木的三種油漆漆膜附著力等級(jí)見表5。

表5 炭化與未炭化橄欖木三種油漆漆膜附著力等級(jí)

橄欖木編號(hào)硝基漆聚氨酯漆水性漆炭化121122113211未炭化132223223322

由表5可知，對(duì)于炭化和未炭化的木材，聚氨酯漆和水性漆漆膜的附著力要高于硝基漆漆膜的附著力；對(duì)于硝基漆、聚氨酯漆、水性漆漆膜來說炭化后的漆膜附著力比未炭化的略高。本研究與他人的研究結(jié)果不一致[10]。

從三種漆的漆膜附著力來看，相同條件下，炭化處理橄欖木的漆膜附著力都略高于未炭化處理的橄欖木。這是由于炭化處理后，木材表面的抽提物或小分子物質(zhì)比未處理的減少，表面孔隙和空置的細(xì)胞腔增加，在涂飾過程中漆料進(jìn)入這些孔隙和細(xì)胞腔，與木材表面更好地結(jié)合，炭化處理后，木材的滲透性增加，這也使得漆料能更好地進(jìn)入到木材中，以至炭化處理后的漆膜附著力比未處理的木材漆膜附著力略高。另一方面，木材熱處理時(shí)纖維素非晶區(qū)水分散失，使相鄰纖維素分子鏈之間距離縮小，并形成新的氫鍵結(jié)合，從而使纖維素分子鏈排列更加緊密，纖維素結(jié)晶度升高。同時(shí)木材中半纖維素和非結(jié)晶區(qū)的羥基降解，使自由羥基濃度降低，削弱了漆膜與基材間的結(jié)合強(qiáng)度。表面孔隙增加與自由羥基濃度降低共同作用對(duì)漆膜附著力產(chǎn)生影響。此外，表面粗糙度、纖維排列方向、表面清潔度也會(huì)影響漆膜附著力。

3 結(jié)論

(1)炭化處理橄欖木的滲透性明顯比未處理過橄欖木的滲透性高。

(2)炭化處理橄欖木的膠合剪切強(qiáng)度明顯低于未處理的木材；白膠的木破率最低，聚氨酯膠最高；聚氨酯膠、白膠、脲膠的浸漬剝離率均為0，都能與木材很好膠合。

(3)炭化處理橄欖木的漆膜附著力比未炭化材略高。