正硅酸乙酯-KH-570復(fù)合浸漬改性速生楊木

劉 宇，劉明利，趙學(xué)峰，任偉斌，王曉偉，徐國鋒

(1.北華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 吉林 132013；2.吉林森工金橋地板集團(tuán)有限公司，吉林 長春 130114)

木材是人類最早使用的材料，無論是房屋建造還是家具制造都離不開木材，雖然現(xiàn)在鋼筋混凝土可以代替木材制造房屋，但室內(nèi)裝潢仍在使用木材.隨著社會發(fā)展，人口不斷增長，木材消耗量日益增大，供需矛盾日益突出.因此，國家實(shí)行了封山育林政策[1]，以減少對自然林的采伐，但市場對木材的需求量并沒有因此而減少.據(jù)測算，我國2020年木材需求量約為4.6億m3左右，每年木材供應(yīng)缺口約為1.6億m3.第八次全國森林資源清查顯示，我國森林面積約為2.08億hm2，其中36%的林地面積為人工林，約為6 933萬hm2，人工林儲蓄量為24.83億m3，占全國森林資源儲蓄量的17%.我國人工林的規(guī)模居世界首位，占世界人工林總面積的1/4[2-3].

人工林生長速度快、砍伐周期短、價(jià)格低廉、干形好，具有大規(guī)模生產(chǎn)高附加值木制復(fù)合材的潛能[4-5]，但木材密度小、材質(zhì)軟、結(jié)構(gòu)疏松、強(qiáng)度低、尺寸穩(wěn)定性差、易腐朽，給生產(chǎn)利用帶來諸多問題[6-7].浸漬是提高木材附加值的有效途徑.木材浸漬改性的主流浸漬液是脲醛樹脂[8-9]、酚醛樹脂[10-11]、三聚氰胺甲醛樹脂[12-13]，但醛類浸漬液在制備和使用過程中會不斷釋放甲醛，危害人類健康.本次試驗(yàn)采用正硅酸乙酯-KH-570復(fù)合的無醛浸漬液，用常壓浸漬方法對木材進(jìn)行浸漬處理[14-16]，以吸水率、體積濕漲率、氣干縮率、疏水性為評價(jià)指標(biāo)，通過紅外光譜、DSC分析浸漬機(jī)理，探索合理的浸漬工藝.

1 材料與方法

1.1 材 料

硅烷偶聯(lián)劑KH-570(化學(xué)純，廣州穗欣化工有限公司)；正硅酸乙酯(TEOS)；氨水、無水乙醇(分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠)；速生楊木(敦化市新玉木材加工廠).

1.2 儀 器

電熱鼓風(fēng)干燥箱(DL102，天津市實(shí)驗(yàn)儀器廠)；精密電子天平(FA2004，天津天馬衡基儀器有限公司)；電子數(shù)顯卡尺(0～150 mm，上海臺海工量具有限公司)；紅外光譜儀(WQF-510A，長沙市開福區(qū)金拓耐火器材廠)；差示掃描量熱儀(DSC4000，珀金埃爾默儀器有限公司).

1.3 試驗(yàn)方法與設(shè)計(jì)

浸漬液成分為TEOS、KH-570、氨水、無水乙醇、蒸餾水.

1)浸漬液配制：以TEOS與KH-570的物質(zhì)的量比為變量，將其設(shè)定為1∶1、1∶0.75、1∶0.5、1∶0.25、1∶0.將溶劑無水乙醇與TEOS物質(zhì)的量比定為1∶1[17].

2)水浸木材：將反應(yīng)物蒸餾水提前浸注到木材中.水浸溫度為95 ℃、水浸時(shí)間為1 h.

3)浸漬工藝：將水煮后的木材放入浸漬液，在60 ℃水浴中恒溫加熱30 min.取出浸漬裝置，再加入TEOS質(zhì)量10%的氨水溶液，常溫縮合4 h.

1.4 物理性能檢測

木材吸水性按國標(biāo)GB/T 1934.1—2009檢測[18]，木材體積濕脹性按國標(biāo)GB/T 1934.2—2009檢測[19]，木材氣干縮性按國標(biāo)GB/T 1932—2009檢測[20].

1.5 接觸角分析

在室溫下使用昆山市順諾儀器有限公司的SN-6900光學(xué)接觸角測量儀測量浸漬液的靜態(tài)接觸角，以蒸餾水為介質(zhì)，液滴體積為5 μL.

1.6 紅外光譜分析

膠黏劑樣品在恒溫干燥箱中以120 ℃烘干，直至獲得恒定質(zhì)量，然后將烘干的膠黏劑磨成200目以下粉末.制樣時(shí)樣品與KBr晶體的質(zhì)量比為1∶70，壓制在模具中進(jìn)行分析.在WQF-510A光譜儀上記錄不同膠黏劑樣品的紅外光譜，掃描波長在4 000～400 cm-1，采用32次掃描，分辨率為4 cm-1.

1.7 差示掃描量熱分析

膠黏劑樣品在恒溫干燥箱中以120 ℃烘干，直至獲得恒定質(zhì)量，用DSC4000(PerkinElmer)進(jìn)行檢測.在氮?dú)夥諊?，樣品質(zhì)量約為4～6 mg，溫度范圍為30～200 ℃，升溫速率為5 ℃/min.

2 結(jié)果與分析

不同TEOS與KH-570物質(zhì)的量比對處理材的增重率、尺寸穩(wěn)定性、吸水率、體積濕漲率、氣干縮率、流失率的影響見表1.由表1可知：當(dāng)TEOS與KH-570的物質(zhì)的量比由1∶0增大到1∶1時(shí)，處理材的增重率逐漸增大，由11.85%增大到36.95%；尺寸穩(wěn)定性逐漸減少，由0.20%降低到2.43%；吸水率逐漸減少，由142.22%降到98.02%；體積濕漲率逐漸減小，由13.10%減小到11.12%；氣干縮率呈先增加后減少的趨勢，由11.42%增加到12.23%，再減小到10.08%；流失率逐漸減小，由2.09%減小到0.92%.

表1 KH-570用量對浸漬效果的影響

TEOS與KH-570物質(zhì)的量比主要影響處理材的增重率，從而影響處理材的各項(xiàng)性能.隨著增重率的增加，尺寸穩(wěn)定性逐漸降低，這主要是由于一部分無機(jī)物吸附在細(xì)胞壁上，隨著在木材中填充量的逐漸增加，細(xì)胞壁上的無機(jī)物含量也會逐漸增加，因此尺寸穩(wěn)定性就會降低.增重率越大的處理材吸濕率越低，這是因?yàn)闊o機(jī)物的吸水能力遠(yuǎn)低于纖維素、半纖維素、木質(zhì)素，并且增重率越大，木材中的空隙率越低，使得吸水量減小.增重率越大體積濕漲率越小.無機(jī)物進(jìn)入細(xì)胞間隙吸附到細(xì)胞壁上，既阻止了水分進(jìn)入木材空隙又減弱了細(xì)胞壁對水分的吸收.隨著增重率的增加，氣干縮率呈先增大后減小的趨勢.流失率逐漸減小，可能是因?yàn)镵H-570吸附木材的能力大于無機(jī)物吸附木材的能力.

由表1可知：試驗(yàn)中，所有TEOS與KH-570物質(zhì)的量比下，處理材的物理性能均超過素材.在TEOS與KH-570的物質(zhì)的量比為1∶1時(shí)，各項(xiàng)物理性能都是最好的，但尺寸穩(wěn)定性要比其他配比低很多.而TEOS與KH-570的物質(zhì)的量比為1∶0.75時(shí)，增重率雖不是最大，各方面性能也不是最好，但其相比1∶1時(shí)尺寸穩(wěn)定性提高很多，且各項(xiàng)物理性能降低很少，所以認(rèn)定TEOS與KH-570物質(zhì)的量比為1∶0.75是最佳配比.

2.1 TEOS與KH-570物質(zhì)的量比對改性楊木抗吸水率的影響

圖1為不同TEOS與KH-570物質(zhì)的量比下處理材相對素材的抗吸水率.由圖1可知：抗吸水率隨著TEOS與KH-570物質(zhì)的量比的增大而增大，即由30.43%增大到52.05%，其中TEOS與KH-570物質(zhì)的量比為1∶0.75和1∶1時(shí)的抗吸水率相差不大，可能原因是浸漬液填充到木材空隙中，經(jīng)水解、縮合通過陳化形成了具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠，再將浸漬木材進(jìn)行干燥，無機(jī)粒子將附著到細(xì)胞壁上或沉積到木材空隙中，從而阻擋了水分的進(jìn)入.

2.2 TEOS與KH-570物質(zhì)的量比對改性楊木抗體積濕漲率的影響

圖2為TEOS與KH-570不同物質(zhì)的量比處理材相對素材的抗體積濕漲率.抗體積濕漲率隨著TEOS與KH-570物質(zhì)的量比的增大而增大，由16.56%增加至29.17%，可能原因是浸漬液與木材之間形成了氫鍵相互作用，從而減弱了細(xì)胞壁的吸水能力.

2.3 TEOS與KH-570物質(zhì)的量比對改性楊木抗氣干縮率的影響

圖3為不同TEOS與KH-570的物質(zhì)的量比處理材相對素材的抗氣干縮率.結(jié)果顯示：當(dāng)TEOS與KH-570物質(zhì)的量比逐漸增大時(shí)，抗氣干縮率呈先減小再增大的趨勢，由12.60%減小至4.89%，再增大到21.61%.

2.4 接觸角分析結(jié)果

以TEOS與KH-570物質(zhì)的量比為變量制備浸漬液處理木材后，水滴在處理材表面停留1 min的接觸角見圖4.水滴滴到未處理木材表面30 s后完全鋪展開，主要原因是木材表面疏松、多孔且含有大量親水性基團(tuán)，木材表現(xiàn)出較強(qiáng)的親水性.木材經(jīng)過浸漬處理后其表面接觸角得到了很大提高，原因是木材表面具有微米級粗糙度，經(jīng)過浸漬改性降低了木材表面粗糙度，使木材表面更加光滑，同時(shí)降低了木材表面能，使水滴在木材表面鋪展變得更加困難.另一方面，TEOS和KH-570水解后會產(chǎn)生很多羥基，這些羥基可能與木材中的羥基相互作用或是相結(jié)合，使得木材中的羥基數(shù)量減少，從而使木材的親水性降低.

由圖4可知：隨著TEOS與KH-570物質(zhì)的量比不斷增大，水滴與處理材表面的接觸角由85°增大至124.5°，但在TEOS與KH-570物質(zhì)的量比小于1∶0.5后水滴與處理材之間的接觸角由124.5°減小至97°，而使用不加KH-570的浸漬液處理木材，其接觸角最大為137.5°，可能原因是KH-570本身具有長鏈烷烴結(jié)構(gòu)，能夠起到一定的疏水效果，但是疏水性能要小于無機(jī)硅，從而整體上對木材表面的疏水起到消極作用.

2.5 紅外分析結(jié)果

2.6 差示掃描量熱分析結(jié)果

圖6為素材和浸漬后處理材的DSC曲線.由圖6可知：素材的Tg值為55.86 ℃，處理材的Tg值為42.21 ℃，素材經(jīng)浸漬處理Tg值降低了13.65 ℃.浸漬液在木材內(nèi)部經(jīng)溶膠-凝膠過程堆積在細(xì)胞腔內(nèi)和吸附在細(xì)胞壁上，從而使硬而脆的素材變得相對柔軟.

3 結(jié) 論

經(jīng)單因素試驗(yàn)分析可知：TEOS與KH-570的最佳物質(zhì)的量比為1∶0.75，其增重率為27.40，尺寸穩(wěn)定性為1.59%，吸水率為106.81%，體積濕漲率為11.28%，氣干縮率為10.89%，流失率為1.00%.隨著TEOS與KH-570物質(zhì)的量比的增大，處理材抗吸水率和抗體積濕漲率逐漸減小，抗氣干縮率呈先增大后減小的趨勢，TEOS與KH-570物質(zhì)的量比為1∶0.5時(shí)為最小點(diǎn).速生楊木經(jīng)TEOS-KH-570復(fù)合浸漬改性后，其表面疏水性得到了極大提高，從親水性材料變?yōu)槭杷圆牧?浸漬后的木材物理性能得到了提升，無有害物質(zhì)釋放，拓寬了楊木的使用范圍.