酚醛樹脂增強中山杉單板層積材物理力學性能研究

袁朱潤 潘 彪 石江濤 李延軍 陳繼承 王新洲

( 南京林業(yè)大學材料科學與工程學院，江蘇 南京 210037)

我國森林資源相對匱乏，致使木材加工工業(yè)長期面臨著天然林優(yōu)質(zhì)木材資源短缺的局面，制約了人造板行業(yè)的發(fā)展[1]。所以，人造板行業(yè)面臨著亟需開辟新的原料來源、尋找替代品的問題。中山杉（Taxodium hybrid）是濕地生態(tài)林及沿海造林的首選樹種，擁有較短的生長周期，有著良好的耐水性能及抗風力，且耐污染能力強[2]。在材性研究方面，學者對比研究了中山杉302 與落羽杉（Taxodium distichum）的物理力學性能，結果表明中山杉木材的密度、抗彎強度、抗彎彈性模量和順紋抗壓強度均高于落羽杉木材。然而，中山杉302 的密度與其抗彎彈性模量呈明顯的負相關，這有待進一步研究[3]。另外，中山杉的抗彎彈性模量僅為楊木的60%，桉木和杉木的40%[4-6]，中山杉單板的變形程度遠大于楊木單板[7]，這些不足限制了中山杉在木材加工中的應用。

單板層積材（LVL）是一種通過單板涂膠、順紋為主組坯膠合而成的多層結構板材。對LVL的增強可以改善其物理力學性能，常用的增強方法有單板本身增強和在單板組坯的過程中加入增強材料。據(jù)研究表明，用低分子量的樹脂對單板進行浸漬改性在一定程度上可以提高人造板的力學強度和尺寸穩(wěn)定性[8-10]，有學者研究了馬尾松單板的酚醛樹脂浸漬改性對LVL 性能的影響，發(fā)現(xiàn)馬尾松LVL 的強度與浸膠量成正相關[11]。而由于酚醛樹脂脆性較大，含量過高將會降低LVL 的韌性[12-13]。在人造板的制造中，低質(zhì)量的板材通常配置在板坯芯層，而高質(zhì)量的板材配置在表層[8]，且中性層的性質(zhì)不影響板材的抗彎強度。因此，探討合理的組坯方式可以實現(xiàn)用較少的浸漬單板制造性能更優(yōu)的酚醛樹脂浸漬增強中山杉單板層積材。

本研究以中山杉木材為原料，對中山杉單板進行酚醛樹脂浸漬增強處理，并與未處理中山杉單板按不同組坯結構進行復合[14]，探討浸漬增強處理后組坯結構對單板層積材物理力學性能的影響，制造增強型LVL，有利于擴大中山杉木材的應用領域。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

中山杉302 單板：中山杉302 木材采自江蘇省靖江市林場，采用無卡軸旋切機旋切成，厚度為1.9 mm，幅面尺寸為400 mm×400 mm，初含水率為11%左右；酚醛樹脂膠黏劑：太爾膠黏劑（廣東）有限公司，固含量66%。

1.2 實驗設備

DGG-9030 帶鼓風電熱烘箱（上海?，攲嶒炘O備有限公司，中國）；平板硫化冷壓機（青島亞東橡機有限公司青島第三橡機機械廠，中國）；試驗熱壓機（昆山大華機器制造有限公司，中國）；8104 電子萬能試驗機（深圳新三思材料檢測有限公司，中國）。

1.3 單板浸漬工藝的選擇

裁剪35 張50 mm×50 mm 的中山杉單板，分為7 組，每組5個樣品，分別稱質(zhì)量。將66%固含量的酚醛樹脂膠稀釋至20%，將單板放入稀釋后的浸漬液中進行常壓浸漬增強處理。按照組別依次浸漬30、60、90、120、240、360、720 min，取出后傾斜晾置，待表面無液體滴落后放入烘箱，在103 ℃的條件下烘至絕干，取出再次稱其質(zhì)量，計算每組的平均浸膠量。用掃描電鏡對浸漬后單板的橫切面和徑切面的微觀結構進行觀察，并觀察樹脂在木材細胞中的分布情況。

1.4 酚醛樹脂浸漬增強單板LVL 制備

根據(jù)最優(yōu)的浸漬時間對單板進行浸漬處理，再按圖1 所示組坯結構制備7 組（A～G）不同結構的中山杉LVL。

圖1 中山杉LVL 組坯結構示意圖Fig. 1 Sketch map for assembly of T. hybrid LVL

單板單面涂膠量為150 g/m2，涂膠后的單板靜置10～20 min，然后進行閉口預壓（冷壓20 min，單位壓力1.0 MPa）。冷壓后對LVL 進行熱壓，熱壓溫度150 ℃，表壓力5.0 MPa，熱壓時間20 min；熱壓完畢后待溫度降至80 ℃以下后將其取出，陳放72 h 后進行鋸解，然后按照GB/T 20241—2006[15]進行相應的物理及力學性能測試。物理性能包括密度和含水率，力學性能包括彈性模量、靜曲強度和水平剪切強度。浸漬剝離實驗分別按照非結構用LVL 的測試要求和結構用LVL 的要求進行測試。

2 結果與分析

2.1 單板浸漬處理時間優(yōu)化

從圖2 可知，單板的浸膠量呈先上升后下降的趨勢變化。當處理時間達到120 min 時，單板的浸膠量達到最大值32.7%，后由于浸漬液中樹脂含量下降，單板內(nèi)外形成濃度差，單板中浸漬膠含量呈現(xiàn)下降趨勢。為了獲得更好的單板浸漬增強效果，要求單板獲得盡可能多的浸膠量，所以本次實驗選擇120 min 的處理時間最為合適。

圖2 處理時間對單板浸膠量的影響Fig. 2 Effect of treatment time on the resin content in wood veneer

2.2 浸漬單板的微觀結構

由圖3 可知，樹脂通過管胞、木射線等孔隙結構進入細胞腔內(nèi)。中山杉管胞的細胞壁上紋孔比較發(fā)達，為樹脂在中山杉單板中的滲透提供了比較有利的條件，且木射線中樹脂含量也較多[16]。

2.3 單板層積材密度和含水率

由圖4 可知，浸漬增強后LVL 的密度為0.5～0.8 g/cm3，且隨著浸漬處理中山杉單板層數(shù)的增加，LVL 的密度有上升趨勢，因為單板在浸漬增強過程中，吸收酚醛樹脂，單板密度增大。含水率為6%～7%，且隨著浸漬單板數(shù)量的增加有先下降后上升的趨勢，下降因為單板吸收浸漬酚醛樹脂膠溶液中的膠固體，使單板纖維間空隙減小，阻止了水分的吸收，而上升是因為當浸漬單板數(shù)量較多時，浸漬單板中的酚醛樹脂所帶的水分成為影響層積材含水率的主要因素，也可以得出當浸漬板數(shù)量增加時，LVL 的膠合性能開始下降[17]。

圖3 中山杉302 浸漬單板的微觀結構Fig. 3 Micrographs of reinforced ‘Zhongshanshan302’ veneer

圖4 浸漬增強LVL 的物理性能Fig. 4 Physical properties of impregnated reinforced LVL

2.4 單板層積材彈性模量與靜曲強度

由圖5 可知，各組層積材水平方向的彈性模量隨浸漬單板的層數(shù)增加呈上升趨勢，而垂直方向的彈性模量呈先升后降趨勢，結合圖4 可以看出，水平方向的彈性模量和密度變化趨勢一致，而垂直方向的彈性模量先因為密度的增加而增加，后因為膠合性能的下降而降低。與未處理相比，D 組的彈性模量較優(yōu)，其中垂直方向和水平方向的彈性模量分別提高了16.7%和66.6%。各組LVL 的彈性模量的平均值為3971.9～5755.6 MPa，已接近GB/T 20241—2006[15]。 對結構用LVL 的彈性模量最低要求。

由圖6 可知，各組層積材水平方向的靜曲強度呈上升的趨勢，但是在E 組之后有略微下降，結合圖4 密度和含水率的變化，可以看出密度增加有利于增強水平方向的靜曲強度，但是當浸漬單板數(shù)量過多時，膠合性能的下降對水平方向靜曲強度的減弱作用開始體現(xiàn)出來。垂直方向的靜曲強度呈下降趨勢，結合圖4 可知，含水率過高引起的膠合性能下降對垂直方向的靜曲強度的影響要大于密度的影響；然而在E 組到F 組出現(xiàn)一個上升的變化，說明表層浸膠可以增加層積材的垂直方向靜曲強度。從靜曲強度的數(shù)值可知，相比于未處理層積材，C 組的靜曲強度較優(yōu)，垂直方向和水平方向的靜曲強度分別提高了1.4%和17.3%；也可以看出，浸漬增強對水平方向的彈性模量有著較好的提升。所制得的LVL 的靜曲強度均達到或接近國家標準優(yōu)等品的最高要求。

分析B 組、C 組的彈性模量和靜曲強度可看出，C 組的第6 層板（芯層）浸膠增加了水平方向的靜曲強度及彈性模量，對垂直方向無明顯影響，這是因為水平方向的受力模式是由各層板較為平均的承受力，而垂直方向上，主要受力的單板是表層板。隨著浸漬單板的數(shù)量增加，水平方向上的力學強度有上升趨勢，而垂直方向的力學強度開始下降，這是因為浸漬單板中的膠黏劑阻礙了熱壓時單板間水分的移動，影響了膠合強度。由于D 組板的垂直方向的靜曲強度相對于A 組下降較多，因此相比較于其他組坯方式，B、C 組坯方式得到的中山杉層積材性能較優(yōu)。

圖6 浸漬增強LVL 的靜曲強度Fig. 6 Modulus of rupture of impregnated reinforced LVL

2.5 單板層積材水平剪切強度與浸漬剝離性能

由圖7 可知，單板浸漬增強提高了水平方向的水平剪切強度，但是隨著浸漬單板層數(shù)的增加，其數(shù)值有下降的趨勢，可能是由于增強單板表面浸漬樹脂固化后堵塞部分孔隙結構，在涂膠后影響膠粘劑的滲透，進而影響膠合性能。而垂直方向的水平剪切強度呈現(xiàn)下降態(tài)勢，這說明膠合性能對垂直方向的水平剪切強度的影響要大于密度的影響。綜合圖6 可知，C 組有著最高的水平方向的水平剪切強度，相比A 組提高了11.9%。各組中山杉LVL 的水平剪切強度均達到了結構用LVL 的國家標準。而根據(jù)浸漬剝離試驗結果，非結構用LVL 的浸漬剝離試驗中各組試件均無明顯剝離脫膠現(xiàn)象，但在結構用LVL 的浸漬剝離實驗中（表1），各組試件出現(xiàn)明顯剝離現(xiàn)象，未達到結構用LVL 的要求，有待進一步研究。

圖7 浸漬增強LVL 的水平剪切強度Fig. 7 Horizontal shear strength of impregnated reinforced LVL

表1 浸漬增強結構用單板層積材浸漬剝離性能Table 1 Immersion performance of structural impregnated reinforced LVL

3 結論

酚醛樹脂通過孔隙結構進入木材內(nèi)起到增強單板作用，在常壓條件下，酚醛樹脂膠浸漬120 min 后中山杉單板的質(zhì)量增長率達到32.7%。

浸漬增強處理后，LVL 的含水率6%～7%，密度逐漸增大，最大達到0.77 g/cm3。

綜合浸漬增強單板LVL 的彈性模量和靜曲強度以及水平剪切強度等性能分析，表層和底層內(nèi)復合1 層浸漬增強單板，以及表層、底層內(nèi)及芯層各復合1 層浸漬增強單板的組坯結構增強效果較好，后者的增強效果較優(yōu)于前者，但是消耗的膠量更大。LVL 的靜曲強度和水平剪切強度都滿足了GB/T 20241—2006[15]中結構用LVL 的要求；彈性模量有所提升，部分組坯結構板材彈性模量達到了國家標準結構用LVL 的要求。