工藝條件對馬尾松防腐處理木材膠合性能的影響

胡 拉，楊章旗，秦理哲，徐慧蘭

（廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學研究院 廣西優(yōu)良用材林資源培育重點實驗室國家林業(yè)和草原局馬尾松工程技術研究中心，廣西南寧 530002）

近年來，“綠色化”逐漸成為我國建筑業(yè)發(fā)展的重要趨勢之一，具有低碳、環(huán)保和宜居等獨特優(yōu)勢的木結構建筑迎來良好的發(fā)展機遇[1-2]。落葉松（Larix gmelinii）[3]和杉木（Cunninghamia lanceolata）[4]等人工林木材在木結構領域的應用研究，成為加快我國木結構用材國產(chǎn)化和促進我國木結構產(chǎn)業(yè)健康持續(xù)發(fā)展的重要保障。

馬尾松（Pinus massoniana）人工林分布范圍廣，生長速度較快，木材力學性能良好，是我國木結構產(chǎn)業(yè)的潛力原料樹種[5]。但馬尾松木材節(jié)子較多，且易被蟲、菌侵蝕，在木結構領域較適宜用于生產(chǎn)防腐膠合木產(chǎn)品[6]。進入新世紀以來，國內(nèi)外學者選用銅唑（CuAz）和氨（胺）溶季銨銅（ACQ）等新一代環(huán)保型水溶性防腐劑，圍繞防腐處理對木材物理化學性質及膠合性能的影響展開研究，促進了低毒和環(huán)保型木材防腐技術的開發(fā)與利用[7-11]，但目前有關防腐處理木材膠合工藝技術的系統(tǒng)研究仍較少。本研究探討了預處理方法、膠合工藝因子和木材密度對馬尾松防腐處理木材膠合性能的影響，可為馬尾松人工林結構用材的開發(fā)與應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

馬尾松原木試材采集于廣西崇左市寧明縣，樹齡35年。將原木剖分為35 mm 厚的板材，窯干至含水率小于15%；從干燥后的板材中選取邊材，加工成300 mm × 30 mm × 7 mm（縱向× 弦向× 徑向）規(guī)格試件，置于恒溫恒濕箱（溫度20 ℃、相對濕度65%）中平衡1 周，選取密度分別為580 ～≤620 kg/m3（低）、620 ～≤660 kg/m3（中）和660 ～700 kg/m3（高）的3組試樣。

采用廣東林科科技開發(fā)有限公司提供的水溶性環(huán)保型ACQ-D 防腐劑，活性成分質量分數(shù)為15.39%，其中季銨鹽（以DDAC計）∶銅化物（以CuO計）= 4.87∶10.52。

結構集成材采用購于沈陽愛克浩博化工有限公司的間苯二酚-苯酚-甲醛樹脂（RPF）膠黏劑。RPF 組分中主劑與固化劑的質量比為100∶30。主劑為紅褐色粘稠液體，固含量65%，黏度15 Pa·s，pH值7.5；固化劑為紅褐色粉末。

采用購于菏澤維德林化化工有限公司的MJBNS 型木材脫脂劑，外觀為透明液體，比重1.25，pH值9 ～11，有效活性物質含量80%。

儀器設備主要包括電熱蒸煮鍋（山東博興縣華世廚房設備廠生產(chǎn)），木材浸漬處理罐（設計壓力1.7 MPa、容積2.03 m3，諸城市安泰機械有限公司定制），鼓風干燥箱（上海森瀾科學儀器有限公司生產(chǎn)），HS-225型恒溫恒濕箱（上海森瀾科學儀器有限公司生產(chǎn)），平板硫化機（幅面500 mm×500 mm，青島錦九洲橡膠機械有限公司生產(chǎn)），WDW-200E 微機控制電子萬能試驗機（濟南新時代試金儀器設備有限公司生產(chǎn)）。

1.2 試驗方法

1.2.1 脫脂及防腐處理

脫脂劑稀釋50 倍后加入蒸煮鍋，在95 ℃加熱條件下對馬尾松木材試樣進行蒸煮脫脂處理5 h；將處理后的試樣置于鼓風干燥箱（50 ℃）內(nèi)干燥，3 天后轉移至恒溫恒濕箱（溫度20 ℃、相對濕度65%）中平衡1周。

在浸漬槽內(nèi)配制質量分數(shù)為2.0%的ACQ-D 溶液，將稱重后的馬尾松木材試樣放入槽內(nèi)，利用真空加壓法進行防腐處理。工藝參數(shù)為真空度-0.09 MPa、抽真空時長30 min、加壓壓力1.2 MPa、加壓時長1 h。處理完成后，用濾紙將試樣表面的藥液吸干后稱重，依據(jù)公式（1）計算理論載藥量（R，kg/m3）。將稱重后的試樣置于鼓風干燥箱（50 ℃）內(nèi)干燥，3天后轉移至恒溫恒濕箱（溫度20 ℃、相對濕度65%）中平衡1周。

式中，G為試件吸收防腐劑溶液的保持量，即處理前后試件的重量差（kg）；C為防腐劑溶液濃度（%）；V為試件體積（m3）。

1.2.2 膠合試樣制備及強度檢測

利用平板硫化機壓制兩層膠合試樣。依據(jù)GB/T 33333-2016[12]加工試件，利用萬能力學試驗機檢測其拉伸剪切強度和木破率（圖1）。

圖1 拉伸剪切強度試樣Fig.1 Sample of shear strength

1.2.3 試驗設計

以預處理方法、單位壓力、涂膠量和加壓時間為變量因子，馬尾松防腐處理木材的膠合強度為指標，進行L9（34）正交試驗，每個因子設定3 個水平（表1）。預處理方法選用未脫脂條件下的先壓刨后防腐處理（壓刨-防腐）和先防腐處理后壓刨（防腐-壓刨）以及脫脂條件下的先防腐處理后壓刨（脫脂-防腐-壓刨）3 種方式。在膠黏劑生產(chǎn)廠家推薦的工藝條件范圍內(nèi)選擇單位壓力、涂膠量和加壓時間的3 個水平。每組試驗隨機選取低、中和高密度試樣各1個，作為1次重復，共計9個試樣、3次重復。

表1 正交試驗設計Tab.1 Orthogonal experimental design

2 結果與分析

2.1 正交試驗直觀分析與方差分析

不同預處理方法下，防腐劑ACQ-D在木材中的透入度均為100%。壓刨-防腐和防腐-壓刨兩種預處理方法對應的防腐劑載藥量接近，分別為9.01 和8.78 kg/m3。脫脂-防腐-壓刨處理方法對應的載藥量為10.11 kg/m3，略高于其他兩組，這是由于脫脂處理提高了木材的滲透性。3 種條件下的木材載藥量差異較小，對后續(xù)膠合性能的影響不顯著。

以3次重復試驗的平均值為指標進行直觀分析（表2）。從極差（R）判斷，影響試樣剪切強度的因子顯著性為預處理方法＞涂膠量＞加壓時間＞單位壓力；影響試樣木破率的因子顯著性為預處理方法＞加壓時間＞涂膠量＞單位壓力。

表2 正交試驗直觀分析Tab.2 Intuitive analysis of orthogonal experiment

對試樣剪切強度和木破率進行方差分析（表3 ～4）。預處理方法對剪切強度和木破率均影響極顯著（P＜0.01）；單位壓力、涂膠量和加壓時間對剪切強度影響較顯著（P＜0.1），對木破率影響不顯著。

表3 剪切強度方差分析Tab.3 Variance analysis of shear strength

表4 木破率方差分析Tab.4 Variance analysis of wood failure ratio

2.2 工藝因子對膠合性能的影響

由上述分析可知，預處理方法是對馬尾松防腐處理木材膠合性能影響最為顯著的因子。防腐-壓刨試樣的剪切強度和木破率較壓刨-防腐試樣分別高出27.9%和53.7%（表2），這是由于膠合前的刨光處理可以去除防腐處理過程中沉積在木材表面的防腐劑，形成良好的膠合界面，進而改善木材的膠合性能。脫脂-防腐-壓刨試樣的剪切強度和木破率較防腐-壓刨試樣分別高出7.8%和25.8%，松脂的脫除有利于提高木材表面的潤濕性[13]，改善木材的膠接性能。

單位壓力、涂膠量和加壓時間等膠合工藝因子對拉伸剪切強度的影響高于其對木破率的影響（表3 ～4），可能是由于木破率的變異性大于拉伸剪切強度。

當單位壓力由0.8 MPa上升至1.3 MPa，拉伸剪切強度明顯提高；當壓力進一步上升至1.8 MPa時，拉伸剪切強度變化不大（圖2）。這是由于壓力的增加可在一定程度上促進膠黏劑在木材中的滲透，形成更牢固的結合力，進而提高膠合強度；同時，這種促進作用是有限的，其對剪切強度的影響隨壓力的持續(xù)上升而減弱。結合生產(chǎn)成本考慮，單位壓力優(yōu)選1.3 MPa。

當涂膠量由150 g/m2增加至250 g/m2時，拉伸剪切強度由5.03 MPa 提升至5.15 MPa；當涂膠量進一步增加至350 g/m2時，拉伸剪切強度有較明顯的下降，比150 和250 g/m2試樣分別降低5.2%和7.4%。這是由于涂膠量的增加有利于形成更完整和更均勻的膠層，在涂膠量較低時可以改善膠合性能；當涂膠量過高時，形成的膠層變厚，導致膠合剪切強度下降。綜合考慮，較優(yōu)的涂膠量為250 g/m2。

加壓時間1 和2 h 對應的拉伸剪切強度差異不大；隨著加壓時間延長至3 h，拉伸剪切強度有較明顯的提高，比1 和2 h 試樣分別高出4.9%和7.0%。延長加壓時間可促進膠黏劑在木材中的滲透，有利于形成牢固的膠釘，改善膠合性能。綜合分析，加壓時間優(yōu)選3 h。

圖2 膠合工藝對馬尾松防腐處理木材拉伸剪切強度的影響Fig.2 Effects of bonding technology on shear strength of P.massoniana wood by preservative treatment

2.3 木材密度對膠合性能的影響

3 組密度試樣的平均拉伸剪切強度為4.80 ～5.28 MPa，中密度試樣的拉伸剪切強度略高于其他兩組，三者間顯著不差異（圖3a）。3 組試樣的木破率平均值呈現(xiàn)出隨木材密度增大而降低的趨勢，高密度試樣的木破率為55.56%，低密度試樣為79.07%，兩者間差異顯著（P＜0.05）（圖3b）。木材密度越高，木材中的孔隙結構相對越少，膠黏劑在木材中滲透形成的有效結合點也較少，拉伸剪切測試過程中對木材的粘附力較小，因此木破率較低。一般而言，較低的木破率對應較低的膠合強度。拉伸剪切強度由木材強度和膠黏劑強度共同決定，密度較高的木材自身強度較高，因此其拉伸剪切強度與低密度試樣間差異不顯著。

圖3 木材密度對馬尾松防腐處理木材膠合性能的影響Fig.3 Effects of wood density on bonding performance of P.massoniana wood by preservative treatment

3 結論與討論

預處理方法對馬尾松防腐處理木材的膠合性能影響極顯著，這證實了木材表面性質是決定實木膠合性能的重要因子。馬尾松木材經(jīng)防腐處理后，其表面沉積的防腐劑會阻礙膠黏劑在木材中的滲透，削弱膠黏劑與木材間的結合力，因此膠合前的刨光處理很必要。本研究還發(fā)現(xiàn)，脫脂處理可以改善馬尾松防腐處理木材的膠合性能，與余光[14]的研究結果一致。本研究中單位壓力、涂膠量和加壓時間3個膠合工藝因子對馬尾松防腐處理木材拉伸剪切強度的影響規(guī)律，與未經(jīng)處理的落葉松木材[15]和杉木木材[16]的研究結果基本一致。

膠合工藝因子對應的拉伸剪切強度極差最大值為0.38 MPa，明顯小于預處理方法對應的極差值（1.55 MPa）。這可能是由于研究中膠合工藝因子水平的選取是基于膠黏劑生產(chǎn)廠家的建議范圍，相應的膠合性能較好，拉伸剪切強度受工藝因子的影響相對較小。

研究所得較優(yōu)工藝參數(shù)為脫脂-防腐-壓刨、單位壓力1.3 MPa、涂膠量250 g/m2、加壓時間3 h。經(jīng)補充試驗驗證，該工藝條件下所制備試樣的拉伸剪切強度和木破率分別為6.01 MPa 和88.00%，膠合性能優(yōu)異。生產(chǎn)應用過程中應重點控制木材表面質量，同時兼顧膠合性能、生產(chǎn)效率及成本；在580 ～700 kg/m3范圍內(nèi)，木材密度對膠合性能的影響較小，可不予重點考慮。