基于楊木改性輕型集裝箱底板的研究

武潔國，孫豐文，周 拓

(南京林業(yè)大學(xué)材料與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

木材是人類使用的最古老的材料之一，自史前就作為居住、工具、燃燒材料得到應(yīng)用[1]。傳統(tǒng)集裝箱底板的主要原材料一般選擇克隆木、阿必東等硬木，因其力學(xué)性能好，并具有防腐、防蟲的特點(diǎn)。近年來，由于適合做集裝箱底板的木材短缺，人們開始考慮使用其他人工林木材來替代傳統(tǒng)硬木。我國楊木資源豐富，如果楊木能夠成為集裝箱底板的原料，對我國森林資源的可持續(xù)發(fā)展將具有重要意義。但楊木與傳統(tǒng)的集裝箱底板材料相比，存在密度偏低、材性和加工性能較差等問題，所以需要將楊木改性，使之能更好地適用于集裝箱底板生產(chǎn)。

木材浸漬是目前強(qiáng)化單板改性單板的常規(guī)手段。木材浸漬是指將木材浸泡在低分子量樹脂溶液中，樹脂通過擴(kuò)散進(jìn)入到木材細(xì)胞壁，而使木材增容，然后通過干燥工藝，使樹脂在木材中固化。樹脂在木材細(xì)胞中固化，與木材纖維形成交聯(lián)，并且形成不溶性固體，填充了木材內(nèi)部的紋孔、細(xì)胞腔，使微纖絲間隙充分?jǐn)U大，同時(shí)能阻礙水分的進(jìn)入，使木材具備更好的尺寸穩(wěn)定性。同時(shí)樹脂沉淀在細(xì)胞壁內(nèi)部，使木材的多方面力學(xué)性能得到提高。

1 楊木單板的浸漬改性工藝

楊木單板的浸漬改性工藝分為浸漬和干燥固化兩個(gè)階段。楊木單板樹脂浸漬改性技術(shù)就是將楊木單板浸泡在低分子量水溶性樹脂中，樹脂通過擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞壁而使楊木單板增容，然后經(jīng)干燥去除水分，最后加熱使樹脂在楊木單板內(nèi)固化，從而達(dá)到強(qiáng)化楊木單板的目的。合理的浸漬工藝，對提高單板強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率、優(yōu)化生產(chǎn)結(jié)構(gòu)都具有重要的意義。本文主要從浸漬和干燥兩方面，對楊木單板的浸漬工藝進(jìn)行研究探索。通過綜合分析，采用5%的甲醇、醚化2D樹脂對楊木單板進(jìn)行浸漬改性。

1.1 楊木單板的浸漬

1.1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

楊木單板：產(chǎn)自泗陽，厚度2 mm，密度0.38～0.43 g/cm3，含水率約11.5%；醚化2D樹脂：實(shí)驗(yàn)室自制，固含量39%，黏度4 MPa·s(25±0.5 ℃)，pH值6～6.5。

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海博泰實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)；電子天平(諸暨市朝洋衡器設(shè)備有限公司)。

1.1.2 試驗(yàn)方法

影響單板浸漬的因素很多，主要有浸膠時(shí)間、浸膠溫度、樹脂固含量、單板含水率以及單板厚度等等。本試驗(yàn)主要采用單因素試驗(yàn)，研究單板含水率或浸膠時(shí)間對單板浸膠量的影響。通過比較不同含水率單板浸漬后的浸膠量來研究單板含水率對浸膠量的影響；通過比較不同浸漬時(shí)間下，各單板的浸膠量來研究浸漬時(shí)間對浸膠量的影響。

浸膠量是指浸漬在單板中的干膠質(zhì)量與單板質(zhì)量的比，精確到0.1%。浸膠量W計(jì)算如下：

式中：W為浸膠量(%)；w1為試件浸漬后陳放5 min至不流膠時(shí)的重量(g)；w0為試件浸漬前的重量(g)；k為樹脂的固含量(%)。

1.1.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

不同含水率單板在一定浸漬時(shí)間下的浸漬量見表1。可以看出單板的浸漬量是隨著浸漬時(shí)間的增加而增加的，而在同樣的浸漬時(shí)間下，含水率低的單板，浸漬量明顯大于單板含水率高的。為了盡可能地提高單板的浸漬量和浸漬效率，應(yīng)該采用含水率較低的單板，所以在浸漬前需對單板進(jìn)行干燥處理，本試驗(yàn)采用含水率為5%的單板進(jìn)行浸漬。

表1 單板含水率與浸漬量的關(guān)系

為了提高單板的強(qiáng)度，應(yīng)盡可能提高浸漬量，所以浸漬所需的單板采用含水率為5%的單板。浸漬時(shí)間對浸漬量的影響見表2。

表2 浸漬時(shí)間與浸漬量的關(guān)系

由表2可知，當(dāng)浸漬15 min后，浸漬量就可達(dá)到22.24，而隨著浸漬時(shí)間的增加，浸漬量也在提高，但浸漬速率逐漸減小，當(dāng)浸漬時(shí)間達(dá)到8 h時(shí)，浸漬速率減小明顯，8 h與12 h的浸漬量差別不明顯，所以本試驗(yàn)采用常壓浸漬8 h。綜合考慮單板含水率和浸漬時(shí)間對浸漬量的影響，在保證浸漬量的前提下，提高浸漬效率，本試驗(yàn)采用含水率5%的單板在常溫常壓下浸漬8 h。

1.2 干燥固化

影響樹脂固化的條件主要有pH值和溫度。本試驗(yàn)主要研究pH值和固化溫度對醚化2D樹脂干燥固化的影響。

1.2.1 pH值對干燥固化的影響

較低的pH值有利于脲醛樹脂的固化，但過低的pH值會腐蝕楊木單板，影響楊木單板的強(qiáng)度，所以一個(gè)合適的pH值對干燥固化非常重要。pH值對干燥固化的影響見表3。

表3 pH值與干燥固化的關(guān)系

當(dāng)pH從6～7降低到5～6時(shí)，對干燥固化的影響不是很明顯，考慮到楊木單板本身的pH值，所以本試驗(yàn)采用pH值為6～6.5的強(qiáng)化劑。

1.2.2 固化溫度的選擇

試驗(yàn)采用80 ℃和135 ℃兩個(gè)溫度段對浸漬單板進(jìn)行干燥，通過研究兩個(gè)溫度段的干燥時(shí)間來選擇干燥工藝。試驗(yàn)采用的強(qiáng)化劑pH值為6～7，添加1%ZnCl2作固化劑。具體的干燥方式見表4。

表4 兩段式干燥

可以看出，在兩段式干燥過程中，在80 ℃下干燥的時(shí)間越長，在135 ℃下固化所需的時(shí)間越少。在80 ℃下干燥1 h會使單板含水率過高，影響膠合性能。所以80 ℃干燥時(shí)間需要2 h以上。

1.3 浸漬量對單板強(qiáng)度的影響

單板通過強(qiáng)化劑的浸漬，使強(qiáng)化劑進(jìn)入到單板內(nèi)部，再經(jīng)過干燥固化，從而達(dá)到強(qiáng)化單板的目的，而浸漬量的多少直接影響單板強(qiáng)化的效果，本節(jié)主要研究不同浸漬量對單板靜曲強(qiáng)度、彈性模量的影響。

1.3.1 試驗(yàn)方法

將增重的強(qiáng)化單板壓制成3層層積材，采用實(shí)驗(yàn)室自制的酚醛樹脂膠黏劑(固含量50%～52%，黏度200～300 MPa·s)。熱壓工藝如下：熱壓溫度135 ℃、熱壓壓力1 MPa、熱壓時(shí)間1 min/mm，通過對比3層層積材的靜曲強(qiáng)度、彈性模量來分析增重率對單板強(qiáng)度的影響。

1.3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

單板增重率和3層層積材橫紋彈性模量、靜曲強(qiáng)度的關(guān)系如圖1所示。

由圖1可知，單板順紋的彈性模量和靜曲強(qiáng)度都隨著單板增重率的增加而提高，浸漬初始階段，彈性模量的增大速度明顯大于靜曲強(qiáng)度，之后隨著增重率增大，彈性模量和靜曲強(qiáng)度都慢慢增大，所以強(qiáng)化劑對單板的彈性模量強(qiáng)化效果比靜曲強(qiáng)度更好。

2 楊木改性輕型集裝箱底板的制備 與分析

根據(jù)上述的楊木單板改性方法和干燥固化工藝，采用最優(yōu)的熱壓工藝，即涂膠量為420 g/cm2、熱壓時(shí)間為13 min、熱壓壓力為1.2 MPa、熱壓溫度為145 ℃，制備出特種膠合板，并比較了制得的特種膠合板與不同標(biāo)準(zhǔn)的物理力學(xué)性能要求，以及不同樹種所制得的特種膠合板的性能。

2.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

楊木單板：產(chǎn)自泗陽，厚度2 mm，密度0.38～0.43 g/cm3，含水率約11.5%；

酚醛樹脂膠黏劑：實(shí)驗(yàn)室自制，固含量50%～52%，黏度200～300 MPa·s(25±0.5 ℃)；

醚化2D樹脂：實(shí)驗(yàn)室自制，固含量39.58%，黏度4 MPa·s(25±0.5 ℃)。

試驗(yàn)使用的設(shè)備見表5。

表5 試驗(yàn)設(shè)備

2.2 試驗(yàn)方法和性能指標(biāo)

向醚化2D樹脂中加入1%的ZnCl2作為固化劑，再將其浸漬楊木單板，浸漬一定時(shí)間后拿出，在80 ℃下干燥2 h，將不同浸漬時(shí)間的浸漬單板分開存放，再用酚醛樹脂膠黏劑進(jìn)行膠合，制備特種膠合板。集裝箱底板的組坯方式采用表面三層順紋單板，其他層數(shù)縱橫交錯(cuò)進(jìn)行組坯?；炷聊０宀捎?層縱橫垂直組坯的方式。采用增重率為40%的強(qiáng)化單板制備混凝土模板和集裝箱底板各3塊，再采取梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從表層向心層，增重率逐漸減小的方式進(jìn)行組坯，制備混凝土模板和集裝箱底板各3塊。熱壓工藝如下：涂膠量420 g/cm2、熱壓溫度145 ℃、熱壓時(shí)間30 min、熱壓壓力1.2 MPa。

密度、含水率、靜曲強(qiáng)度、彈性模量、膠合強(qiáng)度、浸漬剝離是衡量集裝箱底板用膠合板和混凝土模板用膠合板的重要物理力學(xué)性能。試驗(yàn)對上述物理力學(xué)性能進(jìn)行測定，并與集裝箱底板用膠合板和混凝土模板用膠合板標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較分析。密度的測定按GB/T 17657-1999中4.2的規(guī)定進(jìn)行，測試三個(gè)試件，被測試樣的密度為三個(gè)試件密度的算術(shù)平均值，精確至0.01 g/cm3；含水率的測定按GB/T 17657-1999中4.3的規(guī)定進(jìn)行，測試三個(gè)試件，被測試樣的含水率為三個(gè)試件含水率的算術(shù)平均值，精確至0.1%；靜曲強(qiáng)度和彈性模量的測定按GB/T 17657-1999中4.9的規(guī)定進(jìn)行，每張樣板截取長度方向與表板纖維方向平行(順紋)或垂直(橫紋)的試件各三塊。被測試樣的順紋和橫紋靜曲強(qiáng)度為同紋理方向的三個(gè)試件靜 曲強(qiáng)度的算術(shù)平均值，精確至0.1 MPa。被測試樣的順紋和橫紋彈性模量為同紋理方向的三個(gè)試件彈性模量的算術(shù)平均值，精確至10 MPa；膠合強(qiáng)度的測定按 GB/T 17657-1999中4.15的規(guī)定進(jìn)行，對試件的處理?xiàng)l件應(yīng)符合Ⅰ類膠合板的要求；浸漬剝離的測定按GB/T 17657-1999中4.17的規(guī)定進(jìn)行，對試件的處理?xiàng)l件應(yīng)符合Ⅰ類膠合板的要求。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用同樣增重率組坯的集裝箱底板和混凝土模板的各項(xiàng)物理力學(xué)性能見表6，采用梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的集裝箱底板和混凝土模板的各項(xiàng)物理力學(xué)性能見表7?？梢钥闯鎏荻冉Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特種膠合板的密度較同樣增重率組坯的特種膠合板有所降低，而同時(shí)靜曲強(qiáng)度和彈性模量卻是增大的。因?yàn)閱伟宓脑鲋芈屎蛦伟宓某叽绶€(wěn)定性密切相關(guān)，當(dāng)增重率大時(shí)，相對的尺寸穩(wěn)定性就好，在同樣壓力下的壓縮率就相對較小。所以采用同樣增重率單板的特種膠合板的壓縮率會小于梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特種膠合板。

表6 同樣增重率組坯的特種膠合板性能

表7 梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特種膠合板性能

采用梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅可以提高強(qiáng)度，還可以節(jié)省強(qiáng)化劑用量及縮短浸漬時(shí)間。

同時(shí)，同增重率和梯度結(jié)構(gòu)特種膠合板的膠合強(qiáng)度和浸漬剝離都達(dá)到了Ⅰ類膠合板的要求。

試驗(yàn)制得的集裝箱底板物理力學(xué)性能與其他國家標(biāo)準(zhǔn)比較見表8。試驗(yàn)制得的混凝土模板物理力學(xué)性能與我國國家標(biāo)準(zhǔn)比較見表9?？梢钥闯霰驹囼?yàn)方法制得的集裝箱底板物理力學(xué)性都達(dá)到了日本、韓國使用的標(biāo)準(zhǔn)。混凝土模板的各項(xiàng)物理力學(xué)性能都達(dá)到了我國的國家標(biāo)準(zhǔn)。說明本試驗(yàn)方案是可行的。

表8 集裝箱底板的物理力學(xué)性能

表9 混凝土模板的物理力學(xué)性能

不同樹種的集裝箱底板和混凝土模板的各項(xiàng)物理力學(xué)性能見表10和表11?？梢钥闯?，本試驗(yàn)方案制得的集裝箱底板各項(xiàng)物理力學(xué)性能已經(jīng)接近山樟和南洋雜木復(fù)合制得的集裝箱底板，而且在膠合強(qiáng)度方面性能更加優(yōu)越。本試驗(yàn)方案制得的混凝土模板的各項(xiàng)物理力學(xué)性能已經(jīng)達(dá)到了強(qiáng)化杉木制備的混凝土模板所具有的性能。

表10 不同樹種的集裝箱底板性能

表11 不同樹種的混凝土模板性能

3 結(jié)論

根據(jù)上述的改性方法、干燥固化工藝和熱壓工藝，制備出特種膠合板，并比較了制得的特種膠合板與不同標(biāo)準(zhǔn)的物理力學(xué)性能要求，以及不同樹種所制得的特種膠合板的性能。該試驗(yàn)方案制得的特種膠合板的物理力學(xué)性能均達(dá)到了中國、日本等國家的標(biāo)準(zhǔn)，單板的強(qiáng)度也達(dá)到了熱帶硬木的水平。