二羥甲基二羥乙基乙烯脲樹脂處理對(duì)尾巨桉木材尺寸穩(wěn)定性的影響

雷福娟，王軍鋒，黃騰華，宋戀環(huán)

（廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院 廣西木材資源培育質(zhì)量控制工程技術(shù)研究中心，廣西南寧 530002）

木材屬多孔性材料，大的孔隙有細(xì)胞腔和紋孔等，小的有微纖維間隙；木材中有許多親水基團(tuán)，水分很容易滲透到木材內(nèi)部，并與木材中的某些成分以化學(xué)鍵或氫鍵形式結(jié)合，引起纖維潤脹，使木材尺寸發(fā)生變化，即木材的干縮濕脹[1]。木材是各向異性材料，各方向上的干縮濕脹不均勻，容易產(chǎn)生翹曲、變形和開裂等缺陷，極大地制約了木材的應(yīng)用范圍。因此，改善木材的尺寸穩(wěn)定性對(duì)木材的高效利用有重要意義。尾巨桉（Eucalyptus urophylla×E.grandis）是尾葉桉（E.urophylla）和巨桉（E.gran?dis）雜交的無性系[2]，為廣西種植面積較大的用材林樹種，由于自身的生長應(yīng)力和內(nèi)部構(gòu)造特征，其木材的體積干縮濕脹率較大，干縮濕脹不均勻，在加工和使用過程中易開裂和變形[3]。

樹脂浸漬處理木材是提高木材尺寸穩(wěn)定性的有效方法。常用的浸漬樹脂有酚醛樹脂、三聚氰胺甲醛樹脂和尿素改性三聚氰胺甲醛樹脂等，均能顯著改善木材的防水性和尺寸穩(wěn)定性，但樹脂的黏滯性、固化硬脆性和縮水性也易造成木材開裂及內(nèi)外材性差異[4]。二羥甲基二羥乙基乙烯脲（DMDHEU）是具有多羥甲基活性的合成樹脂預(yù)聚體，主要用于紡織品的耐久定型整理；可提高纖維素纖維的彈性模量，增強(qiáng)纖維的形變恢復(fù)能力，應(yīng)用在棉、粘膠、人造棉和富纖紡織品上時(shí)，具有良好的防縮和抗皺效果[5]；DMDHEU 能與木材纖維素纖維分子中的羥基發(fā)生共價(jià)交聯(lián)，生成網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)，降低木材中的親水基團(tuán)游離羥基，提高木材尺寸穩(wěn)定性[6-7]。利用DMDHEU 良好的防皺縮性、高滲透性和對(duì)木材纖維的高反應(yīng)活性[8]，通過真空-加壓的方法對(duì)木材進(jìn)行浸漬處理，處理后的木材具有良好的尺寸穩(wěn)定性、抗菌性、抗蟲性和抗老化性等[9-10]。本研究以尾巨桉木材為研究對(duì)象，采用真空-加壓方法對(duì)木材進(jìn)行DMDHEU 樹脂浸漬處理，分析處理后木材的抗脹（縮）率、抗吸水率和密度及木材的尺寸穩(wěn)定性和物理力學(xué)性質(zhì)，以期為提高尾巨桉木材綜合品質(zhì)、擴(kuò)大木材應(yīng)用范圍提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試材為6年生尾巨桉木材，2021年8月采于廣西壯族自治區(qū)國有高峰林場(chǎng)六里分場(chǎng)。選取3株直徑16 cm、干型通直且無明顯缺陷的標(biāo)準(zhǔn)木，分別截取1.3 ～4.3 m 段原木。將原木制成鋸材，置于室內(nèi)氣干；根據(jù)GB/T 1929-2009[11]將鋸材制成標(biāo)準(zhǔn)試樣，試樣規(guī)格為20 mm×20 mm×20 mm。

1.2 試驗(yàn)儀器

真空加壓浸漬處理罐（山東諸城市安太機(jī)械有限公司，中國）、電熱鼓風(fēng)干燥箱（美墨爾特（上海）貿(mào)易有限公司，德國）、電子天平（梅特勒－托利多儀器（上海）有限公司，中國，精度為0.001 g）和千分尺（三量量具，中國，精度為0.001 mm）。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 浸漬處理

采用全因素試驗(yàn)方法，對(duì)木材進(jìn)行DMDHEU 樹脂真空-加壓浸漬處理，設(shè)置兩個(gè)因素（濃度、壓力），每因素4 水平，濃度為5%、10%、20%和30%，壓力為0.3、0.6、0.9和1.2 MPa；共16組試驗(yàn)，每組40塊試樣。將全部標(biāo)準(zhǔn)試樣（包括處理材和未處理材）在（103±5）℃下絕干，測(cè)量尺寸和質(zhì)量，密封,備用。將固體含量為40%的DMDHEU 樹脂溶液按質(zhì)量比配制成濃度為5%、10%、20%和30%的樹脂溶液，按質(zhì)量比分別在樹脂溶液中加入1.5%的MgCl2催化劑[12]。將待處理試樣置于真空罐內(nèi)，抽真空使真空罐內(nèi)壓力達(dá)到0.08 MPa以下，保持30 min，排除木材細(xì)胞腔中的水分和空氣，之后向罐內(nèi)注入不同濃度樹脂溶液，在不同加壓壓力下浸漬1 h；取出試樣，自然條件下晾1天后，120 ℃下烘至絕干[12]。

1.3.2 測(cè)試及計(jì)算方法

依據(jù)GB/T 1932-2009[13]測(cè)定木材的干縮性；依據(jù)GB/T 1933-2009[14]測(cè)定木材的密度；依據(jù)GB/T 1934.1-2009[15]測(cè)定木材的濕脹性及吸水率。增重率（WPG，%）為注入木材的處理劑固體含量與未處理材絕干質(zhì)量的百分比，計(jì)算公式為[16]：

式中，GC為未處理材的絕干重量（g）；GT為處理材的絕干重量（g）。

體積抗脹（縮）率（ASE，%）為浸漬處理材從飽水狀態(tài)至氣干/絕干狀態(tài)的體積干縮率或從絕干狀態(tài)至飽水狀態(tài)的體積濕脹率與未處理材的比較，計(jì)算公式為[16]：

式中，VC為未處理材的體積濕脹（縮）率；VT為處理材的體積濕脹（縮）率。

抗吸水率（RWA，%）為處理材從絕干狀態(tài)至飽水狀態(tài)吸水率與未處理材的比較，計(jì)算公式為[16]：

式中，WC為未處理材的吸水率；WT為處理材的吸水率。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 軟件處理數(shù)據(jù)；依據(jù)GB/T 1928-2009[17]計(jì)算各指標(biāo)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 方差分析

經(jīng)DMDHEU 樹脂真空-加壓處理后，木材的尺寸穩(wěn)定性顯著提升；樹脂濃度和加壓壓力對(duì)木材的增重率和密度均影響顯著或極顯著（P< 0.05，P<0.01）（除加壓壓力對(duì)氣干密度的影響）；樹脂濃度對(duì)木材增重率和密度的影響大于加壓壓力（表1）。

表1 方差分析Tab.1 Variance analysis

2.2 增重率與木材密度分析

2.2.1 樹脂濃度和加壓壓力對(duì)木材增重率的影響

樹脂濃度為30%、加壓壓力為1.2 MPa 時(shí)，處理材的增重率最大（23.85%）；樹脂濃度為5%、加壓壓力為0.3 MPa 時(shí)，增重率最?。?.57%）（圖1）。木材增重率隨樹脂濃度增加而增加。加壓壓力為0.3 和0.6 MPa時(shí)，隨樹脂濃度從5%增至30%，木材增重率分別從3.57%和4.19%增至18.81%和21.72%，增速較快。加壓壓力為0.9 和1.2 MPa 時(shí)，隨樹脂濃度從5%增至20%，木材增重率分別從4.48%和5.16%增至18.39%和18.64%，增速較快；濃度高于20%時(shí)，增重率的增速開始減緩。木材增重率隨加壓壓力增加而增加。相同樹脂濃度下，加壓壓力≥0.9 MPa時(shí)，木材增重率基本保持不變，趨于飽和。

圖1 樹脂濃度和加壓壓力對(duì)尾巨桉木材增重率的影響Fig.1 Effects of resin concentration and pressure on weight gain rate of E.urophylla×E.grandis woods

2.2.2 樹脂濃度和加壓壓力對(duì)木材密度的影響

木材密度與其力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)，木材的各力學(xué)性質(zhì)基本隨木材密度增加而變大[18]。未處理材的基本密度、氣干密度和全干密度分別為0.409、0.492和0.465 g/cm3（圖2）。處理材的基本密度、氣干密度和全干密度均隨樹脂濃度和加壓壓力增加而增加。樹脂濃度為5%、加壓壓力為0.3 MPa 時(shí)，木材基本密度為0.437 g/cm3，比未處理材高出6.85%；氣干密度為0.508 g/cm3，比未處理材高出3.25%；全干密度為0.477 g/cm3，比未處理材高出2.58%。樹脂濃度為30%、加壓壓力為1.2 MPa 時(shí)，木材基本密度為0.519 g/cm3，比未處理材高出26.89%；氣干密度為0.590 g/cm3，比未處理材高出19.92%；全干密度為0.557 g/cm3，比未處理材高出19.78%。樹脂濃度從5%增至20%時(shí)，各加壓壓力下的木材基本密度、氣干密度和全干密度均增速較快；樹脂濃度高于20%、加壓壓力≥0.6 MPa 時(shí)，木材基本密度、氣干密度和全干密度增速減緩。

圖2 樹脂濃度和加壓壓力對(duì)尾巨桉木材密度的影響Fig.2 Effects of resin concentration and pressure on densities of E.urophylla×E.grandis woods

2.3 尺寸穩(wěn)定性分析

2.3.1 抗縮率分析

木材增重率最大（23.85%）、加壓壓力為1.2 MPa 時(shí)，處理材的氣干體積干縮率從7.0%降至1.9%，氣干抗縮率達(dá)到最大值（72.9%）；全干體積干縮率從11.8%降至6.3%，全干抗縮率達(dá)到最大值（46.6%）（圖3）。木材氣干和全干抗縮率均隨增重率增加而增加。加壓壓力為0.9 MPa時(shí)，隨增重率由4.48%增至23.74%，處理材的氣干和全干抗縮率分別由55.7%和33.1%增至71.4%和44.1%。加壓壓力≥0.9 MPa、增重率為9%～10%左右時(shí)，木材氣干和全干抗縮率增速減緩。增重率相近時(shí)，隨加壓壓力增加，木材氣干和全干抗縮率總體呈增加趨勢(shì)。

圖3 增重率對(duì)尾巨桉木材抗縮率的影響Fig.3 Effects of weight gain rate on shrinkage resistance rates of E.urophylla×E.grandis woods

2.3.2 木材抗脹率分析

木材增重率最大（23.85%）、加壓壓力為1.2 MPa 時(shí)，處理材的體積濕脹率從15.5%降至7.2%，抗脹率達(dá)到最大值（53.5%）（圖4）。木材抗脹率隨增重率增加而增加。壓力為0.9 MPa 時(shí)，隨增重率由4.48%增至23.74%，木材抗脹率由43.2%增至52.3%。增重率為9%～10%左右，木材抗脹率增速減緩。增重率相近時(shí)，隨加壓壓力增加，木材抗脹率增加。

圖4 增重率對(duì)尾巨桉木材抗脹率的影響Fig.4 Effects of weight gain rate on swelling resistance rate of E.urophylla×E.grandis woods

2.3.3 木材吸水率分析

木材增重率最大（23.85%）、加壓壓力為1.2 MPa時(shí)，處理材吸水率從132.5%降至45.7%，抗吸水率達(dá)到最大值（65.5%）（圖5）。木材抗吸水率隨增重率增加而增加。壓力為0.9MPa 時(shí)，隨增重率由4.48%增至23.74%，木材抗吸水率由32.5%增至64.5%。增重率相近時(shí)，隨加壓壓力增加，木材抗吸水率基本保持不變。

圖5 增重率對(duì)尾巨桉木材抗吸水率的影響Fig.5 Effects of weight gain rate on water absorption resistance rate of E.urophylla×E.grandis woods

3 討論與結(jié)論

尾巨桉木材經(jīng)DMDHEU 樹脂真空-加壓處理后，其密度明顯提高。處理材的增重率隨樹脂濃度和加壓壓力的增加而增加。處理材的增重率除與樹脂濃度、加壓壓力等密切相關(guān)外，還與木材的滲透性密切相關(guān)。畢增[19]采用20%復(fù)合改性DMD?HEU 樹脂溶液，在真空0.09 MPa、加壓壓力2.5 MPa條件下，對(duì)速生楊木浸漬2 h，其增重率為42.75%，抗吸水率為44.1%，抗脹率為60.0%。本研究中，采用20% DMDHEU 樹脂溶液，在真空度0.08 MPa、加壓壓力1.2 MPa的條件下，對(duì)尾巨桉木材浸漬1 h，其增重率為18.64%，抗吸水率為56.0%，抗脹率為56.1%。對(duì)比可知，相同DMDHEU樹脂溶液濃度下，本研究中處理材的增重率與畢增[19]所得的結(jié)果相差較大，抗吸水率和抗脹率相當(dāng)。除處理?xiàng)l件不同外，主要是因?yàn)闃浞N不同；桉樹木材含有大量樹膠等內(nèi)含物，堵塞部分細(xì)胞腔[13-14]，樹脂溶液較難滲透，因此增重率較低。但另一方面，木材中樹膠等內(nèi)含物豐富，可能與樹脂發(fā)生作用形成聚合物，改善木材尺寸穩(wěn)定性。

經(jīng)DMDHEU 樹脂真空-加壓處理后，尾巨桉木材的尺寸穩(wěn)定性顯著提高。當(dāng)木材增重率為23.85%、加壓壓力為1.2 MPa 時(shí)，氣干抗縮率、全干抗縮率、抗脹率和抗吸水率分別為72.9%、46.6%、53.5%和65.5%。在相同壓力下處理的尾巨桉木材抗脹（縮）率、抗吸水率均隨增重率的增加而增加；壓力≥0.9 MPa時(shí)，增重率達(dá)到9%～10%左右，處理材的抗脹（縮）率增速開始減緩。在增重率相同、處理壓力提高的情況下，處理材的抗脹（縮）率也增加，這是由于增加壓力可使樹脂在木材中分布更均勻，提高木材的抗脹（縮）率。

不同樹種木材中內(nèi)含物種類和量的差異不同程度地影響著木材的滲透性。采用DMDHEU 樹脂處理不同樹種木材，在使木材尺寸穩(wěn)定性的改善效果達(dá)到相同的情況下，內(nèi)含物豐富的木材對(duì)樹脂的消耗量比內(nèi)含物較少的木材低，可降低處理成本。本研究沒有對(duì)樹脂與木材內(nèi)含物的相互作用進(jìn)行深入研究，今后可在這方面進(jìn)一步研究。