結(jié)構(gòu)用桉木重組木的適宜性制備工藝

雷文成，張亞慧，葛立軍，于文吉*

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所，北京 100091；2.壽光市魯麗木業(yè)股份有限公司，濰坊 262724)

桉樹作為我國三大速生人工林樹種之一，在廣東、廣西等20多個省、自治區(qū)均有分布，種植面積已超2萬m3，可用資源豐富[1]。作為一種生長迅速的優(yōu)良樹種，其木材被廣泛應(yīng)用于紙漿生產(chǎn)與家具制造中。但桉木徑級小、生長應(yīng)力大、具有大量節(jié)子的特點[2]嚴(yán)重影響了其力學(xué)性能與視覺特性，制約桉木的大規(guī)模與高附加值應(yīng)用。借鑒重組技術(shù)可以有效解決這一問題[3-4]，運用重組技術(shù)加工而成的結(jié)構(gòu)用桉木重組木力學(xué)性能得到提升，物理性能更加穩(wěn)定，解決了桉木難以大規(guī)模應(yīng)用的技術(shù)難題，有效克服了桉木徑級小、缺陷多、加工難度大等問題，實現(xiàn)了桉木的高附加值利用。

結(jié)構(gòu)用桉木重組木是以桉木纖維化單板為基本單元，經(jīng)浸漬導(dǎo)入酚醛樹脂后順紋組坯、熱壓(或冷壓熱固化)而成的一種新型高性能重組材料，實現(xiàn)了小材大用、劣材優(yōu)用。由于其性能可控、規(guī)格可調(diào)的特點，桉木重組木廣泛應(yīng)用于室內(nèi)裝修材料及戶外結(jié)構(gòu)用材等領(lǐng)域，受到市場的廣泛認(rèn)可，具有巨大的發(fā)展?jié)摿5-6]。然而不同的應(yīng)用場合對結(jié)構(gòu)用桉木重組木的力學(xué)性能與耐水性能提出了不同的要求，其性能直接影響產(chǎn)品的使用壽命。前人研究[7-8]發(fā)現(xiàn)，密度與施膠量是影響重組木性能的重要工藝因子，對重組木的力學(xué)性能與耐水性能具有顯著影響。因此，本研究以密度與施膠量為主要制備工藝變量，對結(jié)構(gòu)用桉木重組木的適宜性制備工藝進行研究，并對重組木力學(xué)性能數(shù)據(jù)進行擬合，旨在為結(jié)構(gòu)用桉木重組木的多場合應(yīng)用提供參考與依據(jù)，進一步擴大桉木重組木的應(yīng)用范圍。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

桉木試材為尾葉桉(Eucalyptusurophylla)纖維化單板購自廣西，氣干密度0.38 g/cm3，含水率10.14%，尺寸為2 300 mm×240 mm×5 mm，疏解度(5 min吸水5 min瀝干后的吸水率)為39.25%。

酚醛樹脂(PF)膠黏劑購自太爾膠黏劑有限公司，固體含量48.5%，黏度0.135 3 Pa·s(25 ℃)，pH為10.08，水溶倍數(shù)10倍。

1.2 儀器設(shè)備

QD-081熱壓機、WDW-W50微機控制人造板試驗機、三用電熱恒溫水箱、VH-6000材料表面三維輪廓放大觀察系統(tǒng)。

1.3 試驗方法

在桉木重組木的制備過程中，密度與施膠量是影響重組木理化性能的重要指標(biāo)，對于降低產(chǎn)品成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性具有十分重要的意義。因此，選取密度與施膠量作為主要制備工藝變量。

密度是指單位體積內(nèi)板材的質(zhì)量，直接影響板材的力學(xué)性能。本研究在施膠量20%的條件下，通過選取不同質(zhì)量纖維化單板制備相同厚度重組木控制板材密度。設(shè)置5個密度水平分別為0.9，1.0，1.1，1.2和1.3 g/cm3，誤差控制在±0.02 g/cm3，考察密度對桉木重組木性能的影響。

施膠量是指單位體積板材內(nèi)酚醛樹脂所占的比例，直接影響板材的耐水性能。本研究在密度為1.0 g/cm3的條件下，通過選取不同施膠量的纖維化單板制備重組木控制板材施膠量。設(shè)置5個施膠量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)水平分別為10%，15%，20%，25%和30%，誤差控制在±1%，考察施膠量對桉木重組木的性能影響。

1.4 性能測試

抗彎性能參照GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》測定重組木試件的密度、靜曲強度(MOR)與抗彎彈性模量(MOE)。每個條件下測試6個試件，測試結(jié)果取平均值。

耐水性能參照GB/T 17657—2013測定重組木試件在103 ℃/28 h循環(huán)條件下的密度、吸水率(WA)、吸水寬度膨脹率(WS)和吸水厚度膨脹率(TS)。每個條件下測試6個試件，測試結(jié)果取平均值。

利用材料表面三維輪廓放大觀察系統(tǒng)觀察耐水性能測試后重組木試件的端面開裂現(xiàn)象與表面翹曲形貌[9]，以端面裂縫寬度表示端面開裂的嚴(yán)重程度，以微觀輪廓波峰波谷之和Rz表示表面翹曲嚴(yán)重程度。

2 結(jié)果與分析

2.1 桉木重組木力學(xué)性能

2.1.1 密度對力學(xué)性能的影響

同一施膠量(20%)時不同密度條件下桉木重組木的抗彎性能及載荷-位移曲線如圖1所示，靜曲強度與彈性模量的線性回歸模型如圖2所示，密度對桉木重組木抗彎性能影響的方差分析結(jié)果如表1所示。

圖1 不同密度重組木的抗彎性能(A)和載荷-位移曲線(B)Fig.1 Bending properties (A) and load-displacement curves (B) of scrimber with different densities

圖2 靜曲強度(A)與彈性模量(B)的線性回歸模型Fig.2 The linear regression model of MOR (A) and MOE (B)

表1 密度對重組木抗彎性能影響的方差分析Table 1 ANOVE of densities on bending properties of scrimber

由圖1A可知，同一施膠量(20%)下隨著密度的增加，桉木重組木的靜曲強度與彈性模量均呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。密度為0.9 g/cm3時，重組木的靜曲強度與彈性模量最低，分別為111.85和16 091.33 MPa，達到GB/T 20241—2006《單板層積材》中結(jié)構(gòu)用單板層積材的160E級別；密度為1.3 g/cm3時，重組木的靜曲強度與彈性模量達到最大，分別為160.89和21 032 MPa，達到GB/T 20241—2006 中結(jié)構(gòu)用單板層積材的180E級別。密度從0.9 g/cm3增至1.3 g/cm3時，其靜曲強度增加約44%，其中密度自0.9 g/cm3增至1.0 g/cm3時靜曲強度增加最快，約22%，其彈性模量增加約30%，這與密度對孔隙度的影響有關(guān)[10]。由于試件具有密度誤差(±0.02 g/cm3)，同時木材具有非均質(zhì)性，測試點的密度與整體密度會有細(xì)微差異，故不同密度下靜曲強度與彈性模量均具有一定的標(biāo)準(zhǔn)偏差。由圖1B可知，同一施膠量(20%)下不同密度重組木在達到臨界載荷后均呈現(xiàn)階段性下降，在彎曲破壞之前均獲得了5 mm以上的位移。同時隨著密度的增加，彈性變形階段重組木載荷-位移曲線斜率逐漸增大，表示重組木產(chǎn)生單位彈性變形所需的應(yīng)力逐漸增加，即證明重組木的彈性模量逐漸增大。

由圖2可知，靜曲強度與彈性模量的線性回歸方程為yMOR=124.11+4.74x(R2=0.679)和yMOE=13 379.41+3 627.07x(R2=0.847)。結(jié)合方差分析(表1)可知：同一施膠量(20%)下密度對桉木重組木的靜曲強度有顯著影響，對桉木重組木的彈性模量有極顯著影響。這是因為隨著密度的增加，桉木重組木壓縮率增大，單位體積內(nèi)纖維比例逐漸增大，結(jié)構(gòu)逐漸致密化，同時密度的增加導(dǎo)致有效膠合位點進一步增多，兩者協(xié)同作用使重組木更好地承受彎曲載荷，抗彎性能更加優(yōu)異[11]。

2.1.2 施膠量對力學(xué)性能的影響

同一密度(1.0 g/cm3)時不同施膠量條件下桉木重組木的靜曲強度、彈性模量如圖3所示，載荷-位移曲線及試件斷裂形式如圖4所示，施膠量對桉木重組木抗彎性能影響的方差分析結(jié)果如表2所示。

如圖3所示，同一密度(1.0 g/cm3)下各施膠量的桉木重組木均達到GB/T 20241—2006中結(jié)構(gòu)用單板層積材的160E級別，具有結(jié)構(gòu)用材的潛力。其靜曲強度為125～155 MPa，彈性模量為15 000～18 000 MPa，均在小范圍內(nèi)波動，并呈緩慢下降趨勢。結(jié)合方差分析(表2)可知，同一密度(1.0 g/cm3)下施膠量對桉木重組木的靜曲強度、彈性模量并無顯著影響。這是因為在同一密度下，重組木承受載荷的能力主要由纖維決定。施膠量的增加主要影響層板、纖維之間的膠合，固化后的樹脂形成的膠層承受載荷的能力弱于纖維承受載荷的能力，故對重組木的抗彎能力并無顯著影響[9]。

圖3 不同施膠量重組木的靜曲強度(A)與彈性模量(B)Fig.3 MOR(A) and MOE (B) of scrimber with different resin contents

圖4 不同施膠量重組木的載荷-位移曲線(A)及斷裂形式(B) Fig.4 Load-displacement curves (A) and failure results (B) of scrimber with different resin contents

表2 施膠量對重組木抗彎性能影響的方差分析Table 2 ANOVE of resin content on bending properties of scrimber

如圖4A所示，同一密度(1.0 g/cm3)下，不同施膠量重組木在彎曲破壞之前均獲得了5 mm以上的位移，同時獲得了較高的斷裂韌性，這是由重組木的斷裂方式?jīng)Q定的。由各施膠量重組木的破壞模式(圖4B)可知，試件斷裂時首先是底部纖維被撕裂，而后沿膠層傳遞應(yīng)力導(dǎo)致內(nèi)部纖維進一步被拉斷，從而使試件完全破壞。這種逐層破壞的形式可以消耗大量斷裂能以提高纖維斷裂韌性[12]。

2.2 桉木重組木耐水性能

2.2.1 密度對耐水性能的影響

同一施膠量(20%)時不同密度條件下桉木重組木的吸水率、寬度膨脹率、厚度膨脹率如圖5所示，開裂形貌如圖6所示，密度對桉木重組木耐水性能影響的方差分析結(jié)果如表3所示。

圖5 不同密度重組木的耐水性能Fig.5 Water resistance properties of scrimber with different densities

如圖5所示，同一施膠量(20%)下，重組木的吸水率、寬度膨脹率與厚度膨脹率均隨密度的增加呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。密度為1.3 g/cm3時，桉木重組木的吸水率、寬度膨脹率及厚度膨脹率分別為2.67%，0.17%和8.82%，相比密度為0.9 g/cm3時的降幅分別為83.77%，93.39%和33.73%，其中寬度膨脹率遠低于厚度膨脹率，這主要與重組木的制備工藝相關(guān)。在制備過程中，重組木主要受到厚度方向的壓縮作用，厚度方向內(nèi)應(yīng)力遠高于寬度方向內(nèi)應(yīng)力。同時在耐水測試過程中，細(xì)胞在濕熱作用下沿厚度方向膨脹，寬度方向由于細(xì)胞膨脹有進一步收縮的趨勢，從而進一步抑制寬度方向的膨脹趨勢，導(dǎo)致重組木寬度膨脹率遠低于厚度膨脹率[7]。由于木材具有非均質(zhì)性且試件本身具有密度誤差(±0.02 g/cm3)，故不同密度試件的吸水率、寬度膨脹率與厚度膨脹率均具有一定的標(biāo)準(zhǔn)偏差。由不同密度重組木的開裂形貌(圖6)可知：同一施膠量時不同密度重組木均有不同程度的開裂現(xiàn)象，隨著密度的增加，端面開裂程度逐漸嚴(yán)重，裂縫寬度自73.510 μm(ρ=0.9 g/cm3)增長至206.821 μm(ρ=1.3 g/cm3)，增幅為181.35%，開裂現(xiàn)象逐漸明顯。這是因為在濕熱作用下，酚醛樹脂發(fā)生熱解反應(yīng)導(dǎo)致部分膠層失效[13]；同時密度越大，試件內(nèi)部內(nèi)應(yīng)力越大，試件內(nèi)應(yīng)力大于膠層抑制力，導(dǎo)致重組木試件出現(xiàn)層板開裂及木束開裂，從而出現(xiàn)端面開裂現(xiàn)象。

圖6 不同密度重組木的開裂形貌Fig.6 Cracking morphology of scrimber with different densities

表3 密度對重組木耐水性能影響的方差分析Table 3 ANOVA of densities on water resistant of scrimbers

如表3所示，同一施膠量(20%)下，密度對桉木重組木的吸水率與寬度膨脹率有極顯著影響，對桉木重組木的厚度膨脹率有顯著影響。這是因為隨著密度的增大，桉木重組木的孔隙率逐漸降低，進入材料內(nèi)部的水分通道減少，導(dǎo)致吸水率逐漸降低[14]；吸水率在密度為0.9～1.0 g/cm3時變化最大(降低6.91%)，說明密度為0.9～1.0 g/cm3時孔隙率變化最大，這與桉木重組木靜曲強度變化趨勢相符。同時孔隙率的降低導(dǎo)致桉木重組木的致密程度增大，這有利于重組木制備過程(熱壓)中的熱傳導(dǎo)，使酚醛樹脂進一步固化完全，并且酚醛樹脂在壓力的作用下更均勻地浸潤至桉木細(xì)胞中的孔隙與裂縫中，固化后與其形成更多的“鑲嵌”“嚙合”效應(yīng)，導(dǎo)致重組木的有效膠合位點增多[15]，從而增強重組木的穩(wěn)定性。在桉木重組木耐水測試受濕熱作用膨脹時，膠層有效抑制了寬度與厚度方向的膨脹，導(dǎo)致寬度膨脹率與厚度膨脹率均逐漸降低。

2.2.2 施膠量對耐水性能的影響

同一密度(1.0 g/cm3)時不同施膠量條件下桉木重組木的吸水率、寬度膨脹率和厚度膨脹率如圖7所示，耐水測試后試件表面的翹曲現(xiàn)象分析如圖8所示，施膠量對重組木耐水性能影響的方差分析結(jié)果如表4所示。

圖7 不同施膠量重組木的耐水性能Fig.7 Water resistance properties of scrimbers with different resin contents

圖8 不同施膠量重組木的輪廓最大高度Fig.8 The Rz of scrimbers with different resin contents

如圖7所示，同一密度(1.0 g/cm3)下，重組木的吸水率、寬度膨脹率與厚度膨脹率整體上均隨施膠量增加呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，施膠量作用結(jié)果與密度變化影響趨勢基本一致。施膠量為30%時，桉木重組木的吸水率、寬度膨脹率及厚度膨脹率分別為7.67%，0.85%，7.39%，相比施膠量為10%時降幅分別為58.65%，55.26%，71.40%，其中，吸水率、寬度膨脹率與厚度膨脹率均在施膠量為10%～15%時變化最大。這是因為影響重組木試件膨脹的主要因素是浸漬至細(xì)胞腔、細(xì)胞間隙的酚醛樹脂[16]。浸漬過程中，樹脂進入桉木孔隙的能力是一定的。施膠量為10%～15%時，進入桉木細(xì)胞孔隙內(nèi)的酚醛樹脂達到峰值，重組木尺寸穩(wěn)定性增強。繼續(xù)增大施膠量，酚醛樹脂主要集中于層板之間的膠層，對于桉木重組木尺寸穩(wěn)定性的影響減弱。同時，由重組木的翹曲現(xiàn)象分析(圖8)可知：隨著施膠量的增加，重組木試件表面輪廓最大高度Rz逐漸自718.7 μm降至281.7 μm，降幅為60.80%，翹曲現(xiàn)象明顯改善。這是因為隨著施膠量的增加，膠層對于試件內(nèi)應(yīng)力的抑制作用增大，重組木內(nèi)應(yīng)力小于膠層抑制力，內(nèi)應(yīng)力釋放困難導(dǎo)致翹曲現(xiàn)象進一步減弱。

如表4所示，同一密度(1.0 g/cm3)下，施膠量對桉木重組木的寬度膨脹率有顯著影響，對桉木重組木的吸水率與厚度膨脹率有極顯著影響。這是因為隨著施膠量的增加，熱壓過程中沉積在細(xì)胞壁表面與細(xì)胞腔內(nèi)的酚醛樹脂比例增大，有效阻礙了吸濕基團對水分的吸附與水分的傳遞，導(dǎo)致吸水率逐漸降低[17]。同時，施膠量增加時膠層面積增大，酚醛樹脂有效黏附桉木纖維從而使內(nèi)部結(jié)合更加緊密，有效抑制重組木在濕熱作用下產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，阻礙寬度與厚度方向的膨脹，導(dǎo)致寬度膨脹率與厚度膨脹率逐漸降低。

表4 施膠量對重組木耐水性能影響的方差分析Table 4 ANOVE of resin contents on water resistance properties of scrimbers

3 結(jié) 論

1)在本試驗范圍內(nèi)，密度與桉木重組木的抗彎性能和耐水性能呈正相關(guān)性。隨著密度的增加，桉木重組木的抗彎性能與耐水性能逐漸增強；施膠量與桉木重組木的抗彎性能無相關(guān)性，與桉木重組木的耐水性能呈正相關(guān)性。隨著施膠量的增加，桉木重組木的抗彎性能無明顯變化，耐水性能逐漸增強。

2)在本試驗范圍內(nèi)，重組木均達到GB/T 20241—2006中結(jié)構(gòu)用單板層積材的160E級別，具有結(jié)構(gòu)用材的潛力。密度為1.3 g/cm3、施膠量20%時，重組木的抗彎性能最優(yōu)，靜曲強度與彈性模量達到最大，分別為160.89和21 032 MPa，達到GB/T 20241—2006 中結(jié)構(gòu)用單板層積材的180E級別。

3)結(jié)構(gòu)用桉木重組木可通過調(diào)控密度與施膠量調(diào)節(jié)其抗彎性能與耐水性能，具有性能可控的突出優(yōu)勢，在戶外建筑、室內(nèi)裝修等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。