木材防端裂劑的制備及應(yīng)用1)

許凱 張?zhí)旆?伊松林 何正斌

(北京林業(yè)大學(xué)，北京，100083)

木材干燥是實(shí)木制品加工過(guò)程中的必備環(huán)節(jié)，其能耗占整個(gè)木制品加工過(guò)程中能耗的40%～70%，為節(jié)約干燥成本，可采用大氣干燥方法。大氣干燥綠色環(huán)保、工藝簡(jiǎn)單且干燥成本和能耗低，被廣泛應(yīng)用于木材預(yù)干。木材干燥過(guò)程中，由于表層的水分移動(dòng)速率大于木材內(nèi)部，在木材表層含水率低于纖維飽和點(diǎn)后，表層木材先于內(nèi)部干縮，產(chǎn)生干燥應(yīng)力而開(kāi)裂。其中，木材氣干過(guò)程中端裂最容易發(fā)生，其數(shù)量約占開(kāi)裂總數(shù)的95%[1]。

為了提高木材干燥質(zhì)量，減少損耗和浪費(fèi)，通常在氣干過(guò)程中，使用防端裂劑對(duì)木材進(jìn)行封端處理，或是通過(guò)減緩木材端部水分揮發(fā)速率，以及充脹木材細(xì)胞的細(xì)胞壁等方式減少木材開(kāi)裂。目前各類樹(shù)脂、石蠟、瀝青、植物油等材料是國(guó)內(nèi)使用頻率較高的防端裂劑：石蠟和瀝青防裂效果好，但需要對(duì)木材進(jìn)行加熱浸漬處理，其浸漬工藝操作較為困難，且浸漬部位材性及顏色會(huì)發(fā)生改變。劉彥龍等[1]研制的異氰酸酯與多元醇作用形成的預(yù)聚體型聚氨酯可用作防裂涂料，異氰酸酯基會(huì)附著在木材表面上，降低水分子從木材內(nèi)揮發(fā)的速率，能夠有效抑制木材開(kāi)裂；聚乙二醇可以填充木材纖維間的空隙從而緩解開(kāi)裂，饒瑾等[2]研究表明物質(zhì)的量濃度為25%，分子量為1 000的聚乙二醇和石蠟熱處理相結(jié)合，不僅能夠緩解木材的開(kāi)裂問(wèn)題，同時(shí)也具備了一定程度的防霉和防腐效果，但其需要對(duì)木材進(jìn)行浸漬處理，工藝較為復(fù)雜；黃政等[3]研究表明改性后的氮羥甲基樹(shù)脂分子能夠較為容易地進(jìn)入木材細(xì)胞的細(xì)胞壁，有良好的填充效果，改善了木材的尺寸穩(wěn)定性，這種方法對(duì)木材進(jìn)行真空加壓浸漬處理，成本較高；鄒怡佳[4]研究表明三聚氰胺甲醛樹(shù)脂能有效地充脹細(xì)胞壁或細(xì)胞腔，防止木材產(chǎn)生干縮濕脹，從而減少開(kāi)裂，但樹(shù)脂成膜速度慢且工藝較復(fù)雜；Zhang et al.[5]通過(guò)真空壓力浸漬和原位聚合的方法在木材內(nèi)部制備交聯(lián)共聚物網(wǎng)絡(luò)(PMP)，其中的熱致形狀記憶聚合物(SMP)能有效填充細(xì)胞壁、延緩細(xì)胞壁在高溫下的熱膨脹并抵消細(xì)胞壁收縮帶來(lái)的應(yīng)力，從而提高了木材的尺寸穩(wěn)定性，減少了木材的裂紋，但該工藝較為復(fù)雜；Hu et al.[6]研究了低分子量酚醛樹(shù)脂對(duì)木材耐候性能的影響，研究表明楓香和南方松在浸漬低分子量酚醛樹(shù)脂后尺寸穩(wěn)定性均有所增加，但處理后試材端部開(kāi)裂明顯增加，說(shuō)明浸漬處理不能增加木材防裂能力；Ibaez et al.[7]以巨桉為材料測(cè)試了水性石蠟基乳液產(chǎn)品作為防水劑的效率，結(jié)果表明，與未使用防水劑的木材相比，處理過(guò)的木材在尺寸穩(wěn)定性方面有顯著改善并減少了開(kāi)裂，但該方法需對(duì)木材進(jìn)行真空高壓浸漬，較為復(fù)雜；Schorr et al.[8]將有機(jī)硅烷浸漬到細(xì)胞壁中，并結(jié)合適當(dāng)?shù)臒崽幚?，將白云杉木材的尺寸穩(wěn)定性提高高達(dá)35%；高秀文等[9]研制出一種硬質(zhì)木材防裂劑，涂飾于木材兩端表面后能使木材完好率達(dá)98%，防裂效果好且使用簡(jiǎn)單。

針對(duì)當(dāng)前木材氣干過(guò)程中使用的防端裂劑存在制作及使用過(guò)程復(fù)雜、成本高、不易儲(chǔ)存等問(wèn)題，并且本研究為了滿足企業(yè)的需求，擬研究一種安全有效、成本適宜和施工簡(jiǎn)單的木材防端裂方法，能夠減少木材資源的浪費(fèi)和降低企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)成本。

1 材料與方法

榆木(UlmuspumilaL.)，平均含水率為89.56%，平均尺寸為80 mm×60 mm×30 mm；產(chǎn)地為河南省臨潁縣，無(wú)開(kāi)裂、節(jié)子、腐朽等缺陷。低分子漆成膜劑，無(wú)機(jī)填料。

防端裂劑的制備：防端裂劑是由成膜劑、填料和水不同的配比制成。按照m(成膜劑)∶m(填料)∶V(水)=1 g∶2 g∶2 mL(成膜劑質(zhì)量40 g，填料質(zhì)量80 g，水體積80 mL)、3 g∶4 g∶3 mL和3 g∶3 g∶4 mL分別制備不同配比的防端裂劑。將制備的防端裂劑放置于燒杯中并貼好標(biāo)簽，用保鮮膜和橡皮筋密封保存，每隔24 h觀察其分層狀況。在全部防端裂劑都分層(24 h)后用玻璃棒攪拌，觀察攪拌后的防端裂劑是否能夠正常使用。

防端裂劑成膜性能檢測(cè)：將防端裂劑均勻涂飾在清洗干凈且無(wú)雜質(zhì)的透明培養(yǎng)皿上，在溫度為20 ℃、風(fēng)速為0的環(huán)境干燥。每隔10 min觀察1次涂膜情況，記錄表干和實(shí)干時(shí)間，并觀察成膜后的開(kāi)裂和變色情況。

木材涂飾防端裂劑配比：榆木的對(duì)照組A1～A10不涂飾防端裂劑。試驗(yàn)組防端裂劑依照表1進(jìn)行涂飾。

表1 防端裂劑涂飾方法的設(shè)計(jì)

各個(gè)試驗(yàn)組防端裂劑涂飾量均為1 000 g·m-2，涂飾后的表面應(yīng)盡量保持平整，將邊緣處流掛的防端裂劑擦去并稱量其質(zhì)量。

木材涂飾防端裂劑的干燥環(huán)境：北京地區(qū)年平均風(fēng)速為1.8～3.0 m/s，最大風(fēng)速為5.7 m/s。因此，本研究分別在溫度為20、30和40 ℃的條件下進(jìn)行木材氣干，探究不同溫度和20 ℃條件下不同風(fēng)速對(duì)木材氣干過(guò)程的影響，風(fēng)速可以通過(guò)調(diào)整試材與風(fēng)扇的距離而調(diào)節(jié)，弱風(fēng)組風(fēng)速為1.8 m/s，強(qiáng)風(fēng)組風(fēng)速為5.6 m/s，接近北京的年平均風(fēng)速和最大風(fēng)速。對(duì)照組和試驗(yàn)組試材的干燥環(huán)境如表2所示。

表2 干燥環(huán)境的設(shè)計(jì)

干燥中的試材每24 h進(jìn)行稱質(zhì)量以計(jì)算試材的干燥速率，平均干燥速率為各組所有試材干燥速率的平均值。

防端裂劑防裂效果檢測(cè)：氣干過(guò)程中，對(duì)開(kāi)裂試材裂紋的長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量。本試驗(yàn)中依照試材裂紋長(zhǎng)度將裂紋進(jìn)行劃分，并參照竹材開(kāi)裂程度評(píng)定的方法對(duì)防端裂劑效果進(jìn)行評(píng)定[10-11]：裂紋長(zhǎng)度≥10 mm為“長(zhǎng)裂紋”，<10 mm為“短裂紋”。木材無(wú)開(kāi)裂現(xiàn)象為第1等級(jí)；短裂紋≤5條，且長(zhǎng)裂紋≤1條為第2等級(jí)；6<短裂紋<10條、2<長(zhǎng)裂紋<5條，為第3等級(jí)；10≤短裂紋<15條，或5≤長(zhǎng)裂紋<10條，為第4等級(jí)；短裂紋≥15條，或長(zhǎng)裂紋≥10條，為第5等級(jí)。

2 結(jié)果與討論

2.1 防端裂劑保存效果

防端裂劑放置24 h后觀察發(fā)現(xiàn)，m(成膜劑)∶m(填料)∶V(水)=3 g∶4 g∶3 mL配比的防端裂劑分層不明顯，而m(成膜劑)∶m(填料)∶V(水)=1 g∶2 g∶2 mL和3 g∶3 g∶4 mL配比的防端裂劑均發(fā)生明顯的分層現(xiàn)象。其上層為水層，下層為成膜劑和填料混合物。另外，將分層后的防端裂劑再次攪拌，觀察發(fā)現(xiàn)防端裂劑的黏度增加，但仍可以繼續(xù)使用。

在不同的防端裂劑中，由于水分所占比重不同，在長(zhǎng)時(shí)間存放后，水會(huì)與填料、成膜劑混合物分離。位于頂部的水分在長(zhǎng)時(shí)間存放后逐漸揮發(fā)，導(dǎo)致防端裂劑黏度增大，當(dāng)水分完全揮發(fā)后即不能正常使用。

2.2 防端裂劑成膜情況

防端裂劑的成膜時(shí)間如表3所示，成膜后的各組防端裂劑膜均未發(fā)生開(kāi)裂，且無(wú)氣泡、變色等現(xiàn)象發(fā)生。

表3 防端裂劑成膜時(shí)間

m(成膜劑)∶m(填料)∶V(水)=1 g∶2 g∶2 mL配比的防端裂劑表干時(shí)間和實(shí)干時(shí)間最長(zhǎng)。當(dāng)成膜劑與填料的質(zhì)量總和占防端裂劑整體質(zhì)量百分比固定時(shí)，增大填料質(zhì)量的同時(shí)降低成膜劑的質(zhì)量會(huì)阻礙涂料成膜，延長(zhǎng)涂膜固化時(shí)間。而水分降低后，防端裂劑黏度增加的同時(shí)減少了干燥時(shí)間，說(shuō)明水分是影響防端裂劑成膜的最主要因素，降低水分含量能使防端裂劑更快固化。

吳華貴等[12]、劉如等[13]在研究中發(fā)現(xiàn)：固體質(zhì)量占比較低的涂料含有較高的基礎(chǔ)水分，在成膜初期水分揮發(fā)的質(zhì)量更大；而固體質(zhì)量占比較高的涂料，在干燥初期有著更大的揮發(fā)速度；在涂膜干燥初期，水分揮發(fā)較快，在涂膜干燥階段中，涂料中的固體成分，如填料或膠粒，會(huì)相互接近并呈現(xiàn)緊密排列的狀態(tài)，從而阻止水分繼續(xù)流失，因此當(dāng)涂料水分揮發(fā)速度與涂料成膜速度相匹配時(shí)，成膜速度最快。在該試驗(yàn)中，m(成膜劑)∶m(填料)∶V(水)=1 g∶2 g∶2 mL配比的防端裂劑干燥時(shí)間最長(zhǎng)，說(shuō)明該組防端裂劑水分質(zhì)量占比過(guò)高，水分揮發(fā)速度與成膜速度不匹配，其揮發(fā)速度大于成膜速度，干燥時(shí)間延長(zhǎng)。

2.3 木材干燥速率

2.3.1 試材涂飾不同防端裂劑的干燥速率

如表4所示，將不同干燥環(huán)境涂飾相同配比防端裂劑的試材含水率取平均值，對(duì)比干燥速率發(fā)現(xiàn)：涂飾m(成膜劑)∶m(填料)∶V(水)=1 g∶2 g∶2 mL防端裂劑的試材干燥速率>涂飾m(成膜劑)∶m(填料)∶V(水)=3 g∶3 g∶4 mL防端裂劑的試材干燥速率>涂飾m(成膜劑)∶m(填料)∶V(水)=3 g∶4 g∶3 mL防端裂劑的試材干燥速率>對(duì)照組的試材干燥速率。

表4 榆木試材的含水率參數(shù)

在涂飾24 h后試材質(zhì)量大幅減少，說(shuō)明該階段有較多的水分從木材中流失，可能是由于防端裂劑中的水分和木材表面水分揮發(fā)較快。試驗(yàn)組干燥初期水分質(zhì)量的揮發(fā)大于對(duì)照組，是因?yàn)榉蓝肆褎┲械乃窒葥]發(fā)，其揮發(fā)速度大于木材原本的表面揮發(fā)速度。干燥初期木材內(nèi)部自由水含量較大，在涂飾防端裂劑后，自由水由內(nèi)到外的移動(dòng)速度和木材表面的揮發(fā)速度相匹配，干燥速率較高；木材中的自由水首先揮發(fā)，需要的能量比結(jié)合水更低，因此干燥速率較快[14]，當(dāng)含水率降低至自由水完全揮發(fā)，木材中的結(jié)合水開(kāi)始干燥，干燥速率較慢。所以試驗(yàn)組和對(duì)照組的試材在干燥初期干燥速率較高，而隨著干燥時(shí)間的延長(zhǎng)，木材的干燥速率逐漸下降。現(xiàn)有研究表明，涂層的性質(zhì)和有無(wú)會(huì)影響木材表面的熱性質(zhì)，對(duì)木材的干燥速率產(chǎn)生影響[15]。試材的干燥速率受到了不同配比的防端裂劑的影響，通過(guò)計(jì)算試材在96 h內(nèi)干燥速率平均值，其中m(成膜劑)∶m(填料)∶V(水)=1 g∶2 g∶2 mL配比的防端裂劑對(duì)干燥速率影響最大，變化率為5.1%，其余防端裂劑對(duì)干燥速率影響較小，變化率為1.2%和0.7%。

2.3.2 試材在不同環(huán)境中干燥速率

由表5可知，將相同干燥環(huán)境涂飾不同配比防端裂劑的試材含水率取平均值，對(duì)比干燥速率發(fā)現(xiàn)：溫度40 ℃、風(fēng)速0環(huán)境的干燥速率>溫度30 ℃、風(fēng)速0環(huán)境的干燥速率>溫度20 ℃、風(fēng)速5.6 m/s環(huán)境的干燥速率>溫度20 ℃、風(fēng)速1.8 m/s環(huán)境的干燥速率>溫度20 ℃、風(fēng)速0環(huán)境的干燥速率。

表5 榆木試材的干燥速率參數(shù)

風(fēng)速對(duì)木材干燥速率的影響取決于內(nèi)部阻力和外部阻力兩方面，木材內(nèi)部阻力主要受內(nèi)含物、含水率等因素的影響，而外部阻力則與空氣和木材表面之間的質(zhì)量交換系數(shù)有關(guān)[16]。當(dāng)外部阻力在干燥過(guò)程中起主要作用時(shí)，提高風(fēng)速能夠提高質(zhì)量交換系數(shù)，木材表面的傳質(zhì)阻力降低，提高了木材干燥速率。當(dāng)內(nèi)部阻力在干燥過(guò)程中起主要作用時(shí)，提高風(fēng)速對(duì)干燥速率的提高不明顯。榆木是硬闊葉材，樹(shù)脂道內(nèi)含有較多內(nèi)含物，所以在干燥時(shí)內(nèi)部阻力較大，即使風(fēng)速為5.6 m/s，溫度為20 ℃環(huán)境的干燥速率，也不能超過(guò)30 ℃和40 ℃環(huán)境的干燥速率。內(nèi)部阻力作用的同時(shí)，較低的溫度使得水分不能更好地吸收熱量氣化，所以干燥速率較慢。而提高環(huán)境溫度可以提高木材內(nèi)部水分子的內(nèi)能，提高水分子移動(dòng)速度，使木材干燥速率加快。

2.3.3 試材干燥速率曲線擬合

為使干燥環(huán)境對(duì)榆木干燥的影響曲線更加有理論意義，以及企業(yè)能夠在實(shí)際生產(chǎn)制造中應(yīng)用，對(duì)榆木在20 ℃環(huán)境下的干燥曲線進(jìn)行模型建立。涂飾不同配比防端裂劑的榆木在相同環(huán)境干燥速率趨勢(shì)大致相同，所以暫時(shí)忽略不同防端裂劑對(duì)干燥速率造成的影響，將20 ℃干燥環(huán)境的榆木試驗(yàn)組干燥速率變化曲線各自回歸，得到的具體公式如下：

V=23.654 21×t-1.574 31,R2=0.982 7,

(1)

V=27.785 2×t-1.938 41,R2=0.992 3,

(2)

V=31.767 05×t-2.461 36,R2=0.992 3,

(3)

V=A×t-B。

(4)

式中：V為干燥速率；A，B為系數(shù)；t為干燥時(shí)間。

其中公式(1)為試驗(yàn)組試材在溫度20 ℃、風(fēng)速0環(huán)境的回歸方程，公式(2)為試驗(yàn)組試材在溫度20 ℃、風(fēng)速1.8 m/s環(huán)境的回歸方程，公式(3)為試驗(yàn)組試材在溫度20 ℃、風(fēng)速5.6 m/s環(huán)境的回歸方程，公式(4)為溫度20 ℃干燥環(huán)境的回歸方程通式。

如圖1所示，三組回歸方程的回歸效果良好，試材干燥速率的理論值與實(shí)際值的擬合程度較高，且三組試材的干燥速率曲線回歸方程均滿足方程通式。說(shuō)明在不同的風(fēng)速環(huán)境中，涂飾不同的防端裂劑試驗(yàn)組試材的干燥速率降低速度及趨勢(shì)類似，所以榆木在涂飾防端裂劑后的平均干燥速率僅受干燥初期木材干燥速率影響。通過(guò)提高風(fēng)速和保持木材較高自由水含量的方式不僅能保證干燥質(zhì)量，同時(shí)也能提高木材的干燥速率。

圖1 不同環(huán)境中試材干燥速率回歸方程

2.4 木材開(kāi)裂情況

根據(jù)表6中的開(kāi)裂情況所示，榆木在涂飾不同配比的防端裂劑后，平均開(kāi)裂等級(jí)由3.5降為2，降低了42.9%。同時(shí)，平均每塊試材短裂紋數(shù)降低了78.7%，長(zhǎng)裂紋數(shù)降低了76.9%。裂紋數(shù)明顯降低，說(shuō)明該防端裂劑通過(guò)覆蓋木材表面的方式，降低了木材表面水分的流失速度，降低了木材內(nèi)部的含水率梯度，從而減小了木材表面的拉伸應(yīng)力，有較好的防裂效果。

表6 榆木開(kāi)裂情況對(duì)比

由表7可知，榆木涂飾防端裂劑后最適宜的干燥環(huán)境是溫度20 ℃、風(fēng)速0，平均每塊試材短裂紋條數(shù)為0.5條，長(zhǎng)裂紋為0.2條。但該環(huán)境木材干燥速率最慢，從而影響企業(yè)的生產(chǎn)成本和利益，所以綜合干燥速率因素，溫度20 ℃、風(fēng)速1.8 m/s環(huán)境干燥效果最佳，平均每塊試材短裂紋數(shù)為2條，長(zhǎng)裂紋為0.3條。雖然相比溫度20 ℃、風(fēng)速0環(huán)境，短裂紋數(shù)增加了75.0%，長(zhǎng)裂紋數(shù)增加了33.3%，但干燥速率較高，綜合干燥效果最佳。

表7 榆木在不同干燥環(huán)境的開(kāi)裂情況

同時(shí)從表7中可知，升高木材干燥溫度和提高木材干燥風(fēng)速均會(huì)導(dǎo)致木材裂紋數(shù)增加。研究表明，溫度升高會(huì)導(dǎo)致木材表層橫紋抗拉強(qiáng)度降低，導(dǎo)致表裂更容易發(fā)生[17]。同時(shí)由于風(fēng)速提高加大了木材表面的水分流失速率，木材內(nèi)部的水分沿纖維方向的端表層及垂直于纖維方向的木材表層水分迅速排出，增大了含水率梯度，表層與內(nèi)部收縮不均勻而形成過(guò)大的拉應(yīng)力所致[18]。

根據(jù)表8所示，榆木在涂飾m(成膜劑)∶m(填料)∶V(水)=3 g∶4 g∶3 mL配比的防端裂劑后防裂效果最好。平均每塊試材短裂紋數(shù)為1.6條，長(zhǎng)裂紋數(shù)為0.3條，相較涂飾m(成膜劑)∶m(填料)∶V(水)=1 g∶2 g∶2 mL和3 g∶3 g∶4 mL配比的防端裂劑試驗(yàn)組，短裂紋數(shù)量減少了40.7%和69.2%，長(zhǎng)裂紋數(shù)量減少了50.0%和66.7%。相比對(duì)照組，涂飾3 g∶4 g∶3 mL防端裂劑的試驗(yàn)組短裂紋數(shù)降低了89.3%，長(zhǎng)裂紋數(shù)降低了88.5%。

表8 榆木涂飾不同防端裂劑開(kāi)裂情況

在涂飾量和干燥環(huán)境相同的情況下，涂層組成和結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)涂膜的附著力、硬度等性質(zhì)產(chǎn)生影響[19]。m(成膜劑)∶m(填料)∶V(水)=3 g∶4 g∶3 mL配比的防端裂劑相較涂飾m(成膜劑)∶m(填料)∶V(水)=1 g∶2 g∶2 mL和3 g∶3 g∶4 mL配比防端裂劑的最大優(yōu)勢(shì)在于黏度適中、成膜均勻和附著性好不易脫落，能夠在干燥時(shí)均勻地降低木材表面水分的揮發(fā)速率，從而減少木材表面拉伸應(yīng)力的產(chǎn)生。m(成膜劑)∶m(填料)∶V(水)=3 g∶4 g∶3 mL配比的防端裂劑有著較大的填料組分質(zhì)量占比，且無(wú)機(jī)填料較小的體積能夠很好地堵塞木材中水分流失的通道，從而降低表面水分的揮發(fā)。

3 結(jié)論

木材涂飾防端裂劑后防裂效果良好，涂飾防端裂劑的全部試材相較未涂飾組，平均每塊試材短裂紋數(shù)降低78.7%，長(zhǎng)裂紋數(shù)降低76.9%。

溫度20 ℃、風(fēng)速0環(huán)境木材的開(kāi)裂數(shù)較少；溫度40 ℃、風(fēng)速0環(huán)境的干燥速率最高，但極易出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。綜合對(duì)比溫度為20 ℃、風(fēng)速為1.8 m/s環(huán)境的干燥速率較快且干燥效果較好。

m(成膜劑)∶m(填料)∶V(水)=3 g∶4 g∶3 mL配比的防端裂劑防裂效果最好，相較對(duì)照組木材在涂飾后短裂紋數(shù)量降低了89.3%，長(zhǎng)裂紋數(shù)量降低了88.5%。

綜合試驗(yàn)結(jié)果，該防端裂劑有較好的使用效果。相較市面上其他現(xiàn)有防端裂劑，該防端裂劑最大優(yōu)勢(shì)在于制備簡(jiǎn)單，可根據(jù)實(shí)際需要的涂飾面積計(jì)算各組分質(zhì)量；涂飾簡(jiǎn)單，僅需刷涂即可，節(jié)省加工成本；防裂效果好，裂紋數(shù)有明顯降低；易于保存和長(zhǎng)時(shí)間使用。m(成膜劑)∶m(填料)∶V(水)=3 g∶4 g∶3 mL配比的防端裂劑防裂效果最佳。在實(shí)際生產(chǎn)中，可根據(jù)實(shí)際情況選擇干燥環(huán)境并涂飾防端裂劑。