陳明及 吳金絨 鄧玉和 侯天宇 王新洲 陳驍軼 張 健

(1.南京林業(yè)大學材料科學與工程學院，江蘇 南京 210037；2.東北農(nóng)林高等學校，越南 涼山； 3.江蘇沿江地區(qū)農(nóng)業(yè)科學研究所，江蘇 如皋 226541)

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竹柳枝椏材重組木的研制

陳明及1,2吳金絨1鄧玉和1侯天宇1王新洲1陳驍軼1張 健3

(1.南京林業(yè)大學材料科學與工程學院，江蘇 南京 210037；2.東北農(nóng)林高等學校，越南 涼山； 3.江蘇沿江地區(qū)農(nóng)業(yè)科學研究所，江蘇 如皋 226541)

以幼齡竹柳枝椏材為原料，通過對竹柳枝椏材酸堿性、密度、干縮性、表面接觸角以及密度、施膠量對竹柳重組木物理力學性能的影響進行研究。結果表明，竹柳枝椏材的pH為6.43～6.46，呈弱酸性，酸堿緩沖容量為34.63～38.94 mL，全干干縮率為1.86，氣干干縮率為1.91；利用表面張力測量儀測得，竹柳枝椏材外表面MUF接觸角為54.52°，內(nèi)表面為37.27°。在板材密度0.9 g/cm3、三聚氰胺改性脲醛樹脂(MUF)施膠量14%、熱壓溫度160℃、加壓時間20 min、木束含水率6%條件下制得的竹柳重組木彈性模量為 12 948.68 MPa，達到GB/T 4897.7—2003《刨花板》的要求；靜曲強度為105.08 MPa，內(nèi)結合強度為2.07 MPa，2 h吸水厚度膨脹率為3.49%，其值均達到了LY/T 1984—2011《重組木地板》的要求。SEM圖像表明MUF壓制的竹柳重組木的管孔被壓縮成橢圓形，但細胞壁本身并沒有被壓潰，仍然保持了其完整性；紅外光譜儀測試結果表明，竹柳的纖維素和半纖維素均與膠黏劑發(fā)生反應，存在化學鍵的結合。

竹柳；枝椏材；重組木；密度；施膠量；物理力學性能

竹柳(Salixdiscolor)為楊柳科柳屬喬木，竹柳具有生長速度快、適應能力強、材質(zhì)優(yōu)良、干形優(yōu)美、木材用途多樣等諸多優(yōu)點，是工業(yè)原料、鹽堿地造林、湖泊灘涂造林、園林綠化、環(huán)境生物修復的理想樹種，具有巨大的推廣價值和廣闊的發(fā)展前景。竹柳對于豐富中國速生樹品種，改良速生木材品質(zhì)，擴大造林地域，防止速生林建設因物種單一而造成的生態(tài)平衡破壞等具有深遠的意義和重大的影響。竹柳在湖泊灘涂(水淹2個月仍能正常生長)、鹽堿地(可適應土壤pH8.0～8.5，含鹽量0.8%的重鹽堿地區(qū))均可栽植，可以有效擴大造林地域，提高土地利用率，降低造林成本[1-2]。

目前，關于竹柳木材應用的研究相對較少。董葛平等[3]利用竹柳枝椏材和小徑級材研制了竹柳刨花板。中國重組木的研究原材料一直局限于楊木(Populusspp.)、松木(Pinusspp.)、樺木(Betulaluminifera)、沙柳(Salixcheilophila)等樹種，且主要集中在對其靜曲強度、彈性模量、碾壓計算公式、設計碾壓設備關鍵參數(shù)等方面的研究。本試驗以幼齡竹柳枝椏材為原料，通過對竹柳枝椏材酸堿性、密度、干縮性、表面接觸角以及密度、施膠量對竹柳重組木物理力學性能的影響進行探討，以期為竹柳制造重組木的研究提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

2.5年生竹柳枝椏材，取自江蘇省如東縣，經(jīng)剝皮后縱向劈成木束并截50 cm備用。膠黏劑為三聚氰胺改性脲醛樹脂(MUF)，黏度723.4 s(涂四粘度計)，固含量55.7%，pH 7.97，購于山東曲阜市慧迪化工有限責任公司生產(chǎn)。

試驗分析儀器：XBL平板硫化機、8104電子萬能試驗機、JC2000A靜滴接觸角/界面張力測量儀、X-射線衍射(XRD)，掃描電子顯微鏡(SEM)。

1.2 試驗方法

1) 竹柳枝椏材酸堿性與干縮性的分析。參照GB/T 6043—1999《木材pH值測定方法》和GB/T 17660—1999《木材緩沖容量測定方法》對竹柳枝椏材的酸堿性進行分析。竹柳徑向干縮、弦向干縮及體積干縮根據(jù)GB/T 1932—2009《木材干縮性測定方法》進行測定。

2) 表面接觸角的測定。將竹柳枝椏材進行去皮、剖分制得試件，放入JC2000A靜滴接觸角/界面張力測量儀的樣品池中，然后分別將被測液0.001 mL滴在木材表面上(與樹皮相鄰的木質(zhì)部表面為外表面，不相鄰的為內(nèi)表面)，通過JC2000A靜滴接觸角/界面張力測量儀測定接觸角。

3) 膠合界面微觀構造分析。將竹柳枝椏材表面浸漬脲醛樹脂膠黏劑后，截取長寬小于10 mm，高度小于5 mm的試樣，固定好樣品后對樣品進行清洗，采用溶劑梯度脫水法對樣品逐一進行脫水處理。樣品經(jīng)過干燥處理后進行樣品表面噴鍍薄層金膜，以增加二波電子束。最后應用荷蘭FEI環(huán)境掃描電子顯微鏡對樣品進行觀察。

4) 試制竹柳重組木。竹柳木束制備：首先采用XBL平板硫化機對竹柳枝丫材進行碾壓去皮，再利用縱向碾壓機輥壓、縱切后截成50 cm長的竹柳木束，所制得的木束形態(tài)好，呈網(wǎng)狀結構，表面積大。木束經(jīng)膠黏劑噴膠，壓制成500 mm×260 mm×20 mm的重組木。試驗工藝條件：熱壓溫度140 ℃，熱壓時間20 min。

2 結果與分析

2.1 竹柳枝椏材理化性能

2.1.1酸堿性 木材的酸堿性質(zhì)是木材的主要化學性質(zhì)之一，對人造板的膠合和制造等具有很大影響。竹柳枝椏材、楊木、沙柳的酸堿性測試對比結果見表1。

由表1可知，竹柳枝椏材上部(梢部)的pH為6.43，下部(與枝干相連部位)的pH為6.46。上下部的pH區(qū)別不大，說明竹柳枝椏材的pH是均勻的。竹柳枝椏材的pH略高于楊木，比沙柳大。竹柳枝椏材的堿緩沖容量范圍為18.88～21.75 mL，與楊木基本相同，比沙柳高。竹柳枝椏材的酸緩沖容量范圍為15.75～17.19 mL，也與楊木基本相近，比沙柳高。竹柳枝椏材的酸堿緩沖容量范圍為34.63～38.94 mL。與楊木相近，比沙柳高。用MUF壓制竹柳重組木時，可參考楊木重組材的生產(chǎn)工藝施加固化劑。

2.1.2密度 竹柳枝椏材基本密度為0.296～0.344 g/cm3，平均值為0.311 g/cm3；氣干密度范圍為0.355～0.412 g/cm3，平均值為0.378 g/cm3；絕干密度范圍為0.336～0.426 g/ cm3，平均值為0.359 g/cm3。I-72楊[4]的基本密度和氣干密度分別為0.364、0.454 g/cm3，竹柳枝椏材的基本密度與氣干密度小于I-72楊。

表1 竹柳枝椏材、楊木、沙柳的酸堿性

2.1.3干縮性 竹柳枝椏材全干、氣干、體積干縮率見表2。

由表2可知，竹柳枝椏材徑向全干干縮率范圍為1.84%～7.98%，平均值為3.45%；弦向全干干縮率范圍為3.48%～11.26%，平均值為6.18%。徑向氣干干縮率范圍為0.89%～5.48%，平均值為2.08%；弦向氣干干縮率范圍為1.80%～6.88%，平均值為3.78%。

木材弦向干縮與徑向干縮的比值稱為差異干縮，它是判斷木材干縮難易的一項標準。一般木材差異干縮越接近于1，木材各方向的干縮越均勻，木材的穩(wěn)定性也就越好；反之，木材干燥時越容易發(fā)生翹曲和開裂。竹柳枝椏材全干差異干縮值范圍為1.16～2.99，平均值為1.86；氣干差異干縮值范圍為1.32～3.55，平均值為1.91。張應團等[5]測得柳杉林分全干差異干縮為2.12，氣干差異干縮為2.29。相對而言竹柳枝椏材全干和氣干差異干縮較好。I-69楊全干差異干縮為2.20[6]，竹柳較I-69楊干縮均勻且木材穩(wěn)定性更好。

竹柳枝椏材體積全干干縮率范圍為7.67%～11.88%，平均值為9.33%；體積氣干干縮率范圍為4.67%～8.06%，平均值為6.21%。査朝生等[7]測得I-69楊體積全干干縮率為11.88%，氣干干縮率為7.74%。相比較，竹柳枝椏材徑弦向及體積干縮率均小于I-69楊，從干縮性能上考慮，竹柳枝椏材可以用作人造板產(chǎn)品的原料且制造出的產(chǎn)品穩(wěn)定性好。

表2 竹柳枝椏材干縮率

2.2 竹柳枝椏材表面接觸角

木材表面的粗糙度對木材表面的潤濕性有影響，木材的表面粗糙度越大，表現(xiàn)出的潤濕性越好。由表3可知，三聚氰胺改性脲醛樹脂(MUF)在竹柳枝椏材內(nèi)表面上的接觸角均小于外表面，三聚氰胺改性脲醛樹脂在內(nèi)表面上的潤濕性更好，說明竹柳枝椏材木質(zhì)部的潤濕性優(yōu)于樹皮。這是因為內(nèi)表面的親水基團多于外表面，且外側表皮的材質(zhì)比內(nèi)側表皮致密堅硬，滲透性比內(nèi)表面差。

表3 竹柳枝椏材表面MUF接觸角

2.3 密度、施膠量對竹柳枝椏材重組木性能的影響

2.3.1密度的影響 不同密度條件下MUF壓制竹柳重組木的物理力學性能見圖1。

由圖1可知，在密度為0.70 ～0.90 g/cm3時，重組木的彈性模量(MOE)依次為7 727.89、9 870.04、10 873.49、12 461.93，其后一個密度水平比前一個密度水平分別增加了27.7%、10.2%、14.6%；密度從0.70 g/cm3到0.80 g/cm3，彈性模量提升的幅度較大，密度從0.80 g/cm3增加至0.90 g/cm3時，彈性模量增幅減緩。所有密度條件下，彈性模量均超過國家標準刨花板GB/T 4897.7—2003《刨花板第7部分》的要求。

同樣在密度為0.70 ～0.90 g/cm3時，重組木的靜曲強度后一個密度水平比前一個密度水平分別增加了33.6%、24.3%、4.78%；密度從0.70 g/cm3到0.80 g/cm3時，靜曲強度提升的幅度最大，之后逐漸減小。試驗結果表明，當密度在0.80 ～0.90 g/cm3時，重組木的靜曲強度均超過行業(yè)標準LY/T 1984—2011《重組木地板》的要求。

在一定范圍內(nèi)，板材的MOR、MOE的性能均隨密度的增大而逐步提高，這是因為當重組木的密度增大時，原料木束之間的空隙縮小，膠接觸面積增大，膠接強度增加；且密度增大，木束之間的擠壓加強，細胞就會受到壓縮，使得原料的基本性能得到提升，宏觀上表現(xiàn)為板材性能的提高；但超過一定的密度范圍，板材的木束單元可能因為壓潰使板材性能減弱。因此，在實際生產(chǎn)中，采用MUF壓制竹柳重組木時，為使靜曲強度、彈性模量均達到要求，控制板材的密度為0.80～0.90 g/cm3。

竹柳重組木的內(nèi)結合強度(IB)與靜曲強度、彈性模量的變化有著相同的趨勢(圖1)，隨著板密度的增加IB值呈上升的趨勢。當密度為0.70 ～0.90 g/cm3時，重組木的內(nèi)結合強度依次為0.74、1.07、1.30、1.52 MPa，其后一個密度水平比前一個密度水平分別增加了44.6%、21.5%、16.9%，提升幅度隨著重組木密度的增加逐漸減小。

在0.70 ～0.90 g/cm3的密度范圍內(nèi)，重組木的吸水厚度膨脹率從14.41%逐漸下降到4.00%，減小了72.2%。這是因為，在一定密度范圍內(nèi)，隨著密度的增加，木束之間的膠合變好，水分不容易進入重組木，而且細胞被壓縮，內(nèi)部空隙變小，水分在板材內(nèi)傳遞困難，綜合表現(xiàn)為板材吸水厚度膨脹率的減小。

由密度與重組木物理力學性能的方差分析(表4)可知：靜曲強度、彈性模量、內(nèi)結合強度和2 h吸水厚度膨脹率的F值均大于0.01顯著性水平下的F臨界值，P值均遠小于0.01，說明以三聚氰胺改性脲醛樹脂為膠黏劑壓制的竹柳重組木，在0.70～0.90 g/cm3的密度范圍內(nèi)，密度對其靜曲強度、彈性模量、內(nèi)結合強度和2 h吸水厚度膨脹率的影響均十分顯著。

表4 密度與重組木物理力學性能方差分析

表4(續(xù))

注：顯著性水平α=0.01。

2.3.2施膠量的影響 當密度在0.90 g/cm3時，重組木物理力學性能較優(yōu)。因此，選擇重組木密度為0.90 g/cm3進行施膠量對物理力學性能的研究，結果見圖2。

由圖2中可知，施膠量對重組木的物理力學性能有明顯的影響。重組木的靜曲強度、彈性模量和內(nèi)結合強度均隨施膠量的增加而增加，2 h吸水厚度膨脹率則隨施膠量的增加而降低。當施膠量從12%增加至16%時，竹柳重組木的彈性模量依次為12 461.93、12 948.68、13 137.9 MPa，后者比前者分別增加了3.91%、1.45%；施膠量從14%增加到16%時，彈性模量的增長幅度減小。竹柳重組木靜曲強度的增幅趨勢與彈性模量相同，施膠量從12%增加到14%時其增幅大于施膠量從14%增加到16%，分別為8.78%、1.86%。試驗結果表明，當密度為0.90 g/cm3時，以三聚氰胺改性脲醛樹脂為膠粘劑，施膠量在12%～16%范圍內(nèi)，以竹柳枝椏材為原料壓制的重組木的靜曲強度均超過LY/T 1984—2011《重組木地板》的要求，彈性模量均超過國家標準刨花板GB/T4897.7—2003《刨花板第7部分》的要求。

圖2中，竹柳重組木的內(nèi)結合強度隨著施膠量的增多而提高，依次為1.52、2.07、2.30 MPa。在施膠量12%～14%范圍內(nèi)，重組木的內(nèi)結合強度增幅明顯，達36.18%；而施膠量從14%增至16%時，內(nèi)結合強度的增幅僅為11.11%。當密度為0.90 g/cm3時，施膠量在14%以上的竹柳重組木的內(nèi)結合強度均可達到LY/T 1984—2011《重組木地板》的要求。當施膠量升高到16%時，內(nèi)結合強度提升的幅度不明顯，為了節(jié)約成本，生產(chǎn)中施膠量達到14%以上即可。

在12%～16%的施膠量范圍內(nèi)，隨著施膠量的增加，竹柳重組木的2 h吸水厚度膨脹率不斷降低(圖2)；在12%～16%的施膠量范圍內(nèi)，重組木的2h吸水厚度膨脹率從4.00%逐漸下降到3.13%，減小了21.75%。施膠量為12%～16%，重組木的2h吸水厚度膨脹率均能滿足行業(yè)標準LY/T 1984—2011《重組木地板》的要求。

不同施膠量條件下竹柳枝椏材重組木物理力學性能方差分析結果見表5。

當施膠量為12%～16%時，其對靜曲強度、彈性模量的影響均不顯著，對內(nèi)結合強度的影響十分顯著。從表5中還可以看出：重組木2 h吸水厚度膨脹率的F值為5.701 542 0，小于0.01顯著性水平下的F臨界值，P值大于0.01但小于0.05，說明以三聚氰胺改性脲醛樹脂為膠黏劑壓制竹柳重組木，當施膠量為12%～16%，施膠量對2 h吸水厚度膨脹率有影響，但影響不顯著。

表5 施膠量與板材物理力學性能的方差分析

注：顯著性水平α=0.01。

2.4 膠合界面微觀構造分析

利用掃描電子顯微鏡觀察木束表面附著的膠粘劑及細胞的變形，見圖3。

圖3中可以發(fā)現(xiàn)，木束表面不規(guī)則的附著著膠黏劑，呈星點狀分布，在膠合過程中，多為點結合。噴膠壓制竹柳重組木的管孔被壓縮成橢圓形，雖然細胞發(fā)生了明顯的變形，但細胞壁本身并沒有被壓潰，仍然保持了其完整性。

2.5 膠合界面官能團分析

竹柳重組木的內(nèi)外膠合表面紅外光譜圖見圖4。

從圖4中可以看出，在 3 334 cm-1附近的吸收峰歸屬于-OH的伸縮振動，而 1 244 cm-1以及 1 020 cm-1附近的吸收峰是由C-O伸縮振動吸收峰所引起的，說明重組木中含有-OH基團。在 2 914 cm-1附近的振動是由于R2CH2基中飽和C-H引起的，是纖維素的特征峰；而 1 730 cm-1附近的吸收峰歸屬于C=O，這是半纖維素的特征峰。綜上所述可以得出，膠合界面中的O-H、C-O、C=O、C-H等基團峰值均比無膠層處減小，表明竹柳重組木中的纖維素和半纖維素均與膠黏劑發(fā)生反應。膠合過程中只有較為明顯的基團峰值面積的改變，沒有新的吸收峰出現(xiàn)或舊的吸收峰消失，說明膠合過程存在化學鍵的結合，使膠黏劑與竹柳木束之間因獲得高強度的主價鍵結合，從而得到較強的性能。

3 結 論

1) 竹柳枝椏材的pH為6.43～6.46，呈弱酸性，與楊木基本相同，高于沙柳；酸堿緩沖容量為34.63～38.94 mL，與楊木相近，比沙柳高。竹柳枝椏材全干干縮率為1.86，氣干干縮率為1.91，徑弦向及體積干縮率均小于I-69楊，因此從干縮性能上考慮，竹柳枝椏材的尺寸穩(wěn)定性優(yōu)于I-69楊。

2) MUF在竹柳枝椏材內(nèi)表面上的接觸角均小于外表面，說明內(nèi)表面的潤濕性比外表面好。

3) 在0.70～0.90 g/cm3密度范圍內(nèi)，竹柳枝椏材重組木的力學性能均隨著密度的增加而增加。在0.90 g/cm3時，各項力學性能達到最大值，2 h吸水厚度膨脹率為最小值。方差分析結果表明，施膠量對密度為0.90 g/cm3的竹柳枝椏材重組木的內(nèi)結合強度有顯著的影響，對2 h吸水厚度膨脹率影響不顯著。

4) SEM圖像表明,MUF壓制的竹柳枝椏材重組木的管孔被壓縮成橢圓形，雖然細胞發(fā)生了明顯的變形，但細胞壁本身并沒有被壓潰，仍然保持了其完整性。

5) 通過紅外光譜分析竹柳枝椏材重組木膠合界面可知，膠合界面中相應基團的減少表明竹柳的纖維素和半纖維素均與膠黏劑發(fā)生反應，膠黏劑與竹柳之間存在化學鍵的結合，但沒有明確的基團種類的改變。

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[2] 侯金波．優(yōu)良速生樹種：美國竹柳[J]．農(nóng)村百事通，2007(21)：32．

[3] 董葛平，鄧玉和，王新洲，等．竹柳材性及其刨花板制造工藝研究[J]．西南林業(yè)大學學報，2013，33(3)：92-96．

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(責任編輯 曹 龍)

Research on the Properties ofSalixdiscolorBranch of Its Scrimber

TRAN Minh Toi1,2,WU Jin-rong1,DENG Yu-he1,HOU Tian-yu1, WANG Xin-zhou1,CHEN Xiao-yi1,ZHANG jian3

(1.College of Materials Science and Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing Jiangsu 210037,China; 2.Northeast Agriculture Forestry Colleges, LangSon, Vietnam; 3.Agricultural Research Institute Along the Yangtze River, Rugao Jiangsu 226541, China)

The test choseSalixdiscoloras material to study the influence ofSalixdiscolors branch pH, density, air shrinkage, surface contact angle and density, sizing use on scrimber physical and mechanical properties. The results showed that pH ofSalixdiscolorbranch was in the range of 6.43-6.46,being weak acidity. pH buffering capacity was 34.63-38.94 mL. Oven-dry shrinkage ofSalixdiscolorbranch material was 1.86, and air-dried shrinkage was 1.91.The measurement result of surface tension tester showed that the MUF contact angle of outer surface was 54.52, and the inner surface was 37.27.The results also show that, when the density was 0.90 g/cm3, glue consumption wa 14%, hot-pressing temperature 160 ℃,hot-pressing time 20 min and the moisture content was 6%, elasticity modulus ofSalixdiscolorscrimber was 12948.68 MPa, up to standard of GB/T 4897.7—2003. Besides, the static bending intensity was 105.08 MPa, the internal bonding strength was 2.07 MPa and the thickness swelling rate after 2 h water soaking was 3.49%,which up to industry standard of LY/T 1984—2011.SEM image showed that the syrinx of scrimber was compressed into ovalization by MUF press, but cytoderm kept a integrity.Infrared spectroscopy test showed that bothSalixdiscolorcellulose and hemicellulose reacted with adhesive, and there were chemical bonds.

Salixdiscolor;discolor branch;scrimber;density;glue consumption；physical and mechanical properties

2014-06-03

江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程資助項目的資助；2012年國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃立項項目(201310608457)資助。

鄧玉和(1954—)，女，博士，教授。研究方向：木材科學與技術。Email：dengyuhe@hotmail.com。

10.11929/j.issn.2095-1914.2015.01.015

S784

A

2095-1914(2015)01-0075-07

第1作者：陳明及(1980—)，男，博士生。研究方向：木質(zhì)復合材料。Email：minhtoi802003@yahoo.com。