劉明輝，洪 璐，張 倩，孫德林

（中南林業(yè)科技大學(xué) 家具與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，湖南 長沙 410004）

壓縮率與樹脂濃度對改性速生杉木基本性能的影響

劉明輝，洪 璐，張 倩，孫德林

（中南林業(yè)科技大學(xué) 家具與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，湖南 長沙 410004）

以速生杉木為基材，采用低分子量酚醛(PF)樹脂浸泡及熱壓密實工藝對其進(jìn)行表面改性處理，并對改性后材料的基本性能進(jìn)行檢測，研究了改性過程中壓縮率與樹脂濃度對改性材基本性能的影響。結(jié)果表明：試件密度隨壓縮率與樹脂濃度的增加而增加，其中壓縮率的影響更為明顯；隨壓縮率和樹脂濃度的提高,其彈性模量、靜曲強度以及硬度不斷增加，當(dāng)樹脂濃度為50%、壓縮率為10%時，彈性模量、靜曲強度、徑面硬度、弦面硬度和端面硬度分別增加了88.69%、66.07%、25.60%、29.72%和42.91%。同時，改性材表面耐磨性隨樹脂濃度的增加而有顯著提高，但受壓縮率的影響很小。

速生杉木；改性處理；壓縮率；樹脂濃度；基本性能

杉木Cunninghamia lanceolata是我國特有的重要速生用材樹種，是南方主要的速生材種類之一。由于速生杉木本身存在材質(zhì)疏松、力學(xué)性能差等缺陷，從而限制了速生杉木的應(yīng)用范圍，導(dǎo)致速生杉木雖然資源豐富，但利用率偏低。

木材改性是改善材料材性、提高其利用率的主要方法之一。呂建雄[1]等人對近年來國內(nèi)速生楊木的增強改性技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)并探討了存在的問題和發(fā)展思路；武國峰[2]等對人工林楊木進(jìn)行脲醛預(yù)聚體浸漬與熱壓干燥處理，提高了楊木的物理力學(xué)性能；余先純[3-4]等采用脲醛樹脂-鈉基蒙脫土浸漬液改性速生楊木，使楊木的密度、尺寸穩(wěn)定性及力學(xué)性能均有顯著提高；韓健[5]等對楊木的PF樹脂浸漬工藝進(jìn)行了響應(yīng)面分析。針對速生杉木的改性，國內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)行了相關(guān)的研究：司琳琳[6]等對速生杉木的改性方法進(jìn)行了總結(jié)；Md Ifcekhar Shams、鮑濱福、錢俊、王向歌等[7-11]研究發(fā)現(xiàn)對材料進(jìn)行低分子量樹脂浸漬和表面熱壓密實處理后，材料的彈性模量、靜曲強度、表面硬度等性能均有不同程度的提高；姚遲強[12]等人采用低分子量酚醛樹脂浸漬處理杉木單板，發(fā)現(xiàn)在常溫常壓和加壓條件下，增重率均隨浸漬時間延長而增加，材料屬性隨增重率的增大而愈加得到改善；趙紫劍[13]等人以人工林杉木為試材探究超聲波輔助木材常壓浸漬工藝，發(fā)現(xiàn)木材的初含水率越高，超聲波輔助作用越明顯；李丹[14]等人對速生杉木長條地板坯進(jìn)行表面壓密化后，密度、抗彎強度、表面硬度都得到大幅提高。但上述研究大多是集中在杉木單板的處理上，而對杉木方材處理方面的研究涉及較少。

本研究針對速生杉木材質(zhì)疏松、力學(xué)性能差、表面耐磨性能低等的缺陷，采用低分子量PF樹脂浸泡以及表面熱壓密實的方法，對速生杉木進(jìn)行表面改性處理，且對改性后試件的基本性能進(jìn)行檢測。通過分析材料改性后基本性能的變化，探究不同工藝參數(shù)對材料改性效果的影響，并對改性處理后速生杉木的耐磨性能進(jìn)行了初步探討，以期為速生杉木的改性處理研究以及提高材料附加值等方面提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

實驗材料：速生杉木Cunninghamia lanceolata采自湖南益陽，樹齡16年，胸徑16～18 cm，立木無異常缺陷，材料氣干后含水率為10%左右；酚醛（PF）樹脂：自制，固含量50%，分子量 350～ 400。

試驗設(shè)備：木材和人造板自動萬能力學(xué)試驗機（KHQ-002H，中國蘇州）、150T萬能試驗壓機（BY302*2/2，中國蘇州）、Taber磨耗試驗機（美國）、電子天平（PL203，中國上海）、游標(biāo)卡尺和刷子等。

1.2 實驗方法

將PF樹脂調(diào)配成不同濃度的溶液（10%、20%、30%、40%、50%），在常溫常壓下，將試件用不同溶度的PF樹脂溶液浸泡30 min后取出，瀝干后在溫度145 ℃、壓力2.5 MPa的條件下熱壓固化15 min，壓縮率用厚度規(guī)控制（壓縮率分別為5%、10%、15%）。

2 結(jié)果與討論

2.1 對密度的影響

密度是影響木材基本性能的主要因素之一，實驗按照1.2中工藝以及單因素試驗的方法，分別采用不同的壓縮率與不同濃度的PF樹脂對試件進(jìn)行處理，通過對改性材密度進(jìn)行檢測且與未處理材相對比來探尋壓縮率與樹脂濃度對材料密度的影響，實驗結(jié)果如圖1所示（圖中起點為未處理材的數(shù)據(jù)，圖中的數(shù)據(jù)為5個試件的平均值，以下皆同）。

圖1 壓縮率(a)、樹脂濃度(b)對密度的影響Fig.1 Effects of compression ratio(a), resin concentration(b) on density

由圖1可見，隨著壓縮率的提高，改性材的密度也隨之增加，且增幅速度也較均勻。當(dāng)壓縮率為15%時，試件密度達(dá)到0.378 g/cm3，較素材提高了29%；當(dāng)壓縮率一定時，試件的密度隨樹脂濃度的升高而增加，在濃度為10%之前急劇增加，隨后增速變緩。這一方面是因為隨壓縮率的增加，試件內(nèi)部細(xì)胞間的間隙減少，同時低分子量PF樹脂進(jìn)入試件表層，并在熱壓作用下凝結(jié)，導(dǎo)致試件壓縮后恢復(fù)率減小，使得試件變得更加致密；另一方面是因為實驗中PF樹脂只能進(jìn)入試件表層而未能滲入試件內(nèi)部，導(dǎo)致PF樹脂的浸入量隨濃度的增加變化不大，因此在樹脂濃度的影響下，試件密度開始迅速增加而后增幅減小。

2.2 對靜曲強度和彈性模量的影響

彈性模量和抗彎強度是衡量材料力學(xué)性能的重要指標(biāo)[15]。按照《GB/T 1936.1—2009*木材抗彎強度試驗方法》以及《GB/T 1936.2—2009*木材抗彎彈性模量測定方法》中的要求制備試件。

在相同的浸泡處理條件下（以20%的樹脂濃度為例），采用不同壓縮率對試件進(jìn)行熱壓密實，再對處理試件的靜曲強度和彈性模量進(jìn)行測試，并與未浸漬的試件進(jìn)行對比，實驗結(jié)果如表1所示：在樹脂濃度相同的情況下，隨著試件壓縮率的增大，材料的彈性模量和靜曲強度也隨著增加。當(dāng)壓縮率為15%時，材料的靜曲強度和彈性模量最大，分別為67.30 MPa和7 488.03 MPa。

表1 不同壓縮率下靜曲強度和彈性模量的變化Table 1 Changes of MOR and MOE with different compression ratios

用不同濃度的PF樹脂對試件進(jìn)行處理，在壓縮率相同的情況下（以10%的壓縮率為例），試件靜曲強度和彈性模量的變化情況如表2所示：改性后試件的靜曲強度和彈性模量隨著溶液濃度的提高而增加，當(dāng)溶液濃度達(dá)到50%時，試件的靜曲強度和彈性模量分別提高88.69%和66.07%。

根據(jù)表1和表2中的數(shù)據(jù)可看出，經(jīng)過PF樹脂浸泡以及熱壓密實后，速生杉木的靜曲強度和彈性模量均有不同程度的提高，且上升幅度隨著樹脂濃度和壓縮率的提高而增加。這一方面是在壓縮密實的過程中，單位截面內(nèi)細(xì)胞壁數(shù)量的增加而導(dǎo)致其靜曲強度和彈性模量增加。另一方面是因為酚醛(PF)樹脂分子量較低，部分能夠進(jìn)入到木材表層的細(xì)胞壁中和細(xì)胞腔的內(nèi)表面[16]，并且PF樹脂中的活性官能團(tuán)受熱后與木材中的活性基團(tuán)產(chǎn)生縮合、聚合反應(yīng)，生成不溶性樹脂[17]，從而提高了材料的強度。此外，根據(jù)劉君良[16]等人的研究，低分子量PF樹脂與木材活性基團(tuán)之間反應(yīng)形成類似于木質(zhì)素、半纖維素的結(jié)殼類物質(zhì)從而包裹在纖維素纖絲周圍，并對纖絲起到捆縛作用，使材料在承受外載荷過程中，纖維素纖絲間抵抗滑移破壞的能力增強，從而使改性材的強度以及穩(wěn)定性等得到較大改善。

表2 不同樹脂濃度下彈性模量和靜曲強度的變化Table 2 Changes of MOR and MOE with different resin concentrations

圖2 壓縮率對硬度的影響Fig.2 Effects of compression ratio on hardness

2.3 對硬度的影響

木材硬度表示的是木材抵抗其他剛體壓入的能力。參照國標(biāo)《GB/T 1941-2009 木材硬度試驗方法》對改性后杉木的硬度進(jìn)行檢測。按照1.2中的工藝，根據(jù)單因素實驗的實驗要求，探討壓縮率和樹脂濃度對處理材硬度的影響，并與未處理試件進(jìn)行對比，其實驗結(jié)果如圖2、表3所示。

圖2表示的是壓縮率對硬度的影響，由圖2可見：在樹脂濃度一定的情況下，改性后試件各面硬度都隨壓縮率的提高而增加，其中徑面硬度和弦面硬度隨壓縮率的提高穩(wěn)步上升，端面硬度開始迅速增強，當(dāng)壓縮率達(dá)到5%時，其端面硬度相較于未處理材，提高了558.05 N，隨后速度逐漸變緩慢。這是因為隨著壓縮率的增加，熱壓密實后試件內(nèi)部被壓縮區(qū)域隨之增多，使得細(xì)胞間間隙不斷減小，導(dǎo)致試件變得更加致密，從而增強了試件抵抗其他剛體壓入的能力。

表3 不同樹脂濃度下硬度的變化Table 3 Changes of hardness with different resin concentrations

表3位不同樹脂濃度下處理材硬度的變化情況。根據(jù)表3的數(shù)據(jù)可知：隨著PF樹脂濃度的提高，試件硬度隨之增強，其中端面硬度與徑面硬度開始迅速提升，當(dāng)樹脂濃度達(dá)到10%時，材料的端面與徑面硬度分別提高了550.69 N和90.9 N，當(dāng)樹脂濃度超過10%后，其增加速度較為均勻，而材料弦面硬度的提升速度則相對較為均勻，當(dāng)樹脂濃度達(dá)到50%時，其徑面、弦面及端面的硬度分別提高了25.60%、29.72%和42.91%。

由圖2和表3的結(jié)果可看出：經(jīng)過PF樹脂浸泡以及表面熱壓處理后試件的硬度有明顯增強。這是因為經(jīng)過浸泡后，PF樹脂進(jìn)入到試件表層，并受高溫和壓力的影響，在表層纖維與細(xì)胞間凝結(jié)，從而增強了木材表面纖維素間的連接強度，使得木材表面抗外力壓入的能力增強；同時由于壓縮率的增加，導(dǎo)致壓縮回彈后試件厚度變小，從而使得試件內(nèi)部更加致密，在一定程度上再次提升了試件的抗外力壓入強度。

2.4 對耐磨性的影響

耐磨性是材料的一個重要指標(biāo)，材料的耐磨性能一般用磨耗值或耐磨指數(shù)表示，實驗按照《GB/T 1768—2006*色漆和清漆耐磨性的測定——旋轉(zhuǎn)橡膠砂輪法》中的要求對試件尺寸進(jìn)行加工，用Taber磨耗試驗機對試件的耐磨性進(jìn)行檢測（耐磨性檢測中試件尺寸加工成100 mm×100 mm），并探討試驗中壓縮率及樹脂濃度對試件耐磨性的影響，其結(jié)果如圖3所示。

圖3 壓縮率(a)、樹脂濃度(b)對耐磨性的影響Fig.3 Effects of compression ratio(a), resin concentration(b) on abrasion resistance

由圖3(a)可見，速生杉木改性材的耐磨性隨壓縮率的增加而提高，壓縮率達(dá)到5%時的磨耗值為12.7 mg/100r，相較于未處理的試件降低了38.65%，但當(dāng)壓縮率超過5%后，試件表面的磨耗值變化不大，壓縮率從5%增加到15%，其磨耗值僅減少了0.3 mg /100r。根據(jù)圖3(b)顯示，隨著PF樹脂溶度的提高，改性材磨耗值逐漸降低，樹脂濃度為10%之前，材料磨耗值急劇下降，由未處理材的20.7 mg/100r降到了13 mg/100r，當(dāng)樹脂溶度達(dá)到10%以后，磨耗值下降趨勢變緩，當(dāng)樹脂濃度達(dá)到30%后，每100 r的損耗量降到10 mg以下。

綜合圖3中試件磨耗值的變化可發(fā)現(xiàn)實驗中材料耐磨性的增強主要與浸泡的PF樹脂濃度有關(guān)，而壓縮率對其的影響不明顯。這一方面是因為耐磨實驗中試件厚度偏?。?1 mm）而導(dǎo)致實驗所采用的壓縮率對其影響不大；另一方面是因為PF樹脂在高溫和壓力的作用下，在試件表面凝結(jié)并形成類似于漆膜的保護(hù)層，能對材料表面起保護(hù)作用，減少外力對木材表面的磨耗。

3 結(jié) 論

（1）速生杉木經(jīng)過PF樹脂常壓浸泡和表面熱壓密實處理后，力學(xué)性能可得到有效改善，彈性模量和靜曲強度均有大幅度提高，且隨著壓縮率以及PF樹脂溶度的增加而增加，其中壓縮率的影響更為突出。

（2）速生杉木改性材的硬度較未處理材在徑面、弦面和端面上都有不同程度的提升，并隨著壓縮率和PF樹脂濃度的提高而逐漸增強。

（3）速生杉木經(jīng)過PF樹脂浸泡和熱壓密實處理后，材料耐磨性得到大幅提高，其中樹脂濃度對耐磨性的影響更為明顯。

[1]呂建雄, 徐 康, 劉 元, 等. 速生人工林楊木增強改性的研究進(jìn)展[J]. 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報, 2014, 34(3): 99-103.

[2]WU Guo-feng, JING Yi-fei, PING Qu,et al. Study on Urea-Formaldehyde prepolymer and hot-press treatment of poplar wood[J]. Forest products journal, 2012, 62(5): 46-60.

[3]Xianchun YU, Delin Sun, Xiangsu Li. Preparation and characterization of urea-formaldehyde resins-sodium montmorillonite intercalation modified poplar[J]. Journal of Wood Science, 2011, 57(6): 501-506.

[4]余先純, 孫德林, 李湘蘇. 脲醛樹脂-鈉基蒙脫土插層材料改性速生楊木的研究[J]. 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報, 2011, 31(1):109-112.

[5]韓 健, 高喜桃. 楊木PF樹脂浸漬工藝的響應(yīng)面分析[J]. 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報, 2013, 33(9): 98-102.

[6]司琳琳. 速生杉木的增值綜合利用綜述[J]. 木材加工機械,2012, (1): 38-40.

[7]Md Ifcekhar Shams, Hiroyuki Yano, Keijirou Endou. Compress deformation of wood impregnated with low molecular weight phenol formaldehyde (PF) resin Ⅰ: effects of pressing pressure and pressure holding[J]. Journal of Wood Science, 2004, 50(4):337- 342.

[8]Md Ifcekhar Shams, Hiroyuki Yano, Keijirou Endou. Compress deformation of wood impregnated with low molecular weight phenol formaldehyde (PF) resin Ⅱ: effects of pressing pressure and pressure holding[J]. Journal of Wood Science, 2004, 50(4):343- 350.

[9]鮑濱福, 杜春貴, 章衛(wèi)鋼, 等. 人工林速生杉木表面浸漬壓縮密實化研究[J]. 林業(yè)科技, 2009, 19(5): 22-24.

[10]錢 俊, 馬靈飛, 俞友明, 等. 熱壓法制備速生杉木集成材工藝[J]. 林業(yè)科技開發(fā), 2005, 19(5): 22-24.

[11]王向歌, 金菊婉, 鄧玉和, 等. 不同固含量低分子酚醛樹脂浸漬改性杉木板材性能的研究[J]. 西南林業(yè)大學(xué)學(xué)報,2014,34(3): 84-88.

[12]姚遲強, 于 利, 李延軍, 等. 酚醛樹脂浸漬處理對杉木單板層積材性能的影響[J]. 浙江林業(yè)科技, 2013, 22(2):19-22.

[13]趙紫劍, 何正斌, 沙汀鷗, 等. 超聲波輔助木材常壓浸漬工藝初探[J]. 木材加工械, 2014, (2): 47-50.

[14]李 丹, 張明剛, 姬 寧. 人工速生杉木表面壓密化研究[J].貴州林業(yè)科技, 2009, 37(4): 38-40.

[15]余先純. PF樹脂浸漬速生杉木的性能研究[J]. 林產(chǎn)工業(yè),2008, 35(4): 38-40.

[16]劉君良, 李 堅, 劉一星. PF預(yù)聚物處理固定木材壓縮變形的機理[J]. 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2000, 28(4): 16-20.

[17]尹思慈. 木材學(xué)[M]. 北京: 中國林業(yè)出版社, 1995.

Effects of compression ratio and resin concentration on basic performance of fast-growing fi r in modifying process

LIU Ming-hui, HONG Lu, ZHANG Qian, SUN De-lin
(College of Furniture and Art Design, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

Fast-growing fi r was used as studying materials and then immersed with low molecular weight PF resin and compressed.The effects of compression ratio and resin concentration on basic performance of modi fi ed wood were researched. The results show that: The density of wood was improved with the increase of compression ratio and concentration of PF resin, and compression ratio were more in fluential. The modulus of elasticity (MOE), modulus of rupture (MOR) and hardness of treated wood were increased with the increasing of compression ratio and concentration of PF resin. The MOE, MOR and hardness in radical section, tangential section and cross section were increased by 88.69%, 66.07%, 25.60%, 29.72% and 42.91%, respectively, as the concentration of PF resin was 50% and compression ratio was 10%. And the surface abrasion resistance of modi fi ed wood was improved with the increasing of resin concentration rather than the compression ratio.

Key woods: fast-growing fi r; modi fi cation treatment; compression ratio; resin concentration; basic performance

S791.27；S781.7

A

1673-923X(2016)04-0111-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.04.020

http: //qks.csuft.edu.cn

2015-04-25

林業(yè)公益性行業(yè)科研專項（201204712）；中南林業(yè)科技大學(xué)研究生科技創(chuàng)新基金資助項目（CX2014B15）

劉明輝，碩士研究生

孫德林，教授，博導(dǎo)；E-mail：sdlszy@163.com

劉明輝，洪 璐，張 倩，等. 壓縮率與樹脂濃度對改性速生杉木基本性能的影響[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2016, 36(4):111-115.

[本文編校：吳 彬]