郭曉磊 林雨斌 那斌 王金鑫 鄧敏思

(南京林業(yè)大學，南京，210037)

We studied the effects of glass fiber and density on the surface dynamic wettability of the poplar scrimber with water and MDI as the working liquid. The dynamic contact angle model was used to fit the change of contact angle with time. The surface dynamic wettability obtained from the fitting function were reflected by the rate of the spreading and penetration of the liquid on the surface. With the density increasing, the surface dynamic wettability of poplar scrimber was decreased. Compared to the MDI, the spreading rate of liquid on the surface of poplar scrimber was higher and the wettability was better. By studying the dynamic contact angle of the two different surfaces, the surface dynamic wettability of poplar scrimber with adding glass fiber was significantly decreased compared to the control surface without adding glass fiber. Thus, the penetration of water can be suppressed by adding glass fiber, and then the dimensional stability of poplar scrimber can be improved.

重組木是在保持木材纖維排列方向一致的基礎上，利用碾壓疏解后的木束重新鋪裝熱壓制備得到的的新型木質復合材料,具有很高的原料利用率[1-2]。重組木既保存了實木的優(yōu)質性能，又把實木不具備的一些性能包含其中。實木的一些天然缺陷在重組木工藝制備過程被剔除，由此大大拓展了重組木的應用范圍[3-4]。

木材的動態(tài)潤濕性能是反應液體在木材表面延展和浸潤過程的重要參數(shù)指標，也是木材開展改性處理和復合研究的重要的界面特性表征技術[5-6]。木材動態(tài)潤濕性能的好壞將對木材的膠合強度、力學強度及尺寸穩(wěn)定性能等有著顯著影響[7]。

國內(nèi)外學者針對如何提高木材的表面潤濕性能已經(jīng)進行了豐富的研究。韓書光等人利用酶對楊木表面進行處理，研究其對表面潤濕性的影響，結果表明：酶處理能夠提高楊木表面的潤濕性能，且隨著酶的用量和處理時間增加，表面潤濕性能也隨之提高[8]。彭曉瑞利用等離子體對6類不同木材的表面進行了處理，實驗發(fā)現(xiàn)經(jīng)過等離子處理的木材表面潤濕性均有顯著提高，且發(fā)現(xiàn)空氣等離子處理木材表面后潤濕性改善效果優(yōu)異，結合成本因素，適宜工業(yè)推廣[9]。Matuna et al.人利用偶聯(lián)劑對木材表面進行處理，通過分析接觸角發(fā)現(xiàn)，偶聯(lián)劑能夠提高木材表面的潤濕性[10]。Huang et al.人對北美落葉松進行了高溫處理并研究不同液體在其表面的潤濕性，結果表明：經(jīng)過高溫處理的木材表面潤濕性優(yōu)于未經(jīng)處理的木材，并且發(fā)現(xiàn)中性液體相較于酸性液體在木材表面的延展和滲透率要更高[11]。

雖然現(xiàn)在對于木材表面潤濕性能的研究很多，但是對于重組木的表面潤濕性能的研究較少。筆者研究了密度和玻璃纖維的添加對于楊木重組木表面動態(tài)潤濕性能的影響，以期為重組木的研究提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

玻璃纖維網(wǎng)布：單位面積質量為200 g/m2，網(wǎng)孔尺寸為5 mm×5 mm，由安平隆奧金屬絲制品廠提供。

膠黏劑：酚醛樹脂膠黏劑(PF)，固體質量分數(shù)為43.5%，購于福州福維膠黏劑有限公司。

偶聯(lián)劑：硅烷偶聯(lián)劑(KH550)，化學名稱為γ―氨丙基三乙氧基硅烷，主要性能指標：沸點213～216 ℃，折光率(nd25)1.423，可溶于水，購于南京奧誠化工有限公司。

楊木單板：密度0.4 g/cm3，含水率10%，由建甌東林木業(yè)有限公司提供。

靜態(tài)接觸角測量儀，上海盈諾精密儀器有限公司制造。

電子分析天平：百分位電子分析天平，由湖州市雙杰精密儀器有限公司提供。

數(shù)顯游標卡尺、千分尺，精度均為0.01 mm。

1.2 工藝流程

玻璃纖維增強楊木重組木的制備工藝流程如圖1所示，首先將整張的楊木單板利用輥壓機疏解成寬度20 mm，長度1 900 mm的單板條；然后通過調(diào)小輥的間距，反復再輥壓兩次單板條,制得呈木簾狀的單板條。將疏解后的單板條和晾干后的玻璃纖維一同浸漬在酚醛樹脂溶液中20 min，隨后在80 ℃環(huán)境中干燥90 min，放置備用。單板條的浸膠量控制在12%左右,含水率約為10%。

圖1 玻璃纖維增強重組木工藝流程

玻璃纖維網(wǎng)需要通過硅烷偶聯(lián)劑KH550進行表面活化處理，將玻璃纖維網(wǎng)布浸漬在2%的KH550溶液中20 min，隨后自然晾干備用。

如圖2所示,將干燥好的楊木條進行稱質量后和玻璃纖維網(wǎng)一同利用人工鋪裝到板坯預設位置，試件中玻璃纖維網(wǎng)鋪裝2層，分別添加在試件的上下三分之一處，楊木單板條的方向一致。然后通過傳統(tǒng)熱壓方式進行熱壓，溫度為140 ℃，壓強120 MPa，熱壓時間為10 min。熱壓后冷壓陳放在室溫環(huán)境中3 d。最后裁切得到厚度為15 mm的2層玻璃纖維增強楊木重組木成品板材。

1.3 方法

1.3.1 試驗設計

如表1所示，本試驗將試件分為8組，分別用水和環(huán)氧樹脂進行潤濕試驗。其中組1—組4分成0.6、0.7、0.8、0.9 g/cm34個不同密度，如圖2所示，滴落在不添加玻璃纖維的空白處。組5—組8同樣分為上述4個密度，如圖2滴落在添加玻璃纖維與楊木的交界處。

圖2 玻璃纖維鋪裝結構及表面接觸角試驗液體滴落處

滴落位置密度0.6g·cm-3密度0.7g·cm-3密度0.8g·cm-3密度0.9g·cm-3空白處組1組2組3組4玻璃纖維處組5組6組7組8

1.3.2 動態(tài)潤濕性測定

木材的動態(tài)潤濕模型：當液滴滴落在木材表面的時候，液滴在木材表面形成的接觸角會隨著時間的變化而逐漸降低。剛剛滴落時，液滴的接觸角會經(jīng)歷一個急速降低的過程，隨著時間的延長，接觸角的下降逐漸變緩，最終形成相對平衡的狀態(tài)。而目前的宏觀現(xiàn)象及實驗數(shù)據(jù)證明，在木質材料這類極性多孔的材料表面，接觸角和時間的關系能夠通過函數(shù)模擬來進行分析。運用參考文獻[12]中提出的木材潤濕動態(tài)模型Z來進行分析。模型公示見下述：

θ=θe+Ae-Kt。

(1)

式中：A為積分常數(shù)；K表示和液滴在木材表面浸潤延展速度相關的遞減速率常數(shù)；θe為平衡接觸角，因為接觸角呈下降趨勢，所以以負號顯示。液滴在木材表面接觸角隨時間(t)的變化情況從公式中可以模擬分析得出，而液體在不同木材表面的潤濕性能的優(yōu)劣能夠利用K值的大小來進行較為準確的評估。K的數(shù)值越大，則接觸角從滴落開始在木材表面延展的速度就越快，接觸角到達穩(wěn)定的速度也就越快，表明液體在木材表面具有更好的動態(tài)潤濕性。

利用Origin 8.5軟件中非線性擬合的方法對試驗數(shù)據(jù)擬合分析，將非線性擬合公式自定義為公式(1)，然后錄入實驗所得數(shù)據(jù)和平衡接觸角數(shù)據(jù)，通過軟件分析，就能夠得出模擬公式(1)中的K值和A值，得到接觸角隨時間變化的模擬曲線。

2 結果與分析

2.1 水在玻璃纖維增強楊木重組木表面的動態(tài)潤濕性

水在不同密度及不同玻璃纖維增強楊木重組木滴落表面的動態(tài)接觸角如表2所示。

根據(jù)表2中的實驗數(shù)據(jù)，運用Origin 8.5pro軟件中指數(shù)曲線擬合方法來對木材動態(tài)模型Z模型公式進行擬合可以得出圖3和圖4，求得模型公式中的參數(shù)。

①水在不同密度楊木重組木空白處的參數(shù)。

密度0.6 g/cm3：θe=9.4°，A=56.1，K=0.064。

密度0.7 g/cm3：θe=47.7°，A=29.9，K=0.053。

密度0.8 g/cm3：θe=49.7°，A=36.5，K=0.039。

密度0.9 g/cm3：θe=61.3°，A=27.4，K=0.037。

將參數(shù)值代入模型公式(1)，則得水在楊木重組木表面空白處的動態(tài)潤濕過程描述公式分別為：

θ0.6=9.4+56.1e-0.064t;

θ0.7=47.7+29.9e-0.053t;

θ0.8=49.7+36.5e-0.039t;

θ0.9=61.3+27.4e-0.037t。

表2 水在玻璃纖維增強楊木重組木表面接觸角

注：表中數(shù)值為平均值±標準差。

圖3 水在不同密度試件空白處的動態(tài)接觸角

圖4 水在不同密度試件玻璃纖維處的動態(tài)接觸角

②水在不同密度玻璃纖維增強楊木重組木玻璃纖維處的參數(shù)。

密度0.6 g/cm3：θe=82.5°，A=15.0，K=0.040。

密度0.7 g/cm3：θe=79.9°，A=18.9，K=0.024。

密度0.8 g/cm3：θe=93.1°，A=8.0，K=0.020。

密度0.9 g/cm3：θe=90.8°，A=12.0，K=0.018。

將參數(shù)值代入模型公式(1)，則得水在楊木重組木表面空白處的動態(tài)潤濕過程描述公式分別為：

θ0.6=82.5+15e-0.04t;

θ0.7=79.9+18.9e-0.024t;

θ0.8=93.1+8e-0.02t;

θ0.9=90.8+12e-0.018t。

通過得出的擬合曲線可以得到水在玻璃纖維增強楊木重組木表面的動態(tài)潤濕K值，而K值的大小反應了水在重組木表面潤濕能力的大小，K值越低，則潤濕性能越低。

如表3所示，隨著密度的增加，空白處和玻璃纖維處的K值均呈減小趨勢，即表面潤濕性隨著密度的增加呈減小趨勢。這是因為隨著密度的增加，試件的空隙率降低，從而水在試件表面的滲透性降低，也降低了水在木材表面的延展速率，使得表面潤濕性降低。玻璃纖維處相較于空白處K值有顯著的減少，即潤濕性顯著減少。原因在于玻璃纖維交合界面經(jīng)過偶聯(lián)劑處理，而KH550中的極性基(如—OH和—NH2)在和楊木基材反應后可提高其表面能，使得酚醛樹脂能更好地滲透，在表面形成了一層蠟狀物質，從而使得玻璃纖維處相比于空白處更不易于液滴的延展?jié)B透，潤濕性降低。

表3 水在玻璃纖維增強楊木重組木表面的動態(tài)潤濕K值

2.2 環(huán)氧樹脂在玻璃纖維增強楊木重組木表面的動態(tài)潤濕性

環(huán)氧樹脂在不同密度及不同玻璃纖維增強楊木重組木滴落表面的動態(tài)接觸角如表4所示。

根據(jù)表4中的實驗數(shù)據(jù)，運用Origin 8.5pro軟件中指數(shù)曲線擬合方法來對木材動態(tài)模型Z模型公式進行擬合如圖5和6，求得模型公式中參數(shù)。

表4 環(huán)氧樹脂在玻璃纖維增強楊木重組木表面接觸角

注：表中數(shù)值為平均值±標準差。

圖5 環(huán)氧樹脂在不同密度試件空白處的動態(tài)接觸角

圖6 環(huán)氧樹脂在不同密度試件玻璃纖維處的動態(tài)接觸角

①環(huán)氧樹脂在不同密度楊木重組木空白處的參數(shù)。

密度0.6 g/cm3：θe=45.7°，A=61.4，K=0.030。

密度0.7 g/cm3：θe=47.7°，A=43.4，K=0.025。

密度0.8 g/cm3：θe=36.2°，A=55.8，K=0.024。

密度0.9 g/cm3：θe=46.5°，A=63.8，K=0.015。

將參數(shù)值代入模型公式(1)，則得水在楊木重組木表面空白處的動態(tài)潤濕過程描述公式分別為：

θ0.6=45.7+61.4e-0.03t;

θ0.7=47.7+43.4e-0.025t;

θ0.8=36.2+55.8e-0.024t;

θ0.9=46.5+63.8e-0.015t。

②環(huán)氧樹脂在不同密度玻璃纖維增強楊木重組木玻璃纖維處的參數(shù)。

密度0.6 g/cm3：θe=51°，A=66.2，K=0.023。

密度0.7 g/cm3：θe=53°，A=59.6，K=0.018。

密度0.8 g/cm3：θe=50.5°，A=62.5，K=0.015。

密度0.9 g/cm3：θe=52.2°，A=67.5，K=0.013。

將參數(shù)值代入模型公式(1)，則得水在楊木重組木玻璃纖維處的動態(tài)潤濕過程描述公式分別為：

θ0.6=51+66.2e-0.023t;

θ0.7=53+59.6e-0.018t;

θ0.8=50.5+62.5e-0.015t;

θ0.9=52.2+67.5e-0.013t。

通過得出的擬合曲線可以得到環(huán)氧樹脂在玻璃纖維增強楊木重組木表面的動態(tài)潤濕K值。如表5所示，環(huán)氧樹脂和水在重組木表面的動態(tài)潤濕K值有著相似趨勢，隨著密度的增加，環(huán)氧樹脂在楊木重組木表面空白處和玻璃纖維處的K值均呈減小趨勢，表明環(huán)氧樹脂在表面滲透和鋪展的速率降低，表面動態(tài)潤濕性減小。玻璃纖維處相較于空白處K值有顯著的減少，即潤濕性顯著減少。

對水和環(huán)氧樹脂在楊木重組木表面的動態(tài)潤濕性進行對比分析，得到水在楊木重組木表面的動態(tài)潤濕性比環(huán)氧樹脂在楊木單板表面的動態(tài)潤濕性能更高，且玻璃纖維對于水在楊木重組木表面動態(tài)潤濕性能的降低幅度相比于環(huán)氧樹脂要更大，降低效果更好。分析原因主要有兩點：第一是環(huán)氧樹脂的黏度比水的大，流動性較差；第二是跟樹脂的表面張力有關。

表5環(huán)氧樹脂在玻璃纖維增強楊木重組木表面的動態(tài)潤濕K值

不同表面K值密度0.6g·cm-3密度0.7g·cm-3密度0.8g·cm-3密度0.9g·cm-3空白處0.0300.0250.0240.015玻璃纖維處0.0230.0180.0150.013

3 結論

通過對不同密度的楊木重組木表面動態(tài)潤濕性的分析可知，密度的變化對于楊木重組木的表面動態(tài)潤濕性能有著一定影響。當密度增加時，液滴更不易在楊木重組木表面滲透鋪展，表面動態(tài)潤濕性能呈降低趨勢。

通過對玻璃纖維增強楊木重組木空白處和玻璃纖維與楊木基交界處兩種不同表面的分析可知，液體在玻璃纖維與楊木基交界處的表面動態(tài)潤濕性相比在空白處表面潤濕性均有顯著降低，因此玻璃纖維的添加能夠顯著減小液滴在楊木重組木表面的滲透和鋪展的速率，降低表面動態(tài)潤濕性能。

對環(huán)氧樹脂和水在楊木重組木表面的動態(tài)潤濕性進行比較，得出環(huán)氧樹脂相比水在楊木重組木表面滲透和鋪展的速率更低，動態(tài)潤濕性能更低。