王夢蕾 元海廣 孫照斌 魏立婷 楊麗虎

（1.河北農業(yè)大學林學院，河北 保定 071000；2.河北愛美森木材加工有限公司，河北 邯鄲 056800；3. 江蘇愛美森木材加工有限公司，江蘇 淮安 223001）

速生人工林楊樹生長迅速，適應性強，蓄積量大，分布范圍廣，是我國尤其北方地區(qū)人工林的主要樹種[1-2]。但人工林楊木存在結構疏松、密度?。ɑ久芏刃∮?.40 g/cm3）、材質軟、強度低、切削加工易起毛等缺點，直接影響木材質量和價格，多用于低附加值木材產品。對人工林楊木進行功能性改良，可大幅度提高楊木附加值，有效擴大其應用范圍[3-5]。

樹脂浸漬改性是指將木材浸泡在水溶性低分子量樹脂溶液中，樹脂擴散進入木材細胞壁，使木材增容，然后經干燥除去水分，最后加熱使樹脂固化，達到改性目的[6-9]。樹脂浸漬處理能夠較好地改進木材的力學強度、耐腐性、尺寸穩(wěn)定性等性能[8-13]。眾多學者以楊木、杉木、桉木等速生材為研究對象，探究了浸漬處理對改性木材物理力學性能等的影響[14-16]。研究大多采用實驗室小規(guī)格鋸材在小型浸漬設備中完成，各項工藝參數(shù)可控性相對較好，但應用于工業(yè)化規(guī)模生產，尚需對設備和相關工藝參數(shù)進行調整。

本研究以工業(yè)化生產的樹脂增強大規(guī)格楊木鋸材為研究對象，分別對其物理力學性能，膠合、涂飾、視覺性能等進行測試分析，并以亞美馬褂木（Liriodendron sino-americanumP.C.Yiehex ShangetZ.R.Wang）和北美鵝掌楸（Liriodendron tulipifera Linn.）為對照材，對改性楊木應用于實木家具的性能進行評價。

1 材料與方法

1.1 材料

1）楊木，河北愛美森木材加工有限公司，含水率為9.26%。

2）樹脂增強楊木（以下簡稱改性楊木），河北愛美森木材加工有限公司。木材中加壓浸漬以脲醛樹脂為主體的化學試劑，使用工業(yè)浸漬處理罐，浸漬樹脂濃度約為22%～25%，浸漬壓力2.5～3.0 MPa，浸漬時間3 h左右。浸漬后進行常規(guī)二次干燥，得到樹脂浸漬處理楊木鋸材，含水率為7.38%。

素材楊木和改性楊木的具體樹種不詳，為成品刨光鋸材，紋理通直，表面無缺陷。鋸材尺寸為2 600 mm×（100～300） mm×（25～45） mm。

3）膠黏劑：聚醋酸乙烯酯乳液（白膠），深圳市吉田化工有限公司。

4）涂料：UV固化聚氨酯溶劑型清漆，上海堅弗特種涂料有限公司；UV固化丙烯酸水性漆，昆山三越油墨有限公司。

1.2 設備

工業(yè)化真空加壓-負壓浸漬處理罐，單體容積40 m3/罐，定制；工業(yè)化蒸汽常規(guī)干燥窯，100 m3/窯，安徽福沃德干燥設備有限公司；10l-3AB型干燥箱，天津泰斯特儀器有限公司；微控電子萬能力學試驗機，型號WDW-100E，濟南試金集團有限公司；高精度木工圓鋸機，F(xiàn)ESTOOL KS120，德國費斯托（中國）有限公司；電子天平（精確至0.001g），上?；ǔ彪娖饔邢薰?；游標卡尺（精確至0.02mm），上海美耐特實業(yè)有限公司；單面木工壓刨床，型號MB104A，煙臺市振邦木工機械廠；臺式銑機，型號FESTOOL TF1400，德國費斯托（中國）有限公司；立式單軸榫槽機，型號MS362，佛山市順德區(qū)新馬木工機械設備有限公司；仿形木工車床，JWL-1018，揚州謳歌五金機械有限公司；ADCI-60型色差儀，北京辰泰克儀器技術有限公司。

1.3 性能檢測與評價方法

1.3.1 物理性能測定

密度、干縮性、濕脹性、吸水性分別根據(jù)GB/T 1933—2009《木材密度測定方法》、GB/T 1932—2009《干縮性測定方法》、GB/T 1934.2—2009《木材濕脹性測定方法》、GB/T 1934.1—2009《吸水性測定方法》進行測定。

1.3.2 力學性能測定

抗彎強度、抗彎彈性模量、順紋抗壓強度、橫紋全部抗壓強度、橫紋局部抗壓強度、硬度、握釘力分別根據(jù)GB/T 1936.1—2009《木材抗彎強度試驗方法》、GB/T 1936.2—2009《木材抗彎彈性模量測定方法》、GB/T 1935—2009《木材順紋抗壓強度試驗方法》、GB/T 1939—2009《木材橫紋抗壓試驗方法》、GB/T 1941—2009《木材硬度試驗方法》、GB/T 14018—2009《木材握釘力試驗方法》進行測定。

1.3.3 膠合性能測定

膠合性能測試參照以往研究進行[17-19]，試件尺寸為30 mm×25 mm×20 mm。將2 個試件為一對膠合在一起，在長度方向錯開5 mm，膠黏劑為家具用聚醋酸乙烯酯乳液（白膠）。使用手工羊毛刷將膠黏劑涂布到試件表面，雙面涂膠量為240 g/cm2，在壓機上進行冷壓加壓膠合，表壓力1 MPa，保壓2 h后卸壓。陳放48 h后進行膠合性能測試。

1.3.4 涂飾性能測定

按照GB/T4893.4—2013《家具表面漆膜理化性能試驗》中的附著力交叉切割測定法測定漆膜表面附著力。試件尺寸為300 mm×110 mm×8 mm，首先用120目砂紙砂光兩遍，刷一遍硝基漆，待漆膜自然晾干后，再用240 目水砂紙進行砂光，再刷一遍硝基漆，自然晾干后用320 目的水砂紙進行砂光，最后涂一層硝基漆，2 遍底漆（96 mg/m2），2 遍面漆（26 mg/m2）。

1.3.5 游離甲醛釋放量測定

按照GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》對改性材進行游離甲醛釋放量測定。

1.3.6 視覺特性測定方法

根據(jù)CIE1976(L*a*b*)色空間法，采用ADCI-60 型色差儀進行顏色測定。木材紋理測定根據(jù)文獻[20-21]中的方法進行。

1.3.7 機械性能測試方法[22]

按照LY/T 2054—2012《鋸材機械加工性能評價方法》對刨削、銑削、鉆削、開榫和車削5 項木材機械加工性能進行測試與等級評定。

1.3.8 性能評價方法

根據(jù)改性木材的性能，結合實木家具用材要求，對比亞美馬褂木和北美鵝掌楸，從物理力學性能、膠合涂飾性能與機械加工性能等方面對樹脂增強改性楊木的性能進行評價。

2 結果與分析

2.1 改性楊木物理性能

改性楊木和不同樹種家具材的物理性能如表1所示。

表1 改性楊木和2 種家具用木材的物理性能比較Tab.1 Comparison of physical properties of modified poplar wood and two kinds of wood for furniture

2.1.1 密度

由表1 可知，改性楊木的氣干密度、全干密度、基本密度分別為0.57、0.55、0.50 g/cm3，均高于素材楊木，基本密度為輕級（0.351～0.550 g/cm3），北美鵝掌楸亦為輕級。

改性楊木氣干密度、基本密度與亞美馬褂木接近，高于北美鵝掌楸，在木材質量方面優(yōu)于或接近馬褂木等家具用材，參照常見木材物理力學分級表[23]，與常見家具用材柚木氣干密度相近，在密度重量方面適合用作實木家具材及裝飾材。

2.1.2 干縮特性

改性楊木全干的弦徑干縮差異(弦向干縮率/徑向干縮率)為1.95，小于 2，因此其弦徑向干縮比較均勻，尺寸穩(wěn)定性較好，不易開裂和變形。其體積、弦向、徑向的全干干縮率分別為9.39%、6.00%、3.07%，較素材楊木均有所降低，表明改性楊木干燥時較未改性楊木更不容易發(fā)生翹曲和開裂，其徑弦向干縮率低于亞美馬褂木和北美鵝掌楸，可用作實木家具用材。

2.1.3 吸水吸濕膨脹率

從全干到水飽和狀態(tài)，改性楊木的弦向濕脹率均大于徑向濕脹率，其水飽和的弦徑濕脹差異小于2,因此其弦徑向濕脹比較均勻。改性楊木的體積、弦向、徑向的吸水厚度膨脹率分別為8.24%、5.03%、2.21%；吸濕膨脹率分別為2.83%、1.46%、1.34%，均低于素材楊木?？梢?，改性楊木尺寸穩(wěn)定性有所提高，在實木家具的生產與使用過程中，耐水及耐潮性能均較好。

2.1.4 吸濕平衡含水率

圖1為改性材與對照材的平衡含水率。

圖1 改性材與對照材平衡含水率對比情況Fig.1 Comparison of equilibrium moisture content between modified material and reference material

由圖1可知，改性處理能夠降低木材的平衡含水率。在溫度25 ℃，相對濕度50%時，浸漬改性材（5.65%）的平衡含水率比素材楊木（6.39%）降低了11.58%；在溫度25 ℃，相對濕度65%時，浸漬改性材（11.12%）的平衡含水率比素材楊木（29.5%）降低了62.31%。這可能是因為木材中部分樹脂固化，占據(jù)并堵塞了水分遷移通道，導致吸濕率下降[11]。

2.2 改性楊木力學性能

改性楊木和不同樹種木材的力學性質見表2。

表2 改性楊木和不同樹種的力學性能比較Tab.2 Comparison of mechanical properties of modified poplar and different tree species

1）抗彎彈性模量。抗彎彈性模量代表木材的勁度或彈性，是木材產生一個一致的正應變所需要的應力，以及在比例極限內，抵抗彎曲變形的能力[25]。改性楊木抗彎彈性模量（13 990 MPa）較素材楊木（8 093 MPa）有明顯提高，達到“Ⅳ”級[23]，優(yōu)于亞美馬褂木和北美鵝掌楸（“Ⅱ”級）?？箯潖椥阅Ａ颗c常見家具用材水曲柳和柞木比較接近。

2）抗彎強度。木材抗彎強度亦稱靜曲極限強度，為木材承受橫向靜彎曲荷載的能力，和抗彎彈性模量一樣都是重要的木材力學性質之一[25]。改性木材的抗彎強度（129.84 MPa）較素材楊木（77.10 MPa）提高了68.40%。為“Ⅳ”級，亞美馬褂木和北美鵝掌楸均為“Ⅲ”級。與常見家具用材相比，改性楊木的抗彎強度明顯高于水曲柳，與柞木接近。

3）順紋抗壓強度。在短時間內沿木材順紋方向緩緩施加壓縮荷載，木材所承受的最大能力為順紋抗壓強度。改性楊木順紋抗壓強度（96.44 MPa）較素材楊木（57.88 MPa）提高了66.62%。改性楊木為“Ⅴ”級，亞美馬褂木為“Ⅱ”級，北美鵝掌楸為Ⅲ級。改性楊木順紋抗壓強度顯著優(yōu)于常用家具用材（水曲柳和柞木）。

4）橫紋抗壓強度。橫紋抗壓強度為木材在垂直紋理方向抵抗比例極限時壓縮荷載的能力。楊木改性前后的橫紋全部徑向抗壓強度分別為3.93 MPa和6.69 MPa，改性后提高了70.23%；橫紋局部弦向抗壓強度分別為2.99 MPa和3.75 MPa，提高了25.42%。橫紋局部徑向抗壓強度改性前后分別為6.91 MPa和9.93 MPa，改性后提高了43.70%；局部弦向抗壓強度改性前后分別為4.47 MPa和6.69 MPa，提高了49.66%。改性楊木全部徑向達到“Ⅲ”級（6.1～11.0 MPa）。

5）硬度。木材硬度表示木材局部抵抗硬物壓入其表面的能力。改性楊木的各面硬度均高于素材楊木。木材端面硬度最高，其次為弦面，徑面硬度最低。改性楊木端面硬度達到Ⅲ級，亞美馬褂木和北美鵝掌楸均為“Ⅲ”級。改性楊木的硬度明顯高于水曲柳的硬度，但是低于柞木硬度。

6）握釘力。改性楊木的各面握釘力均高于素材楊木。其中改性前后弦面握釘力強度分別為16.50 N/mm和27.53 N/mm，改性后提高66.85%；徑面握釘力分別為17.04 N/mm和39.96 N/mm，改性后提高134.51%。端面握釘力分別為7.57 N/mm和15.69 N/mm，提高了107.26%。木材徑面握釘力最高，其次為弦面，端面握釘力最低，幾乎為弦面握釘力的1/2。

7）對承重構件還需對木材的綜合強度進行評價，通常以順紋抗壓強度和抗彎強度之和表示。改性楊木的綜合強度為148.79 MPa，參照物理力學性質分級表可知[23]，其綜合強度屬于中等（135～180 MPa）。

2.3 改性楊木膠合性能

用白乳膠膠合的楊木剪切強度和木破率測試結果如表3 所示。

表3 白乳膠膠合的楊木剪切強度和木破率測試結果Tab.3 Test results of shear strength and wood breakage rate of white latex glued poplar wood

由表3 可知，改性楊木的剪切強度略大于素材楊木，而木破率低于素材楊木。樹脂增強改性處理對楊木膠合性能影響不大。改性后的楊木密度、脆性、硬度均增大，而孔隙率降低，使得改性材的剪切強度提高。由于樹脂浸漬楊木后，徑向、弦向、縱向的滲透性存在差異，導致各個方向密度有所差異，因此改性楊木膠合剪切強度、木破率存在一定差異。

2.4 改性楊木涂飾性能

改性材硝基漆漆膜附著力等級測試結果如表4 所示。國家標準規(guī)定漆膜附著力優(yōu)等品為0-1 級；一等品2 級；合格品3 級。

表4 改性材硝基漆漆膜附著力等級測試結果Tab.4 Test results of film adhesion grade of modified nitrocellulose paint

由硝基清漆漆膜附著力等級測試結果可知，經硝基漆涂飾的改性楊木和素材楊木的漆膜附著力全為0 級，漆膜附著力為優(yōu)等品。一方面說明硝基漆的質量好，另一方面說明和素材楊木相比，改性后的楊木漆膜附著力變化不大。

2.5 改性楊木環(huán)保性能

樹脂浸漬改性楊木游離甲醛含量為0.1～0.3 mg/L，達到E0 級（≤0.5 mg/L）要求，環(huán)保性能良好，無論在加工過程還是制品的使用過程中均不會對身體健康和環(huán)境產生不良影響。

2.6 材色與紋理

改性楊木涂飾前后材色參數(shù)測試結果如表5 所示，涂飾前后紋理參數(shù)測試結果如表6 所示。

表5 改性楊木涂飾前后材色參數(shù)Tab.5 Material color parameters before and after modified wood coating

表6 改性木材涂飾前后紋理參數(shù)Tab.6 Texture parameters before and after modified wood coating

由表5 可知，素材楊木偏白色，改性楊木呈淡黃色。經過涂飾后，素材楊木與改性楊木的明度L*降低，黃藍軸色品指數(shù)b*和紅綠軸色品指數(shù)a*均有所增加；改性楊木經過涂飾后其顏色向深色發(fā)展，肉眼觀察，發(fā)現(xiàn)改性楊木較素材偏黃。

由表6 可知，改性楊木的紋理粗細值涂飾前后變化為1.25～0.12 mm、紋理間距與疏密程度無明顯變化，紋理間距為5.49 mm，其紋理疏密程度為0.23 mm。楊木未改性材與改性材的紋理均不太清晰。

改性楊木本身花紋不顯著，但可以通過后期做色處理、花紋凸顯處理、木蠟油調色涂飾、高溫熱處理調色等技術，或幾種技術復合，使之顯示相對漂亮的材色和花紋，可以模擬色彩美觀木材的材色和紋理，改善改性木材的視覺特性。

2.7 機械加工性能[22,25]

機械加工性能是木材的重要性質，對于開發(fā)木材的利用潛能及擴大適用范圍均具有重要意義。本研究對楊木的刨削、銑削、鉆削、開榫和車削5項機械加工性能進行測試和等級評定。在滿分40分情況下，楊木未改性材和樹脂改性材的質量總評分分別為20分和30分，改性楊木的綜合機械加工性能明顯提高。在各項加工測試過程中，樹脂改性楊木的刨削和銑削為優(yōu)秀，其鉆削、開榫加工和車削為良好，改性楊木可用于實木家具的生產，也適用于各種機械加工方式。

3 結論

本試驗中，改性楊木的物理力學性能均優(yōu)于素材楊木，且力學性能都在中等級別以上。改性楊木的膠合性能顯著提高，甲醛釋放量符合國家標準。與北美鵝掌楸和亞美馬褂木等家具用材相比，其干縮濕脹性、抗彎強度、抗彎彈性模量、橫紋抗壓強度、順紋抗壓強度、握釘力以及膠合性能、涂飾性能、綜合機械加工性能均符合實木家具生產要求。改性楊木的材色和紋理可通過后期處理加以改善，能夠滿足實木家具要求。楊木經改性處理后，可以在家具用材中作為輕型承重件，或可用于對力學性能有要求的特殊場合。樹脂增強處理工藝可充分發(fā)掘楊木的利用潛能，拓展其應用領域，促進木材的高附加值應用。