速生杉木甲基丙烯酸甲酯改性及材性研究

刘喻娟，李重根，郭杰文，胡传双，袁纳新，周冯瑞

(1 华南农业大学林学院，广东广州 510642;2 国营银盏林场，广东清远 511542）

杉木Cunninghamia lanceolata是我国南方各省广泛栽培、大量使用的一种重要用材树种.早期的杉木以其独特的芳香、通直的纹理深受人们喜爱.随着近年来天然林资源的减少，人工速生林作为天然林的重要补充资源而逐步受到重视，但速生人工林杉木因其材质松软、硬度较低、尺寸稳定性差而使用受到限制.因此，通过各种方法对其进行改性，提高其物理力学性质，扩大其使用范围成为重要课题.化学改性方法是改善软质木材性能的有效方法，近年来，学者们对采用酚醛树脂(PF)、脲醛树脂(UF)、三聚氰胺甲醛树脂(MF)等浸渍杉木而改善其材性进行了研究［1-6］，用乙烯基类单体浸渍木材加热聚合制备复合材料也有报道［7-11］，但对杉木木材的研究较少，特别是对适用于家具产品制造的规格木材研究，鲜见报道.本研究采用甲基丙烯酸甲酯(MMA)作为浸渍单体，对生产实际中常用规格杉木进行真空浸渍处理试验，目的是研究MMA单体在规格木材中的渗透效果，并对改性材材性的主要物理力学性能进行测试，探讨其在实际生产中使用的可行性.

1 材料与方法

1.1 材料

杉木:来自广东省清远市银盏林场，直径12～18 cm的速生材.考虑到家具生产中材料的常用规格，本试验所采用试件规格为径向(R)45 mm×弦向(T)45 mm×纵向(L)440 mm.因为是小径级材，尽管是靠近圆木的边材部分取材，但其一侧仍然接近心材.

甲基丙烯酸甲酯(MMA):化学纯，购于广州市华皓贸易有限公司.偶氮二异丁腈(AIBN):分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司生产.

1.2 方法

1.2.1 工艺过程 规格为45 mm×45 mm×440 mm试件8根，分成4组，每组2根重复试验，试验设计的控制密度增加率分别为25%、60%、100%和140%，通过浸渍时间控制密度增加率，实际操作时，每次试验的密度增加率会略有差异.将试验材料烘到绝干，冷却，称质量后放入真空装置中抽真空到－0.08 MPa，保持30 min，然后注入MMA，取出后用塑料袋密封，放置一段时间，目的是使MMA在木材中均匀，最后将密封的浸渍材放入压力罐中加热聚合，温度70℃，4 h后冷却取出试件.

1.2.2 性能测定 处理材和对比材的密度按GB/T1933—2009［12］方法测定，改性材分层密度取样见图1.

图1 改性材分层密度取样示意图Fig.1 Layered density sampling schematic diagram of modified wood

2 结果与分析

2.1 改性材的质量增加率

杉木经抽真空处理，浸注MMA单体，再经24 h的陈放和4 h温度为70℃的加热聚合，制备得到MMA改性木材.对改性前的素材和改性后的改性材称质量，得出MMA在杉木木材中的质量增加率，见表1.

表1 试件质量增加率数据Tab.1 The growth rate data of specimen

从表1中的数据可以看出:木材的实际质量增加率与设计控制质量增加率之间的差异很小，最大的也只为9.00%，说明通过合适的工艺过程，在实际操作中可以很好地控制改性材质量增加率.

2.2 改性材的密度

由表1和表2可以看出:MMA在杉木中的渗透性极好，考虑加热聚合时部分挥发量，实际在木材中的质量增加率可超过140%.从分层密度数据中还可以看出，杉木改性材中心部分与表面部分的密度差异很小，说明该渗透液在木材内部的流动性也非常好，完全可以进入木材内部.考虑到家具生产中实际使用的木材尺寸大致也是该规格，因此，可以认为该技术应用于实际生产中是可行的.

表2 浸渍MMA改性材的分层密度1)Tab.2 Layered density of modified wood with methyl methacrylate g/cm3

2.3 改性材的力学性能

从表3可以看出:杉木改性后的力学性能有明显提高.提高最大的是木材的硬度:端面硬度由3.25 kN增加到最大值6.2 kN，增加幅度为90.77%，径面和弦面硬度分别由2.28和2.22 kN增加到4.15和4.05 kN，增加幅度分别为82.01%和82.43%;其次是木材的顺纹抗压强度，由改性前的32.77 MPa增加到最大值44.77 MPa，增加幅度为36.62%;增强效果最小的是抗弯强度，由43.66 MPa增加到最大值46.44 MPa，增加幅度仅为6.37%.改性材的这些特性改变有利于其用作家具材料，因为家具对材料的表面硬度和抗压强度要求较高.由表3还可看出:不同质量增加率对力学性能的影响是不同的，在质量增加率为60%时的力学性能最好.

表3 未改性材与改性材的力学性能1)Tab.3 Mechanical performance of unmodified wood and modified wood

2.4 改性材的尺寸稳定性

由表4可以看出:改性后的杉木木材弦向和径向干缩率大幅度降低，浸注液的填充作用使得木材细胞无法收缩是木材干缩系数减小的主要原因.从表中也可以看出:当杉木质量增加率大于60%时，继续增加质量增加率对干缩率的影响不大，因而为了节约浸渍树脂，树脂含量不应大于60%.超量树脂浸入对干缩率影响不大，可能的原因是过量的树脂仅存在于木材的细胞腔中，只有依附于细胞壁中的树脂才对木材的干缩特性有影响.

表4 未改性材与改性材的干缩率1)Tab.4 Dry shrinkage of unmodified wood and modified wood %

3 结论

本文对家具生产实用规格杉木浸泡甲基丙烯酸甲酯溶液改性后的密度、硬度、顺纹抗压、抗弯强度的变化情况进行了研究.通过对试验数据的分析，得出如下结论:1)随着质量增加率的增加，规格杉木的平均密度也随着增大;改性后的规格木材内外密度差异不明显，表明MMA树脂在45 mm厚的杉木内部渗透性极好，因此，在实际生产中，可以采用该树脂对整体木材进行改性;2)改性后的木材力学性能有所提高，提高最为明显的是木材表面硬度，这对于杉木改性材用于制作家具十分有利，有利于提高家具表面硬度和光洁度;3)改性后杉木木材弦向和径向干缩率明显减小，有利于家具产品的尺寸稳定;4)质量增加率在60%以下时，增加树脂含量对力学性能提高和木材干缩率的减小都有明显的影响，但当质量增加率大于60%时，继续增加树脂含量对材性的影响有限，为降低成本，改性材的树脂含量应控制在60%以下.

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