聚乙烯醇缩甲醛胶对杉木木材的物理与力学性能的影响

陈泽君， 王 勇， 马 芳， 范友华

(湖南省林业科学院， 湖南 长沙 410004)

聚乙烯醇缩甲醛胶对杉木木材的物理与力学性能的影响

陈泽君， 王 勇， 马 芳， 范友华

(湖南省林业科学院， 湖南 长沙 410004)

对杉木素材与聚乙烯醇缩甲醛浸渍处理材的物理与力学性能进行了对比研究，并利用扫描电子显微镜(SEM)分析了改性剂在木材中的分布情况。结果表明：随着改性剂浓度的提高，改性材的气干密度和抗缩系数均逐渐提高，气干密度最大可达0.4g/cm3，提高了5.7 %，抗缩系数最大提高了18.8%；改性材的吸水率逐渐下降，最多下降了21.1%；当改性剂浓度为30%时，改性材的破坏极限和弹性模量分别提高了6.7%和35.3%；当改性剂浓度为15%时，静曲强度下降了9.9%。SEM结果表明，改性剂填充于部分木射线以及交错纤维间的空隙中。

杉木； 改性； 尺寸稳定性； 扫描电镜分析

湖南省杉木速生材资源丰富，但其材性存在很多不足，如密度小、强度低、尺寸稳定性差、易腐朽等，给加工利用带来诸多问题。要提高杉木速生材材性，实现劣材优用，提高其经济利用价值，就必须对其进行改性处理。目前研究最多的是利用“三醛”树脂(酚醛树脂、脲醛树脂和三聚氰胺树脂)对木材进行压注改性[1-2]，但这些改性剂甲醛释放量大，在加工和利用过程中对人体和环境均有较大的影响。因此，我们采用一种无毒低甲醛释放的环保型改性剂对木材进行改性，分析改性材的物理和力学性能，并利用扫描电镜分析了改性剂与木材结构发生的反应及对木材尺寸稳定性和力学性能的影响。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设备

1.1.1 试验材料 试验用木材采自湖南省林业科学院试验林场的15年生人工速生杉木林，按照GB/T1929-09中《木材物理学试材锯解及试样截取方法》[3]规定将其加工成20(R)mm×20(R)mm×300(L)mm(静曲强度、抗弯弹性模量测试试件)和20mm×20mm×20mm(尺寸稳定性测试及气干密度测试试件)2种规格，并将它们分别依次编号。试件的含水率为12%左右。改性剂主剂为聚乙烯醇缩甲醛胶，购于多邦涂料有限公司，外观为无色透明液体，不挥发物含量为6%，粘度为100Pa·s，pH值为6.5～7.5，贮存期6个月；助剂为实验室自配。

1.1.2 主要仪器及设备 真空/加压木材处理设备(自行设计，最大压力2.5MPa、真空度-0.08MPa、容积0.0345m3)；长春科新试验仪器公司WDM3100型万能力学试验机；日本JEOL 公司JSM-6940LV型扫描电子显微镜；电子天平(精确到0.01g)；电子千分尺(精确到0.02mm)。

1.2 改性方法

(1) 将试件进行室干。

(2) 将试件置于自组装改性处理罐内密封。

(3) 将处理罐抽至0.085MPa的真空度且保持真空0.5h。

(4) 真空状态下向处理罐中注入改性药剂，对处理罐加压，使压力达到实验设定压力，并分段保压一段时间，以控制载药量。

(5) 卸压，将试件从处理罐中取出。

(6) 去除多余残留药液后在自然条件下陈放15 d，至改性试件含水率达到平衡。

1.3 测试

1.3.1 SEM扫描电镜测定 从经改性处理后的杉木试件及未处理材的中间部位截取出20(R)mm×20(R)mm×30 (L)mm的小试样，用滑走式切片机制取面积为8mm×8mm、厚度为1～2mm的木薄片若干，选取表面结构完好无损、无污染和无变形的木片，将其用导电胶固定在金属托片上，然后在每1片木片表面镀上一层铂金，目的是为了防止充电、放电效应，减少电子束对样品的损伤作用，增加二次电子的产生率，获得较好的图像。

1.3.2 主要力学性能测定 素材和改性材的静曲强度(MOR)采用GB/T1936.1-1991中《木材抗弯强度试验方法》[4]规定的方法测定，弹性模量(MOE)采用GB/T1936.2-2009中《木材抗弯弹性模量测定方法》[5]规定的方法测定。

1.3.3 尺寸稳定性能测试 素材和改性材的抗湿胀性采用GB1934-1991中《木材湿胀性测定方法》[6]规定的方法测定。通过改性材和素材的湿胀率计算改性材的抗缩系数(ASE)，并将该值作为评价木材尺寸稳定性的主要指标。计算公式见公式(1)。

(1)

式中：S1——素材的体积湿胀率(%)；

S2——处理材的体积湿胀率(%)。

1.3.4 吸水率测定 试件的吸水率按参照公式(2)计算，精确至1%。

(2)

2 结果与分析

2.1 改性材物理性能变化

图1为不同浓度改性剂对改性材气干密度影响的趋势图。从图1中可以看出，随着改性剂浓度的升高，改性材气干密度逐渐提高；当浓度为25%时，改性材气干密度达到最高，达0.4g/cm3，比素材提高了5.7%。说明改性剂通过压注进入木材内部，填充了木材内部的孔隙，提高了木材单位体积的质量，从而提高了木材的气干密度。

图1 改性材气干密度变化趋势图Fig.1 Air-dry density variations of modified wood

图2为素材和经过不同浓度改性剂改性的杉木木材吸水率的变化曲线图。从图2中可以看出，随着改性剂浓度的升高，改性材的吸水率逐渐下降，当改性剂含量为20%时，改性材吸水率降到了155.5%，比素材的吸水率(197%)最多降低了21.1%；随着改性剂浓度进一步升高，改性材吸水率变化趋于平缓。这一结果说明木材细胞壁对改性剂的吸收存在着一定的极限。过量的改性剂主要填充于木材细胞腔内表面和细胞腔中，而赋予木材阻湿抗胀性能的主要是进入细胞壁内的改性剂[7-8]。

图2 改性材吸水率的变化趋势图Fig.2 Water absorption ratio variations of modified wood

图3是杉木改性材从全干到吸水饱和状态下的抗缩系数(ASE)变化图。从图3中可以看出，随着改性剂浓度的增加，改性材的抗缩系数(ASE)也不断提高。当改性剂的浓度为30%时，抗缩系数(ASE)达到系列试验的最大值，为18.8%。

图3 改性材ASE的变化趋势图Fig.3 ASE variations of modified wood

改性材尺寸稳定性的提高，可能是改性剂压注进入木材内部后，与木材大分子上的羟基发生缩合，减少了木材内部大分子上的羟基数量，降低了木材的亲水性，从而降低了木材的吸水性能，改善了其湿胀和抗干缩的性能，提高了木材尺寸稳定性[9-10]。

2.2 改性材主要力学性能变化

由于改性剂通过压注进入木材内部，填充了木材内部的纹孔并与其细胞壁结合，从而提高木材的力学性能。从表1可以看出：与素材相比，随着改性剂浓度的不断提高，改性材的破坏极限和弹性模量增加，静曲强度有所下降；当改性剂浓度为30%时，木材的破坏极限提高了6.7%，弹性模量提高了35.3%；其静曲强度，无论改性剂浓度如何提高，其均值均下降，当改性剂浓度为15%时，静曲强度最大下降9.9%。这可能是药液引入木材后，使木材变脆，从而降低了其静曲强度[11]。

表1 杉木素材及改性材主要力学性能Tab.1 MechanicalperformanceofuntreatedandmodifiedChinesefirwood改性剂质量百分比(%)破坏极限(N)静曲强度(MOR)弹性模量(MOE)01326.7551.834022.1551368.9248.434020.2310133447.5234337.1151396.0846.715364201395.2549.95328.13251392.547.85066.32301415.6746.795440.32

2.3 改性材SEM分析

图4为杉木素材与改性材的径向剖面扫描电镜谱图。通过对比观察可以发现，改性剂填充于交错纤维间的空隙以及部分木射线中，这样就增强了纤维与纤维间的结合，从而增强了木材的尺寸稳定性。同时改性剂与细胞壁中的纤维素和半纤维素可能通过键合作用相结合，也可以增强木材的尺寸稳定性。由于木材被浸渍改性剂后，使得木材纤维之间增加了机械胶接和化学键结合，部分纤维之间的接合力有所提高，对纵向拉伸和横向折断起到了阻碍作用，致使木材的韧性增强[12-13]。

图4 杉木素材(a)与改性材(b)SEM分析对比图Fig.4 SEM analysis of the untreated Chinese fir(a) and treated Chinese fir(b)

3 结论

(1) 改性材的气干密度和抗干缩系数均随着改性剂浓度的提高有明显的提高，改性材的吸水率则有明显下降。

(2) 当改性剂浓度为30%时，改性材的破坏极限和弹性模量分别提高了6.7%和35.3%，；当改性剂浓度为15%时，静曲强度下降了9.9%。

(3) SEM 谱图说明了改性剂已经填充于木材纤维间的间隙及木射线中。

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[2] Kowalski S J,Kyziol L.Mechanical Properties of Modified Wood[J]. Solid Mechanics and Its Applications, 2002, 87(10): 221-228.

[3] 中国国家标准化管理委员会，GB/T 1929-2009，木材物理力学试材锯解及试样截取方法[S].北京:中国标准出版社,2009.

[4] 国家质量技术监督局,GB/T 1936.1-1991,木材抗弯强度试验方法[S]. 北京：中国计量出版社，1991.

[5] 国家质量技术监督局，GB/T 1936.2-2009,木材抗弯弹性模量测定方法[S].北京：中国计量出版社，2009.

[6] 国家质量技术监督局，GB/T 1934-1991,木材湿胀性测定方法[S]. 北京：中国计量出版社,1991.

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(文字编校：唐效蓉，龚玉子)

EffectofpolyvinylformaltreatmentonpropertiesofChinesefir

CHEN Zejun, WANG Yong, MA Fang, FAN Youhua

(Hunan Academy of Forestry, Changsha 410004, China)

Comparison of physical and mechanical properties between polyvinyl formal treated Chinese fir and untreated Chinese fir was conducted, and the distribution of resin in wood was studied by scanning electron microscopy. The results showed that, comparing with untreated Chinese fir, due to the increase of resin content, the air-dry density and the ASE of modified wood were gradually increased. The ASE of modified wood increased 18.8% while the air-dry density increased 5.7%, which could reach 0.4 g/cm3at most. The water absorption ratio decreased with the increase of resin content which decreased 21.1% at most. When the resin content was 30%, the failure limit and MOE of treated Chinese fir increased 6.7% and 35.3% respectively. Moreover, MOR decreased 9.9% when resin content was 15%. The SEM spectrum showed that the resin was filled in some wood rays and the gap between staggered fibers.

Chinese fir; modify; dimensional stability; SEM analysis

2012 — 08 — 22

2012 — 10 — 15

中央财政林业科技推广项目([2009]XT 01)； 长沙市科技局基金项目(K 1005163-31)。

陈泽君(1962 — )，男，湖南省汨罗市人，研究员，主要从事木材改性及配套装备研究。

S 781.7

A

1003 — 5710(2012)05 — 0029 — 04

10. 3969/j. issn. 1003 — 5710. 2012. 05. 007