杨树浸渍改性材物理及力学性能研究

李志高， 王 勇， 陈泽君， 邓腊云， 马 芳， 范友华

(湖南省林业科学院， 湖南 长沙 410004)

杨树浸渍改性材物理及力学性能研究

李志高， 王 勇， 陈泽君*， 邓腊云， 马 芳， 范友华

(湖南省林业科学院， 湖南 长沙 410004)

利用聚乙烯醇缩甲醛复合改性剂对杨树木材进行浸渍改性处理，对比研究了杨树素材与改性材的物理性能及主要力学性能的变化，并利用扫描电子显微镜(SEM)分析了改性剂在改性材中的分布情况。结果表明：改性材的气干密度和抗缩系数(PASE)随改性剂浓度的上升而增加，改性材的气干密度最高为0.41 g/cm3，比素材的提高了13.9%，抗缩系数(PASE)最大提高到47.8%。改性材吸水率随改性剂浓度的上升而下降，与素材相比最大下降了19.2%。当改性剂的浓度为25%时，改性材的弹性模量和静曲强度达最大，分别为27.4%和13%。SEM分析显示改性剂填充于部分木射线以及交错纤维间的空隙中。

杨树； 改性； 物理性能； 力学性能； 扫描电镜分析

在国内高质量大径级原木资源日益匮乏的背景下，杨树作为重要的速生材树种，其种植范围及面积在国内已有快速提高。湖南作为重要的人工林种植省份，近年来杨树种植面积及蓄积量也在快速增长。因而杨树木材的开发和利用不断受到科研工作者及木材经营者的重视。杨树木材在诸多领域均有广泛应用，但由于杨树生长速度快，轮伐周期短，致使其木材材质软、密度低、物理力学性能较差，应用范围受到严重限制。因而，改善杨树木材材性有望提高木材利用价值及拓展其应用范围。近年来，研究较多的改性方法主要为化学和物理改性法，其中化学改性法中的树脂浸渍改性是最常用的改性方法[1-2]。通过树脂浸渍改性可以有效改善木材的物理及力学性能，增强其耐久性。因此，根据现有研究基础[3-4]，作者利用复合改性剂对杨树木材进行浸渍改性处理，并对杨树素材和改性材的物理及力学性能等进行了对比研究。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设备

(1) 试验材料。试验用木材采自湖南省沅江市林场的8年生人工速生杨树林。按照GB/T1929 — 09规定的取样方法将试材加工成20 (R)mm×20 (T)mm×300 (L)mm和20 (R)mm×20 (T)mm×20 (L)mm 2种规格的试件，并将试件分别依次编号。试件的含水率控制在12%左右。改性主剂聚乙烯醇缩甲醛胶为实验室自制，其外观为无色透明的液体，不挥发物含量为6%，粘度为100 mPa·s，pH值为6.5～7.5，贮存期6个月。助剂为实验室自配。配置6个浓度梯度的改性剂，其中主剂聚乙烯醇缩甲醛胶含量分别为5%、10%、15%、20%、25%、30%，助剂含量为5%。

(2) 主要仪器及设备。真空/加压木材改性设备(最大压力2.5 MPa、真空度-0.08 MPa、容积0.0345 m3)；济南时代试金试验机有限公司WDW — 20E微机控制电子式万能试验机；日本日立公司TM3000型扫描电子显微镜；电子天平(精确到0.01 g)；电子千分尺(精确到0.02 mm)。

1.2 改性流程

(1) 将试件置于恒温恒湿箱中(温度20 ℃，湿度 65%)，放置15天。

(2) 将试件置于改性罐内，密封。

(3) 将改性罐抽真空(-0.08 MPa)，保持30 min。

(4) 向处于真空状态的改性罐中注入改性剂，恢复常压后对改性罐加压，使罐内压力达到试验设定压力，保持1 h。

(5) 卸压，将试件从改性罐中取出。

(6) 去除试件上残留改性剂后，在恒温恒湿箱中(温度20 ℃，湿度 65%)放置15天。

1.3 测试

1.3.1 SEM扫描电镜测定 从杨树素材及改性材试件的中间部位截取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8 mm×8 mm、厚度为1 mm的木片若干，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。

1.3.2 力学性能测定 素材和改性材的静曲强度(MOR)及弹性模量(MOE)分别采用GB/T1936.1 — 2009中《木材抗弯强度试验方法》和GB/T 1936.2-2009中《木材抗弯弹性模量测定方法》[5-6]规定的方法测定。

1.3.3 吸水率测定 试件的吸水率参照公式(1)计算，精确至1%。

(1)

1.3.4 尺寸稳定性测试 素材和改性材的抗干缩性采用GB 1934 — 91[7]规定的方法测定。通过素材和改性材的体积干缩率来分析改性材的抗缩系数(PASE)，并将其作为考察杨树改性材尺寸稳定性的主要指标。计算公式见公式(2)。

(2)

2 结果与分析

2.1 改性材的物理性能

改性剂浸渍进入木材内部并固化后，使木材的物理性能有显著的提高。从图1中可以看出：改性材的密度与素材相比均有不同程度的提高，而改性材的密度随改性剂浓度的提高而逐渐增大。当改性剂的浓度为30%时，改性材的密度达0.41 g/cm3，比素材的密度提高了13.9%。说明改性剂通过浸渍进入木材内部，填充了木材内部的部分孔隙，从而提高了杨树木材单位体积的质量，使改性材的密度得以提高。

图1 改性材的气干密度变化Fig.1 Air-dry density variations of modified wood

通过浸渍改性，杨树改性材的孔隙被改性剂填充，也影响木材的吸水率及稳定性能。从图2中可以看出： 改性材的吸水率随改性剂浓度的提高而逐渐下降。当改性剂的浓度为30%时，改性材的吸水率下降到了160%，与素材的吸水率(198%)相比最大下降了19.2%。从图3中可以看出：改性材的抗缩系数随改性剂浓度的增加而逐渐提高。当改性剂的浓度为30%时，抗缩系数为47.8%，达到最大值。杨树改性材抗缩系数的显著提高，也说明了通过改性，杨树改性材的尺寸稳定性相对素材的有了显著提高。这可能是改性剂通过浸渍进入木材内部后，改性剂大分子与木材细胞壁大分子上的羟基发生缩合反应，减少了木材内部大分子上的羟基官能团含量，显著降低了杨树木材的亲水性，从而降低了木材的吸水性能，改善了其湿胀和干缩的性能，使得其尺寸稳定性得到提高[8-10]。

图2 改性材的吸水率变化曲线图Fig.2 Water absorption of modified wood

图3 改性材的ASE变化曲线图Fig.3 ASE variations of modified wood

2.2 改性材的力学性能

图4为杨树木材在经不同浓度改性剂浸渍改性后的弹性模量与静曲强度变化情况。从图4中可知：当改性剂的浓度为5%时，改性材的弹性模量和静曲强度的变化率分别为-5.28%和-10.9%，与素材相比，其弹性模量和静曲强度均下降了。这可能是改性剂的浓度偏低，在浸渍改性过程中破坏了木材的物理强度，使其力学性能下降。但随着改性剂浓度的上升，改性材的弹性模量和静曲强度均有不同程度提高。当改性剂浓度达到25%时，改性材的弹性模量和静曲强度均达到最高值，分别为27.4%和13%。浸入木材内部的改性剂能够与木材内部大分子上的活性基团(如羧基、羰基、醛基等)进行化学反应，生成类似于木质素、半纤维素等结壳类物质，并包裹在纤维素纤丝周围，对纤丝起到强化作用，在外力作用下可以更好地起到分散和传递应力的作用，使木材在承受载荷过程中的纤维素纤丝间抵抗滑移破坏的能力增强[11-13]。因此，浸渍改性后的木材，其力学性能改善效果显著。

图4 不同浓度改性剂浸渍改性后的改性材力学性能变化曲线Fig.4 Mechanical performance of treated poplar wood in different modifier concentration

2.3 SEM分析

图5为改性材与素材的径向剖面扫描电镜对比谱图。通过对比可以看出，与杨木素材相比，改性材中交错纤维间的部分空隙以及木射线中被改性剂填充，这样就增强了纤维与纤维间的结合，在载荷作用下纤维与纤维之间应力的传递与分散作用增强，从而可以有效提高木材的力学性能。改性剂与细胞壁中的纤维素和半纤维素通过键合作用相结合，减少了细胞壁大分子上的亲水官能团数量，有效降低了木材的吸水性，从而提高了木材抗干缩和湿胀的性能，改善了其尺寸稳定性。木材浸渍改性后，改性剂通过对木材内部孔隙的填充及与纤维的交联反应，使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得到提高，对横向折断和纵向拉伸起到了阻碍作用，从而使木材的力学性能得到提高[14-15]。

(a)杨树素材

(b)改性材

图5杨树素材与改性材SEM对比谱图

Fig.5SEManalysisofpoplarwoodandtreatedpoplarwood

3 结论与讨论

通过利用复合改性剂对杨树木材进行真空加压浸渍改性，使其物理及力学性能等均有不同程度的改善。

(1) 当改性剂的浓度为30%时，改性材的密度为0.41 g/cm3，达到了最大值，比素材提高了13.9%。改性材的吸水率与素材相比最大下降了19.2%。当改性剂的浓度为30%时，抗缩系数(PASE)达到了最大值，为47.8%。

(2) 当改性剂的浓度超过5%时，改性材的弹性模量和静曲强度与素材相比才有较明显的改善。改性剂的浓度达到25%时，改性材的弹性模量和静曲强度均达到最高值，分别为27.4%和13%。

(3) SEM分析显示，杨树改性材中改性剂已填充于部分木射线以及交错纤维间的空隙中。

(4) 本研究探讨了在不同工艺条件下杨树木材的物理及力学性能的变化情况，但未对其耐腐及加工等性能进行研究，未充分掌握改性材各项性能的变化规律，因而在未来的工作中还需对杨树改性材进行更全面和深入的研究。

[1] Homan J, Jorissen J M.Wood modification developments [J].HERON, 2004,49(4):361-386.

[2] Hill C A.Wood Modification: An update[J]. Bioresources, 2011, 6(2):918-919.

[3] 陈泽君, 范友华, 胡伟. 湖南速生材杉木浸渍改性工艺研究[J]. 湖南林业科技, 2008, 35(3):11-13.

[4] 陈泽君, 王勇, 马芳, 等. 聚乙烯醇缩甲醛胶对杉木木材的物理与力学性能的影响[J]. 湖南林业科技, 2012, 39(5):29-32.

[5] GB/T 1936.1-2009, 木材抗弯强度试验方法[S].

[6] GB/T 1936.2-2009, 木材抗弯弹性模量测定方法[S].

[7] GB/T 1932-1991, 木材干缩性测定方法[S].

[8] 刘培义, 孟国忠. 木材的尺寸稳定性处理[J]. 木材工业, 2003, 17(2):24-26.

[9] 何莉, 余雁, 喻云水, 等. 糠醇树脂改性杉木的尺寸稳定性及力学性能[J]. 木材工业, 2012, 26(3):22-24.

[10] 王相君, 王喜明, 张明辉. 4种改性杨木的尺寸稳定性研究[J]. 内蒙古农业大学学报, 2009, 30(4):212-215.

[11] Papadopoulos A N, Pougioula G. Mechanical behaviour of pine wood chemically modified with a homologous series of linear chain carboxylic acid anhydrides[J]. Bioresource Technology, 2010, 101(15):6147-6150.

[12] 岳孔, 刘伟庆, 卢晓宁. 化学改性对速生杨木木材力学性能和天然耐久性的影响[J]. 安徽农业大学学报, 2011, 38(3):453-457.

[13] 岳孔, 章瑞, 卢晓宁, 等. 速生杨木改性材力学及胶合性能的研究[J].中南林业科技大学学报, 2009, 29(6):93-67.

[14] 武国峰, 姜亦飞, 宋舒苹, 等. 木材/改性UF预聚体复合材料制备及性能表征[J]. 光谱学与光谱分析, 2011, 31(4):1083-1086.

[15] 刘喜明, 于再君. 采用脲醛树脂浸渍法提高泡桐抗弯性能[J]. 龙岩学院学报, 2008, 26(3):54-56.

(文字编校：唐效蓉)

Propertiesoftreatedpoplarwood

LI Zhigao, WANG Yong, CHEN Zejun*, DENG Layun, MA Fang, FAN Youhua

(Hunan Academy of Forestry, Changsha 410004, China)

With polyvinyl formal as the modifier, the physical and mechanical properties were compared between untreated poplar wood and treated poplar wood. The results showed that the air-dry density and the ASE value of treated samples were increased progressively with addition of the modifier concentration, comparing with untreated poplar wood. The air-dry density of treated wood reached 0.41 g/cm3that was maximum increase of 13.9% compared with poplar wood. The value of ASE reached 47.8% at most. The water-absorption ratio was decreased by 19.2% with the increase of modifier content. Moreover, the MOE and MOR of treated poplar wood increased to 27.4% and 13% at most respectively when the modifier concentration was 25%. The SEM spectrum showed the modifier was filled in some wood rays and the gap between staggered fibers.

poplar; modification; physical properties; mechanical properties; SEM

2014-02-14

湖南省长沙市科技计划项目(K1308282-11)；湖南省科技厅科技计划项目(2012NK2002)。

李志高(1968-)，男，湖南省汨罗市人，助理研究员，主要从事木材加工及产品开发工作。

*为通讯作者。

S 781.7

A

1003 — 5710(2014)03 — 0038 — 04

10. 3969/j. issn. 1003 — 5710. 2014. 03. 009