硅溶胶预处理对热改性橡胶木力学性能的影响

李民 陆全济 蒋汇川 李晓文 李家宁

摘  要  先采用硅溶胶对橡胶木进行浸注预处理获得增重率为16%～20%的浸注材，再采用185和200 ℃对橡胶木及浸注材进行热改性处理，对比了二者经不同温度热改性后力学性能的差异。结果表明：与热改性材相比，浸注-热改性材的MOR及冲击韧性无显著差异，MOE在185 ℃时有显著性降低，而在200 ℃时无显著差异，弦面、径面及端面硬度均有显著性提高。

关键词   硅溶胶;预处理;热改性;橡胶木;力学性能

中图分类号  S781.3           文献标识码  A

Effects of Silica Sol Pretreatment on Mechanical

Properties of Heat-treated Rubber Wood

LI Min，LU Quanji，JIANG Huichuan，LI Xiaowen，LI Jianing

Rubber Research Institute， CATAS/State Engineering and Technology Research Center for Key

Tropical Crops， Danzhou， Hainan 571737， China

Abstract  The rubber wood impregnated with silica sol with WPG enhancement of 16%-20% was modified by 185 ℃ and 200 ℃ heat treatment. The differences between mechanical properties were compared. The results showed that there were no significant differences in MOR and toughness between the two; MOE of the impregnate-heat treated specimens significant decreased by 185 ℃ heat treated， but had no significant differences by 200 ℃ heat treated;Tangential， radial and longitudinal hardness of the impregnate-heat treated specimens significant increased.

Key words  Silica sol;Pretreatment;Heat treatment;Rubber wood;Mechanical properties

doi  10.3969/j.issn.1000-2561.2015.10.029

橡胶木（Hevea brasiliensis）是中国热带地区重要的人工林商品材，其纹理美观、加工性能优良，目前多用于家具制造和室内装修。采用热改性（俗称炭化）技术对橡胶木进行改性处理，能使其平衡含水率降低，尺寸稳定性提高，耐腐性能改善，同时还赋予橡胶木类似热带硬木的深褐色外观，具有较好的工业化生产前景。然而，热改性后的橡胶木材质变脆，力学性能下降显著，降低了木制品的出材率，影响了其使用性能，从而使热改性橡胶木的使用范围受到限制[1-3]。

为了改善热改性木材力学性能下降的问题，有学者对此作了相关研究，其中，在木材热改性前对其进行浸注预处理是一种有效的方法。李龙哲等[4]采用三聚氰胺改性脲醛树脂对粗皮桉进行浸注预处理，然后对其热改性处理，结果表明：浸注预处理能在一定程度上阻止热改性木材弹性模量及抗弯强度的下降。然而，作为有机合成的树脂多少会存在游离甲醛的释放，且在木材热改性过程中会发生一定程度的热分解。作为无机硅系化合物的硅溶胶是一种粘度较低、渗透性较好的无色无味透明液体，干燥固化可成坚硬的凝胶结构，具有较高的硬度;和树脂相比，无臭无毒无游离甲醛释放，安全环保，且一般可耐1 600 ℃左右的高温[5-10]。因此，硅溶胶是一种很有前景的木材浸注改性液。林兰英等[11]采用硅溶胶浸渍处理杨木，制得的复合木材的抗弯强度和抗弯弹性模量分别提高至87.70 MPa和12.41 GPa。王群等[12]以硅溶胶和水性苯丙乳液杂化而成的复合体系为前驱液浸注杨木，其力学性能随木材增重率的增加而增大。王群等[13]还用聚丙烯酸酯/硅溶胶的有机/无机杂化共混液处理杨木，结果表明复合材的硬度及抗压强度均明显提高。谭惠芬等[14]利用脲醛树脂/丙烯酸酯乳液/硅溶胶三元复合浸渍液制备杨木复合木材，结果表明复合木材的顺纹/弦向/径向抗压强度均比杨木素材高。由此可见，采用硅溶胶浸注改性能提高木材的力学性能，但将其浸注预处理再热改性木材的研究则鲜见报道。

因此，笔者针对橡胶木，采用硅溶胶对其浸注预处理，然后再采用过热蒸汽作为保护气体，分别将对照材及浸注材在不同温度下进行热改性。分析了浸注预处理对橡胶木热改性材力学性能的影响，为提高热改性橡胶木的性能、扩大其使用范围提供理论依据。

1  材料与方法

1.1  材料

试材：橡胶木，品系为PR107，树龄30 a，产自海南省儋州市八一农场，取距地面1.3 m以上长度为2 m的原木一段，锯解成650 mm×100 mm×25 mm（L×R×T）的径向板，干燥至含水率12%，选其中无黑线、无节疤的板四面刨光，然后制成300 mm×20 mm×20 mm（L×R×T）和70 mm×50 mm×20 mm（L×R×T）的标准径弦向试件用于五种不同处理，分别为对照、185 ℃热改性、200 ℃热改性、浸注-185 ℃热改性及浸注-200 ℃热改性。

浸注改性液：碱性硅溶胶（工业级），固体含量为30%，粘度为12 s（涂-4杯，25 ℃），pH值为9.2。

1.2  方法

浸注预处理工艺：采用真空加压法，浸注工艺参数选取前期试验确定的最优工艺参数，即先抽真空至-0.08 MPa，保持20 min后恢复常压，平衡5 min后，再加压至1.4 MPa，保持40 min后卸压。经浸注预处理后，试件的增重率为16%～20%。

热改性工艺：采用芬兰ThermoWood热处理工艺[15]。首先缓慢升温至130 ℃，待木材接近绝干时快速升温至185或200 ℃并保持3 h。温度升至130 ℃时通入过热蒸汽作为保护气，改性结束后停止加热，并适量通入冷却水降温，保持通入过热蒸汽直到温度降至130 ℃以下。

力学性能检测：按照GB 1936.2-2009《木材抗弯弹性模量测定方法》测定抗弯弹性模量;按照GB 1936.1-2009《木材抗弯强度测定方法》测定抗弯强度;按照GB 1940-2009《木材冲击韧性测定方法》测定冲击韧性;按照GB 1941-2009《木材硬度测定方法》测定弦面、径面和端面硬度。其中，硬度测定的试件规格为70 mm×50 mm×20 mm（L×R×T），每个处理共计20个重复;其它三项力学性能指标测定的试件规格均为300 mm×20 mm×20 mm（L×R×T），每个处理共计10个重复，且抗弯弹性模量和抗弯强度测定共用一组试件。

1.3  数据分析

采用软件Microsoft Office Excel对数据进行处理，采用软件SPSS对数据进行多重比较（显著性分析）。

2  结果与分析

2.1  抗弯弹性模量（MOE）

橡胶木对照及不同工艺处理材的MOE如表1所示。由表1可知，与对照材相比，不同工艺处理材的MOE既有升高也有降低。由于受木材材性变异、改性方法及工艺参数等因素影响，MOE呈现出无规律变化，这与国内外文献报道接近。在本试验的增重率条件下，无论是在试件测试含水率条件下还是在12%条件下，与热改性材相比，浸注-热改性材的MOE在185 ℃时显著降低，而在200 ℃时无显著变化。

2.2  抗弯强度（MOR）

橡胶木对照及不同工艺处理材的MOR如表2所示。由表2可知，与对照材相比，不同工艺处理材的MOR均有显著下降，且热改性温度越高其处理材下降幅度越大。同时，在两个温度条件下，浸注-热改性材的MOR均比热改性材的低，这与浸注-热改性材比热改性材的含水率高2%有关。统一到12%含水率时，无论哪个温度条件下，二者的MOR差异均不显著。

2.3  冲击韧性

橡胶木对照及不同工艺处理材的冲击韧性如表3所示。由表3可知，与对照材相比，不同工艺处理材的冲击韧性均有显著下降，且热改性温度越高其处理材下降幅度越大。同时，在两个温度条件下，浸注-热改性材的冲击韧性均比热改性材的高，分别高了4.81%和1.86%，但显著性分析无差异;而统一到12%含水率时，在两个温度条件下，二者的冲击韧性则分别高了7.03%和4.04%，但显著性分析仍无差异。故在本试验的增重率条件下，硅溶胶浸注预处理对热改性橡胶木的冲击韧性有小幅提升，但差异并不显著。

2.4  硬度

橡胶木对照及不同工艺处理材的弦面、径面、端面硬度分别如表4、5、6所示。

由表4可知，与对照材相比，橡胶木经185 ℃热改性后，弦面硬度变化不大，而经200 ℃热改性后，弦面硬度则显著降低。同时，浸注-热改性材与热改性材相比，在两个温度条件下则分别提高了9.46%和66.85%，差异显著。

由表5可知，除含水率为12%时200 ℃热改性材的径面硬度低于对照材外，其余情况下不同工艺处理材的径面硬度均高于对照材。同时，浸注-热改性材与热改性材相比，在两个温度条件下则分别提高了20.43%和41.99%，差异显著。

由表6可知，除含水率为12%时200 ℃热改性材的端面硬度低于对照材外，其余情况下不同工艺处理材的端面硬度均高于对照材。同时，浸注-热改性材与热改性材相比，在两个温度条件下则分别提高了6.23%和46.18%，差异显著。

3  讨论与结论

本试验的增重率为16%～20%，在此条件下，硅溶胶浸注预处理对热改性橡胶木力学性能的影响如下：MOE呈无规律变化;MOR无显著影响;冲击韧性在两个温度条件下分别提高了7.03%和4.04%，但差异并不显著;弦面、径面及端面硬度在185 ℃时提高了9.46%、20.43%和6.23%，在200 ℃时提高了66.85%、41.99%和46.18%，且差异显著。林兰英[16]也对硅溶胶浸注杨木的力学性能作了研究，结果显示：杨木的增重率达到了34.28%，且与对照材相比，MOE提高了21.67%，MOR提高了6.83%，弦面、径面及端面硬度则分别提高了49.15%、53.45%及34.62%。其研究结果与本试验研究有一定差异，主要原因是杨木本身材质疏松，渗透性良好，因而其增重率相对较高。而橡胶木受自身材质因素的影响，经硅溶胶浸注后的增重率相对较低，力学性能的提升不如杨木显著。此外，本试验与林兰英的研究结果均表明：浸注改性材的MOR与增重率多少的无关，而与浸注改性液进入木材内部的位置和深度有关，简单的物理填充不会改变浸注改性材的MOR。

综上，在本试验研究条件下，硅溶胶浸注预处理对热改性橡胶木的MOR及冲击韧性均无显著影响;其MOE在185 ℃时有显著性降低，而在200 ℃时无显著影响;其弦面、径面及端面硬度均有显著性提高。

参考文献

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