压缩率与树脂浓度对改性速生杉木基本性能的影响

刘明辉，洪 璐，张 倩，孙德林

（中南林业科技大学 家具与艺术设计学院，湖南 长沙 410004）

压缩率与树脂浓度对改性速生杉木基本性能的影响

刘明辉，洪 璐，张 倩，孙德林

（中南林业科技大学 家具与艺术设计学院，湖南 长沙 410004）

以速生杉木为基材，采用低分子量酚醛(PF)树脂浸泡及热压密实工艺对其进行表面改性处理，并对改性后材料的基本性能进行检测，研究了改性过程中压缩率与树脂浓度对改性材基本性能的影响。结果表明：试件密度随压缩率与树脂浓度的增加而增加，其中压缩率的影响更为明显；随压缩率和树脂浓度的提高,其弹性模量、静曲强度以及硬度不断增加，当树脂浓度为50%、压缩率为10%时，弹性模量、静曲强度、径面硬度、弦面硬度和端面硬度分别增加了88.69%、66.07%、25.60%、29.72%和42.91%。同时，改性材表面耐磨性随树脂浓度的增加而有显著提高，但受压缩率的影响很小。

速生杉木；改性处理；压缩率；树脂浓度；基本性能

杉木Cunninghamia lanceolata是我国特有的重要速生用材树种，是南方主要的速生材种类之一。由于速生杉木本身存在材质疏松、力学性能差等缺陷，从而限制了速生杉木的应用范围，导致速生杉木虽然资源丰富，但利用率偏低。

木材改性是改善材料材性、提高其利用率的主要方法之一。吕建雄[1]等人对近年来国内速生杨木的增强改性技术进行了总结并探讨了存在的问题和发展思路；武国峰[2]等对人工林杨木进行脲醛预聚体浸渍与热压干燥处理，提高了杨木的物理力学性能；余先纯[3-4]等采用脲醛树脂-钠基蒙脱土浸渍液改性速生杨木，使杨木的密度、尺寸稳定性及力学性能均有显著提高；韩健[5]等对杨木的PF树脂浸渍工艺进行了响应面分析。针对速生杉木的改性，国内外学者也进行了相关的研究：司琳琳[6]等对速生杉木的改性方法进行了总结；Md Ifcekhar Shams、鲍滨福、钱俊、王向歌等[7-11]研究发现对材料进行低分子量树脂浸渍和表面热压密实处理后，材料的弹性模量、静曲强度、表面硬度等性能均有不同程度的提高；姚迟强[12]等人采用低分子量酚醛树脂浸渍处理杉木单板，发现在常温常压和加压条件下，增重率均随浸渍时间延长而增加，材料属性随增重率的增大而愈加得到改善；赵紫剑[13]等人以人工林杉木为试材探究超声波辅助木材常压浸渍工艺，发现木材的初含水率越高，超声波辅助作用越明显；李丹[14]等人对速生杉木长条地板坯进行表面压密化后，密度、抗弯强度、表面硬度都得到大幅提高。但上述研究大多是集中在杉木单板的处理上，而对杉木方材处理方面的研究涉及较少。

本研究针对速生杉木材质疏松、力学性能差、表面耐磨性能低等的缺陷，采用低分子量PF树脂浸泡以及表面热压密实的方法，对速生杉木进行表面改性处理，且对改性后试件的基本性能进行检测。通过分析材料改性后基本性能的变化，探究不同工艺参数对材料改性效果的影响，并对改性处理后速生杉木的耐磨性能进行了初步探讨，以期为速生杉木的改性处理研究以及提高材料附加值等方面提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

实验材料：速生杉木Cunninghamia lanceolata采自湖南益阳，树龄16年，胸径16～18 cm，立木无异常缺陷，材料气干后含水率为10%左右；酚醛（PF）树脂：自制，固含量50%，分子量 350～ 400。

试验设备：木材和人造板自动万能力学试验机（KHQ-002H，中国苏州）、150T万能试验压机（BY302*2/2，中国苏州）、Taber磨耗试验机（美国）、电子天平（PL203，中国上海）、游标卡尺和刷子等。

1.2 实验方法

将PF树脂调配成不同浓度的溶液（10%、20%、30%、40%、50%），在常温常压下，将试件用不同溶度的PF树脂溶液浸泡30 min后取出，沥干后在温度145 ℃、压力2.5 MPa的条件下热压固化15 min，压缩率用厚度规控制（压缩率分别为5%、10%、15%）。

2 结果与讨论

2.1 对密度的影响

密度是影响木材基本性能的主要因素之一，实验按照1.2中工艺以及单因素试验的方法，分别采用不同的压缩率与不同浓度的PF树脂对试件进行处理，通过对改性材密度进行检测且与未处理材相对比来探寻压缩率与树脂浓度对材料密度的影响，实验结果如图1所示（图中起点为未处理材的数据，图中的数据为5个试件的平均值，以下皆同）。

图1 压缩率(a)、树脂浓度(b)对密度的影响Fig.1 Effects of compression ratio(a), resin concentration(b) on density

由图1可见，随着压缩率的提高，改性材的密度也随之增加，且增幅速度也较均匀。当压缩率为15%时，试件密度达到0.378 g/cm3，较素材提高了29%；当压缩率一定时，试件的密度随树脂浓度的升高而增加，在浓度为10%之前急剧增加，随后增速变缓。这一方面是因为随压缩率的增加，试件内部细胞间的间隙减少，同时低分子量PF树脂进入试件表层，并在热压作用下凝结，导致试件压缩后恢复率减小，使得试件变得更加致密；另一方面是因为实验中PF树脂只能进入试件表层而未能渗入试件内部，导致PF树脂的浸入量随浓度的增加变化不大，因此在树脂浓度的影响下，试件密度开始迅速增加而后增幅减小。

2.2 对静曲强度和弹性模量的影响

弹性模量和抗弯强度是衡量材料力学性能的重要指标[15]。按照《GB/T 1936.1—2009*木材抗弯强度试验方法》以及《GB/T 1936.2—2009*木材抗弯弹性模量测定方法》中的要求制备试件。

在相同的浸泡处理条件下（以20%的树脂浓度为例），采用不同压缩率对试件进行热压密实，再对处理试件的静曲强度和弹性模量进行测试，并与未浸渍的试件进行对比，实验结果如表1所示：在树脂浓度相同的情况下，随着试件压缩率的增大，材料的弹性模量和静曲强度也随着增加。当压缩率为15%时，材料的静曲强度和弹性模量最大，分别为67.30 MPa和7 488.03 MPa。

表1 不同压缩率下静曲强度和弹性模量的变化Table 1 Changes of MOR and MOE with different compression ratios

用不同浓度的PF树脂对试件进行处理，在压缩率相同的情况下（以10%的压缩率为例），试件静曲强度和弹性模量的变化情况如表2所示：改性后试件的静曲强度和弹性模量随着溶液浓度的提高而增加，当溶液浓度达到50%时，试件的静曲强度和弹性模量分别提高88.69%和66.07%。

根据表1和表2中的数据可看出，经过PF树脂浸泡以及热压密实后，速生杉木的静曲强度和弹性模量均有不同程度的提高，且上升幅度随着树脂浓度和压缩率的提高而增加。这一方面是在压缩密实的过程中，单位截面内细胞壁数量的增加而导致其静曲强度和弹性模量增加。另一方面是因为酚醛(PF)树脂分子量较低，部分能够进入到木材表层的细胞壁中和细胞腔的内表面[16]，并且PF树脂中的活性官能团受热后与木材中的活性基团产生缩合、聚合反应，生成不溶性树脂[17]，从而提高了材料的强度。此外，根据刘君良[16]等人的研究，低分子量PF树脂与木材活性基团之间反应形成类似于木质素、半纤维素的结壳类物质从而包裹在纤维素纤丝周围，并对纤丝起到捆缚作用，使材料在承受外载荷过程中，纤维素纤丝间抵抗滑移破坏的能力增强，从而使改性材的强度以及稳定性等得到较大改善。

表2 不同树脂浓度下弹性模量和静曲强度的变化Table 2 Changes of MOR and MOE with different resin concentrations

图2 压缩率对硬度的影响Fig.2 Effects of compression ratio on hardness

2.3 对硬度的影响

木材硬度表示的是木材抵抗其他刚体压入的能力。参照国标《GB/T 1941-2009 木材硬度试验方法》对改性后杉木的硬度进行检测。按照1.2中的工艺，根据单因素实验的实验要求，探讨压缩率和树脂浓度对处理材硬度的影响，并与未处理试件进行对比，其实验结果如图2、表3所示。

图2表示的是压缩率对硬度的影响，由图2可见：在树脂浓度一定的情况下，改性后试件各面硬度都随压缩率的提高而增加，其中径面硬度和弦面硬度随压缩率的提高稳步上升，端面硬度开始迅速增强，当压缩率达到5%时，其端面硬度相较于未处理材，提高了558.05 N，随后速度逐渐变缓慢。这是因为随着压缩率的增加，热压密实后试件内部被压缩区域随之增多，使得细胞间间隙不断减小，导致试件变得更加致密，从而增强了试件抵抗其他刚体压入的能力。

表3 不同树脂浓度下硬度的变化Table 3 Changes of hardness with different resin concentrations

表3位不同树脂浓度下处理材硬度的变化情况。根据表3的数据可知：随着PF树脂浓度的提高，试件硬度随之增强，其中端面硬度与径面硬度开始迅速提升，当树脂浓度达到10%时，材料的端面与径面硬度分别提高了550.69 N和90.9 N，当树脂浓度超过10%后，其增加速度较为均匀，而材料弦面硬度的提升速度则相对较为均匀，当树脂浓度达到50%时，其径面、弦面及端面的硬度分别提高了25.60%、29.72%和42.91%。

由图2和表3的结果可看出：经过PF树脂浸泡以及表面热压处理后试件的硬度有明显增强。这是因为经过浸泡后，PF树脂进入到试件表层，并受高温和压力的影响，在表层纤维与细胞间凝结，从而增强了木材表面纤维素间的连接强度，使得木材表面抗外力压入的能力增强；同时由于压缩率的增加，导致压缩回弹后试件厚度变小，从而使得试件内部更加致密，在一定程度上再次提升了试件的抗外力压入强度。

2.4 对耐磨性的影响

耐磨性是材料的一个重要指标，材料的耐磨性能一般用磨耗值或耐磨指数表示，实验按照《GB/T 1768—2006*色漆和清漆耐磨性的测定——旋转橡胶砂轮法》中的要求对试件尺寸进行加工，用Taber磨耗试验机对试件的耐磨性进行检测（耐磨性检测中试件尺寸加工成100 mm×100 mm），并探讨试验中压缩率及树脂浓度对试件耐磨性的影响，其结果如图3所示。

图3 压缩率(a)、树脂浓度(b)对耐磨性的影响Fig.3 Effects of compression ratio(a), resin concentration(b) on abrasion resistance

由图3(a)可见，速生杉木改性材的耐磨性随压缩率的增加而提高，压缩率达到5%时的磨耗值为12.7 mg/100r，相较于未处理的试件降低了38.65%，但当压缩率超过5%后，试件表面的磨耗值变化不大，压缩率从5%增加到15%，其磨耗值仅减少了0.3 mg /100r。根据图3(b)显示，随着PF树脂溶度的提高，改性材磨耗值逐渐降低，树脂浓度为10%之前，材料磨耗值急剧下降，由未处理材的20.7 mg/100r降到了13 mg/100r，当树脂溶度达到10%以后，磨耗值下降趋势变缓，当树脂浓度达到30%后，每100 r的损耗量降到10 mg以下。

综合图3中试件磨耗值的变化可发现实验中材料耐磨性的增强主要与浸泡的PF树脂浓度有关，而压缩率对其的影响不明显。这一方面是因为耐磨实验中试件厚度偏薄（11 mm）而导致实验所采用的压缩率对其影响不大；另一方面是因为PF树脂在高温和压力的作用下，在试件表面凝结并形成类似于漆膜的保护层，能对材料表面起保护作用，减少外力对木材表面的磨耗。

3 结 论

（1）速生杉木经过PF树脂常压浸泡和表面热压密实处理后，力学性能可得到有效改善，弹性模量和静曲强度均有大幅度提高，且随着压缩率以及PF树脂溶度的增加而增加，其中压缩率的影响更为突出。

（2）速生杉木改性材的硬度较未处理材在径面、弦面和端面上都有不同程度的提升，并随着压缩率和PF树脂浓度的提高而逐渐增强。

（3）速生杉木经过PF树脂浸泡和热压密实处理后，材料耐磨性得到大幅提高，其中树脂浓度对耐磨性的影响更为明显。

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Effects of compression ratio and resin concentration on basic performance of fast-growing fi r in modifying process

LIU Ming-hui, HONG Lu, ZHANG Qian, SUN De-lin
(College of Furniture and Art Design, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

Fast-growing fi r was used as studying materials and then immersed with low molecular weight PF resin and compressed.The effects of compression ratio and resin concentration on basic performance of modi fi ed wood were researched. The results show that: The density of wood was improved with the increase of compression ratio and concentration of PF resin, and compression ratio were more in fluential. The modulus of elasticity (MOE), modulus of rupture (MOR) and hardness of treated wood were increased with the increasing of compression ratio and concentration of PF resin. The MOE, MOR and hardness in radical section, tangential section and cross section were increased by 88.69%, 66.07%, 25.60%, 29.72% and 42.91%, respectively, as the concentration of PF resin was 50% and compression ratio was 10%. And the surface abrasion resistance of modi fi ed wood was improved with the increasing of resin concentration rather than the compression ratio.

Key woods: fast-growing fi r; modi fi cation treatment; compression ratio; resin concentration; basic performance

S791.27；S781.7

A

1673-923X(2016)04-0111-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.04.020

http: //qks.csuft.edu.cn

2015-04-25

林业公益性行业科研专项（201204712）；中南林业科技大学研究生科技创新基金资助项目（CX2014B15）

刘明辉，硕士研究生

孙德林，教授，博导；E-mail：sdlszy@163.com

刘明辉，洪 璐，张 倩，等. 压缩率与树脂浓度对改性速生杉木基本性能的影响[J].中南林业科技大学学报，2016, 36(4):111-115.

[本文编校：吴 彬]