辐射松重组木密度对其孔隙率和性能的影响

魏金光，韦亚南，鲍敏振，张亚慧，余养伦，李长贵，于文吉

（1.中国林业科学研究院 木材工业研究所 国家林业局木材科学与技术重点实验室，北京 100091；2.山东省林业科学研究院，山东 济南250014）

辐射松Pinus radiata是一种适应性强、生长快、材质好的优良速生材，主要分布于新西兰、澳大利亚、美国、智利等国［1］。目前，辐射松是中国进口量较大的木材种类之一，但由于辐射松存在材质疏松、密度低、节疤多、松脂含量高等不足，应用局限于纸浆造纸、胶合板、集成材等低附加值产品［2］。因此，寻求新的制造工艺，高值高效化利用辐射松，已成为木材行业研究者关注的焦点。高性能重组木的研发与成功产业化为此提供了新的加工利用途径。高性能重组木是以速生林木材为原料，疏解单板作为基本单元，与酚醛树脂增强体胶合而成的重组材料［3］。该材料克服了速生林木材径级小、材质软、强度低、材质不均等缺陷，具有天然纹理结构、规格可调、性能可控等特点，是劣材优用、提高产品附加值的有效途径。现阶段，高性能重组木的制造技术已在杨树Populus，泡桐Paulownia，柳树Salix和桉树Eucalyptus等中低密度阔叶材上成功实践，产品可应用在景观建筑、地板、家具等领域。但在针叶材辐射松上的应用研究尚未涉及［4－7］。为此，笔者以新西兰辐射松为原料，采用高性能重组木制造技术，制备了不同密度的重组木，并探究了密度对板材孔隙率、耐水性和力学强度的影响，为辐射松的高值化利用提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设备

材料：辐射松，购自新西兰，胸径30～60 cm；酚醛树脂（PF）胶，购自北京太尔化工有限公司，固体含量47.49%，黏度37 Pa·s （25℃），pH 10.22，水溶倍数11.02，游离醛1.90 g·kg－1，游离酚＜10.00 g·kg－1。

主要试验设备：无卡轴单板旋切机，疏解机，热压机，全自动真密度分析仪，万能力学试验机等。

1.2 试验方法

1.2.1 板材制备 工艺流程：原木旋切→单板剪裁→疏解→干燥→浸胶与干燥→组坯→热压→冷却与卸板→砂光→板材。主要工序：①疏解单板：采用无卡轴旋切机，旋切单板厚为6 mm。利用专有的定向线裂纤维化分离装置［8］，将旋切单板成粗细较均匀、纤维束宽度分布在1～3 mm的木单板。②浸胶与干燥：先将疏解单板干燥至含水率约8%，然后根据预浸胶试验结果，设定单板在固含量为10%的PF胶中常压浸渍2 min，再通过调控淋胶时间确保单板浸胶量在（13.0±0.5）%，最后自然晾晒至含水率8%～10%。③组坯：单板沿顺纹方向平行逐张铺放于铺装槽中，规格为450 mm×160 mm×12 mm，设计0.80，1.00，1.20和1.40 g·cm－3等4个密度水平。④热压：采用 “热压－冷出”的成型工艺。将板坯移至已预热（145℃）的压机模具中，加压至模具完全闭合。热压温度为145℃，闭合时间为1.0 min·mm－1，保压25 min。⑤平衡：自然环境中平衡3周，含水率控制在7%左右。

1.2.2 密度与孔隙率的测定 参照GB/T 17657－2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》测定重组木的表观密度，试件6个·样品－1，结果取平均值。采用Accupy1330型真密度全自动测试仪测定板材的实质密度。测试前，试样磨成木粉，过60～80目筛，含水率控制在7%左右。以高纯氦气为介质，试件6个·样品－1， 循环测量 5次， 结果取平均值。 孔隙率（P）按参考文献［9］中方法计算， P=（1－V实/V表）×100%=（1－ρ表/ρ实）×100%。 其中， V实， ρ实分别为材料的绝对密实体积和密度（实质密度）， V表， ρ表分别为材料在自然状态下的体积和密度（表观密度）。

1.2.3 耐水性测试 本试验设计重组木为户外结构用材，参考GB/T 30364－2013《重组竹地板》中室外用重组竹地板的耐水性测试方法。先将试件放入（100±2）℃沸水中煮4 h，再在（63±3）℃的干燥箱中干燥20 h，最后放入（100±2）℃沸水中继续煮4 h，取出后在室温下冷却10 min。测定其吸水宽度膨胀率（WSR）、吸水厚度膨胀率（TSR）和吸水率（WAR）。各项目取试件6个·样品－1，结果取平均值。

1.2.4 力学性能测试 参照GB/T 17657－2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》测定试件的抗弯性能。试件尺寸为200 mm×24 mm×10 mm （长×宽×厚），支持辊跨度150 mm，加载速度5 min·mm－1，记录静曲强度（MOR）和弹性模量（MOE）。参照GB/T 20241－2006《单板层积材》，测定试件的水平剪切强度（HSS⊥）。试件尺寸为60 mm×24 mm×10 mm（长×宽×厚），支撑辊直径10 mm，跨度40 mm，加载辊直径30 mm。垂直加载，加载速度为5 min·mm－1。各项目取试件6个·样品－1，结果取平均值。

2 结果与讨论

2.1 重组木的密度与孔隙率

由表 1 可知： 辐射松素材的实质密度为 1.50 g·cm－3， 接近软木细胞壁的平均密度（1.52 g·cm－3）［10］。辐射松重组木的实质密度随表观密度的增加稍有波动。 表观密度从 0.80 g·cm－3增加到 1.01 g·cm－3，实质密度下降至1.39 g·cm－3；表观密度大于1.01 g·cm－3时， 实质密度保持在 1.42 g·cm－3。 素材的气干密度为0.48 g·cm－3，此时孔隙率为68.00%，与樟子松 Pinus sylvestris var.mongolica的（约67.16%）接近［11］。辐射松重组木的表观密度为0.80， 1.01， 1.20 和 1.39 g·cm－3时， 对应的孔隙率分别为45.95%，29.37%，15.49%和2.11%；与素材的孔隙率相比，分别下降了32.43%，56.81%，77.22%和96.90%。

表1 辐射松重组木的表观密度、实质密度和孔隙率Table 1 Substantial density,apparent density and porosity of radiata pine scrimbers

不同表观密度下，重组木板材内部孔隙发生不同程度的变化。在疏解单板热压胶合中，木材细胞被压缩，酚醛胶受热固化，部分空隙被封闭，形成与外界隔绝的微孔；当采用真密度测试仪测试时，惰性气体难以进入这些微孔，导致板材实质体积偏大，实质密度从1.48 g·cm－3降至1.39 g·cm－3。当板材密度进一步增大，部分隔绝的微孔受压破裂或被填充，使得实质密度增加至极限值1.42 g·cm－3。辐射松素材的实质密度近乎是细胞壁的密度，这说明68.00%的孔隙率几乎全部源于细胞腔的空隙。而重组木的空隙除细胞腔外，还包含单板旋切和疏解过程中产生的裂隙。在板材热压成型过程中，除细胞腔受压缩小外，还存在纤维之间裂隙的减小。所以随表观密度的增加，细胞腔逐渐被细胞壁填充，裂隙逐渐被木纤维取代，孔隙率随之降低。

经回归分析，孔隙率与表观密度存在高度的线性关系，即y＝－72.988x＋103.42（R2＝0.999 5）。其中y为孔隙率，x为表观密度。

2.2 密度对重组木耐水性能的影响

由图1～3可知：随着密度的增加，重组木试件的WSR，TSR和WAR均呈减小趋势。当密度为0.80 g·cm－3时，WSR，TSR和WAR分别为4.92%，31.51%和81.82%。而当密度增至1.39 g·cm－3时，三者指标分别为3.81%，24.72%和18.94%，同比下降了22.56%，21.55%和76.88%。表明重组木试件的尺寸稳定性和耐水性随密度增大而显著提高。

辐射松为针叶材，主要由木纤维、木射线、轴向管胞、轴向薄壁组织和树脂道组成，其中木射线、管胞、薄壁细胞和树脂道等细胞腔大、壁薄［12－13］，吸水性强，易膨胀。当密度较低时，板材内部空隙较大，单板纤维相对松散，木纤维之间的有效胶合面降低，致使板材无法实现完全胶合，内应力较大。在湿热作用下，板材易吸水膨胀。随着密度增加，板坯密实化程度升高，水通道减少，进入板材内部困难。密度增大时，木纤维间接触紧密，有效胶合点增多，胶合性能改善，内应力降低，使得板材耐水性和尺寸稳定性增强，WSR，TSR和WAR降低。

图1 密度对吸水宽度膨胀率的影响Figure 1 Effect of density on the width swelling rate

图2 密度对吸水厚度膨胀率的影响Figure 2 Effect of density on the thickness swelling rate

图3 密度对吸水率的影响Figure 3 Effect of density on the water absorption rate

2.3 密度对重组木力学性能的影响

如图4～6所示：密度在0.80～1.39 g·cm－3范围内，辐射松重组木的MOR，MOE和HSS⊥随着孔隙率的降低而增大。当密度为1.39 g·cm－3时，试件的MOR，MOE和HSS⊥分别高达178.72 MPa，18.71 GPa和21.16 MPa；与密度0.80 g·cm－3的板材相比，3个力学指标分别提高了116.47%，50.52%和86.29%。这表明高密度可有效提高重组木的力学强度，与前人研究的结果一致［14－15］。当密度为0.80 g·cm－3时，所制重组木的MOR和HSS⊥分别达到GB/T 20241－2006《单板层积材》中结构用单板层积材最高级180E和65V－55H的要求，MOE也能达到120E级的要求。

图4 密度对静曲强度的影响Figure 4 Effect of density on the modulus of rupture

图5 密度对弹性模量的影响Figure 5 Effect of density on the modulus of elasticity

图6 密度对水平剪切强度的影响Figure 6 Effect of density on the horizontal shear strength

单板纤维间的裂隙和木材细胞腔是重组木空隙的主要来源，板材力学性能的增强与其有着密不可分的关系。木纤维是板材承受外部载荷的主体。根据复合材料细观强度理论，纤维主要起承载基体传递的载荷，防止基体屈曲，提高材料整体强度的作用［16］。密度的增加降低了板材内部的空隙，增强细胞间的胶合性能，使得单根木纤维的承载能力提高；板坯经热压后，纤维间的裂隙缩小或数量减少，即密度增大，单位体积内的木纤维增多，提高了板材的整体承载能力。另外，源于纤维间裂隙的减少意味着纤维间的胶接点增多，胶合强度增大，也有效提高了板材的力学强度。

3 结论

辐射松素材的实质密度为1.50 g·cm－3；热压胶合成重组木后，实质密度为1.42～1.48 g·cm－3。辐射松重组木孔隙率与表观密度存在负线性关系，即孔隙率随表观密度增大而降低。气干素材的孔隙率约68.00%，重组木的孔隙率最低为2.11%。随密度增大，辐射松重组木的耐水性和力学强度显著提高。当辐射松重组木表观密度为1.39 g·cm－3时，辐射松重组木的物理力学性能最高，吸水厚度膨胀率（TSR），吸水率（WAR），静曲强度（MOR）和水平剪切强度（垂直加载）（HSS⊥）分别为24.72%，18.94%，18.71 GPa和 21.16 MPa。

本试验范围内，所有重组木板材的力学指标均能满足甚至超过GB/T 20241－2006《单板层积材》的结构用材要求，可根据生产和应用的实际情况合理选择板材密度，以达到高性价比产品。

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