酚醛树脂增强中山杉单板层积材物理力学性能研究

袁朱润 潘 彪 石江涛 李延军 陈继承 王新洲

( 南京林业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210037)

我国森林资源相对匮乏，致使木材加工工业长期面临着天然林优质木材资源短缺的局面，制约了人造板行业的发展[1]。所以，人造板行业面临着亟需开辟新的原料来源、寻找替代品的问题。中山杉（Taxodium hybrid）是湿地生态林及沿海造林的首选树种，拥有较短的生长周期，有着良好的耐水性能及抗风力，且耐污染能力强[2]。在材性研究方面，学者对比研究了中山杉302 与落羽杉（Taxodium distichum）的物理力学性能，结果表明中山杉木材的密度、抗弯强度、抗弯弹性模量和顺纹抗压强度均高于落羽杉木材。然而，中山杉302 的密度与其抗弯弹性模量呈明显的负相关，这有待进一步研究[3]。另外，中山杉的抗弯弹性模量仅为杨木的60%，桉木和杉木的40%[4-6]，中山杉单板的变形程度远大于杨木单板[7]，这些不足限制了中山杉在木材加工中的应用。

单板层积材（LVL）是一种通过单板涂胶、顺纹为主组坯胶合而成的多层结构板材。对LVL的增强可以改善其物理力学性能，常用的增强方法有单板本身增强和在单板组坯的过程中加入增强材料。据研究表明，用低分子量的树脂对单板进行浸渍改性在一定程度上可以提高人造板的力学强度和尺寸稳定性[8-10]，有学者研究了马尾松单板的酚醛树脂浸渍改性对LVL 性能的影响，发现马尾松LVL 的强度与浸胶量成正相关[11]。而由于酚醛树脂脆性较大，含量过高将会降低LVL 的韧性[12-13]。在人造板的制造中，低质量的板材通常配置在板坯芯层，而高质量的板材配置在表层[8]，且中性层的性质不影响板材的抗弯强度。因此，探讨合理的组坯方式可以实现用较少的浸渍单板制造性能更优的酚醛树脂浸渍增强中山杉单板层积材。

本研究以中山杉木材为原料，对中山杉单板进行酚醛树脂浸渍增强处理，并与未处理中山杉单板按不同组坯结构进行复合[14]，探讨浸渍增强处理后组坯结构对单板层积材物理力学性能的影响，制造增强型LVL，有利于扩大中山杉木材的应用领域。

1 实验材料和方法

1.1 实验材料

中山杉302 单板：中山杉302 木材采自江苏省靖江市林场，采用无卡轴旋切机旋切成，厚度为1.9 mm，幅面尺寸为400 mm×400 mm，初含水率为11%左右；酚醛树脂胶黏剂：太尔胶黏剂（广东）有限公司，固含量66%。

1.2 实验设备

DGG-9030 带鼓风电热烘箱（上海福玛实验设备有限公司，中国）；平板硫化冷压机（青岛亚东橡机有限公司青岛第三橡机机械厂，中国）；试验热压机（昆山大华机器制造有限公司，中国）；8104 电子万能试验机（深圳新三思材料检测有限公司，中国）。

1.3 单板浸渍工艺的选择

裁剪35 张50 mm×50 mm 的中山杉单板，分为7 组，每组5个样品，分别称质量。将66%固含量的酚醛树脂胶稀释至20%，将单板放入稀释后的浸渍液中进行常压浸渍增强处理。按照组别依次浸渍30、60、90、120、240、360、720 min，取出后倾斜晾置，待表面无液体滴落后放入烘箱，在103 ℃的条件下烘至绝干，取出再次称其质量，计算每组的平均浸胶量。用扫描电镜对浸渍后单板的横切面和径切面的微观结构进行观察，并观察树脂在木材细胞中的分布情况。

1.4 酚醛树脂浸渍增强单板LVL 制备

根据最优的浸渍时间对单板进行浸渍处理，再按图1 所示组坯结构制备7 组（A～G）不同结构的中山杉LVL。

图1 中山杉LVL 组坯结构示意图Fig. 1 Sketch map for assembly of T. hybrid LVL

单板单面涂胶量为150 g/m2，涂胶后的单板静置10～20 min，然后进行闭口预压（冷压20 min，单位压力1.0 MPa）。冷压后对LVL 进行热压，热压温度150 ℃，表压力5.0 MPa，热压时间20 min；热压完毕后待温度降至80 ℃以下后将其取出，陈放72 h 后进行锯解，然后按照GB/T 20241—2006[15]进行相应的物理及力学性能测试。物理性能包括密度和含水率，力学性能包括弹性模量、静曲强度和水平剪切强度。浸渍剥离实验分别按照非结构用LVL 的测试要求和结构用LVL 的要求进行测试。

2 结果与分析

2.1 单板浸渍处理时间优化

从图2 可知，单板的浸胶量呈先上升后下降的趋势变化。当处理时间达到120 min 时，单板的浸胶量达到最大值32.7%，后由于浸渍液中树脂含量下降，单板内外形成浓度差，单板中浸渍胶含量呈现下降趋势。为了获得更好的单板浸渍增强效果，要求单板获得尽可能多的浸胶量，所以本次实验选择120 min 的处理时间最为合适。

图2 处理时间对单板浸胶量的影响Fig. 2 Effect of treatment time on the resin content in wood veneer

2.2 浸渍单板的微观结构

由图3 可知，树脂通过管胞、木射线等孔隙结构进入细胞腔内。中山杉管胞的细胞壁上纹孔比较发达，为树脂在中山杉单板中的渗透提供了比较有利的条件，且木射线中树脂含量也较多[16]。

2.3 单板层积材密度和含水率

由图4 可知，浸渍增强后LVL 的密度为0.5～0.8 g/cm3，且随着浸渍处理中山杉单板层数的增加，LVL 的密度有上升趋势，因为单板在浸渍增强过程中，吸收酚醛树脂，单板密度增大。含水率为6%～7%，且随着浸渍单板数量的增加有先下降后上升的趋势，下降因为单板吸收浸渍酚醛树脂胶溶液中的胶固体，使单板纤维间空隙减小，阻止了水分的吸收，而上升是因为当浸渍单板数量较多时，浸渍单板中的酚醛树脂所带的水分成为影响层积材含水率的主要因素，也可以得出当浸渍板数量增加时，LVL 的胶合性能开始下降[17]。

图3 中山杉302 浸渍单板的微观结构Fig. 3 Micrographs of reinforced ‘Zhongshanshan302’ veneer

图4 浸渍增强LVL 的物理性能Fig. 4 Physical properties of impregnated reinforced LVL

2.4 单板层积材弹性模量与静曲强度

由图5 可知，各组层积材水平方向的弹性模量随浸渍单板的层数增加呈上升趋势，而垂直方向的弹性模量呈先升后降趋势，结合图4 可以看出，水平方向的弹性模量和密度变化趋势一致，而垂直方向的弹性模量先因为密度的增加而增加，后因为胶合性能的下降而降低。与未处理相比，D 组的弹性模量较优，其中垂直方向和水平方向的弹性模量分别提高了16.7%和66.6%。各组LVL 的弹性模量的平均值为3971.9～5755.6 MPa，已接近GB/T 20241—2006[15]。 对结构用LVL 的弹性模量最低要求。

由图6 可知，各组层积材水平方向的静曲强度呈上升的趋势，但是在E 组之后有略微下降，结合图4 密度和含水率的变化，可以看出密度增加有利于增强水平方向的静曲强度，但是当浸渍单板数量过多时，胶合性能的下降对水平方向静曲强度的减弱作用开始体现出来。垂直方向的静曲强度呈下降趋势，结合图4 可知，含水率过高引起的胶合性能下降对垂直方向的静曲强度的影响要大于密度的影响；然而在E 组到F 组出现一个上升的变化，说明表层浸胶可以增加层积材的垂直方向静曲强度。从静曲强度的数值可知，相比于未处理层积材，C 组的静曲强度较优，垂直方向和水平方向的静曲强度分别提高了1.4%和17.3%；也可以看出，浸渍增强对水平方向的弹性模量有着较好的提升。所制得的LVL 的静曲强度均达到或接近国家标准优等品的最高要求。

分析B 组、C 组的弹性模量和静曲强度可看出，C 组的第6 层板（芯层）浸胶增加了水平方向的静曲强度及弹性模量，对垂直方向无明显影响，这是因为水平方向的受力模式是由各层板较为平均的承受力，而垂直方向上，主要受力的单板是表层板。随着浸渍单板的数量增加，水平方向上的力学强度有上升趋势，而垂直方向的力学强度开始下降，这是因为浸渍单板中的胶黏剂阻碍了热压时单板间水分的移动，影响了胶合强度。由于D 组板的垂直方向的静曲强度相对于A 组下降较多，因此相比较于其他组坯方式，B、C 组坯方式得到的中山杉层积材性能较优。

图6 浸渍增强LVL 的静曲强度Fig. 6 Modulus of rupture of impregnated reinforced LVL

2.5 单板层积材水平剪切强度与浸渍剥离性能

由图7 可知，单板浸渍增强提高了水平方向的水平剪切强度，但是随着浸渍单板层数的增加，其数值有下降的趋势，可能是由于增强单板表面浸渍树脂固化后堵塞部分孔隙结构，在涂胶后影响胶粘剂的渗透，进而影响胶合性能。而垂直方向的水平剪切强度呈现下降态势，这说明胶合性能对垂直方向的水平剪切强度的影响要大于密度的影响。综合图6 可知，C 组有着最高的水平方向的水平剪切强度，相比A 组提高了11.9%。各组中山杉LVL 的水平剪切强度均达到了结构用LVL 的国家标准。而根据浸渍剥离试验结果，非结构用LVL 的浸渍剥离试验中各组试件均无明显剥离脱胶现象，但在结构用LVL 的浸渍剥离实验中（表1），各组试件出现明显剥离现象，未达到结构用LVL 的要求，有待进一步研究。

图7 浸渍增强LVL 的水平剪切强度Fig. 7 Horizontal shear strength of impregnated reinforced LVL

表1 浸渍增强结构用单板层积材浸渍剥离性能Table 1 Immersion performance of structural impregnated reinforced LVL

3 结论

酚醛树脂通过孔隙结构进入木材内起到增强单板作用，在常压条件下，酚醛树脂胶浸渍120 min 后中山杉单板的质量增长率达到32.7%。

浸渍增强处理后，LVL 的含水率6%～7%，密度逐渐增大，最大达到0.77 g/cm3。

综合浸渍增强单板LVL 的弹性模量和静曲强度以及水平剪切强度等性能分析，表层和底层内复合1 层浸渍增强单板，以及表层、底层内及芯层各复合1 层浸渍增强单板的组坯结构增强效果较好，后者的增强效果较优于前者，但是消耗的胶量更大。LVL 的静曲强度和水平剪切强度都满足了GB/T 20241—2006[15]中结构用LVL 的要求；弹性模量有所提升，部分组坯结构板材弹性模量达到了国家标准结构用LVL 的要求。