王 燕， 陳澤君

(湖南省林業(yè)科學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410004)

杉木浸漬改性材的尺寸穩(wěn)定性研究

王 燕， 陳澤君*

(湖南省林業(yè)科學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410004)

利用聚乙烯醇縮甲醛改性劑對(duì)杉木木材進(jìn)行浸漬改性，對(duì)其改性材的尺寸穩(wěn)定性進(jìn)行研究。結(jié)果表明：改性材的弦向、徑向和體積干縮率與素材相比均有不同程度的下降；改性材的弦向、徑向和體積濕脹率與素材相比也均有不同程度的下降，但當(dāng)改性劑濃度超過(guò)20%時(shí)，下降才較明顯；改性材吸水率隨改性劑濃度的上升而下降，最大可由改性前的197%下降到改性后的155%；改性材的抗干縮系數(shù)(ASE)隨改性劑濃度上升而增加，最大可達(dá)18.8%。杉木改性材的尺寸穩(wěn)定性能要明顯優(yōu)于素材。

杉木； 改性； 吸水性； 抗干縮系數(shù)

杉木是我國(guó)種植面積最大的樹種之一，是我國(guó)特有的重要速生用材樹種。我國(guó)第七次全國(guó)森林資源清查結(jié)果顯示，杉木人工林面積為853.86萬(wàn)hm2，占全國(guó)人工林面積的21.35%，蓄積量為62036.45萬(wàn)m3，木材產(chǎn)量約占商品材總量的31.64%。同時(shí)，杉木也是湖南主要的人工用材林，其蓄積量及種植面積居全國(guó)首位。杉木木材在建筑、家具及人造板等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，但由于杉木生長(zhǎng)速度快，輪伐期短，致使其木材所含中幼齡材比例高，木質(zhì)疏松，尺寸穩(wěn)定性差，應(yīng)用范圍受到嚴(yán)重限制[1-3]，因而，改善杉木木材材性是提高其木材利用價(jià)值，拓展其使用范圍的重要途徑。樹脂浸漬改性法是近年較常用的木材改性方法[4-5]。目前，主要對(duì)浸漬改性材的各項(xiàng)力學(xué)及耐腐朽等性能做出了較詳盡的研究和評(píng)價(jià)[6-7]，但鮮見(jiàn)對(duì)木材的干縮和濕脹等性能的深入研究。我們?cè)谝延醒芯縖8-9]的基礎(chǔ)上，利用聚乙烯醇縮甲醛改性劑對(duì)杉木木材進(jìn)行改性處理，對(duì)杉木素材和改性材的干縮性、濕脹性、吸水性等方面的性能進(jìn)行了對(duì)比分析，為杉木木材浸漬改性研究和改性材科學(xué)合理利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

(1) 試驗(yàn)材料。試驗(yàn)用木材采自湖南省林業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)林場(chǎng)的15年生人工速生杉木林。試材直徑15～18cm。按照GB/T1929 — 2009木材物理力學(xué)試材鋸解及試樣截取方法[10]，將試材加工成20(R)mm×20(R)mm×20(L)mm規(guī)格的試件，并將試件分別依次編號(hào)。試件的含水率為12%左右。改性劑主劑為聚乙烯醇縮甲醛膠，購(gòu)于多邦涂料有限公司，外觀為無(wú)色透明液體，不揮發(fā)物含量為6%，粘度為100mPa·s，pH值為6.5～7.5，貯存期6個(gè)月；助劑為實(shí)驗(yàn)室自配。配置3個(gè)濃度梯度的改性劑，其中主劑聚乙烯醇縮甲醛膠質(zhì)量含量分別為10%、20%、30%，助劑質(zhì)量含量為5%。

(2) 主要儀器及設(shè)備。真空/加壓木材處理設(shè)備(自行設(shè)計(jì)，最大壓力2.5MPa、真空度-0.08MPa、容積0.0345m3)；電子千分尺(精確到0.02mm)；電子天平(精確度0.0001g)；電熱鼓風(fēng)干燥箱(天津泰斯特儀器有限公司，型號(hào)202 — 3AB)。

1.2 改性工藝流程

(1) 將試件進(jìn)行室干。

(2) 將試件置于自組裝改性處理罐內(nèi)密封。

(3) 將處理罐抽至-0.08MPa的真空度并保持0.5h。

(4) 真空狀態(tài)下向處理罐中注入改性藥劑，然后對(duì)處理罐加壓，使壓力達(dá)到實(shí)驗(yàn)設(shè)定壓力，并分段保壓一段時(shí)間，以控制載藥量。

(5) 卸壓，將試件從處理罐中取出。

(6) 去除多余殘留藥液后在自然通風(fēng)環(huán)境中陳放7d。

1.3 測(cè)試

1.3.1 尺寸穩(wěn)定性測(cè)定 素材和改性材的干縮率采用GB 1932-91木材干縮性測(cè)定規(guī)定的方法測(cè)定[11]。素材和改性材的濕脹率采用GB1934.2-91木材濕脹性測(cè)定規(guī)定的方法測(cè)定[12]。通過(guò)素材和改性材的體積干縮率計(jì)算改性材的抗干縮系數(shù)(ASE)。計(jì)算方法見(jiàn)公式(1)。

(1)

1.3.2 吸水率測(cè)定 試件的吸水率參照公式(2)計(jì)算，精確至1%。

(2)

2 結(jié)果與分析

2.1 改性材與素材的干縮性

圖1為不同濃度改性劑浸漬的杉木改性材與素材干縮率對(duì)比圖。從圖1可以看出，從吸水飽和狀態(tài)到氣干狀態(tài)的過(guò)程中，不同濃度改性劑浸漬的杉木改性材，其弦向、徑向和體積干縮率與素材相比均有不同程度的下降，其干縮率與素材相比最大分別下降了0.82%、0.66%、1.51%；從吸水飽和狀態(tài)和到全干狀態(tài)的過(guò)程中，改性材的弦向、徑向和體積干縮率與素材相比也均有不同程度的下降，其干縮率與素材相比最大分別下降了1.06%、0.72%、2.69%。隨著環(huán)境的變化，杉木改性材的體積干縮率要明顯小于素材的體積干縮率，說(shuō)明改性材的體積干縮率受環(huán)境影響比素材要小。通過(guò)改性處理，杉木木材的干縮性有明顯的改善。

圖1 杉木改性材與素材的干縮率對(duì)比圖Fig.1 Drying shrinkage ratio variations of untreated Chinese fir and treated Chinese fir

2.2 改性材與素材的濕脹性

圖2為不同濃度改性劑浸漬的杉木改性材與素材的濕脹率對(duì)比圖。從圖2可以看出，從吸水飽和狀態(tài)到氣干狀態(tài)的過(guò)程中，不同濃度改性劑浸漬的杉木改性材，其弦向、徑向和體積干縮率與素材相比均有不同程度的下降，其濕脹率與素材相比最大分別下降了2.3%、1%、2.89%；從吸水飽狀態(tài)和到全干狀態(tài)的過(guò)程中，改性材的弦向、徑向和體積濕脹率與素材相比也均有不同程度的下降，其濕脹率較素材最大分別下降了1.18%、0.65%、2.19%。當(dāng)改性劑濃度逐漸增大，超過(guò)20%時(shí)，杉木改性材的濕脹率與素材相比才有較明顯的下降，說(shuō)明改性劑濃度需達(dá)到較高時(shí)才能顯著改善杉木木材濕脹性。

圖2 杉木改性材與素材的濕脹率對(duì)比圖Fig.2 Swelling ratio variations of untreated Chinese fir and treated Chinese fir

2.3 改性材與素材的吸水率

圖3為不同濃度改性劑浸漬的杉木改性材與素材吸水率變化圖。從圖3中可以看出，杉木素材吸水率為197%，經(jīng)浸漬改性后的杉木改性材吸水率有明顯下降。當(dāng)改性劑濃度為10% 、20%和30%時(shí)，改性材的吸水率分別下降到了159%、155%和157%。這可能是改性劑通過(guò)浸漬進(jìn)入木材內(nèi)部后，改性劑分子上的羥基官能團(tuán)與木材內(nèi)部大分子上的羥基官能團(tuán)發(fā)生了縮合反應(yīng)，減少了木材內(nèi)部羥基官能團(tuán)含量，從而降低了木材內(nèi)部大分子的親水性，使其吸水率有了顯著的下降[13-14]，而吸水率的變化直接影響木材的尺寸穩(wěn)定性[15]。

圖3 杉木改性材與素材吸水率變化圖Fig.3 Water absorption ratio variations of untreated Chinese fir and treated Chinese fir

圖4 杉木改性材ASE變化圖Fig.4 ASE variations of treated Chinese fir

2.4 改性材的抗干縮性

圖4為經(jīng)不同濃度改性劑浸漬處理后的杉木改性材抗干縮系數(shù)(ASE)變化圖?？垢煽s系數(shù)是衡量木材尺寸穩(wěn)定性最重要的參數(shù)之一?？垢煽s系數(shù)越大，說(shuō)明木材尺寸穩(wěn)定性越好[16-17]。經(jīng)不同濃度改性劑改性，杉木木材的抗干縮系數(shù)均有明顯提高。當(dāng)改性劑濃度達(dá)到30%時(shí)，改性材的抗干縮系數(shù)達(dá)到最大，為18.8%。因而，通過(guò)浸漬改性，有效的降低了木材的親水性和吸水率，從而改善了其濕脹和抗干縮性能，提高了木材尺寸穩(wěn)定性[18]。

3 結(jié)論

(1) 無(wú)論是從吸水飽和到全干狀態(tài)，還是從吸水飽和到氣干狀態(tài)的過(guò)程中，杉木改性材徑向、弦向和體積干縮率與素材相比均有不同程度的下降。

(2) 無(wú)論是從全干到吸水飽和狀態(tài)，還是從氣干到吸水飽和狀態(tài)的過(guò)程中，杉木改性材徑向、弦向和體積濕脹率與素材相比均有不同程度的下降。當(dāng)改性劑濃度超過(guò)20%時(shí)，杉木改性材的濕脹率與素材相比才有較明顯的下降。

(3) 杉木木材經(jīng)過(guò)改性后，其吸水性明顯下降，最大可由改性前的197%下降到改性后的155%。這也直接改善了改性材的干縮和濕脹性能。當(dāng)改性劑濃度為30%時(shí)，改性材的抗干縮系數(shù)(ASE)達(dá)到最大值，為18.8%。與素材相比，改性材尺寸穩(wěn)定性能有明顯提高。

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(文字編校：唐效蓉)

ResearchondimensionalstabilityoftreatedChinesefir

WANG Yan, CHEN Zejun*

(Hunan Academy of Forestry, Changsha 410004, China)

The dimensional stability of treated Chinese fir with polyvinyl formal as the modifier was researched.The result showed that in different conditions, the radial, tangential and volumetric shrinkage rates of modified wood were decreased.From oven-dry state to water saturation state the radial, tangential and volumetric swelling rates were also decreased.At the same time, when the concentration of modifier exceeded 20%, the swelling rate decreased obviously.Water absorption ratio of treated wood decreased from 197% to 155% after treatment while ASE of modified wood could reach 18.8% at most with the increase of modifier concentration.Dimensional stability of treated wood is better than the untreated wood of Chinese fir.

Chinese fir; modification; water absorption; ASE

2013 — 07 — 19

湖南省科技廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012NK2002)；湖南省林業(yè)廳林業(yè)科技創(chuàng)新專項(xiàng)；湖南省林產(chǎn)工業(yè)建設(shè)專項(xiàng)項(xiàng)目(湘財(cái)2012-488)。

王 燕(1964 — )，女，湖南省安化縣人，助理研究員，主要從事園林景觀研究及產(chǎn)品開發(fā)工作。

* 為通訊作者。

S 781.7

A

1003 — 5710(2013)05 — 0041 — 04

10. 3969/j. issn. 1003 — 5710. 2013. 05. 011