張巧玲，周洪偉，梁廷斌，仝雪艷，曾欽志(福建農(nóng)林大學(xué)材料工程學(xué)院，福州350002)

不同立桿高度毛竹材弦切面的潤(rùn)濕性能研究

張巧玲，周洪偉，梁廷斌，仝雪艷，曾欽志
(福建農(nóng)林大學(xué)材料工程學(xué)院，福州350002)

本文研究了H2O、酚醛樹脂膠黏劑（PF）、脲醛樹脂膠黏劑（UF）和改性大豆蛋白膠（MSA）在毛竹材不同立桿高度弦切面的潤(rùn)濕性能，通過(guò)測(cè)定這些潤(rùn)濕液體在竹材弦切面上的接觸角，建立潤(rùn)濕液體在毛竹材弦切面的動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕模型，分析毛竹材的不同高度對(duì)潤(rùn)濕液體動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕性能的影響，并對(duì)比分析各種潤(rùn)濕液體在毛竹材弦切面的潤(rùn)濕性能差異。

毛竹；立桿高度；弦切面；接觸角；潤(rùn)濕性

1 前言

我國(guó)是竹材生產(chǎn)大國(guó)，是世界上竹材面積最大的國(guó)家，竹材資源極其豐富。我國(guó)竹材總共有39屬500余種，約占世界竹種總數(shù)的1/3，現(xiàn)在竹林面積530多萬(wàn)公頃(1公頃=10 000 m2)，主要分布于我國(guó)長(zhǎng)江以南的19個(gè)省、市、自治區(qū)，竹林面積、蓄積量、竹材產(chǎn)量均居世界之首[1]。隨著我國(guó)木材加工業(yè)的發(fā)展，木材供需矛盾越來(lái)越激烈，而竹材生長(zhǎng)速度快、繁殖能力強(qiáng)、周期短、產(chǎn)量高、資源豐富，因此以竹代木是緩解木材供需矛盾的重要措施。經(jīng)歷了三十多年的發(fā)展，我國(guó)竹材加工業(yè)得到快速發(fā)展，竹材產(chǎn)品達(dá)數(shù)十種，然而竹材加工工藝參數(shù)主要參照木材加工的工藝參數(shù)，但由于竹材的組織結(jié)構(gòu)與木材有較大差異，導(dǎo)致竹材的表面性質(zhì)也存在較大的差異。濕潤(rùn)性是固體材料表面的重要特性之一，表現(xiàn)為某些液體與固體表面接觸時(shí)，在接觸表面潤(rùn)濕、鋪展、滲透和粘附時(shí)的速度與能量[2]。膠黏劑對(duì)竹材坯料的潤(rùn)濕性如何，決定著涂膠的質(zhì)量和膠合產(chǎn)品的物理力學(xué)性能，因此潤(rùn)濕性好壞非常重要。

本文重點(diǎn)研究毛竹材(Phyllostachys Pubescen)不同立桿高度弦切面上H2O、酚醛樹脂膠黏劑（PF）、脲醛樹脂膠黏劑（UF）和改性大豆蛋白膠（MSA）的動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕性能，分析了毛竹材的不同高度對(duì)膠黏劑動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕性能的影響和各種膠黏劑在毛竹材弦切面上的潤(rùn)濕性能差異。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

毛竹材取材于福建省三明市尤溪縣中仙鄉(xiāng)，4年生，胸徑約120 mm，齊地砍伐，裁去砍口處一個(gè)竹節(jié)后，每隔2 m取30 mm長(zhǎng)的竹筒，共5節(jié)竹筒試樣，即每節(jié)竹筒試樣分別離伐口為0 m、2 m、4 m、6 m、8 m。試驗(yàn)中采用實(shí)驗(yàn)室自制的各種潤(rùn)濕液體，包括H2O、PF、UF、MSA，其基本性能見表1。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 制備試樣

分別將齊地砍伐高度0 m、2 m、4 m、6 m、8 m的30 mm長(zhǎng)的竹筒剖分成1.5～2 mm寬的竹條，按分別用于H2O、PF、UF和MSA的潤(rùn)濕性能測(cè)試的順序，依次間隔取樣編號(hào)。再將竹條的竹青面刨削掉2 mm制作毛竹材弦切面樣本。試件規(guī)格為30 mm×5 mm×3 mm。將所有樣本干燥后，用砂紙砂光被測(cè)表面，最后在20℃、相對(duì)濕度65%的條件下調(diào)溫調(diào)濕48 h，密封備用。

表1 各種潤(rùn)濕液體的基本性能(20℃)Table 1 The fundamental parameters of several kinds of liquids(20℃)

2.2.2 接觸角測(cè)試與分析

試驗(yàn)中所用的接觸角儀是JC2000A靜滴接觸角/界面張力測(cè)量?jī)x，其測(cè)試方法是外形圖像分析法。采用該儀器連續(xù)存儲(chǔ)各種潤(rùn)濕液體在毛竹材弦切面上潤(rùn)濕狀態(tài)，測(cè)量不同時(shí)間的接觸角，并按式(1)所示模型擬合得θ(t)曲線[3，4]。

式（1）中：θ為接觸角，（°）；θ0為平衡接觸角，（°）；A為潤(rùn)濕緩沖系數(shù)；T為潤(rùn)濕時(shí)間常數(shù)；t為時(shí)間，s。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 H2O在毛竹材弦切面的動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕性

由圖1a可知，隨著立桿高度的增加，平衡接觸角逐漸減小，其潤(rùn)濕性越好。H2O在毛竹材立桿高度為8 m時(shí)潤(rùn)濕速度相對(duì)較緩慢，在立桿高度0 m時(shí)潤(rùn)濕速度相對(duì)較快，在2 m和4 m立桿高度弦切面的潤(rùn)濕速度相近，比6 m弦切面快。這是因?yàn)殡S著立桿高度的增加，毛竹材的密度逐漸增大，微毛細(xì)管和毛細(xì)管的直徑減小，H2O的滲透阻力也逐漸減小[5，6]。H2O在毛竹材各弦切面上的潤(rùn)濕速度均較快，僅7～8 s完成快速潤(rùn)濕過(guò)程，達(dá)到或接近平衡接觸角，H2O的潤(rùn)濕一般不會(huì)隨時(shí)間的延長(zhǎng)穩(wěn)定于平衡接觸角，H2O仍會(huì)在竹材表面發(fā)生滲透，直到接觸角為0，即完全潤(rùn)濕。

3.2 PF在毛竹材弦切面的動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕性

由圖1b可以看出，PF在毛竹材各弦面的平衡接觸角的變化規(guī)律與H2O的變化規(guī)律相似，但其平衡接觸角相對(duì)于H2O的較大，潤(rùn)濕速度也較為緩慢。主要是因?yàn)镻F的粘度大、分子量高，內(nèi)聚能較大，在毛竹材表面不易流展[3]，也不易通過(guò)毛竹材的毛細(xì)管和微毛細(xì)管向毛竹材內(nèi)部滲透[4]。比較圖1a和圖1b可知，H2O約需8 s完成在竹材表面的快速潤(rùn)濕，其接觸角接近平衡接觸角；而PF在竹材表面的潤(rùn)濕，需80～100 s才能接近平衡接觸角。此外，對(duì)比圖1b中不同立桿高度可知，PF在竹材各個(gè)立桿高度的接觸角的變化規(guī)律與H2O的潤(rùn)濕規(guī)律相似。其中在立桿高度0 m處的衰減趨勢(shì)比其他部位的衰減趨勢(shì)更為明顯，且在前60 s內(nèi)快速衰減，而后趨于平緩，說(shuō)明PF在立桿高度0 m部分在前60 s內(nèi)潤(rùn)濕速率最快。而在立桿高度為8 m的竹材弦弦切面上的平衡接觸角最小，但潤(rùn)濕速度較為緩慢。

3.3 UF在毛竹材弦切面的動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕性

由圖1c可知，UF在不同立桿高度毛竹材弦切面上的平衡接觸角的變化與H2O的潤(rùn)濕過(guò)程相似，自根部到梢部UF在毛竹材弦切面上的平衡接觸角逐漸減小。但UF在毛竹材弦切面上的平衡接觸角比H2O大，潤(rùn)濕速度較慢，約需40 s達(dá)到較好的潤(rùn)濕；與PF相比較，其平衡接觸角小得多，潤(rùn)濕速度也比PF快。其主要原因是UF粘度比H2O大，但比PF小，膠液分子量比水分子量大但比PF小，在竹材弦切面上鋪展、滲透速度較H2O慢，比PF快[7，8]。此外，UF在竹材不同立桿高度的弦切面上接觸角的變化規(guī)律與H2O和PF的變化規(guī)律基本相似，不同立稈高度的毛竹材弦切面上在前0～30 s內(nèi)呈快速衰減規(guī)律，而后趨于平緩；在0 m和2 m處衰減的趨勢(shì)較為明顯且快速，說(shuō)明在立桿高度0 m和2 m處弦切面潤(rùn)濕較為快速；而在6 m和8 m處其平衡接觸角相對(duì)較小，但潤(rùn)濕速率較慢。

3.4 MSA在毛竹材弦切面的動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕性

由圖1d可知，MSA的平衡接觸角的變化規(guī)律與H2O的相似，平衡接觸角的大小介于PF和UF之間。潤(rùn)濕時(shí)間常數(shù)T很小，與H2O的潤(rùn)濕時(shí)間常數(shù)很接近，MSA在10 s以內(nèi)快速潤(rùn)濕，表明MSA潤(rùn)濕速度很快，幾乎與H2O在毛竹材弦切面的潤(rùn)濕速度相當(dāng)，僅10 s左右完成潤(rùn)濕過(guò)程達(dá)到接近于平衡接觸角。其主要原因是MSA的固含量低、且富含極性基團(tuán)，靜置時(shí)易形成氫鍵等，故而在與毛竹材弦切面上接觸的初期，由于水分含量大，以及在極性基團(tuán)的作用下，在竹材表面快速鋪展、吸附、滲透。但隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，膠液中水分減少，并在蛋白質(zhì)所帶電荷和極性基團(tuán)的作用下，形成較大的內(nèi)聚力，使膠液不易流展。此外，MSA在竹材各個(gè)立桿高度的接觸角的變化規(guī)律與前3種潤(rùn)濕液體的變化規(guī)律相似。其中弦切面的各個(gè)部位在前0～10 s內(nèi)呈快速衰減規(guī)律，在10～20 s內(nèi)變化相對(duì)減緩，在20 s后趨于平緩，且不同立桿高度的竹材各弦切面的潤(rùn)濕過(guò)程很接近，無(wú)明顯變化。

圖1 不同液體在毛竹各弦切面的動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕曲線Fig.1 The dynamic wetting curves of several kinds of liquids on the tangential sections of moso bamboo

4 結(jié)語(yǔ)

隨著竹稈高度的增加，H2O和PF在毛竹材弦切面的平衡接觸角呈下降趨勢(shì)，潤(rùn)濕性能越來(lái)越好，而UF和MSA的平衡接觸角和潤(rùn)濕速度隨竹稈高度的變化相對(duì)不明顯。

H2O在毛竹弦切面上的潤(rùn)濕速度最快，平衡接觸角最小，且隨時(shí)間的延長(zhǎng)可達(dá)到完全潤(rùn)濕。PF、UF和MSA3種膠黏劑在毛竹弦切面上的平衡接觸角都小于90o，表明這3種膠黏劑在毛竹材弦切面均可以潤(rùn)濕。其中PF的平衡接觸角最大，潤(rùn)濕速度最慢，即其潤(rùn)濕性能最差；UF的平衡接觸角最小，潤(rùn)濕速度居中；MSA潤(rùn)濕速度最快，幾乎與H2O的潤(rùn)濕速度相當(dāng)，但平衡接觸角介于PF和UF之間，其潤(rùn)濕性能不如UF；但3種膠黏劑的平衡接觸角均大于H2O?？傮w上而言，在同一立桿高度的毛竹材弦切面上，3種膠黏劑中，UF潤(rùn)濕速度相對(duì)較快，平衡接觸角最小，潤(rùn)濕性能較好。

致謝

參與試驗(yàn)的還有張榮強(qiáng)、楊永濤、鄭志偉、夏美佺、樊迪、施國(guó)煒等同學(xué)，在此一并表示感謝。

[1]宋孝金，劉曉輝.竹材的工業(yè)化利用[J].林業(yè)科技，2011，36 (6)：55-57.

[2]任一萍，王 正，高 黎，等.偶聯(lián)劑對(duì)竹材表面潤(rùn)濕性及膠合強(qiáng)度的影響[J].粘接，2011(7)：50-53.

[3]Sheldon Q Shi，Douglas J Gardner.Dynamic adhesive wettability of wood[J].Wood and Fiber Science，2001，33(1)：58-68.

[4]周兆兵，張 洋，賈 翀.木質(zhì)材料動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕性能的表征[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，31(5)：71-73.

[5]江澤慧，于文吉，余養(yǎng)倫.竹材表面潤(rùn)濕性研究[J].竹子研究匯刊，2005，24(4)：31-38.

[6]高 偉，羅艷麗，甘 衛(wèi)，等.竹材表面潤(rùn)濕性能研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40(35)：17322-17326.

[7]侯玲艷，趙榮軍，任海青，等.不同竹齡毛竹材表面顏色、潤(rùn)濕性及化學(xué)成分分析[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，36(2)：159-162.

[8]王 戈，揭二龍，郭起榮，等.不同膠黏劑在毛竹和杉木表面的潤(rùn)濕性[J].中南林學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，26(6)：155-159.

Study on wettability of tangential sections of moso bamboo with different pole heights

Zhang Qiaoling，Zhou Hongwei，Liang Tingbin，Tong Xueyan，Zeng Qinzhi
(College of Materials Engineering，F(xiàn)ujian Agriculture and Forestr University，F(xiàn)uzhou 350002，China)

This paper studied the wettability of H2O，phenol formaldehyde adhesive(PF)，urea-formaldehyde adhesive(UF)and modified soy-based adhesive(MSA)in tangential sections of moso bamboo(Phyllostachys Pubescen)with different pole heights.Through measuring contact angles of four kinds of liquids on the tangential sections of moso bamboo，the dynamic wetting model was built，and the effects on the wettability of these liquids on the tangential sections with different pole heights and the differences of the wetting performance of these liquids on the tangential section of moso bamboo were analyzed.

moso bamboo；pole height；tangential section；contact angle；wettability

TS652

A

1009-1742(2014)04-0056-04

2013-12-03

福建省教育廳科技項(xiàng)目（JK2009009）；福建省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（111ZC1256）

曾欽志，1969年出生，男，福建寧化縣人，博士，副教授，主要從事木材加工工藝及其裝備自動(dòng)化的研究；E-mail：fjafuzqz@163.com