胡 拉，楊章旗，秦理哲，徐慧蘭

（廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院 廣西優(yōu)良用材林資源培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室國(guó)家林業(yè)和草原局馬尾松工程技術(shù)研究中心，廣西南寧 530002）

近年來(lái)，“綠色化”逐漸成為我國(guó)建筑業(yè)發(fā)展的重要趨勢(shì)之一，具有低碳、環(huán)保和宜居等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的木結(jié)構(gòu)建筑迎來(lái)良好的發(fā)展機(jī)遇[1-2]。落葉松（Larix gmelinii）[3]和杉木（Cunninghamia lanceolata）[4]等人工林木材在木結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應(yīng)用研究，成為加快我國(guó)木結(jié)構(gòu)用材國(guó)產(chǎn)化和促進(jìn)我國(guó)木結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)健康持續(xù)發(fā)展的重要保障。

馬尾松（Pinus massoniana）人工林分布范圍廣，生長(zhǎng)速度較快，木材力學(xué)性能良好，是我國(guó)木結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)的潛力原料樹(shù)種[5]。但馬尾松木材節(jié)子較多，且易被蟲(chóng)、菌侵蝕，在木結(jié)構(gòu)領(lǐng)域較適宜用于生產(chǎn)防腐膠合木產(chǎn)品[6]。進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者選用銅唑（CuAz）和氨（胺）溶季銨銅（ACQ）等新一代環(huán)保型水溶性防腐劑，圍繞防腐處理對(duì)木材物理化學(xué)性質(zhì)及膠合性能的影響展開(kāi)研究，促進(jìn)了低毒和環(huán)保型木材防腐技術(shù)的開(kāi)發(fā)與利用[7-11]，但目前有關(guān)防腐處理木材膠合工藝技術(shù)的系統(tǒng)研究仍較少。本研究探討了預(yù)處理方法、膠合工藝因子和木材密度對(duì)馬尾松防腐處理木材膠合性能的影響，可為馬尾松人工林結(jié)構(gòu)用材的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

馬尾松原木試材采集于廣西崇左市寧明縣，樹(shù)齡35年。將原木剖分為35 mm 厚的板材，窯干至含水率小于15%；從干燥后的板材中選取邊材，加工成300 mm × 30 mm × 7 mm（縱向× 弦向× 徑向）規(guī)格試件，置于恒溫恒濕箱（溫度20 ℃、相對(duì)濕度65%）中平衡1 周，選取密度分別為580 ～≤620 kg/m3（低）、620 ～≤660 kg/m3（中）和660 ～700 kg/m3（高）的3組試樣。

采用廣東林科科技開(kāi)發(fā)有限公司提供的水溶性環(huán)保型ACQ-D 防腐劑，活性成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.39%，其中季銨鹽（以DDAC計(jì)）∶銅化物（以CuO計(jì)）= 4.87∶10.52。

結(jié)構(gòu)集成材采用購(gòu)于沈陽(yáng)愛(ài)克浩博化工有限公司的間苯二酚-苯酚-甲醛樹(shù)脂（RPF）膠黏劑。RPF 組分中主劑與固化劑的質(zhì)量比為100∶30。主劑為紅褐色粘稠液體，固含量65%，黏度15 Pa·s，pH值7.5；固化劑為紅褐色粉末。

采用購(gòu)于菏澤維德林化化工有限公司的MJBNS 型木材脫脂劑，外觀為透明液體，比重1.25，pH值9 ～11，有效活性物質(zhì)含量80%。

儀器設(shè)備主要包括電熱蒸煮鍋（山東博興縣華世廚房設(shè)備廠生產(chǎn)），木材浸漬處理罐（設(shè)計(jì)壓力1.7 MPa、容積2.03 m3，諸城市安泰機(jī)械有限公司定制），鼓風(fēng)干燥箱（上海森瀾科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)），HS-225型恒溫恒濕箱（上海森瀾科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)），平板硫化機(jī)（幅面500 mm×500 mm，青島錦九洲橡膠機(jī)械有限公司生產(chǎn)），WDW-200E 微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（濟(jì)南新時(shí)代試金儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 脫脂及防腐處理

脫脂劑稀釋50 倍后加入蒸煮鍋，在95 ℃加熱條件下對(duì)馬尾松木材試樣進(jìn)行蒸煮脫脂處理5 h；將處理后的試樣置于鼓風(fēng)干燥箱（50 ℃）內(nèi)干燥，3 天后轉(zhuǎn)移至恒溫恒濕箱（溫度20 ℃、相對(duì)濕度65%）中平衡1周。

在浸漬槽內(nèi)配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%的ACQ-D 溶液，將稱重后的馬尾松木材試樣放入槽內(nèi)，利用真空加壓法進(jìn)行防腐處理。工藝參數(shù)為真空度-0.09 MPa、抽真空時(shí)長(zhǎng)30 min、加壓壓力1.2 MPa、加壓時(shí)長(zhǎng)1 h。處理完成后，用濾紙將試樣表面的藥液吸干后稱重，依據(jù)公式（1）計(jì)算理論載藥量（R，kg/m3）。將稱重后的試樣置于鼓風(fēng)干燥箱（50 ℃）內(nèi)干燥，3天后轉(zhuǎn)移至恒溫恒濕箱（溫度20 ℃、相對(duì)濕度65%）中平衡1周。

式中，G為試件吸收防腐劑溶液的保持量，即處理前后試件的重量差（kg）；C為防腐劑溶液濃度（%）；V為試件體積（m3）。

1.2.2 膠合試樣制備及強(qiáng)度檢測(cè)

利用平板硫化機(jī)壓制兩層膠合試樣。依據(jù)GB/T 33333-2016[12]加工試件，利用萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)其拉伸剪切強(qiáng)度和木破率（圖1）。

圖1 拉伸剪切強(qiáng)度試樣Fig.1 Sample of shear strength

1.2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以預(yù)處理方法、單位壓力、涂膠量和加壓時(shí)間為變量因子，馬尾松防腐處理木材的膠合強(qiáng)度為指標(biāo)，進(jìn)行L9（34）正交試驗(yàn)，每個(gè)因子設(shè)定3 個(gè)水平（表1）。預(yù)處理方法選用未脫脂條件下的先壓刨后防腐處理（壓刨-防腐）和先防腐處理后壓刨（防腐-壓刨）以及脫脂條件下的先防腐處理后壓刨（脫脂-防腐-壓刨）3 種方式。在膠黏劑生產(chǎn)廠家推薦的工藝條件范圍內(nèi)選擇單位壓力、涂膠量和加壓時(shí)間的3 個(gè)水平。每組試驗(yàn)隨機(jī)選取低、中和高密度試樣各1個(gè)，作為1次重復(fù)，共計(jì)9個(gè)試樣、3次重復(fù)。

表1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.1 Orthogonal experimental design

2 結(jié)果與分析

2.1 正交試驗(yàn)直觀分析與方差分析

不同預(yù)處理方法下，防腐劑ACQ-D在木材中的透入度均為100%。壓刨-防腐和防腐-壓刨兩種預(yù)處理方法對(duì)應(yīng)的防腐劑載藥量接近，分別為9.01 和8.78 kg/m3。脫脂-防腐-壓刨處理方法對(duì)應(yīng)的載藥量為10.11 kg/m3，略高于其他兩組，這是由于脫脂處理提高了木材的滲透性。3 種條件下的木材載藥量差異較小，對(duì)后續(xù)膠合性能的影響不顯著。

以3次重復(fù)試驗(yàn)的平均值為指標(biāo)進(jìn)行直觀分析（表2）。從極差（R）判斷，影響試樣剪切強(qiáng)度的因子顯著性為預(yù)處理方法＞涂膠量＞加壓時(shí)間＞單位壓力；影響試樣木破率的因子顯著性為預(yù)處理方法＞加壓時(shí)間＞涂膠量＞單位壓力。

表2 正交試驗(yàn)直觀分析Tab.2 Intuitive analysis of orthogonal experiment

對(duì)試樣剪切強(qiáng)度和木破率進(jìn)行方差分析（表3 ～4）。預(yù)處理方法對(duì)剪切強(qiáng)度和木破率均影響極顯著（P＜0.01）；單位壓力、涂膠量和加壓時(shí)間對(duì)剪切強(qiáng)度影響較顯著（P＜0.1），對(duì)木破率影響不顯著。

表3 剪切強(qiáng)度方差分析Tab.3 Variance analysis of shear strength

表4 木破率方差分析Tab.4 Variance analysis of wood failure ratio

2.2 工藝因子對(duì)膠合性能的影響

由上述分析可知，預(yù)處理方法是對(duì)馬尾松防腐處理木材膠合性能影響最為顯著的因子。防腐-壓刨試樣的剪切強(qiáng)度和木破率較壓刨-防腐試樣分別高出27.9%和53.7%（表2），這是由于膠合前的刨光處理可以去除防腐處理過(guò)程中沉積在木材表面的防腐劑，形成良好的膠合界面，進(jìn)而改善木材的膠合性能。脫脂-防腐-壓刨試樣的剪切強(qiáng)度和木破率較防腐-壓刨試樣分別高出7.8%和25.8%，松脂的脫除有利于提高木材表面的潤(rùn)濕性[13]，改善木材的膠接性能。

單位壓力、涂膠量和加壓時(shí)間等膠合工藝因子對(duì)拉伸剪切強(qiáng)度的影響高于其對(duì)木破率的影響（表3 ～4），可能是由于木破率的變異性大于拉伸剪切強(qiáng)度。

當(dāng)單位壓力由0.8 MPa上升至1.3 MPa，拉伸剪切強(qiáng)度明顯提高；當(dāng)壓力進(jìn)一步上升至1.8 MPa時(shí)，拉伸剪切強(qiáng)度變化不大（圖2）。這是由于壓力的增加可在一定程度上促進(jìn)膠黏劑在木材中的滲透，形成更牢固的結(jié)合力，進(jìn)而提高膠合強(qiáng)度；同時(shí)，這種促進(jìn)作用是有限的，其對(duì)剪切強(qiáng)度的影響隨壓力的持續(xù)上升而減弱。結(jié)合生產(chǎn)成本考慮，單位壓力優(yōu)選1.3 MPa。

當(dāng)涂膠量由150 g/m2增加至250 g/m2時(shí)，拉伸剪切強(qiáng)度由5.03 MPa 提升至5.15 MPa；當(dāng)涂膠量進(jìn)一步增加至350 g/m2時(shí)，拉伸剪切強(qiáng)度有較明顯的下降，比150 和250 g/m2試樣分別降低5.2%和7.4%。這是由于涂膠量的增加有利于形成更完整和更均勻的膠層，在涂膠量較低時(shí)可以改善膠合性能；當(dāng)涂膠量過(guò)高時(shí)，形成的膠層變厚，導(dǎo)致膠合剪切強(qiáng)度下降。綜合考慮，較優(yōu)的涂膠量為250 g/m2。

加壓時(shí)間1 和2 h 對(duì)應(yīng)的拉伸剪切強(qiáng)度差異不大；隨著加壓時(shí)間延長(zhǎng)至3 h，拉伸剪切強(qiáng)度有較明顯的提高，比1 和2 h 試樣分別高出4.9%和7.0%。延長(zhǎng)加壓時(shí)間可促進(jìn)膠黏劑在木材中的滲透，有利于形成牢固的膠釘，改善膠合性能。綜合分析，加壓時(shí)間優(yōu)選3 h。

圖2 膠合工藝對(duì)馬尾松防腐處理木材拉伸剪切強(qiáng)度的影響Fig.2 Effects of bonding technology on shear strength of P.massoniana wood by preservative treatment

2.3 木材密度對(duì)膠合性能的影響

3 組密度試樣的平均拉伸剪切強(qiáng)度為4.80 ～5.28 MPa，中密度試樣的拉伸剪切強(qiáng)度略高于其他兩組，三者間顯著不差異（圖3a）。3 組試樣的木破率平均值呈現(xiàn)出隨木材密度增大而降低的趨勢(shì)，高密度試樣的木破率為55.56%，低密度試樣為79.07%，兩者間差異顯著（P＜0.05）（圖3b）。木材密度越高，木材中的孔隙結(jié)構(gòu)相對(duì)越少，膠黏劑在木材中滲透形成的有效結(jié)合點(diǎn)也較少，拉伸剪切測(cè)試過(guò)程中對(duì)木材的粘附力較小，因此木破率較低。一般而言，較低的木破率對(duì)應(yīng)較低的膠合強(qiáng)度。拉伸剪切強(qiáng)度由木材強(qiáng)度和膠黏劑強(qiáng)度共同決定，密度較高的木材自身強(qiáng)度較高，因此其拉伸剪切強(qiáng)度與低密度試樣間差異不顯著。

圖3 木材密度對(duì)馬尾松防腐處理木材膠合性能的影響Fig.3 Effects of wood density on bonding performance of P.massoniana wood by preservative treatment

3 結(jié)論與討論

預(yù)處理方法對(duì)馬尾松防腐處理木材的膠合性能影響極顯著，這證實(shí)了木材表面性質(zhì)是決定實(shí)木膠合性能的重要因子。馬尾松木材經(jīng)防腐處理后，其表面沉積的防腐劑會(huì)阻礙膠黏劑在木材中的滲透，削弱膠黏劑與木材間的結(jié)合力，因此膠合前的刨光處理很必要。本研究還發(fā)現(xiàn)，脫脂處理可以改善馬尾松防腐處理木材的膠合性能，與余光[14]的研究結(jié)果一致。本研究中單位壓力、涂膠量和加壓時(shí)間3個(gè)膠合工藝因子對(duì)馬尾松防腐處理木材拉伸剪切強(qiáng)度的影響規(guī)律，與未經(jīng)處理的落葉松木材[15]和杉木木材[16]的研究結(jié)果基本一致。

膠合工藝因子對(duì)應(yīng)的拉伸剪切強(qiáng)度極差最大值為0.38 MPa，明顯小于預(yù)處理方法對(duì)應(yīng)的極差值（1.55 MPa）。這可能是由于研究中膠合工藝因子水平的選取是基于膠黏劑生產(chǎn)廠家的建議范圍，相應(yīng)的膠合性能較好，拉伸剪切強(qiáng)度受工藝因子的影響相對(duì)較小。

研究所得較優(yōu)工藝參數(shù)為脫脂-防腐-壓刨、單位壓力1.3 MPa、涂膠量250 g/m2、加壓時(shí)間3 h。經(jīng)補(bǔ)充試驗(yàn)驗(yàn)證，該工藝條件下所制備試樣的拉伸剪切強(qiáng)度和木破率分別為6.01 MPa 和88.00%，膠合性能優(yōu)異。生產(chǎn)應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)控制木材表面質(zhì)量，同時(shí)兼顧膠合性能、生產(chǎn)效率及成本；在580 ～700 kg/m3范圍內(nèi)，木材密度對(duì)膠合性能的影響較小，可不予重點(diǎn)考慮。