硅酸鈉/酚醛樹脂改性楊木物理力學性能研究

　　摘要：以硅酸鈉/酚醛樹脂為浸漬液，采用滿細胞法，利用真空-加壓的浸漬方式，提高速生楊木的物理力學性能。采用正交試驗方法，以浸漬液配方、真空時間、保壓時間為變量，物理力學性能作為評價指標。結果表明：增重率達到40%左右時，改性材的彈性模量(MOE)、靜曲強度(MOR)、順紋抗壓強度和抗沖擊韌性分別提高了29.5%、28.0%、36.2%和21.0%。體積干縮濕漲率降低了14%。

　　關鍵詞：硅酸鈉;酚醛樹脂;楊木;改性;物理力學性能;

　　《國際木業(yè)》以國外信息報道為重點，內外兼顧，采用多種形式綜合報道世界各國的木業(yè)生產、銷售、經營、科學研究、技術開發(fā)等方面的現(xiàn)狀、趨勢，以及行業(yè)動態(tài)等內容。

　　隨著生活水平的提高，人們對木材的需求量越來越大，但由于天然林木材的日益缺乏以及國家倡導“綠水青山就是金山銀山”及對綠色生態(tài)林實施保護，導致柞木、水曲柳等硬質木材價格不斷攀升，以及下游產品價格提高。另外，楊木、泡桐等軟質木材由于其材性較差，素材無法代替硬質木材。但楊木作為速生木材具有生長周期短、成材早、適應性強等硬質闊葉材無法比擬的優(yōu)勢，同時也存在密度低、強度弱、疏水性差等劣勢。國內外學者研究表明，楊木通過真空浸漬技術，化學改性物理填充可以有效增強楊木的強度和彈性模量，是使用改性技術來改善速生木材物理力學性能缺點的有效途徑[1-3]。

　　硅酸鈉溶液(俗稱水玻璃)具有來源廣泛，成本低且環(huán)保等優(yōu)點，被國內外學者廣泛用于改性木材[4，5]。研究表明，用硅酸鈉溶液對木材進行改性處理，由于其具有較強的吸濕性和堿性，對木材本身性能影響較大，經高溫固化后，可提高木材的物理力學性能[6]。但由于無機物浸漬木材易出現(xiàn)抗流失性差等缺點[7]，一些學者利用如酚醛樹脂、脲醛樹脂、三聚氰胺樹脂對木材進行強化處理，其中酚醛樹脂作為改性劑表現(xiàn)出顯著的改性效果因此得到青睞，酚醛樹脂作為木材浸漬改性劑，能夠改善木材尺寸穩(wěn)定性、強度、天然耐久性，但酚醛樹脂改性材降低了木材韌性和較大程度上增加了成本[8]。為了克服單一改性劑的缺點，本實驗采用酚醛樹脂/硅酸鈉復合液作為改性處理液，利用真空加壓浸漬方式，得到性能優(yōu)良的復合改性處理材。

　　1.材料與方法

　　1.1材料及設備

　　楊木(Populus tomentosa)：吉林省蛟河林場，密度0.41 g/cm3，含水率8%～12%，規(guī)格長×寬×厚(500 mm×122 mm×41 mm);硅酸鈉溶液(模數(shù)2.3);酚醛樹脂(PF);真空加壓浸漬罐：VPI250，沈陽維科真空技術有限公司;萬能力學試驗機：DWD-100E。

　　1.2方法

　　1.2.1酚醛樹脂/硅酸鈉復合浸漬改性液合成工藝優(yōu)化

　　以硅酸鈉為主要原料，酚醛樹脂為輔助原料。PF/硅酸鈉(質量分數(shù))從(1-9)：10;引入去離子水與酚醛樹脂和硅酸鈉形成均一的浸漬液，去離子水/水玻璃(質量分數(shù))從(1-9)：10。具體浸漬液配方及指標結果見表1。選用固含量36.54%、34.67%和42.10%的三組為本研究浸漬溶液。

　　1.2.2復合改性人工速生楊木的浸漬工藝優(yōu)化

　　利用真空浸漬，以浸漬液配比、真空時間、保壓時間為因素，進行L934正交試驗。正交試驗見表2。

　　1.2.3性能檢測

　　抗彎強度、抗彎彈性模量、沖擊韌性分別依據國家標準GB/T 1936.1—2009、GB/T1936.2—2009、GB/T 1940—2009;順紋抗壓根據國家標準GB/T 1935—2009;吸水性、濕漲性、干縮性分別根據國家標準GB/T 1934.1—2009、GB/T 1934.2—2009、GB/T 1932—2009測試。所有試件在實驗開始前在常溫常壓下平衡1周左右，每組測試20個重復樣。

　　2.結果與分析

　　2.1不同增重率對改性速生楊木力學性能的影響

　　圖1為不同增重率對改性楊木力學性能的影響。從圖可以看出隨著增重率的提高，改性后的速生楊木彈性模量也相應提高。增重率在40%時，與未改性材相比，彈性模量提高了29.5%。抗彎強度提高了28.0%。改性后的速生楊木順紋抗壓強度也相應提高。與素材相比，增重率達到40%，順紋抗壓強度提高了34.11%，沖擊韌性提高了21.0%，這可能是由于引入填充材料提高木材的密度，從而提高了木材力學性能，并且由于硅酸鈉與酚醛樹脂生成互穿網絡(IPN)結構使酚醛樹脂增韌進而改性楊木沖擊韌性有所提高[9]。

　　2.2 不同增重率對改性楊木的物理性能影響

　　圖2為不同增重率對改性楊木濕脹性、干縮性的影響。隨著增重率的增加改性材的濕漲率降低和抗?jié)q率提高，干縮率略有降低?？梢钥闯鼋涍^處理后的改性楊木與未處理材相比濕脹性和干縮性略有降低，分別下降了5%和3.4%。究其原因：木材尺寸的變化是木材在失水或吸濕時，木材內所含水分向外蒸發(fā)，或干木材由空氣中吸收水分，使細胞壁內非結晶區(qū)的相鄰纖絲間、微纖絲間和微晶間水層變薄(或消失)而靠攏或變厚而伸展。本研究引入的填充材料填充到木材內部的孔隙，附著或者部分的附著與木材的細胞壁表面，因此阻礙了木材能夠吸收水分的通道。從而降低了木材的吸濕干縮性。

　　3.結論

　　(1)與未處理材相比，改性材彈性模量、靜曲強度、順紋抗壓強度和沖擊韌性分別為142.70 GPa、157.1 MPa、57.4 MPa、112.3 kJ/m2。

　　(2)與未處理材相比，改性處理降低楊木的吸濕干縮性，提高了尺寸穩(wěn)定性。增重率為40%左右時，改性楊木的濕漲率和干縮率，分別下降了5%和3.4%。

　　參考文獻

　　【1】郎倩，陳鶴予，佘穎，武國峰，蒲俊文.功能型木材改性劑對速生楊木物理力學性能的改性效果[J].浙江農林大學學報，2012，29(05)：686-690.

　　【2】呂建雄，徐康，劉元，等.速生人工林楊木增強改性的研究進展[J].中南林業(yè)科技大學學報，2014，34(03)：99-103.

　　【3】謝延軍，符啟良，王清文，等.木材化學功能改良技術進展與產業(yè)現(xiàn)狀[J].林業(yè)科學，2012，(09)：154-163.

　　【4】王德福，李春風，劉明利等.熱處理與硅酸鈉聯(lián)合改性楊木的物理力學性能[J].木材工業(yè)，2016，30(6)：31-34.

　　【5】Furuno T.F Uehara.S Jodai. Combination of wood and silicate.Some properties of wood-mineral composiles using the water glass-boron compoundsystem.Mokuzai gakkaishi. 2011.39(5)：561-570.

　　【6】廖恒.楊木的硅酸鹽改性研究[D].東北林業(yè)大學，碩士論文，2009.

　　【7】陳志林，王群，左鐵鏞，等.無機質復合木材的復合工藝與性能[J].復合材料學報，2003，20(04)：128-132.

　　【8】方桂珍，李淑君，劉健威.低分子量酚醛樹脂改性大青楊木材的研究[J].木材工業(yè)，1999，(05)：17-19.

　　【9】徐春利，郭紅霞，林蘭英，等.聚合物改性水玻璃均相雜化液對速生楊木的改性[J].化學研究與應用，2010，22(2)：240-243.