速生杉木甲基丙烯酸甲酯改性及材性研究

劉喻娟，李重根，郭杰文，胡傳雙，袁納新，周馮瑞

(1 華南農業(yè)大學林學院，廣東廣州 510642;2 國營銀盞林場，廣東清遠 511542）

杉木Cunninghamia lanceolata是我國南方各省廣泛栽培、大量使用的一種重要用材樹種.早期的杉木以其獨特的芳香、通直的紋理深受人們喜愛.隨著近年來天然林資源的減少，人工速生林作為天然林的重要補充資源而逐步受到重視，但速生人工林杉木因其材質松軟、硬度較低、尺寸穩(wěn)定性差而使用受到限制.因此，通過各種方法對其進行改性，提高其物理力學性質，擴大其使用范圍成為重要課題.化學改性方法是改善軟質木材性能的有效方法，近年來，學者們對采用酚醛樹脂(PF)、脲醛樹脂(UF)、三聚氰胺甲醛樹脂(MF)等浸漬杉木而改善其材性進行了研究［1-6］，用乙烯基類單體浸漬木材加熱聚合制備復合材料也有報道［7-11］，但對杉木木材的研究較少，特別是對適用于家具產品制造的規(guī)格木材研究，鮮見報道.本研究采用甲基丙烯酸甲酯(MMA)作為浸漬單體，對生產實際中常用規(guī)格杉木進行真空浸漬處理試驗，目的是研究MMA單體在規(guī)格木材中的滲透效果，并對改性材材性的主要物理力學性能進行測試，探討其在實際生產中使用的可行性.

1 材料與方法

1.1 材料

杉木:來自廣東省清遠市銀盞林場，直徑12～18 cm的速生材.考慮到家具生產中材料的常用規(guī)格，本試驗所采用試件規(guī)格為徑向(R)45 mm×弦向(T)45 mm×縱向(L)440 mm.因為是小徑級材，盡管是靠近圓木的邊材部分取材，但其一側仍然接近心材.

甲基丙烯酸甲酯(MMA):化學純，購于廣州市華皓貿易有限公司.偶氮二異丁腈(AIBN):分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司生產.

1.2 方法

1.2.1 工藝過程 規(guī)格為45 mm×45 mm×440 mm試件8根，分成4組，每組2根重復試驗，試驗設計的控制密度增加率分別為25%、60%、100%和140%，通過浸漬時間控制密度增加率，實際操作時，每次試驗的密度增加率會略有差異.將試驗材料烘到絕干，冷卻，稱質量后放入真空裝置中抽真空到－0.08 MPa，保持30 min，然后注入MMA，取出后用塑料袋密封，放置一段時間，目的是使MMA在木材中均勻，最后將密封的浸漬材放入壓力罐中加熱聚合，溫度70℃，4 h后冷卻取出試件.

1.2.2 性能測定 處理材和對比材的密度按GB/T1933—2009［12］方法測定，改性材分層密度取樣見圖1.

圖1 改性材分層密度取樣示意圖Fig.1 Layered density sampling schematic diagram of modified wood

2 結果與分析

2.1 改性材的質量增加率

杉木經抽真空處理，浸注MMA單體，再經24 h的陳放和4 h溫度為70℃的加熱聚合，制備得到MMA改性木材.對改性前的素材和改性后的改性材稱質量，得出MMA在杉木木材中的質量增加率，見表1.

表1 試件質量增加率數(shù)據(jù)Tab.1 The growth rate data of specimen

從表1中的數(shù)據(jù)可以看出:木材的實際質量增加率與設計控制質量增加率之間的差異很小，最大的也只為9.00%，說明通過合適的工藝過程，在實際操作中可以很好地控制改性材質量增加率.

2.2 改性材的密度

由表1和表2可以看出:MMA在杉木中的滲透性極好，考慮加熱聚合時部分揮發(fā)量，實際在木材中的質量增加率可超過140%.從分層密度數(shù)據(jù)中還可以看出，杉木改性材中心部分與表面部分的密度差異很小，說明該滲透液在木材內部的流動性也非常好，完全可以進入木材內部.考慮到家具生產中實際使用的木材尺寸大致也是該規(guī)格，因此，可以認為該技術應用于實際生產中是可行的.

表2 浸漬MMA改性材的分層密度1)Tab.2 Layered density of modified wood with methyl methacrylate g/cm3

2.3 改性材的力學性能

從表3可以看出:杉木改性后的力學性能有明顯提高.提高最大的是木材的硬度:端面硬度由3.25 kN增加到最大值6.2 kN，增加幅度為90.77%，徑面和弦面硬度分別由2.28和2.22 kN增加到4.15和4.05 kN，增加幅度分別為82.01%和82.43%;其次是木材的順紋抗壓強度，由改性前的32.77 MPa增加到最大值44.77 MPa，增加幅度為36.62%;增強效果最小的是抗彎強度，由43.66 MPa增加到最大值46.44 MPa，增加幅度僅為6.37%.改性材的這些特性改變有利于其用作家具材料，因為家具對材料的表面硬度和抗壓強度要求較高.由表3還可看出:不同質量增加率對力學性能的影響是不同的，在質量增加率為60%時的力學性能最好.

表3 未改性材與改性材的力學性能1)Tab.3 Mechanical performance of unmodified wood and modified wood

2.4 改性材的尺寸穩(wěn)定性

由表4可以看出:改性后的杉木木材弦向和徑向干縮率大幅度降低，浸注液的填充作用使得木材細胞無法收縮是木材干縮系數(shù)減小的主要原因.從表中也可以看出:當杉木質量增加率大于60%時，繼續(xù)增加質量增加率對干縮率的影響不大，因而為了節(jié)約浸漬樹脂，樹脂含量不應大于60%.超量樹脂浸入對干縮率影響不大，可能的原因是過量的樹脂僅存在于木材的細胞腔中，只有依附于細胞壁中的樹脂才對木材的干縮特性有影響.

表4 未改性材與改性材的干縮率1)Tab.4 Dry shrinkage of unmodified wood and modified wood %

3 結論

本文對家具生產實用規(guī)格杉木浸泡甲基丙烯酸甲酯溶液改性后的密度、硬度、順紋抗壓、抗彎強度的變化情況進行了研究.通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，得出如下結論:1)隨著質量增加率的增加，規(guī)格杉木的平均密度也隨著增大;改性后的規(guī)格木材內外密度差異不明顯，表明MMA樹脂在45 mm厚的杉木內部滲透性極好，因此，在實際生產中，可以采用該樹脂對整體木材進行改性;2)改性后的木材力學性能有所提高，提高最為明顯的是木材表面硬度，這對于杉木改性材用于制作家具十分有利，有利于提高家具表面硬度和光潔度;3)改性后杉木木材弦向和徑向干縮率明顯減小，有利于家具產品的尺寸穩(wěn)定;4)質量增加率在60%以下時，增加樹脂含量對力學性能提高和木材干縮率的減小都有明顯的影響，但當質量增加率大于60%時，繼續(xù)增加樹脂含量對材性的影響有限，為降低成本，改性材的樹脂含量應控制在60%以下.

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