浸漬-熱處理對(duì)楊木力學(xué)性能的影響

侯瑞光，李賢軍，劉 元，廖 瑞，徐 康，胡嘉裕，王 純，王 燕，程曦依，王成美

（中南林業(yè)科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

浸漬-熱處理對(duì)楊木力學(xué)性能的影響

侯瑞光，李賢軍，劉 元，廖 瑞，徐 康，胡嘉裕，王 純，王 燕，程曦依，王成美

（中南林業(yè)科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

以速生楊木為研究對(duì)象，采用木材真空加壓浸漬處理和炭化罐專用設(shè)備，對(duì)楊木進(jìn)行浸漬-熱處理，研究了熱處理溫度和時(shí)間對(duì)楊木素材、熱處理材、浸漬材和浸漬-熱處理材的順紋抗彎強(qiáng)度、彈性模量和耐磨性影響。結(jié)果表明：1）熱處理會(huì)使素材和浸漬材的抗彎強(qiáng)度和彈性模量降低，但浸漬材的下降幅度較素材更?。?2）浸漬后，楊木的耐磨性有提高，但幅度不大；熱處理后，耐磨性整體呈下降趨勢(shì)，特別是在200℃后，下降非常明顯；浸漬材與素材的耐磨性在同條件下相差不大；

脲醛樹脂；浸漬；速生楊木；力學(xué)性能

楊木Poplar生長(zhǎng)迅速，蓄積量大，分布范圍廣，適應(yīng)性強(qiáng)，是我國(guó)北方地區(qū)主要的人工林樹種。但楊木存在結(jié)構(gòu)疏松、密度小、材質(zhì)軟、強(qiáng)度低、干燥時(shí)易變形和皺縮、切削加工易起毛等缺點(diǎn)，有必要對(duì)其進(jìn)行改性處理，達(dá)到改善材性，提高附加值，擴(kuò)大應(yīng)用范圍的目的[1-3]。木材力學(xué)性能是衡量木材應(yīng)用范圍的重要指標(biāo)，用低分子量、低粘度的脲醛樹脂真空-加壓浸漬楊木，并對(duì)其進(jìn)行高溫?zé)崽幚?，可以在提高其尺寸穩(wěn)定性的同時(shí)保證其整體強(qiáng)度[4-11]。

本研究對(duì)速生楊木在浸漬低分子量、低粘度的脲醛樹脂后進(jìn)行高溫?zé)崽幚恚?duì)素材、浸漬材、熱處理材和浸漬-熱處理材的力學(xué)性能進(jìn)行檢測(cè)，分析浸漬-熱處理對(duì)楊木力學(xué)性能的影響。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)用材為 2 000 mm（長(zhǎng)）×115 mm（寬）×30 mm（厚）人工林I-69楊(Populus deltoidescv.I-69/55)新鮮鋸材，購(gòu)自于湖南省益陽(yáng)市洞庭湖區(qū)。

低粘度的脲醛樹脂為浙江林科院自制，主要性能指標(biāo)參照GB/T 14074-2006 《木材膠黏劑及其樹脂檢驗(yàn)方法》進(jìn)行檢測(cè)，列于表1。

表1 脲醛樹脂技術(shù)指標(biāo)Table 1 The main properties of UF resin

1.2 儀器與設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備為木材真空加壓浸漬處理設(shè)備(最高使用壓力為3.0MPa)、木材炭化罐（長(zhǎng)沙市金來(lái)林業(yè)有限公司，型號(hào)：Ф325×650，主要由控制系統(tǒng)、水蒸氣發(fā)生器、炭化罐三大部分組成），試驗(yàn)儀器主要有電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（型號(hào)：DHG-q245A）、電子天平、熱重分析儀（美國(guó)PE儀器公司生產(chǎn)，型號(hào)：Pyris6 TGA）、萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)（型號(hào)：MWD-W10型號(hào)，濟(jì)南試金集團(tuán)有限公司）、滾動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)（型號(hào)：MGL-5，試驗(yàn)力5N，濟(jì)南時(shí)代試金儀器有限公司）。

1.3 方法與步驟

1.3.1 試材處理

從2 m長(zhǎng)新鮮鋸材上截取試樣，并按照試樣采集和試樣加工國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB1929-40-91，將其加工成310 mm（長(zhǎng)）×105 mm（寬）×25 mm（厚）的四面光標(biāo)準(zhǔn)試件，需浸漬的木材用環(huán)氧樹脂和鋁箔紙對(duì)其進(jìn)行縱向封端處理，氣干一天，待樹脂充分固化后，用塑料薄膜包好，備用。

1.3.2 試驗(yàn)安排

試材準(zhǔn)備好后，進(jìn)行試驗(yàn)。先對(duì)楊木作浸漬試驗(yàn)（浸漬試驗(yàn)部分詳見低分子量脲醛樹脂浸漬速生楊木工藝初步研究一文），再進(jìn)行高溫?zé)崽幚碓囼?yàn)。在熱重試驗(yàn)分析基礎(chǔ)上，以熱處理溫度和熱處理時(shí)間為影響因子，分別選取160℃、180℃、200℃、220℃和 0.5 h、1.0 h、2.0 h、4.0 h四個(gè)水平，進(jìn)行熱處理試驗(yàn),試驗(yàn)安排如表2。

表2 熱處理試驗(yàn)Table 2 Orthogonal test

1.3.3 熱處理試驗(yàn)

將楊木素材和浸漬材按照表2的安排進(jìn)行熱處理試驗(yàn)。高溫?zé)崽幚聿捎酶稍?高溫炭化-降溫的工藝，熱 處理過(guò)程中炭化罐僅通過(guò)小排氣孔與外界連通，用于排出高溫炭化處理過(guò)程中從楊木中逸出的水蒸氣。整個(gè)高溫?zé)崽幚磉^(guò)程分為以下幾個(gè)階段，具體如下：

（1）升溫干燥段：將試件放入炭化罐，將炭化罐的溫度由室溫升高到110℃，使試件表面溫度和內(nèi)部溫度趨于一致，控制試件的含水率在10%以下；

（2）高溫炭化段：繼續(xù)升高溫度到既定溫度，分別保持溫度為0.5～3 h；

（3）降溫調(diào)濕段：熱處理結(jié)束后，使炭化箱緩慢降溫到80℃，同時(shí)打開水蒸氣發(fā)生器，不斷通入水蒸氣，調(diào)節(jié)試件的最終含水率。關(guān)閉水蒸氣發(fā)生器，使試件自然冷卻至室溫。

1.3.4 力學(xué)試驗(yàn)測(cè)試

試件的抗彎強(qiáng)度按GB1936.1-91《木材抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試，試件的彈性模量按GB1936.2-91《木材彈性模量測(cè)定方法》進(jìn)行測(cè)試。木材耐磨性參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T15036.2-2001并根據(jù)實(shí)際情況在操作上進(jìn)行了一點(diǎn)改動(dòng)，先讓試件在磨耗儀上轉(zhuǎn)50 r后進(jìn)行稱重G，再把試件放在磨耗儀上轉(zhuǎn)100 r后進(jìn)行稱重G1，取G與G1的差值為試樣的磨耗值F。

2 結(jié)果與討論

2.1 順紋抗彎強(qiáng)度和順紋彈性模量

將熱處理材及浸漬-熱處理材的值分別與素材、浸漬材的抗彎強(qiáng)度值相比較，得出不同溫度及時(shí)間條件下熱處理材及浸漬熱處理材的抗彎強(qiáng)度降低率，如圖1所示。分析圖1的數(shù)據(jù)可知：熱處理引起木材強(qiáng)度下降。對(duì)熱處理材，160℃、1 h熱處理材的抗彎強(qiáng)度損失率最小，為0.5%，220℃、0.5 h熱處理材的抗彎強(qiáng)度損失率最大，為39%。浸漬處理能有效阻止木材在熱處理過(guò)程中抗彎強(qiáng)度的下降，160℃、0.5 h浸漬熱處理材的抗彎強(qiáng)度損失率最少，相對(duì)素材的抗彎強(qiáng)度提高32.3%，220℃、4 h浸漬熱處理材的抗彎強(qiáng)度損失率最大，相對(duì)素材的抗彎強(qiáng)度下降28.9%。200℃、2 h浸漬熱處理材的抗彎強(qiáng)度較素材的抗彎強(qiáng)度高2%，與素材的抗彎強(qiáng)度比較相近。

將相同熱處理?xiàng)l件下的浸漬熱處理材抗彎強(qiáng)度與熱處理材抗彎強(qiáng)度相比較，得出浸漬熱處理材抗彎強(qiáng)度較熱處理材的提高率如圖2所示。分析圖2中的數(shù)據(jù)可知：浸漬處理能有效阻止木材在熱處理過(guò)程中抗彎強(qiáng)度的下降，在各種溫度及時(shí)間條件下，浸漬熱處理材的抗彎強(qiáng)度與熱處理材的抗彎強(qiáng)度相比，均有不同程度的提高。其中220℃、2 h浸漬熱處理材較熱處理材的提高率最大，達(dá)到133.9%，180℃、0.5 h浸漬熱處理材較熱處理材的提高率最小，為33.9%。

從圖3中可以看出，隨著熱處理溫度的升高和時(shí)間的延長(zhǎng)，熱處理材及浸漬熱處理材的抗彎強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，且熱處理溫度對(duì)抗彎強(qiáng)度的影響大于熱處理時(shí)間。以4 h熱處理材及浸漬熱處理材為例，與素材相比，160℃熱處理材及浸漬熱處理材的抗彎強(qiáng)度分別下降1.8%、-25.6%，180℃熱處理材及浸漬熱處理材的抗彎強(qiáng)度分別下降3.8%、-16.9%，200℃熱處理材及浸漬熱處理材的抗彎強(qiáng)度分別下降10.8%、2.6%，220℃熱處理材及浸漬熱處理材的抗彎強(qiáng)度分別下降16.8%、28.9%。

圖1 處理材較素材抗彎強(qiáng)度降低率Fig.1 The decrease percentage of bending strength

圖2 浸漬-熱處理材較熱處理材抗彎強(qiáng)度的提高率Fig.2 The increase percentage of bending strength

圖3 熱處理溫度對(duì)抗彎強(qiáng)度的影響Fig.3 The effect of thermal treatment temperature on bending strength

從圖4～圖6中我們發(fā)現(xiàn)，彈性模量的變化趨勢(shì)與抗彎強(qiáng)度的基本一致，故不再作詳細(xì)解釋。

2.2 耐磨性

由表3可知，與素材相比，未經(jīng)熱處理的浸漬材的磨耗值由49.4 mg/r下降到42.0 mg/100r，下降幅度不大，而經(jīng)過(guò)熱處理后，浸漬材的表面磨耗值整體較素材略大。在200℃前，素材和浸漬材的磨耗值在42.5～49.9 mg/100r范圍內(nèi)，增加幅度為17.41%，達(dá)到200℃后，磨耗值從61.2 mg/100r增大到81.0 mg/100r，增加幅度為32.35%，增大的非常明顯。磨耗值越小，木材表面的失重量就越低，從而表面耐磨性就越好，反之，耐磨性越差。所以未經(jīng)熱處理的浸漬材的表面耐磨性略優(yōu)于素材，在200℃以前木材的耐磨性下降不明顯，達(dá)到200℃后，耐磨性下降的非常明顯。

圖4 處理材較素材彈性模量降低率Fig.4 The decrease percentage of MOE

圖5 浸漬-熱處理材較熱處理材彈性模量的提高率Fig.5 The increase percentage of MOE

圖6 熱處理溫度對(duì)彈性模量的影響Fig.6 The effect of thermal treatment temperature on MOE

表3 木材表面耐磨性Table 3 Abrasion of untreated and treated wood

出現(xiàn)上述結(jié)果的原因可能是，經(jīng)過(guò)脲醛樹脂浸漬后，木材增重變硬，耐磨性提高，經(jīng)過(guò)熱處理后，脲醛樹脂有可能失活變性，與木材的結(jié)合變松弛，沒(méi)有木材內(nèi)部各組分結(jié)合的緊密，磨損時(shí)，更容易從上面掉下來(lái)，從而使得耐磨性變差。

3 結(jié) 論

本文以速生楊木為研究對(duì)象，采用木材真空加壓浸漬處理和炭化罐專用設(shè)備，對(duì)楊木進(jìn)行浸漬-熱處理，研究了熱處理溫度和時(shí)間對(duì)楊木素材、熱處理材、浸漬材和浸漬-熱處理材的順紋抗彎強(qiáng)度、彈性模量和耐磨性影響。結(jié)果表明：

（1）熱處理會(huì)使素材和浸漬材的抗彎強(qiáng)度和彈性模量降低，但浸漬材的下降幅度較素材更小，說(shuō)明浸漬處理能提高木材的抗彎強(qiáng)度和彈性模量；浸漬后，楊木的抗彎強(qiáng)度和彈性模量由 68 MPa、7 025 MPa提高到 92 MPa、8 292 MPa，提高幅度為35.29%、15.28%；熱處理后，楊木素材和浸漬材的抗彎強(qiáng)度和彈性模量最低降到 20.84 MPa、48.37 MPa和 4 085 MPa、6 383 MPa，下降幅度為69.35%、47.42%和41.85%、23.02%；

（2）浸漬后，楊木的耐磨性有提高，但幅度不大；熱處理后，耐磨性整體呈下降趨勢(shì)，特別是在200℃后，下降非常明顯；浸漬材與素材的耐磨性在同條件下相差不大；

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Effect of impregnation enhancement-heat treatment on mechanical properties of plantation poplar

HOU Rui-guang, LI Xian-jun, LIU Yuan, LIAO Rui, XU Kang, HU Jia-yu, WANG Chun, WANG Yan, CHENG Xi-yi, WANG Cheng-mei
(School of Material Science and Engineering, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

The effect of thermal treatment tempetature and time on the bend strength, MOE and wear resistance of the untreated,impregnated,heat treated and impregnated-heat treated poplar wood which was treated by impregnated-thermal treatment was investiganated by vacuum pressure impregnation treatment equipment and thermal treatment equipment. The results show that the bending strength and elastic modulus of untreated poplar and impregnated poplar decreased by heat treatment, and the decline of impregnated poplar was smaller; The wear resistance of impregnated poplar was improved by a little, and that of the heat treated poplar was declined as a whole, especially above the 200 ℃, the decline was obvious; wear resistance of the untreated poplar and impregnated poplar were at the same level when the process conditions were equal.

UF; impregnation; fast-grown poplar; mechanical properties

S792.11

A

1673-923X(2016)02-0125-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.02.024

http: //qks.csuft.edu.cn

2014-04-10

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題(2012BAD24B02)；國(guó)家自然科學(xué)基金(31370564)；林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201304509)

侯瑞光，碩士研究生

劉 元，教授， E-mail：liuyuan601220@163.com

侯瑞光，李賢軍，劉 元，等. 浸漬-熱處理對(duì)楊木力學(xué)性能的影響[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016, 36(2): 125-129.

[本文編校：吳 彬]