脲醛樹脂浸漬工藝對楊木單板尺寸穩(wěn)定性影響

劉玉，陳廣勝，朱曉冬*，黃天馳

(1.東北林業(yè)大學(xué) 生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150040；2.東北林業(yè)大學(xué) 信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

脲醛樹脂浸漬工藝對楊木單板尺寸穩(wěn)定性影響

劉玉1，陳廣勝2，朱曉冬1*，黃天馳1

(1.東北林業(yè)大學(xué) 生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150040；2.東北林業(yè)大學(xué) 信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

使用脲醛樹脂及其水溶液，在常溫、常壓條件下對楊木單板進(jìn)行浸漬處理。通過對比分析浸漬處理前后試件的增重率、增容率、吸水率和抗脹率，研究不同的脲醛樹脂浸漬濃度和浸漬時(shí)間處理對楊木單板尺寸穩(wěn)定性能的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：楊木單板增重率隨著脲醛樹脂浸漬濃度的增加而增加，當(dāng)濃度達(dá)到40%以后上升趨勢變緩；增容率在濃度為10%～25%時(shí)增加比較迅速，但從25%～55%時(shí)增加緩慢；吸水率和抗脹率隨著脲醛樹脂濃度的增加也呈上升趨勢；楊木單板的增重率在浸漬時(shí)間為4 h后，增重率增長幅度較大；增容率隨浸漬時(shí)間的增長變化趨勢基本上呈線性增長，浸漬時(shí)間對楊木單板的吸水率和抗脹率的影響不是很大。使用脲醛樹脂及其水溶液對楊木單板進(jìn)行浸漬處理，可以很好地改善它的尺寸穩(wěn)定性，吸水率最高可達(dá)到57%，抗脹率最高可達(dá)到58%。

楊木單板；脲醛樹脂；浸漬；尺寸穩(wěn)定性

0 引文

木材屬于一種可再生的天然生物材料，具有強(qiáng)重比高、天然環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在家具和建筑行業(yè)。人工速生林材生長速度較快，但是存在密度低和尺寸穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)[1-3]。特別是以楊木為代表的速生林木材，存在明顯的干縮濕脹的現(xiàn)象，從而影響木材的整體性能。在生產(chǎn)和使用中，對木材進(jìn)行改性處理是常見的方法，楊木材質(zhì)的強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性同時(shí)提高是最難解決的問題[4-6]。

目前比較常見提高木材尺寸穩(wěn)定性的方法是采用小分子的樹脂進(jìn)入木材細(xì)胞壁，并在細(xì)胞壁內(nèi)固化[7-10]。浸漬樹脂種類一般有脲醛樹脂膠、酚醛樹脂膠、三聚氰胺-甲醛樹脂膠和間苯二酚樹脂等[11-13]。這幾種樹脂的填充或膨脹性能較好，一定條件下能與木材成分發(fā)生反應(yīng)或起到固定支撐作用[14]。付祥飛等人研究了低分子量酚醛樹脂固體含量、浸漬的時(shí)間以及單板厚度對楊木單板增重比例的影響[15]。于利等人使用低分子量的改性酚醛樹脂浸漬處理人工林馬尾松，改善人工林馬尾松木材固有的低密度，易腐蝕，易燃，強(qiáng)度低的天然缺陷[16]。賈貞用水溶性的熱固性酚醛樹脂膠黏劑作為復(fù)合的中間介質(zhì)，讓氯化鈣與碳酸銨的溶液發(fā)生復(fù)分解的反應(yīng)，制成酚醛樹脂-納米碳酸鈣預(yù)聚體。經(jīng)過真空加壓雙重作用浸漬到楊木木材中，制備納米碳酸鈣速生楊木復(fù)合材。性能和加工工藝較優(yōu)良[17]。高喜桃等人使用水溶性低分子量脲醛樹脂浸漬處理?xiàng)钅荆苽浞辖Y(jié)構(gòu)單板層積材標(biāo)準(zhǔn)要求的強(qiáng)化楊木單板層積材[18-20]。黃松軍等人利用水溶性改性的脲醛樹脂浸漬處理人工速生杉木，使杉木單板層積材得以強(qiáng)化[21]。陸葛在真空和高壓力的條件下，采用甲基丙烯酸甲酯浸漬了多層實(shí)木復(fù)合地板表板，其密度和硬度得到了很大的提高[22]。馬立軍等人應(yīng)用三元共聚單體——苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、醋酸乙烯酯注入楊木單板中，添加引發(fā)劑形成交替共聚物。此結(jié)構(gòu)比單一單體形成的均聚物，在性能方面更加優(yōu)越[23]。這幾種樹脂各有各的特點(diǎn)，效果也不盡相同。低分子量的酚醛樹脂對木材的浸漬改性效果比脲醛樹脂要好，但是酚醛樹脂從合成到固化都伴隨著氧化還原副反應(yīng)，而這些副反應(yīng)往往會(huì)生成帶深色的醌類物質(zhì)，從以往的文獻(xiàn)可以看出，深色的醌類物質(zhì)會(huì)改變改性木材的顏色，遮蓋木材的紋理，在一定程度上影響了改性木材的應(yīng)用范圍和應(yīng)用價(jià)值；三聚氰胺-甲醛樹脂浸漬效果不錯(cuò)，但是它的價(jià)格昂貴，會(huì)大幅度提高產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，不適合工業(yè)化使用。

脲醛樹脂相對分子量比較小，樹脂通過浸注方式浸入到木材細(xì)胞內(nèi)，經(jīng)干燥去除木材中水分，再進(jìn)行熱處理使樹脂因加熱而固化，生成不溶于水的聚合物，沉積填充于細(xì)胞腔內(nèi)，或與木材組分發(fā)生交聯(lián)，起到填充、粘連、增強(qiáng)的作用，從而使木材密度增大，尺寸穩(wěn)定性增強(qiáng)，強(qiáng)度增大，進(jìn)而改變木材性能，價(jià)格也比較便宜，是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的樹脂[24-26]。本文使用脲醛樹脂浸漬楊木單板，研究樹脂浸漬濃度和浸漬時(shí)間這兩個(gè)重要工藝參數(shù)對楊木單板尺寸穩(wěn)定性的影響，確定最佳浸漬工藝，為提高楊木單板的尺寸穩(wěn)定性提供一定的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器

(1)楊木單板，規(guī)格30 mm×30 mm×4 mm，木材市場購買。

(2)脲醛樹脂：自制浸漬用脲醛樹脂，固含量60%，相對分子量400，無色透明。

1.2 脲醛樹脂浸漬單板方法

首先將規(guī)格為30 mm×30 mm×4 mm的楊木單板試件放入干燥箱中，在溫度為103±2 ℃條件下干燥至絕干，取出之后放在分析天平內(nèi)分別測定每個(gè)試件的質(zhì)量，然后記錄，平行試件為3個(gè)；再用游標(biāo)卡尺測出每個(gè)試件的順紋、逆紋和厚度方向的尺寸，每個(gè)尺寸測三組，取平均值。然后將試件分別放入裝有濃度為10%、25%、40%和55%脲醛樹脂水溶液的燒杯中，然后用壓片玻璃壓住進(jìn)行浸漬，同時(shí)開始計(jì)時(shí)。分別浸漬1、2、3、4 h。然后將浸漬完成的試件放入干燥箱中在105 ℃的溫度下固化1 h。將干燥至絕干的試件分別進(jìn)行稱重和尺寸的測定，然后測定順紋、逆紋和厚度方向的尺寸，每個(gè)尺寸測三組，取平均值。最后，將干燥后的試件放入清水里浸泡48 h，取出后測出質(zhì)量以及順紋、逆紋和厚度方向的尺寸，其中用游標(biāo)卡尺測定的數(shù)據(jù)，平行試件為3個(gè)，精確至0.01 mm，取平均值，得出處理材和未處理材的吸濕率和體積膨脹率，進(jìn)而算出衡量試件尺寸穩(wěn)定性的4個(gè)指標(biāo)：增重率(WPG)、增容率(BE)、吸水率(MEE)、抗脹率(ASE)。

1.3 性能測試計(jì)算方法

測試單板尺寸穩(wěn)定性的4個(gè)指標(biāo)都是用游標(biāo)卡尺和分析天平測出數(shù)據(jù)，然后根據(jù)GB1931-2009《木材含水量測定方法》計(jì)算得出的。其中WPG是研究木材在經(jīng)過浸漬處理后質(zhì)量的變化率、BE是研究木材在經(jīng)過浸漬處理后體積的變化率、MEE是研究木材在浸漬處理前后吸濕率的變化情況、ASE是反映浸漬木材在吸濕后抵抗體積發(fā)生變化的能力。

增重率WPG按公式(1)計(jì)算

WPG=(W1-W0)/W0×100%。

(1)

式中：WPG為試件的增重率，%；W1為處理后試件的絕干重，g；W0為處理前試件的絕干重，g。

增容率BE按公式(2)計(jì)算

BE=(V1-V0)/V0×100%。

(2)

式中：BE為試件的增容率，%；V1為處理材的絕干體積，mm3；V0為未處理材的絕干體積，mm3。

吸濕率按公式(3)計(jì)算

X=(M1-M0)/M0×100%。

(3)

式中：X為試件的吸濕率，%；M1為試件吸濕后的質(zhì)量，g；M0為試件的絕干質(zhì)量，g。

體積膨脹(收縮)率按公式(4)計(jì)算

S=(V1-V0)/V0×100%。

(4)

式中：S為試件從絕干到吸濕時(shí)的體積膨脹率，%；V1為試件吸濕后的體積，mm3；V0為試件絕干時(shí)的體積，mm3。

抗脹(縮)率ASE按公式(5)計(jì)算

ASE=(S0-S1)/S0×100%。

(5)

式中：ASE為處理材的抗脹(縮)率，%；S0為未處理材的體積膨脹(收縮)率，%；S1為處理材的體積膨脹(收縮)率，%。

吸水率MEE按公式(6)計(jì)算

MEE=(X0-X1)/X0×100%。

(6)

式中：MEE為處理材的吸水率，%；X0為未處理材的吸濕率，%；X1為處理材的吸濕率，%。

2 樹脂濃度對尺寸穩(wěn)定性的影響

2.1 樹脂濃度對增重率和增容率的影響

不同樹脂濃度對楊木單板增重率的影響如圖1所示。從圖1可以看出在浸漬過程中隨著濃度的增加其增重率逐漸增加，在濃度為40%之前上升比較均勻，當(dāng)濃度達(dá)到40%以后上升趨勢變緩，可能是脲醛樹脂濃度太高導(dǎo)致樹脂分子不易進(jìn)入細(xì)胞壁，造成增重率增長速度降低。不同樹脂濃度對楊木單板增容率的影響如圖2所示。從圖2可以看出在濃度為10%～25%時(shí)楊木單板的增容率增加比較迅速，但從25%到55%隨著濃度的增加楊木單板增容率增加就比較緩慢，原因可能是隨著脲醛樹脂不斷進(jìn)入細(xì)胞壁，濃度增加接近飽和，濃度為40%時(shí)基本達(dá)到最大增容率。

圖1 不同樹脂濃度對增重率的影響Fig.1 Effect of resin concentration on WPG

圖2 不同樹脂濃度對增容率的影響Fig.2 Effect of resin concentration on BE

2.2 樹脂濃度對吸水率和抗脹率的影響

不同樹脂濃度對楊木單板抗脹率的影響如圖3所示。從圖3可以看出脲醛樹脂水溶液濃度在10%～25%范圍內(nèi)，抗脹率隨濃度的增加不斷增加，25%達(dá)到最大，濃度在40%～55%時(shí)抗脹率不再增長。這可能是由于進(jìn)入木材細(xì)胞壁的脲醛樹脂數(shù)量對抗脹率的變化起到?jīng)Q定作用，濃度較高的脲醛樹脂粘稠度也大，難以進(jìn)入細(xì)胞壁的毛細(xì)管中，并不能提高脲醛樹脂進(jìn)入細(xì)胞壁的數(shù)量，因此也不能提高表板的抗脹率。不同樹脂濃度對楊木單板吸水率的影響如圖4所示。從圖4可以看出楊木單板的吸水率隨著脲醛樹脂濃度的增加也呈上升趨勢，在10%～25%時(shí)上升比較迅速，之后就比較平緩。

圖3 不同樹脂濃度對抗?jié)q率的影響Fig.3 Effect of resin concentration on MEE

圖4 不同樹脂濃度對吸水率的影響Fig.4 Effect of resin concentration on ASE

產(chǎn)生這種趨勢的原因可能是因?yàn)樵跇渲瑵舛容^低的時(shí)候，固化不完全，脲醛樹脂不能充分填充細(xì)胞腔，吸水率較低[27-28]。楊木單板素材和脲醛樹脂浸漬楊木單板的紅外光譜測試結(jié)果如圖5和圖6所示。圖5中未處理的楊木單板在波數(shù)為3 200～3 500 cm-1處有較強(qiáng)的吸收峰，是由于在楊木中的纖維素中含有比較多的羥基的伸縮振動(dòng)而產(chǎn)生的吸收譜。通過圖6脲醛樹脂浸漬楊木單板紅外光譜分析圖對比可以看出，隨著脲醛樹脂進(jìn)入細(xì)胞壁之后與細(xì)胞壁中的親水性的游離羥基結(jié)合，生成比較穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)，楊木單板在位于波數(shù)為3 500 cm-1處的特征羥基峰被大大地削弱，降低了游離羥基的濃度，提升了楊木單板的吸水率。

圖5 楊木單板素板紅外光譜分析圖Fig.5 Infrared spectrum analysis veneers of Poplar Veneers

圖6 脲醛樹脂浸漬楊木單板紅外光譜分析圖Fig.6 Infrared spectrum analysis of poplar impregnated with UF resin

3 浸漬時(shí)間對尺寸穩(wěn)定性的影響

3.1 浸漬時(shí)間對增重率和增容率的影響

不同浸漬時(shí)間對增重率的影響如圖7所示。從圖7可以看出楊木單板的增重率在浸漬的前3 h變化并不明顯，但是當(dāng)浸漬時(shí)間為4 h時(shí)，增重率增長幅度較大，樹脂濃度為55%，浸漬時(shí)間為4 h的增重率最高達(dá)到了20%。浸漬時(shí)間對增容率的影響如圖8所示。從圖8可以看出，楊木單板的增容率隨浸漬時(shí)間的增長變化趨勢基本上呈線性增長，浸漬時(shí)間越長增容率越高。

3.2 浸漬時(shí)間對吸水率和抗脹率的影響

浸漬時(shí)間對楊木單板吸水率的影響如圖9所示。從圖9可以看出楊木單板的吸水率隨浸漬時(shí)間的延長變化不大。浸漬時(shí)間對抗脹率的影響如圖10所示。從圖10可以看出，抗脹率隨時(shí)間的延長基本保持穩(wěn)定。從總體結(jié)果看，浸漬時(shí)間對楊木單板的吸水率和抗脹率的影響不是很大。

圖7 不同浸漬時(shí)間對增重率的影響Fig.7 Effect of immersion time on WPG

圖8 不同浸漬時(shí)間對增容率的影響Fig.8 Effect of immersion time on BE

圖9 不同浸漬時(shí)間對吸水率的影響Fig.9 Effect of immersion time on ASE

圖10 不同浸漬時(shí)間對抗脹率的影響Fig.10 Effect of immersion time on MEE

4 掃描電鏡分析結(jié)果

選擇未處理的素板和脲醛樹脂浸漬濃度為25%，浸漬時(shí)間為4 h的試件進(jìn)行掃描電鏡分析，結(jié)果如圖11所示。從圖11(b)素板電鏡分析結(jié)果可以看出素板導(dǎo)管分子沒有被填充，紋孔處于開放狀態(tài)。從圖11(a)脲醛樹脂浸漬后試件掃描電鏡分析結(jié)果可以看出，脲醛樹脂填充涂覆在細(xì)胞壁表面同時(shí)部分紋孔被堵塞，從而減少了水分與細(xì)胞壁的接觸和進(jìn)入，可以提高試件的尺寸穩(wěn)定性。

圖11 掃描電鏡結(jié)果Fig.11 Result of SEM

5 結(jié)論

本論文主要研究了脲醛樹脂浸漬時(shí)間和浸漬濃度對楊木單板增重率、增容率、吸水率和抗脹率的影響。研究結(jié)果表明各因素隨脲醛樹脂水溶液濃度的變化趨勢和隨浸漬時(shí)間的變化趨勢不同，造成這種現(xiàn)象的原因可能是：進(jìn)入楊木單板的脲醛樹脂水溶液有兩個(gè)去向，一部分是進(jìn)入細(xì)胞壁，這對吸水率和抗脹率起到主要影響，但另一部分是進(jìn)入了細(xì)胞腔中，這部分脲醛樹脂對楊木單板的增重率和增容率有提高作用，對表板的吸水率和抗脹率時(shí)不起主要作用。所以會(huì)造成這種走勢不一致的現(xiàn)象。本論文的主要研究結(jié)論如下：

(1)楊木單板增重率隨著脲醛樹脂浸漬濃度的增加而增加，當(dāng)濃度達(dá)到40%以后上升趨勢變緩；楊木單板增容率在濃度為10%～25%時(shí)增加比較迅速，但從25%到55%時(shí)增加緩慢；楊木單板的吸水率和抗脹率隨著脲醛樹脂濃度的增加也呈上升趨勢，

(2)楊木單板的增重率在浸漬的前3h變化并不明顯，但是當(dāng)浸漬時(shí)間為4 h時(shí)，增重率增長幅度較大；楊木單板的增容率隨浸漬時(shí)間的增長變化趨勢基本上呈線性增長，浸漬時(shí)間越長增容率越高；浸漬時(shí)間對楊木單板的吸水率和抗脹率的影響不是很大。

(3)綜合考慮成本及改性效果，本實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化浸漬工藝為浸漬濃度25%，浸漬時(shí)間4h。

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EffectofUreaFormaldehydeResinImpregnationontheDimensionalStabilityofPoplarVeneer

Liu Yu1，Chen Guangsheng2，Zhu Xiaodong1*，Huang Tianchi1

(1.Key Laboratory of Bio-Based Material Science and Technology，Northeast Forestry University，Harbin 150040； 2.College of Information and Computer Engineering，Northeast Forest University，Harbin 150040)

UF resin and its aqueous solution were used to treat poplar veneer at room temperature and atmospheric pressure in this paper.Through the comparative analysis of weight gain rate，capacity rate，water absorption and anti swelling rate of the impregnated specimens before and after，the effects of different UF resin impregnation concentration and immersion time on the dimensional stability of poplar veneer were studied.The results showed that the weight gain rate of poplar wood increased with the increase of the concentration of UF resin，and then increased slowly when the concentration reached 40%.The capacity rate increased rapidly when the concentration was 10%～25%，but increased slowly from 25% to 55%.The water absorption and anti swelling rate both increased with the increase of UF resin concentration.The weight gain rate of poplar veneer increased greatly after dipping time was 4 hours.With the increase of impregnation time，the change trend of the capacity rate was basically linear，and the immersion time has no significant influence on the water absorption and anti swelling rate of poplar veneer.The application of UF resin and its aqueous solution in the treatment of poplar veneers can improve the dimensional stability.The highest moisture resistance rate could reach 57%，and the expansion rate was up to 58%.

Poplar veneer；urea-formaldehyde resin；impregnation；dimensional stability

S 781

A

1001-005X(2017)06-0036-05

2017-05-11

林業(yè)科學(xué)技術(shù)推廣項(xiàng)目([ 2015 ] 11 號)

劉玉，博士，副教授。研究方向：木材改性。

*通信作者：朱曉冬，博士，副教授。研究方向：木材改性。E-mail：pe4646@126.com

劉玉，陳廣勝，朱曉冬，等.脲醛樹脂浸漬工藝對楊木單板尺寸穩(wěn)定性影響[J].森林工程，2017，33(6)：36-40.