硅酸鈉/酚醛樹脂改性楊木物理力學(xué)性能研究

劉宇 劉明利 李春風(fēng)

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(xué)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(xué)性能作為評價指標(biāo)。結(jié)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(guān)鍵詞：硅酸鈉;酚醛樹脂;楊木;改性;物理力學(xué)性能;

Abstract： The physical and mechanical properties of fast-growing poplar were improved by using sodium silicate/phenolic resin as impregnation solution， through full cell method and vacuum-pressure impregnation method. Based on the orthogonal test method. The formula of impregnation solution， vacuum time and holding time were taken as variables， and the physical and mechanical properties were taken as evaluation indexes. The results show that when the weight gain rate reaches about 40%， modulus of elasticity（MOE）， modulus of rupture（MOR）， compressive strength along grain and impact toughness of the modified poplar are increased by 29.5%， 28.0%， 36.2% and 21.0%， respectively. The rate of? dry shrinkage and wet expansion is reduced by 5% and 3.4%.

Key words： Sodium silicate; Phenolic Resin; Poplar; Modification; Physical and Mechanical properties

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(dǎo)“綠水青山就是金山銀山”及對綠色生態(tài)林實施保護，導(dǎo)致柞木、水曲柳等硬質(zhì)木材價格不斷攀升，以及下游產(chǎn)品價格提高。另外，楊木、泡桐等軟質(zhì)木材由于其材性較差，素材無法代替硬質(zhì)木材。但楊木作為速生木材具有生長周期短、成材早、適應(yīng)性強等硬質(zhì)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(nèi)外學(xué)者研究表明，楊木通過真空浸漬技術(shù)，化學(xué)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(shù)來改善速生木材物理力學(xué)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(nèi)外學(xué)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(jīng)高溫固化后，可提高木材的物理力學(xué)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(xué)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(fù)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(fù)合改性處理材。

1.材料與方法

1.1材料及設(shè)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(shù)有限公司;萬能力學(xué)試驗機：DWD-100E。

1.2方法

1.2.1酚醛樹脂/硅酸鈉復(fù)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(zhì)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(zhì)量分數(shù)）從（1-9）：10。具體浸漬液配方及指標(biāo)結(jié)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(fù)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(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1936.1—2009、GB/T1936.2—2009、GB/T 1940—2009;順紋抗壓根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1935—2009;吸水性、濕漲性、干縮性分別根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)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(fù)樣。

2.結(jié)果與分析

2.1不同增重率對改性速生楊木力學(xué)性能的影響

圖1為不同增重率對改性楊木力學(xué)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(yīng)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(yīng)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(xué)性能，并且由于硅酸鈉與酚醛樹脂生成互穿網(wǎng)絡(luò)（IPN）結(jié)構(gòu)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?jīng)過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(nèi)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(nèi)非結(jié)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(nèi)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(jié)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(xué)性能的改性效果[J].浙江農(nóng)林大學(xué)學(xué)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(xué)學(xué)報，2014，34（03）：99-103.

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

【4】王德福，李春風(fēng)，劉明利等.熱處理與硅酸鈉聯(lián)合改性楊木的物理力學(xué)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(xué)，碩士論文，2009.

【7】陳志林，王群，左鐵鏞，等.無機質(zhì)復(fù)合木材的復(fù)合工藝與性能[J].復(fù)合材料學(xué)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(xué)研究與應(yīng)用，2010，22（2）：240-243.