随着天然林保护工程的实施, 高质量大径级的原木将会越来越少, 取而代之的是速生丰产人工林。这些木材存在着一个共同的弱点是材质软、密度低、工艺性能差, 杨木、杉木等表现更加突出。通过垂直于纹理方向压缩使软质木材密度明显提高的表面压密材可以达到上述目的, 但是众所周知, 木材是粘弹性材料, 当施加外力时, 发生变形, 外力撤除后, 弹性恢复。因此寻求一种既能固定压缩变形又能降低或减少环境污染的新方法、新技术, 显得十分必要。

早在1951年, Stamm等人用水溶性酚醛树脂浸渍处理单板, 获得增重率为25 %~ 30 %, 然后单板干燥、压缩使密度达到1300 ~ 1400 kg·m^-3。1991年, 井上雅文等对软质针叶树材进行表面压密化处理, 当树脂浓度为10 %~ 15 %时压缩变形几乎完全被固定, 尺寸稳定性得到明显改善。1993年, 井上雅文等使用三聚氰胺甲醛树脂固定木材压缩变形, 取得较好效果。近年来, 我国学者在木材功能性改良和固定木材压缩变形等方面也做了大量工作(王婉华等, 1981; 尤纪雪, 1988; 余权英等, 1995; 方桂珍等, 1997; 1996;刘君良等, 1998)。本文采用水溶性低分子量酚醛树脂处理, 固定木材横纹压缩变形, 既解决了树脂渗透难问题, 又减少环境污染, 降低成本, 对杨树木材的高效利用提供理论依据。

1 实验材料和方法 1.1 实验材料

实验所用树种为大青杨(Populus ussuriensis), 1996年采自吉林省蛟河市吉林林学院蛟河实验林场。树种采集和试件加工按照国家标准GB1929-40-91进行。样木为5株, 平均树龄23 a, 平均树高为11.4 m, 平均胸径18.4 cm, 气干密度为392 kg·m^-3, 平均年轮宽度3.47 mm。本实验所用的水溶性低分子量酚醛树脂是吉林化学工业公司生产的工业苯酚和哈尔滨正阳河刨花板厂生产的工业甲醛(36.9 %), 在氢氧化钠(分析纯)作用下以摩尔比1:2.1:0.1进行合成。树脂质量指标如下:分子量分布在200 ~ 400之间所占的比例为98.3 %。树脂固体含量为49.8 %; 游离酚含量为0.16 %; 游离醛含量为0.14 %; 可被溴化物含量为15.5 %; 粘度为8.8 mpa·s; pH值为9.23;水混和倍数为L>5。

1.2 实验方法

浸渍处理    将水溶性低分子量酚醛树脂配制成5 %、10 %、15 %、20 %、30 %和40 %浓度的树脂液。配制时加入适量的乙醇, 以增加树脂溶解性。将加工好的试件抽真空, 注入药液, 浸泡10min, 加压。取出试件, 再进行二次真空, 气干至含水率为18 %~ 20 %。

表面密实化首先将浸渍处理后并充分气干的木材试样放在热压机上, 然后压缩、加热、定型(150 ℃~ 180 ℃、10 ~ 20 min), 得到表面压密木材。由厚度规控制压缩厚度, 试件的压缩率分别为11 %、20 %、33 %和50 %。

表面密实化木材密度检测利用X-射线衍射仪(D -max 3B型)改装而成的木材密度计进行测量。在压缩后的木材试件[ 20 mm(R)×20 mm(T)×350 mm(L)]的中部, 截取3 mm厚的薄片, 每个压缩率的木材试件取5个薄片, 然后用X -射线衍射仪进行密度检测。根据以下公式计算木材密度ρ

式中:I₀为X射线的初始强度; I为测试时的强度; t为木片的厚度; u^*是与X射线波长以及物质种类有关的常数, 称吸附系数, 本次实验u^*=6.965。

表面压密材材色分析    采用YQ-Z-48A白度-颜色测定仪测出L^*a^*b^*标准色度学表色系统参量。然后采用佐道健的方法进行色空间测色值向孟塞尔色空间的转换, 以便直观地表示出颜色变化。

表面密实化木材力学性能指标检测    根据国家标准GB1935-91, GB1937-91和GB1936.2-91分别对不同压缩率的木材顺纹抗压强度、抗弯强度和抗弯弹性模量进行检测。表面硬度试件规格为20 mm(R)×20 mm(T)×30 mm(L)。非标准压头, 压头直径为4.0 mm。采用布氏硬度计算方法, 直径为4.0 mm的钢球压一半于木材中, 测其所需要的力。压入深度由电接触式开关控制。当压痕深度达到预定深度时, 电接触式开关控制的指示灯接通, 此时停止加荷, 迅速读取数值(该装置由东北林业大学木材力学实验室设计)。按下式计算硬度σ:

式中:P为载荷; A为压入木材的钢球面积。

2 结果与讨论 2.1 表面压密材密度检测

用X-射线衍射仪改装成的木材密度计对不同压缩率的PF预聚物浸渍处理的表面压密材的密度值及密度分布进行测量, 结果如图 1、图 2所示。

从图 1可以看出杨木素材的最高密度和最高密度分布范围, 经过木材密度计测量, 结果如下:最高密度(晚材部分)为520 kg·m^-3, 最低密度(早材部分)为310 kg·m^-3, 平均密度为415 kg·m^-3。该密度值与烘干法测得的密度值相近。同理, 从图 2可以看出压密后的木材密度分布, 计算结果为:当木材的压缩率为11 %时, 表层1 mm处密度值约为570 kg·m^-3, 从表层向内层密度逐渐减小。其平均值为452 kg·m^-3。当压缩率为20 %时, 表层3 mm之内, 木材的密度值为589 kg·m^-3, 整个宽度上密度分布比较均匀, 内层密度为376 kg·m^-3, 同素材相比提高17.5 %。当压缩率为33 %时, 6至8 mm处压缩比较均匀, 密度值在800 ~ 1000 kg·m^-3。当压缩率为50 %时, 最高密度为1420 kg·m^-3, 最低密度为720 kg·m^-3, 平均密度为1180 kg·m^-3。因此, 随着压缩率的增加, 木材密度明显增大, 当压缩率为50 %时, 同素材相比, 木材密度提高近2倍。

2.2 表面压密材材色分析

为了分析热压时间和酚醛树脂浸渍处理对木材材色的影响。测量处理前后木材的材色, 并同素材进行比较, 每个样本取10个试件, 每个试件测3次, 取平均值作为该样本测试值, 具体指标见表 1。

从表 1可以看出, 杨木素材孟塞尔色空间的色调标号值为8.55YR, 当压缩率为20 %, 热压时间为30 min时, 随着树脂浓度的增加, 孟塞尔色空间的色调标号值增加, 其平均值为9.73YR。当压缩率为50 %, 热压时间为60 min时, 随着树脂浓度的增加, 孟塞尔色空间的色调标号值增加, 其平均值为1.10Y。处理材同素材相比, 黄蓝轴色品指数b^*增大。当树脂浓度一定时(20 %), 热压时间长, 木材颜色变深。热压时间60 min的孟塞尔色空间的色调标号值(1.7Y)比30 min(9.96YR)的高。总体来说, 表面压密材材色向黄转变, 但转变幅度不大。

2.3 表面压密材力学性能

表面压密材顺纹抗压强度, 抗弯强度和抗弯弹性模量检测根据国家标准GB1935-91, GB1937-91和GB1936.2-91分别对不同浓度, 不同压缩率的木材顺纹抗压强度, 抗弯强度和抗弯弹性模量进行检测。其结果见图 3。

从图 3可以看出, 对于没有压缩的木材而言(压缩率0 %), 随着树脂浓度的增加, 木材的顺纹抗压强度增加。当树脂浓度为20 %时, 其顺纹抗压强度增加75.2 %, 但是抗弯强度和抗弯弹性模量不论树脂浓度高低均有些下降, 经过计算, 下降幅度分别在10 %和13 %左右(可能是酚醛树脂引入木材后, 使得木材变脆)。经过压缩的木材, 随着压缩率的增加, 木材顺纹抗压强度明显增大, 当压缩率为50 %时, 其顺纹抗压强度几乎增加1倍。经过压缩后的木材, 弹性模量和抗弯强度增大。计算得出, 当压缩率为20 %时, 抗弯强度增加33.5 %, 弹性模量增加9.2 %, 当压缩率为50 %时, 抗弯强度增加105.8 %, 弹性模量增加43.8 %。

表面硬度实验测试结果表明, 随着压缩率的增加, 表面硬度明显增大, 当压缩率为10 %时, 硬度增加1倍, 当压缩率为20 %时, 硬度增加1.5倍, 当压缩率为50 %时, 硬度增加3倍。随着树脂浓度的增加, 硬度值有所增加, 但增加幅度不大, 如图 3所示。

3 结论

利用X-射线测定密度法测得杨木素材的最高密度为520 kg·m³, 最低密度为310 kg·m^-3, 平均密度为394 kg·m^-3, 该密度值与称重法测得的密度值相一致。从测试结果看, 随着压缩率的增加, 木材的密度值明显增大。当压缩率为20 %时, 距表层2 ~ 4 mm范围内, 木材密度值较高, 其值约589 kg·m^-3, 最低密度为376 kg·m^-3, 平均密度为463 kg·m^-3, 同素材相比提高17.5 %。当压缩率为50 %时, 最高密度为1420 kg·m^-3, 最低密度为720 kg·m^-3, 平均密度为1180 kg·m^-3, 同素材相比, 木材密度提高近2倍。PF预聚物处理, 木材材色同素材相比, 黄蓝轴色品指数B^*增大, 孟塞尔色空间的色调标号值为9.73YR, 比素材高13.8 %, 说明压密材材色向黄转变, 但转变幅度不大。

随着PF预聚物处理浓度的增加, 木材的顺纹抗压强度增加, 当树脂浓度为20 %时, 其顺纹抗压强度增加75.2 %。随着压缩率的增加, 木材顺纹抗压强度明显增大, 当压缩率为50 %时, 其顺纹抗压强度几乎增加一倍。对抗弯强度和抗弯弹性模量来说, 不论树脂浓度多少, 其强度值均有些下降, 但下降幅度不大。随着压缩率的增高, 抗弯强度和抗弯弹性模量增大。当树脂浓度为10 %, 压缩率为20 %时, 抗弯强度增加33.5 %, 弹性模量增加9.2 %。当压缩率为50 %时, 抗弯强度增加105.8 %, 弹性模量增加43.8 %。PF预聚物处理压密材, 随着压缩率的增加, 表面硬度增大。当压缩率为20 %时, 表面硬度增加1.5倍, 当压缩率为50 %时, 表面硬度增加近3倍。