酚醛树脂浸渍杨木单板层积材防腐及力学性能研究.pdf

中国人造板 2023,30(10)TECHNOLOGY 科技 技术探讨酚醛树脂浸渍杨木单板层积材防腐及力学性能研究卫佩行1，王建和2，全丽俊31.江苏农林职业技术学院风景园林学院，江苏 句容 212400；2.西南林业大学材料与化学工程学院，昆明 650224；3.河南师范大学环境学院，河南 新乡 453007摘要：为了拓展人工林杨木在户外的应用，制备了酚醛树脂（PF）浸渍杨木单板层积材（LVL），并对其微观结构、耐腐性能和力学性能进行分析。结果表明，低分子量酚醛树脂能够进入杨木单板的导管和纤维中的空隙；浸有酚醛树脂的杨木单板层积材表现出优异的防腐性能，且抗弯强度和弹性模量分别提高了6.91%和71.11%。关键词：酚醛树脂；浸渍；杨木单板；单板层积材中图分类号：TS653 文献标志码：B 文章编号：1673-5064（2023）10-0018-05 DOIDOI：10.12393/j.1673-5064.20231004Enhancing Antiseptic and Mechanical Properties of Poplar Laminated Veneer Lumber Using Phenol Formaldehyde ResinWei Peixing1,Wang Jianhe2,Quan Lijun31.School of Landscape Architecture,Jiangsu Vocational College of Agriculture and Forestry,Jurong 212400,Jiangsu,China;2.College of Materials Science and Chemical Engineering,Southwest Forestry University,Kunming 650224,China;3.School of Environment,Henan Normal University,Xinxiang 453007,Henan,ChinaAbstract:This study investigated the enhancement of poplar veneer laminated lumber(LVL)for outdoor applications by impregnating it with phenol formaldehyde(PF)resin.The research focused on the microstructural changes and improvements in antiseptic and mechanical properties.It was found that low molecular weight PF resin effectively infiltrated the vessels and fibers of poplar veneer.Furthermore,the impregnated poplar LVL demonstrated superior corrosion resistance and significant improvements in modulus of rupture(MOR)and modulus of elasticity(MOE)by 6.91%and 71.11%,respectively.Key words:phenol formaldehyde resin;impregnation;poplar veneer;laminated veneer lumber“双碳”目标的落实，必然对经济增长方式和生活方式产生重大影响 1。木材是一种可持续且可再生的储碳材料，在推动“双碳”目标实现过程中将起到重要作用。我国天然林资源匮乏，人工林资源相对丰富 2。然而，某些人工林木材存在天然缺陷，如材质松软、变形大、易开裂、不耐腐等 3。因此，对人工林木材进行改性处理，拓展其使用范围，提升其使用价值，是木材科学与技术研究的热点之一。目前，常用的措施是采用木材改性剂处理人工林木材，如将低分子量树脂注入木材，固化后可提升木材强度、耐腐性、耐磨性、耐水性、耐候性以及尺寸稳定性等性能 4。但是，树脂在木材中的浸渍深度受限于木材内部孔隙尺寸和浸渍工艺。将酚醛基金项目：江苏省林业科技创新与推广项目（LYKJ 2021 39）通讯作者：王建和，教授，西南林业大学材料与化学工程学院。E-mail：bradwangshaw.ca18 中国人造板 2023,30(10)技术探讨 科技 TECHNOLOGY树脂（PF）浸渍后的木质单元复合或重组形成木质材料，可取得较好的耐久效果 5-6。单板层积材（LVL）是将木材单板按顺纹方向（可加入少量横纹单板）组坯热压而成的一种板材 7，保留了木材的天然纹理且性能优异。若采用低分子量树脂浸渍单板可进一步改善单板层积材的力学性能 8，是劣材优用的途径之一。徐咏兰等 9 用浸酚醛树脂胶单板制备单板层积材，发现单板层积材的力学强度有适当改善。Chui Y H等 10 用酚醛树脂浸渍单板制备了浸渍单板层积材以及浸渍单板与未浸渍单板复合单板层积材。结果发现这两类单板层积材的力学性能和尺寸稳定性均有不同程度的提高。张占宽等 11 对杨木单板进行酚醛树脂浸渍后制备单板层积材，发现弹性模量和静曲强度显著提高。Wang B J和Chui Y H比较了酚醛树脂常压和真空加压两种方式对受甲虫侵害的山地松单板的浸渍效果，结果发现真空加压可以提高单板浸胶量和单板动态弹性模量 12。Wang B J和Chui Y H采用特制低分子量酚醛树脂在不施加真空加压情况下浸渍受甲虫侵害的山地松木材单板并进行板材结构设计，制得的单板层积材性能优越 13。袁朱润等 14 以中山杉为原料，将酚醛树脂浸渍处理的单板与未浸渍处理单板进行复合制备单板层积材，达到了结构用单板层积材的标准要求。以上研究，大多关注酚醛树脂浸渍对单板层积材的增强效果，而对酚醛树脂浸渍后单板层积材的防腐效果较少研究。文献检索表明，早在20世纪50年代，Lloyd R A和Stamm A J 就研究了水溶性酚醛树脂浸渍单板的耐候性，发现其耐候性明显提高 15。这一研究案例说明，采用酚醛树脂浸渍木材单板制备单板层积材除了增强之外还可提升其耐久性。速生杨树是我国重要的人工林树种，在我国种植广泛，蓄积量大。但杨木管孔大、结构疏松、密度低，极易受到木腐菌侵害，属于不耐久木材 16。为了提高杨木的使用寿命及拓展其在户外应用，本文对杨木单板进行酚醛树脂浸渍处理后按顺纹组坯制备杨木单板层积材，并对其防腐性能和力学性能进行了初步研究，以期为人工林杨木户外用材的开发提供思路。1 材料与方法1.1 试验材料杨木单板树种为意杨（Populus euramericana cv.），来自江苏泗阳某胶合板厂，规格900 mm600 mm1.8 mm，含水率为13%，气干密度为0.34 g/cm3；低分子量浸渍用酚醛树脂胶黏剂，购自江苏南京某胶黏剂工厂，固体含量为58.38%，黏度73 mPas（30 ），pH值为9.8，水溶倍数大于10；木蜡油，购自河南安阳某化工公司；为了对照，在同一胶合板厂用意杨原木制备尺寸为1 500 mm150 mm30 mm的锯材用于制备杨木素材，天然干燥至气干状态，气干密度为0.35 g/cm3。1.2 试验仪器热压机（幅面尺寸900 mm900 mm），定制，山东盛阳板材机械厂；体视显微镜，OLYMPUS SZX7，Olympus，Japan；扫描电子显微镜，Quanta 200，FEI，USA；万能力学试验机，UTM5105SLXY，深圳三思纵横科技股份有限公司；2 000 mm2 000 mm600 mm的不锈钢浸胶池（定制），以及蒸汽高压灭菌器、超净工作台、电热恒温培养箱、分析天平和培养瓶等测试仪器。1.3 试验方法1.3.1 试验设计为证明酚醛树脂对杨木单板层积材性能的影响，设计了试验组A杨木素材作为对照；试验组B为酚醛树脂浸渍杨木单板层积材，采用单板顺纹层积结构；试验组C为外涂木蜡油的酚醛树脂浸渍杨木单板层积材；为考察酚醛树脂施加方式对单板层积材性能的影响，设计了试验组D为涂酚醛树脂胶制备的杨木单板层积材。1.3.2 关键制备工艺1）杨木素材（试验组A）的制备。根据试验所需，将杨木锯材加工成相应的尺寸用于测试：24个20 mm20 mm10 mm试件用于耐腐性能测表1试验设计试验组ABCD描述杨木素材浸酚醛树脂胶杨木单板层积材外涂木蜡油的浸酚醛树脂胶杨木单板层积材涂酚醛树脂胶杨木单板层积材19 中国人造板 2023,30(10)卫佩行，等:酚醛树脂浸渍杨木单板层积材防腐及力学性能研究试和35个300 mm20 mm20 mm（长度为顺纹方向）试件用于力学性能检测。2）浸酚醛树脂胶杨木单板层积材（试验组B）的制备。单板浸渍处理：采用同样的酚醛树脂将上述杨木单板在浸胶池中浸渍30 min，沥干后使用烘箱将单板低温（50）干燥至含水率为10%左右，浸渍量为单板质量的12%14%。组坯：浸渍单板顺纹组坯，层数21层，放置30 min。单板层积材热压：用0.1 mm的聚四氟乙烯膜覆在板坯上下表面以防粘板，冷进热出，压力11.2 MPa，热压温度140、热压时间1 mm/min。目标厚度为30 mm，厚度规控制，压缩率20.6%。制备24个尺寸为20 mm20 mm10 mm试件用于耐腐性能测试，4个用于体视显微镜观察；将用于体视显微镜观察的 1 个试件用刀片进一步切成5 mm5 mm1 mm的薄片若干用于扫描电镜观测。3）外涂木蜡油的浸酚醛树脂胶杨木单板层积材（试验组C）的制备。利用试验组B的制备工艺制备，然后在其表面涂木蜡油。制备24个尺寸为20 mm20 mm10 mm试件用于耐腐性能测试，35个300 mm20 mm20 mm（长度为顺纹方向）试件用于力学性能检测。4）涂酚醛树脂胶杨木单板层积材（试验组D）制备。酚醛树脂胶黏剂调制：先将酚醛树脂加入柱形桶中，再按酚醛树脂和面粉10.25的比例加入面粉搅拌，确保使用前搅拌充分。组坯：将单板裁切至尺寸为600 mm600 mm，再进行单板涂胶，涂胶量为320 g/m2（双面）；涂胶后单板顺纹组坯，21层，放置30 min。单板层积材热压：冷进热出，单位压力约11.2 MPa，热压温度140、热压时间1 mm/min。目标厚度30 mm，厚度规控制，压缩率20.6%。制备尺寸为20 mm20 mm10 mm试件24个用于耐腐性能测试，4个用于体视显微镜观察；将用于体视显微镜观察的1个试件用刀片进一步切成5 mm5 mm1 mm的薄片若干用于扫描电镜观测。1.3.3 性能检测1）微观结构分析。用体视显微镜和扫描电镜观察试验组B和C试件的横切面，观察胶黏剂在B和C试件中的渗透分布情况。2）耐腐性能检测。参照GB/T 13942.12009木材天然耐腐性实验室试验方法进行防腐试验，26周后测定试件的质量损失率，评价其耐腐性能。检测结果为每组 24 个试件的平均值。选用腐朽力强的菌种试验：褐腐菌为绵腐卧孔菌Poria placenta（Fr.）Cooke（PP），白腐菌为采绒革盖菌Coriolus versicolor（L.）Quel.（CV）。3）力学性能检测。参照GB/T 176572013人造板及饰面人造板理化性能试验方法4.8、GB/T 1936.12009木材抗弯强度试验方法和GB/T 1936.22009木材抗弯弹性模量测定方法规定，检测单板层积材试件和木材试件的静曲强度（MOR）和弹性模量（MOE）。2 结果与分析2.1 酚醛树脂在杨木单板层积材中的分布如图1所示，采用体视显微镜和扫描电镜对试验组B、D样品横截面进行微观结构观察。图1a中，杨木单板层积材在体视显微镜下可见清晰的层状结构以及酚醛树脂沿着单板裂隙的扩散轨迹，而在扫描电镜下可见胶合界面及其附近木材细胞腔中充满树脂（树脂是否进入细胞壁并和细胞壁物质发生化学反应，尚需深入研究），且木材细胞有明显压缩。图1b显示，杨木单板层积材在体视显微镜下可见清晰的层状结构，未见胶黏剂沿单板裂隙渗入现象，而在电子显微镜下胶合界面及其附近充满了无定型酚醛树脂胶黏剂（推测是酚醛树脂胶黏剂中加入的面粉粉末）。通过两组图的对照可以发现，浸渍酚醛树脂胶和涂酚醛树脂胶2种胶黏剂施加方式下，酚醛树脂进入木材细胞的深度和难易程度不同，这可能是由于酚醛树脂加面粉调制后胶黏剂黏度变大影响其流动所致。20 中国人造板 2023,30(10)技术探讨 科技 TECHNOLOGY2.2 杨木单板层积材的防腐性能表2列出了试件分别在PP菌和CV菌侵染26周后的平均质量损失率。试验组A杨木素材在CV菌侵染下的平均质量损失率为45%，属于不耐腐等级。而涂酚醛树脂胶或浸酚醛树脂胶的杨木单板层积材（试验组B、C、D），无论是在PP菌还是CV菌侵染条件下都达到了强耐腐等级。在PP菌腐朽下，外涂木蜡油的浸酚醛树脂胶杨木单板层积材（试验组C）的平均质量损失率比不涂木蜡油的浸酚醛树脂胶杨木单板层积材（试验组B）降低20%，比涂酚醛树脂胶杨木单板层积材（试验组D）降低33%。在CV菌腐朽下，外涂木蜡油的浸酚醛树脂胶杨木单板层积材（试验组C）和不涂木蜡油的浸酚醛树脂胶杨木单板层积材（试验组B）的平均质量损失率皆为4%，且比涂酚醛树脂胶杨木单板层积材（试验组D）降低20%。以上数据说明：1）酚醛树脂浸渍处理杨木单板后成型的杨木单板层积材，由于酚醛树脂浸入量更大，其耐腐性优于涂酚醛树脂胶的杨木单板层积材；2）外涂木蜡油，可以提升杨木单板层积材抗PP菌腐朽性能。2.3 杨木单板层积材的力学性能选取外涂木蜡油的浸酚醛树脂胶杨木单板层积材（试验组C）试件进行抗弯性能测试（见表3）。与来源地相同的杨木素材（试验组A）静曲强度和弹性模量进行对比，结果发现，与杨木素材相比，试验组C试件的静曲强度提高了6.91%，弹性模量提高了71.11%。以上数据说明，酚醛树脂浸渍杨木单板形成的杨木单板层积材的力学性能比杨木素材优异，这为速生杨木的增值利用提供了有益参考。基于以上试验结果，可以推断：若能实现精准浸渍，可在节省酚醛树脂的前提下，实现产品表2试样质量损失率样品类型ABCDPP菌处理条件下的样品平均质量损失率/%-546CV菌处理条件下的样品平均质量损失率/%45445a.浸酚醛树脂胶杨木单板层积材b.涂酚醛树脂胶杨木单板层积材图1 酚醛树脂在杨木单板层积材中的分布21 中国人造板 2023,30(10)卫佩行，等:酚醛树脂浸渍杨木单板层积材防腐及力学性能研究力学性能的改善。此外，从静曲强度和弹性模量的增加幅度上看，酚醛树脂浸渍对产品静曲强度和弹性模量的改善程度不同，这是因为酚醛树脂填充木材细胞空隙后，使杨木单板层积材整体上具有更高的刚度性能；而固化的酚醛树脂是脆性材料，且抗拉强度低于杨木，不能对杨木单板层积材强度提供贡献；酚醛树脂进入木材纤维后或能形成化学结合，使木纤维之间结合更紧密，从而实现了杨木单板层积材强度上的略增。3 结论本研究利用酚醛树脂对杨木单板进行浸渍处理后形成杨木单板层积材，并设计了不同施胶方式制备杨木单板层积材作为对照，对其微观结构、防腐性能、力学性能进行了对比研究。得到了以下结论：1）微观结构研究发现，低分子量的酚醛树脂浸渍液具有较好的渗透性，能够很好地进入杨木单板的导管和纤维组织中的空隙；2）经过26周的腐朽菌侵蚀，浸渍酚醛树脂或涂布酚醛树脂杨木单板形成的单板层积材质量损失率均小于10%，达到了强耐腐等级。3）浸渍的施胶方式使酚醛树脂更多地进入木材内部，因此酚醛树脂浸渍杨木单板层积材的耐腐性优于涂酚醛树脂杨木单板层积材。酚醛树脂浸渍杨木单板制备单板层积材不仅可提高耐腐性能，而且能改善力学性能，对拓展人工林速生杨木的户外应用具有一定的参考价值。参考文献：1 徐博禹,刘霞辉.进出口贸易对第一产业的碳排放效应研究基于中国省级研发投入数据的门槛检验J.经济问题,2022(2):27-33.2 国家林业和草原局.中国林业和草原统计年鉴2021M.北京:中国林业出版社,2023.3 Bao M Z,Huang X N,Zhang Y H,et al.Effect of density on the hygroscopicity and surface characteristics of hybrid poplar compregJ.Journal of Wood Science,2016,62(5):441-451.4 左迎峰,吴义强,张新荔,等.低分子量酚醛树脂浸渍人工林木材研究进展J.材料导报,2015,29(23):7-11.5 李源河,徐伟涛,李超,等.户外用木质材料改性研究进展J.林产工业,2019,56(11):1-5.6 鲍敏振.户外用重组木的结构演变和防腐机理研究D.北京:中国林业科学研究院,2017.7 谭 守侠,周 定国.木 材 工业手 册 M.北京:中国林 业 出 版社,2007.8 Kamke F A,Lee J N.Adhesive penetration in wood-a reviewJ.Wood and Fiber Science,2007,39(2):205-220.9 徐咏兰,华毓坤.不同结构杨木单板层积材的蠕变和抗弯性能J.木材工业,2002,16(6):10-12.10Chui Y H,Schneider M H,Zhang H J.Effects of resin impregnation and process parameters on some of poplar LVLJ.Forest Products Journal,1994,44(7):74-78.11张占宽,刘君良.密室型杨木强化单板层积材的制造工艺及应用前景分析J.林业机械与木工设备,2005,33(7):15-17.12Wang B J,Chui Y H.Performance evaluation of phenol formaldehyde resin-impregnated veneers and laminated veneer lumberJ.Wood and Fiber Science,2012,44(1):5-13.13Wang B J,Chui Y H.Manufacturing of LVL using 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