杨树浸渍改性处理材尺寸稳定性研究

李志高， 王 勇， 陈泽君， 马 芳， 范友华

(湖南省林业科学院， 湖南 长沙 410004)

杨树浸渍改性处理材尺寸稳定性研究

李志高， 王 勇， 陈泽君*， 马 芳， 范友华

(湖南省林业科学院， 湖南 长沙 410004)

利用聚乙烯醇缩甲醛改性剂对杨树木材进行浸渍改性，对其改性材的尺寸稳定性进行研究。结果表明：改性材的径向、弦向和体积干缩率与素材相比均有不同程度的下降；从全干到吸水饱和状态的过程中，当改性剂达到一定浓度时，改性材的径向、体积湿胀率与素材相比有明显下降，弦向线湿胀率下降不明显。从气干到吸水饱和状态的过程中，改性材的径向、弦向湿胀率与素材相比均有不同程度的下降；改性材体积湿胀率随着改性剂浓度的上升而呈下降趋势，当改性剂浓度为30%时，改性材体积湿胀率为6.85%，与素材相比下降了5.54%。改性材吸水率随改性剂浓度的上升而下降，最低可达159%；改性材的抗干缩系数(ASE)随改性剂浓度上升而增加，最大可达47.8%。改性材的尺寸稳定性能要明显优于杨树素材。

杨木； 改性； 吸水性； 抗干缩系数

湖南是杨树人工林种植大省，其种植面积在全国位居前三。杨树木材在建筑、家具及人造板等领域均有广泛应用。但由于杨树生长速度快，轮伐周期短，致使其木材所含幼龄材比例高，密度低，物理力学性能较差，应用范围受到限制[1-2]。改善杨树材性是提高其木材利用价值，拓展其使用范围的一个重要途径。树脂浸渍改性法是近年较常用的木材改性方法[3-4]。目前，主要对浸渍改性木材的各项力学性能做出了较详尽的研究和评价，但鲜见对木材的干缩和湿胀性能等的深入研究[5-6]。因而在已有研究[7]的基础上，我们利用聚乙烯醇缩甲醛改性剂对杨树木材进行改性处理，并对杨树素材和改性材的干缩性、湿胀性、吸水性等方面的性能进行了对比研究，为人工林杨树木材浸渍改性研究和利用提供新的实验数据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设备

(1) 试验材料。试验用木材采自湖南省沅江市林场的8年生人工速生杨树林，按照GB/T1929-2009木材物理力学试材锯解及试样截取方法[8]将其加工成20(R)mm×20(R)mm×20(L)mm规格的试件，并将试件分别依次编号。试件的含水率为12%左右。改性剂主剂为聚乙烯醇缩甲醛胶，购于多邦涂料有限公司，外观为无色透明液体，不挥发物含量为6%，粘度为100mPa·s，pH值为6.5～7.5，贮存期6个月；助剂为实验室自配。

(2) 主要仪器及设备。真空/加压木材处理设备(自行设计，最大压力2.5MPa、真空度-0.08MPa、容积0.0345m3)；电子千分尺(精确到0.02mm)；电子天平(精确度0.0001g)；电热鼓风干燥箱(天津泰斯特仪器有限公司，型号202-3AB)。

1.2 改性方法

(1) 将试件进行室干。

(2) 将试件置于自组装改性处理罐内密封。

(3) 将处理罐抽至-0.08MPa的真空度保持0.5h。

(4) 真空状态下向处理罐中注入改性药剂，然后对处理罐加压，使压力达到实验设定压力，并分段保压一段时间，以控制载药量。

(5) 卸压，将试件从处理罐中取出。

(6) 去除多余残留药液后在自然条件下陈放7 d，然后将试件干燥至含水率为15%左右。

1.3 测试

1.3.1 尺寸稳定性测试 素材和改性材的干缩率采用GB 1932-91木材干缩性测定规定的方法测定[9]。素材和改性材的湿胀率采用GB 1934.2-91木材湿胀性测定规定的方法测定[10]。通过素材和改性材的湿胀率计算改性材的抗干缩系数(ASE)。计算公式见公式(1)。

(1)

1.3.2 吸水率测定 试件的吸水率参照公式(2)计算，精确至1%。

(2)

2 结果与分析

2.1 改性材与素材的干缩性

图1为不同浓度改性剂浸渍的杨树改性材与素材干缩率对比图。从图1可以看出：从吸水饱和状态到全干状态的过程中，不同浓度改性剂浸渍的杨树改性材，其径向、弦向和体积干缩率与素材相比均有不同程度的下降，其干缩率比杨树素材的最大干缩率分别下降了2.56%、2.3%、5.2%；从吸水饱状态和到气干状态的过程中，改性材的径向、弦向和体积干缩率与素材相比也均有不同程度的下降，其干缩率较杨树素材最大干缩率分别下降了1.63%、1.87%、4.64%。随着环境的变化，浸渍改性材的体积干缩率要明显小于杨树素材的体积干缩率，改性材的体积干缩率受环境影响比杨树素材要小。通过改性处理，杨树木材的干缩性能均有明显的改善。

图1 杨树改性材与素材的干缩率对比图Fig.1 Drying shrinkage ratio variations of poplar wood and treated poplar wood

2.2 改性材与素材的湿胀性

图2为不同浓度改性剂浸渍的杨树改性材与素材的湿胀率对比图。从图2可以看出：从全干状态到吸水饱和状态的过程中，当改性剂达到一定浓度时，改性材的径向、体积湿胀率均与素材有明显下降，最大下降了2.5%和4.54%；改性材的弦向线湿胀率随着改性剂浓度的上升下降不明显；从气干状态到吸水饱和状态的过程中，不同浓度改性剂浸渍的改性材，其弦向和径向线湿胀率与杨树素材相比整体变化不大，但改性材体积湿胀率随着改性剂浓度的上升而呈下降趋势，当改性剂浓度为30%时，改性材体积湿胀率为6.85%，与素材相比下降了5.54%。

图2 杨树改性材与素材的湿胀率对比图Fig.2 Swelling ratio variations of poplar wood and treated poplar wood

2.3 改性材与素材的吸水率

图3为不同浓度改性剂浸渍的杨树改性材与素材吸水率变化图。从图3中可以看出，杨树素材吸水率为198%，经过改性后的杨树处理材吸水率有明显下降。当改性剂浓度为30%时，处理材的吸水率降到了159%。这可能是改性剂进入木材内部后，改性剂分子上的羟基与木材内部大分子上的羟基发生了缩合反应，减少了木材内部羟基官能团含量，从而降低了木材大分子的亲水性，使其吸水率有了显著的下降。改性木材吸水率的下降对木材尺寸稳定性有重要影响[11-12]。

图3 杨树改性材与素材吸水率变化图Fig.3 Water absorption ratio variations of poplar wood and treated poplar wood

2.4 改性材的抗干缩性

图4为改性材抗干缩系数(ASE)变化趋势图。抗干缩系数(ASE)是衡量木材尺寸稳定性最重要的参数之一，ASE值越大，说明木材尺寸稳定性越好[13-14]。通过不同浓度改性剂改性，杨树木材的抗干缩系数均有明显提高，当改性剂浓度上升到30%时，木材的ASE达到最大值，为47.8%。通过改性，降低了木材的亲水性，从而降低了木材的吸水性能，改善了其湿胀和抗干缩的性能，提高了木材尺寸稳定性[15-16]。

图4 杨树改性材ASE变化趋势图Fig.4 ASE variations of modified wood

3 结论

(1) 无论是从吸水饱和到全干状态，还是从吸水饱和到气干状态的过程中，改性材径向、弦向和体积干缩率与素材相比均有不同程度的下降。

(2) 从全干到吸水饱和状态的过程中，当改性剂达到一定浓度时，改性材的径向、体积湿胀率均比素材有明显下降；木材弦向线湿胀率随改性剂浓度上升下降不明显。从气干到吸水饱和状态的过程中，改性材的径向、弦向线湿胀率与素材相比均有不同程度的下降；改性材体积湿胀率随着改性剂浓度的上升而呈下降趋势，当改性剂浓度为30%时，改性材体积湿胀率为6.85%，与素材相比下降了5.54%。

(3) 杨树木材经过改性后，其吸水性明显减弱，这也直接改善了改性材的抗干缩性能。当改性剂浓度为30%时，改性材的抗干缩系数(ASE)达到最大值，为47.8%；与素材相比，改性材尺寸稳定性能有明显提升。

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(文字编校：唐效蓉)

Researchondimensionalstabilityoftreatedpoplarwood

LI Zhigao, WANG Yong, CHEN Zejun*, MA Fang, FAN Youhua

(Hunan Academy of Forestry, Changsha 410004, China)

The dimensional stability of treated poplar wood with polyvinyl formal as the modifier was researched. The result showed that in different conditions, the radial, tangential, volumetric shrinkage rates of modified wood were decreased. From oven-dry state to water saturation state, the radial and volumetric swelling rates were obviously decreased when the modifier content reached at least 20% or above. At the same time, the tangential swelling rate was decreased not obviously. From air-dry state to water saturation state, the radial and tangential swelling inflation rates of modified wood were decreased. At the same time, as the rising content of modifier, the volumetric swelling inflation rates of modified wood were decreased. When the modifier content reached 30%, the volumetric swelling rate of treated wood was 6.85% that decreased by 5.54% compared with poplar wood. Water absorption ratio of treated wood decreased to 159%. ASE of modified wood could reach 47.8% as the increase of modifier content. Dimensional stability of modified wood was better than poplar wood.

poplar; modification; water absorption; ASE

2013 — 04 — 11

湖南省科技厅科技计划项目(2012NK2002)；湖南省林产工业建设专项项目。

李志高(1968 — )，男，湖南省汨罗市人，助理研究员，主要从事木材加工研究工作。

* 为通讯作者。

S 781.7

A

1003 — 5710(2013)04 — 0044 — 04

10. 3969/j. issn. 1003 — 5710. 2013. 04. 011