杉木浸渍改性材的尺寸稳定性研究

王 燕， 陈泽君

(湖南省林业科学院， 湖南 长沙 410004)

杉木浸渍改性材的尺寸稳定性研究

王 燕， 陈泽君*

(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杉木木材进行浸渍改性，对其改性材的尺寸稳定性进行研究。结果表明：改性材的弦向、径向和体积干缩率与素材相比均有不同程度的下降；改性材的弦向、径向和体积湿胀率与素材相比也均有不同程度的下降，但当改性剂浓度超过20%时，下降才较明显；改性材吸水率随改性剂浓度的上升而下降，最大可由改性前的197%下降到改性后的155%；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18.8%。杉木改性材的尺寸稳定性能要明显优于素材。

杉木； 改性； 吸水性； 抗干缩系数

杉木是我国种植面积最大的树种之一，是我国特有的重要速生用材树种。我国第七次全国森林资源清查结果显示，杉木人工林面积为853.86万hm2，占全国人工林面积的21.35%，蓄积量为62036.45万m3，木材产量约占商品材总量的31.64%。同时，杉木也是湖南主要的人工用材林，其蓄积量及种植面积居全国首位。杉木木材在建筑、家具及人造板等领域均有广泛应用，但由于杉木生长速度快，轮伐期短，致使其木材所含中幼龄材比例高，木质疏松，尺寸稳定性差，应用范围受到严重限制[1-3]，因而，改善杉木木材材性是提高其木材利用价值，拓展其使用范围的重要途径。树脂浸渍改性法是近年较常用的木材改性方法[4-5]。目前，主要对浸渍改性材的各项力学及耐腐朽等性能做出了较详尽的研究和评价[6-7]，但鲜见对木材的干缩和湿胀等性能的深入研究。我们在已有研究[8-9]的基础上，利用聚乙烯醇缩甲醛改性剂对杉木木材进行改性处理，对杉木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分析，为杉木木材浸渍改性研究和改性材科学合理利用提供参考。

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林业科学院试验林场的15年生人工速生杉木林。试材直径15～18cm。按照GB/T1929 — 2009木材物理力学试材锯解及试样截取方法[10]，将试材加工成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。配置3个浓度梯度的改性剂，其中主剂聚乙烯醇缩甲醛胶质量含量分别为10%、20%、30%，助剂质量含量为5%。

(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 改性工艺流程

(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的真空度并保持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通风环境中陈放7d。

1.3 测试

1.3.1 尺寸稳定性测定 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[11]。素材和改性材的湿胀率采用GB1934.2-91木材湿胀性测定规定的方法测定[12]。通过素材和改性材的体积干缩率计算改性材的抗干缩系数(ASE)。计算方法见公式(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杉木改性材与素材干缩率对比图。从图1可以看出，从吸水饱和状态到气干状态的过程中，不同浓度改性剂浸渍的杉木改性材，其弦向、径向和体积干缩率与素材相比均有不同程度的下降，其干缩率与素材相比最大分别下降了0.82%、0.66%、1.51%；从吸水饱和状态和到全干状态的过程中，改性材的弦向、径向和体积干缩率与素材相比也均有不同程度的下降，其干缩率与素材相比最大分别下降了1.06%、0.72%、2.69%。随着环境的变化，杉木改性材的体积干缩率要明显小于素材的体积干缩率，说明改性材的体积干缩率受环境影响比素材要小。通过改性处理，杉木木材的干缩性有明显的改善。

图1 杉木改性材与素材的干缩率对比图Fig.1 Drying shrinkage ratio variations of untreated Chinese fir and treated Chinese fir

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杉木改性材与素材的湿胀率对比图。从图2可以看出，从吸水饱和状态到气干状态的过程中，不同浓度改性剂浸渍的杉木改性材，其弦向、径向和体积干缩率与素材相比均有不同程度的下降，其湿胀率与素材相比最大分别下降了2.3%、1%、2.89%；从吸水饱状态和到全干状态的过程中，改性材的弦向、径向和体积湿胀率与素材相比也均有不同程度的下降，其湿胀率较素材最大分别下降了1.18%、0.65%、2.19%。当改性剂浓度逐渐增大，超过20%时，杉木改性材的湿胀率与素材相比才有较明显的下降，说明改性剂浓度需达到较高时才能显著改善杉木木材湿胀性。

图2 杉木改性材与素材的湿胀率对比图Fig.2 Swelling ratio variations of untreated Chinese fir and treated Chinese fir

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杉木改性材与素材吸水率变化图。从图3中可以看出，杉木素材吸水率为197%，经浸渍改性后的杉木改性材吸水率有明显下降。当改性剂浓度为10% 、20%和30%时，改性材的吸水率分别下降到了159%、155%和157%。这可能是改性剂通过浸渍进入木材内部后，改性剂分子上的羟基官能团与木材内部大分子上的羟基官能团发生了缩合反应，减少了木材内部羟基官能团含量，从而降低了木材内部大分子的亲水性，使其吸水率有了显著的下降[13-14]，而吸水率的变化直接影响木材的尺寸稳定性[15]。

图3 杉木改性材与素材吸水率变化图Fig.3 Water absorption ratio variations of untreated Chinese fir and treated Chinese fir

图4 杉木改性材ASE变化图Fig.4 ASE variations of treated Chinese fir

2.4 改性材的抗干缩性

图4为经不同浓度改性剂浸渍处理后的杉木改性材抗干缩系数(ASE)变化图。抗干缩系数是衡量木材尺寸稳定性最重要的参数之一。抗干缩系数越大，说明木材尺寸稳定性越好[16-17]。经不同浓度改性剂改性，杉木木材的抗干缩系数均有明显提高。当改性剂浓度达到30%时，改性材的抗干缩系数达到最大，为18.8%。因而，通过浸渍改性，有效的降低了木材的亲水性和吸水率，从而改善了其湿胀和抗干缩性能，提高了木材尺寸稳定性[18]。

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，杉木改性材径向、弦向和体积干缩率与素材相比均有不同程度的下降。

(2) 无论是从全干到吸水饱和状态，还是从气干到吸水饱和状态的过程中，杉木改性材径向、弦向和体积湿胀率与素材相比均有不同程度的下降。当改性剂浓度超过20%时，杉木改性材的湿胀率与素材相比才有较明显的下降。

(3) 杉木木材经过改性后，其吸水性明显下降，最大可由改性前的197%下降到改性后的155%。这也直接改善了改性材的干缩和湿胀性能。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18.8%。与素材相比，改性材尺寸稳定性能有明显提高。

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(文字编校：唐效蓉)

ResearchondimensionalstabilityoftreatedChinesefir

WANG Yan, CHEN Zejun*

(Hunan Academy of Forestry, Changsha 410004, China)

The dimensional stability of treated Chinese fir with polyvinyl formal as the modifier was researched.The result showed that in different conditions, the radial, tangential and volumetric shrinkage rates of modified wood were decreased.From oven-dry state to water saturation state the radial, tangential and volumetric swelling rates were also decreased.At the same time, when the concentration of modifier exceeded 20%, the swelling rate decreased obviously.Water absorption ratio of treated wood decreased from 197% to 155% after treatment while ASE of modified wood could reach 18.8% at most with the increase of modifier concentration.Dimensional stability of treated wood is better than the untreated wood of Chinese fir.

Chinese fir; modification; water absorption; ASE

2013 — 07 — 19

湖南省科技厅科技计划项目(2012NK2002)；湖南省林业厅林业科技创新专项；湖南省林产工业建设专项项目(湘财2012-488)。

王 燕(1964 — )，女，湖南省安化县人，助理研究员，主要从事园林景观研究及产品开发工作。

* 为通讯作者。

S 781.7

A

1003 — 5710(2013)05 — 0041 — 04

10. 3969/j. issn. 1003 — 5710. 2013. 05. 011