竹柳枝桠材重组木的研制

陈明及 吴金绒 邓玉和 侯天宇 王新洲 陈骁轶 张 健

(1.南京林业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210037；2.东北农林高等学校，越南 凉山； 3.江苏沿江地区农业科学研究所，江苏 如皋 226541)



竹柳枝桠材重组木的研制

陈明及1,2吴金绒1邓玉和1侯天宇1王新洲1陈骁轶1张 健3

(1.南京林业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210037；2.东北农林高等学校，越南 凉山； 3.江苏沿江地区农业科学研究所，江苏 如皋 226541)

以幼龄竹柳枝桠材为原料，通过对竹柳枝桠材酸碱性、密度、干缩性、表面接触角以及密度、施胶量对竹柳重组木物理力学性能的影响进行研究。结果表明，竹柳枝桠材的pH为6.43～6.46，呈弱酸性，酸碱缓冲容量为34.63～38.94 mL，全干干缩率为1.86，气干干缩率为1.91；利用表面张力测量仪测得，竹柳枝桠材外表面MUF接触角为54.52°，内表面为37.27°。在板材密度0.9 g/cm3、三聚氰胺改性脲醛树脂(MUF)施胶量14%、热压温度160℃、加压时间20 min、木束含水率6%条件下制得的竹柳重组木弹性模量为 12 948.68 MPa，达到GB/T 4897.7—2003《刨花板》的要求；静曲强度为105.08 MPa，内结合强度为2.07 MPa，2 h吸水厚度膨胀率为3.49%，其值均达到了LY/T 1984—2011《重组木地板》的要求。SEM图像表明MUF压制的竹柳重组木的管孔被压缩成椭圆形，但细胞壁本身并没有被压溃，仍然保持了其完整性；红外光谱仪测试结果表明，竹柳的纤维素和半纤维素均与胶黏剂发生反应，存在化学键的结合。

竹柳；枝桠材；重组木；密度；施胶量；物理力学性能

竹柳(Salixdiscolor)为杨柳科柳属乔木，竹柳具有生长速度快、适应能力强、材质优良、干形优美、木材用途多样等诸多优点，是工业原料、盐碱地造林、湖泊滩涂造林、园林绿化、环境生物修复的理想树种，具有巨大的推广价值和广阔的发展前景。竹柳对于丰富中国速生树品种，改良速生木材品质，扩大造林地域，防止速生林建设因物种单一而造成的生态平衡破坏等具有深远的意义和重大的影响。竹柳在湖泊滩涂(水淹2个月仍能正常生长)、盐碱地(可适应土壤pH8.0～8.5，含盐量0.8%的重盐碱地区)均可栽植，可以有效扩大造林地域，提高土地利用率，降低造林成本[1-2]。

目前，关于竹柳木材应用的研究相对较少。董葛平等[3]利用竹柳枝桠材和小径级材研制了竹柳刨花板。中国重组木的研究原材料一直局限于杨木(Populusspp.)、松木(Pinusspp.)、桦木(Betulaluminifera)、沙柳(Salixcheilophila)等树种，且主要集中在对其静曲强度、弹性模量、碾压计算公式、设计碾压设备关键参数等方面的研究。本试验以幼龄竹柳枝桠材为原料，通过对竹柳枝桠材酸碱性、密度、干缩性、表面接触角以及密度、施胶量对竹柳重组木物理力学性能的影响进行探讨，以期为竹柳制造重组木的研究提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

2.5年生竹柳枝桠材，取自江苏省如东县，经剥皮后纵向劈成木束并截50 cm备用。胶黏剂为三聚氰胺改性脲醛树脂(MUF)，黏度723.4 s(涂四粘度计)，固含量55.7%，pH 7.97，购于山东曲阜市慧迪化工有限责任公司生产。

试验分析仪器：XBL平板硫化机、8104电子万能试验机、JC2000A静滴接触角/界面张力测量仪、X-射线衍射(XRD)，扫描电子显微镜(SEM)。

1.2 试验方法

1) 竹柳枝桠材酸碱性与干缩性的分析。参照GB/T 6043—1999《木材pH值测定方法》和GB/T 17660—1999《木材缓冲容量测定方法》对竹柳枝桠材的酸碱性进行分析。竹柳径向干缩、弦向干缩及体积干缩根据GB/T 1932—2009《木材干缩性测定方法》进行测定。

2) 表面接触角的测定。将竹柳枝桠材进行去皮、剖分制得试件，放入JC2000A静滴接触角/界面张力测量仪的样品池中，然后分别将被测液0.001 mL滴在木材表面上(与树皮相邻的木质部表面为外表面，不相邻的为内表面)，通过JC2000A静滴接触角/界面张力测量仪测定接触角。

3) 胶合界面微观构造分析。将竹柳枝桠材表面浸渍脲醛树脂胶黏剂后，截取长宽小于10 mm，高度小于5 mm的试样，固定好样品后对样品进行清洗，采用溶剂梯度脱水法对样品逐一进行脱水处理。样品经过干燥处理后进行样品表面喷镀薄层金膜，以增加二波电子束。最后应用荷兰FEI环境扫描电子显微镜对样品进行观察。

4) 试制竹柳重组木。竹柳木束制备：首先采用XBL平板硫化机对竹柳枝丫材进行碾压去皮，再利用纵向碾压机辊压、纵切后截成50 cm长的竹柳木束，所制得的木束形态好，呈网状结构，表面积大。木束经胶黏剂喷胶，压制成500 mm×260 mm×20 mm的重组木。试验工艺条件：热压温度140 ℃，热压时间20 min。

2 结果与分析

2.1 竹柳枝桠材理化性能

2.1.1酸碱性 木材的酸碱性质是木材的主要化学性质之一，对人造板的胶合和制造等具有很大影响。竹柳枝桠材、杨木、沙柳的酸碱性测试对比结果见表1。

由表1可知，竹柳枝桠材上部(梢部)的pH为6.43，下部(与枝干相连部位)的pH为6.46。上下部的pH区别不大，说明竹柳枝桠材的pH是均匀的。竹柳枝桠材的pH略高于杨木，比沙柳大。竹柳枝桠材的碱缓冲容量范围为18.88～21.75 mL，与杨木基本相同，比沙柳高。竹柳枝桠材的酸缓冲容量范围为15.75～17.19 mL，也与杨木基本相近，比沙柳高。竹柳枝桠材的酸碱缓冲容量范围为34.63～38.94 mL。与杨木相近，比沙柳高。用MUF压制竹柳重组木时，可参考杨木重组材的生产工艺施加固化剂。

2.1.2密度 竹柳枝桠材基本密度为0.296～0.344 g/cm3，平均值为0.311 g/cm3；气干密度范围为0.355～0.412 g/cm3，平均值为0.378 g/cm3；绝干密度范围为0.336～0.426 g/ cm3，平均值为0.359 g/cm3。I-72杨[4]的基本密度和气干密度分别为0.364、0.454 g/cm3，竹柳枝桠材的基本密度与气干密度小于I-72杨。

表1 竹柳枝桠材、杨木、沙柳的酸碱性

2.1.3干缩性 竹柳枝桠材全干、气干、体积干缩率见表2。

由表2可知，竹柳枝桠材径向全干干缩率范围为1.84%～7.98%，平均值为3.45%；弦向全干干缩率范围为3.48%～11.26%，平均值为6.18%。径向气干干缩率范围为0.89%～5.48%，平均值为2.08%；弦向气干干缩率范围为1.80%～6.88%，平均值为3.78%。

木材弦向干缩与径向干缩的比值称为差异干缩，它是判断木材干缩难易的一项标准。一般木材差异干缩越接近于1，木材各方向的干缩越均匀，木材的稳定性也就越好；反之，木材干燥时越容易发生翘曲和开裂。竹柳枝桠材全干差异干缩值范围为1.16～2.99，平均值为1.86；气干差异干缩值范围为1.32～3.55，平均值为1.91。张应团等[5]测得柳杉林分全干差异干缩为2.12，气干差异干缩为2.29。相对而言竹柳枝桠材全干和气干差异干缩较好。I-69杨全干差异干缩为2.20[6]，竹柳较I-69杨干缩均匀且木材稳定性更好。

竹柳枝桠材体积全干干缩率范围为7.67%～11.88%，平均值为9.33%；体积气干干缩率范围为4.67%～8.06%，平均值为6.21%。査朝生等[7]测得I-69杨体积全干干缩率为11.88%，气干干缩率为7.74%。相比较，竹柳枝桠材径弦向及体积干缩率均小于I-69杨，从干缩性能上考虑，竹柳枝桠材可以用作人造板产品的原料且制造出的产品稳定性好。

表2 竹柳枝桠材干缩率

2.2 竹柳枝桠材表面接触角

木材表面的粗糙度对木材表面的润湿性有影响，木材的表面粗糙度越大，表现出的润湿性越好。由表3可知，三聚氰胺改性脲醛树脂(MUF)在竹柳枝桠材内表面上的接触角均小于外表面，三聚氰胺改性脲醛树脂在内表面上的润湿性更好，说明竹柳枝桠材木质部的润湿性优于树皮。这是因为内表面的亲水基团多于外表面，且外侧表皮的材质比内侧表皮致密坚硬，渗透性比内表面差。

表3 竹柳枝桠材表面MUF接触角

2.3 密度、施胶量对竹柳枝桠材重组木性能的影响

2.3.1密度的影响 不同密度条件下MUF压制竹柳重组木的物理力学性能见图1。

由图1可知，在密度为0.70 ～0.90 g/cm3时，重组木的弹性模量(MOE)依次为7 727.89、9 870.04、10 873.49、12 461.93，其后一个密度水平比前一个密度水平分别增加了27.7%、10.2%、14.6%；密度从0.70 g/cm3到0.80 g/cm3，弹性模量提升的幅度较大，密度从0.80 g/cm3增加至0.90 g/cm3时，弹性模量增幅减缓。所有密度条件下，弹性模量均超过国家标准刨花板GB/T 4897.7—2003《刨花板第7部分》的要求。

同样在密度为0.70 ～0.90 g/cm3时，重组木的静曲强度后一个密度水平比前一个密度水平分别增加了33.6%、24.3%、4.78%；密度从0.70 g/cm3到0.80 g/cm3时，静曲强度提升的幅度最大，之后逐渐减小。试验结果表明，当密度在0.80 ～0.90 g/cm3时，重组木的静曲强度均超过行业标准LY/T 1984—2011《重组木地板》的要求。

在一定范围内，板材的MOR、MOE的性能均随密度的增大而逐步提高，这是因为当重组木的密度增大时，原料木束之间的空隙缩小，胶接触面积增大，胶接强度增加；且密度增大，木束之间的挤压加强，细胞就会受到压缩，使得原料的基本性能得到提升，宏观上表现为板材性能的提高；但超过一定的密度范围，板材的木束单元可能因为压溃使板材性能减弱。因此，在实际生产中，采用MUF压制竹柳重组木时，为使静曲强度、弹性模量均达到要求，控制板材的密度为0.80～0.90 g/cm3。

竹柳重组木的内结合强度(IB)与静曲强度、弹性模量的变化有着相同的趋势(图1)，随着板密度的增加IB值呈上升的趋势。当密度为0.70 ～0.90 g/cm3时，重组木的内结合强度依次为0.74、1.07、1.30、1.52 MPa，其后一个密度水平比前一个密度水平分别增加了44.6%、21.5%、16.9%，提升幅度随着重组木密度的增加逐渐减小。

在0.70 ～0.90 g/cm3的密度范围内，重组木的吸水厚度膨胀率从14.41%逐渐下降到4.00%，减小了72.2%。这是因为，在一定密度范围内，随着密度的增加，木束之间的胶合变好，水分不容易进入重组木，而且细胞被压缩，内部空隙变小，水分在板材内传递困难，综合表现为板材吸水厚度膨胀率的减小。

由密度与重组木物理力学性能的方差分析(表4)可知：静曲强度、弹性模量、内结合强度和2 h吸水厚度膨胀率的F值均大于0.01显著性水平下的F临界值，P值均远小于0.01，说明以三聚氰胺改性脲醛树脂为胶黏剂压制的竹柳重组木，在0.70～0.90 g/cm3的密度范围内，密度对其静曲强度、弹性模量、内结合强度和2 h吸水厚度膨胀率的影响均十分显著。

表4 密度与重组木物理力学性能方差分析

表4(续)

注：显著性水平α=0.01。

2.3.2施胶量的影响 当密度在0.90 g/cm3时，重组木物理力学性能较优。因此，选择重组木密度为0.90 g/cm3进行施胶量对物理力学性能的研究，结果见图2。

由图2中可知，施胶量对重组木的物理力学性能有明显的影响。重组木的静曲强度、弹性模量和内结合强度均随施胶量的增加而增加，2 h吸水厚度膨胀率则随施胶量的增加而降低。当施胶量从12%增加至16%时，竹柳重组木的弹性模量依次为12 461.93、12 948.68、13 137.9 MPa，后者比前者分别增加了3.91%、1.45%；施胶量从14%增加到16%时，弹性模量的增长幅度减小。竹柳重组木静曲强度的增幅趋势与弹性模量相同，施胶量从12%增加到14%时其增幅大于施胶量从14%增加到16%，分别为8.78%、1.86%。试验结果表明，当密度为0.90 g/cm3时，以三聚氰胺改性脲醛树脂为胶粘剂，施胶量在12%～16%范围内，以竹柳枝桠材为原料压制的重组木的静曲强度均超过LY/T 1984—2011《重组木地板》的要求，弹性模量均超过国家标准刨花板GB/T4897.7—2003《刨花板第7部分》的要求。

图2中，竹柳重组木的内结合强度随着施胶量的增多而提高，依次为1.52、2.07、2.30 MPa。在施胶量12%～14%范围内，重组木的内结合强度增幅明显，达36.18%；而施胶量从14%增至16%时，内结合强度的增幅仅为11.11%。当密度为0.90 g/cm3时，施胶量在14%以上的竹柳重组木的内结合强度均可达到LY/T 1984—2011《重组木地板》的要求。当施胶量升高到16%时，内结合强度提升的幅度不明显，为了节约成本，生产中施胶量达到14%以上即可。

在12%～16%的施胶量范围内，随着施胶量的增加，竹柳重组木的2 h吸水厚度膨胀率不断降低(图2)；在12%～16%的施胶量范围内，重组木的2h吸水厚度膨胀率从4.00%逐渐下降到3.13%，减小了21.75%。施胶量为12%～16%，重组木的2h吸水厚度膨胀率均能满足行业标准LY/T 1984—2011《重组木地板》的要求。

不同施胶量条件下竹柳枝桠材重组木物理力学性能方差分析结果见表5。

当施胶量为12%～16%时，其对静曲强度、弹性模量的影响均不显著，对内结合强度的影响十分显著。从表5中还可以看出：重组木2 h吸水厚度膨胀率的F值为5.701 542 0，小于0.01显著性水平下的F临界值，P值大于0.01但小于0.05，说明以三聚氰胺改性脲醛树脂为胶黏剂压制竹柳重组木，当施胶量为12%～16%，施胶量对2 h吸水厚度膨胀率有影响，但影响不显著。

表5 施胶量与板材物理力学性能的方差分析

注：显著性水平α=0.01。

2.4 胶合界面微观构造分析

利用扫描电子显微镜观察木束表面附着的胶粘剂及细胞的变形，见图3。

图3中可以发现，木束表面不规则的附着着胶黏剂，呈星点状分布，在胶合过程中，多为点结合。喷胶压制竹柳重组木的管孔被压缩成椭圆形，虽然细胞发生了明显的变形，但细胞壁本身并没有被压溃，仍然保持了其完整性。

2.5 胶合界面官能团分析

竹柳重组木的内外胶合表面红外光谱图见图4。

从图4中可以看出，在 3 334 cm-1附近的吸收峰归属于-OH的伸缩振动，而 1 244 cm-1以及 1 020 cm-1附近的吸收峰是由C-O伸缩振动吸收峰所引起的，说明重组木中含有-OH基团。在 2 914 cm-1附近的振动是由于R2CH2基中饱和C-H引起的，是纤维素的特征峰；而 1 730 cm-1附近的吸收峰归属于C=O，这是半纤维素的特征峰。综上所述可以得出，胶合界面中的O-H、C-O、C=O、C-H等基团峰值均比无胶层处减小，表明竹柳重组木中的纤维素和半纤维素均与胶黏剂发生反应。胶合过程中只有较为明显的基团峰值面积的改变，没有新的吸收峰出现或旧的吸收峰消失，说明胶合过程存在化学键的结合，使胶黏剂与竹柳木束之间因获得高强度的主价键结合，从而得到较强的性能。

3 结 论

1) 竹柳枝桠材的pH为6.43～6.46，呈弱酸性，与杨木基本相同，高于沙柳；酸碱缓冲容量为34.63～38.94 mL，与杨木相近，比沙柳高。竹柳枝桠材全干干缩率为1.86，气干干缩率为1.91，径弦向及体积干缩率均小于I-69杨，因此从干缩性能上考虑，竹柳枝桠材的尺寸稳定性优于I-69杨。

2) MUF在竹柳枝桠材内表面上的接触角均小于外表面，说明内表面的润湿性比外表面好。

3) 在0.70～0.90 g/cm3密度范围内，竹柳枝桠材重组木的力学性能均随着密度的增加而增加。在0.90 g/cm3时，各项力学性能达到最大值，2 h吸水厚度膨胀率为最小值。方差分析结果表明，施胶量对密度为0.90 g/cm3的竹柳枝桠材重组木的内结合强度有显著的影响，对2 h吸水厚度膨胀率影响不显著。

4) SEM图像表明,MUF压制的竹柳枝桠材重组木的管孔被压缩成椭圆形，虽然细胞发生了明显的变形，但细胞壁本身并没有被压溃，仍然保持了其完整性。

5) 通过红外光谱分析竹柳枝桠材重组木胶合界面可知，胶合界面中相应基团的减少表明竹柳的纤维素和半纤维素均与胶黏剂发生反应，胶黏剂与竹柳之间存在化学键的结合，但没有明确的基团种类的改变。

[1] 高峰．超速生树之王:美国竹柳[Z]．2009：22．

[2] 侯金波．优良速生树种：美国竹柳[J]．农村百事通，2007(21)：32．

[3] 董葛平，邓玉和，王新洲，等．竹柳材性及其刨花板制造工艺研究[J]．西南林业大学学报，2013，33(3)：92-96．

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(责任编辑 曹 龙)

Research on the Properties ofSalixdiscolorBranch of Its Scrimber

TRAN Minh Toi1,2,WU Jin-rong1,DENG Yu-he1,HOU Tian-yu1, WANG Xin-zhou1,CHEN Xiao-yi1,ZHANG jian3

(1.College of Materials Science and Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing Jiangsu 210037,China; 2.Northeast Agriculture Forestry Colleges, LangSon, Vietnam; 3.Agricultural Research Institute Along the Yangtze River, Rugao Jiangsu 226541, China)

The test choseSalixdiscoloras material to study the influence ofSalixdiscolors branch pH, density, air shrinkage, surface contact angle and density, sizing use on scrimber physical and mechanical properties. The results showed that pH ofSalixdiscolorbranch was in the range of 6.43-6.46,being weak acidity. pH buffering capacity was 34.63-38.94 mL. Oven-dry shrinkage ofSalixdiscolorbranch material was 1.86, and air-dried shrinkage was 1.91.The measurement result of surface tension tester showed that the MUF contact angle of outer surface was 54.52, and the inner surface was 37.27.The results also show that, when the density was 0.90 g/cm3, glue consumption wa 14%, hot-pressing temperature 160 ℃,hot-pressing time 20 min and the moisture content was 6%, elasticity modulus ofSalixdiscolorscrimber was 12948.68 MPa, up to standard of GB/T 4897.7—2003. Besides, the static bending intensity was 105.08 MPa, the internal bonding strength was 2.07 MPa and the thickness swelling rate after 2 h water soaking was 3.49%,which up to industry standard of LY/T 1984—2011.SEM image showed that the syrinx of scrimber was compressed into ovalization by MUF press, but cytoderm kept a integrity.Infrared spectroscopy test showed that bothSalixdiscolorcellulose and hemicellulose reacted with adhesive, and there were chemical bonds.

Salixdiscolor;discolor branch;scrimber;density;glue consumption；physical and mechanical properties

2014-06-03

江苏高校优势学科建设工程资助项目的资助；2012年国家级大学生创新创业训练计划立项项目(201310608457)资助。

邓玉和(1954—)，女，博士，教授。研究方向：木材科学与技术。Email：dengyuhe@hotmail.com。

10.11929/j.issn.2095-1914.2015.01.015

S784

A

2095-1914(2015)01-0075-07

第1作者：陈明及(1980—)，男，博士生。研究方向：木质复合材料。Email：minhtoi802003@yahoo.com。