浸渍-热处理对杨木力学性能的影响

侯瑞光，李贤军，刘 元，廖 瑞，徐 康，胡嘉裕，王 纯，王 燕，程曦依，王成美

（中南林业科技大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 410004）

浸渍-热处理对杨木力学性能的影响

侯瑞光，李贤军，刘 元，廖 瑞，徐 康，胡嘉裕，王 纯，王 燕，程曦依，王成美

（中南林业科技大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 410004）

以速生杨木为研究对象，采用木材真空加压浸渍处理和炭化罐专用设备，对杨木进行浸渍-热处理，研究了热处理温度和时间对杨木素材、热处理材、浸渍材和浸渍-热处理材的顺纹抗弯强度、弹性模量和耐磨性影响。结果表明：1）热处理会使素材和浸渍材的抗弯强度和弹性模量降低，但浸渍材的下降幅度较素材更小； 2）浸渍后，杨木的耐磨性有提高，但幅度不大；热处理后，耐磨性整体呈下降趋势，特别是在200℃后，下降非常明显；浸渍材与素材的耐磨性在同条件下相差不大；

脲醛树脂；浸渍；速生杨木；力学性能

杨木Poplar生长迅速，蓄积量大，分布范围广，适应性强，是我国北方地区主要的人工林树种。但杨木存在结构疏松、密度小、材质软、强度低、干燥时易变形和皱缩、切削加工易起毛等缺点，有必要对其进行改性处理，达到改善材性，提高附加值，扩大应用范围的目的[1-3]。木材力学性能是衡量木材应用范围的重要指标，用低分子量、低粘度的脲醛树脂真空-加压浸渍杨木，并对其进行高温热处理，可以在提高其尺寸稳定性的同时保证其整体强度[4-11]。

本研究对速生杨木在浸渍低分子量、低粘度的脲醛树脂后进行高温热处理，并对素材、浸渍材、热处理材和浸渍-热处理材的力学性能进行检测，分析浸渍-热处理对杨木力学性能的影响。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验用材为 2 000 mm（长）×115 mm（宽）×30 mm（厚）人工林I-69杨(Populus deltoidescv.I-69/55)新鲜锯材，购自于湖南省益阳市洞庭湖区。

低粘度的脲醛树脂为浙江林科院自制，主要性能指标参照GB/T 14074-2006 《木材胶黏剂及其树脂检验方法》进行检测，列于表1。

表1 脲醛树脂技术指标Table 1 The main properties of UF resin

1.2 仪器与设备

试验设备为木材真空加压浸渍处理设备(最高使用压力为3.0MPa)、木材炭化罐（长沙市金来林业有限公司，型号：Ф325×650，主要由控制系统、水蒸气发生器、炭化罐三大部分组成），试验仪器主要有电热恒温鼓风干燥箱（型号：DHG-q245A）、电子天平、热重分析仪（美国PE仪器公司生产，型号：Pyris6 TGA）、万能力学试验机（型号：MWD-W10型号，济南试金集团有限公司）、滚动磨损试验机（型号：MGL-5，试验力5N，济南时代试金仪器有限公司）。

1.3 方法与步骤

1.3.1 试材处理

从2 m长新鲜锯材上截取试样，并按照试样采集和试样加工国家标准GB1929-40-91，将其加工成310 mm（长）×105 mm（宽）×25 mm（厚）的四面光标准试件，需浸渍的木材用环氧树脂和铝箔纸对其进行纵向封端处理，气干一天，待树脂充分固化后，用塑料薄膜包好，备用。

1.3.2 试验安排

试材准备好后，进行试验。先对杨木作浸渍试验（浸渍试验部分详见低分子量脲醛树脂浸渍速生杨木工艺初步研究一文），再进行高温热处理试验。在热重试验分析基础上，以热处理温度和热处理时间为影响因子，分别选取160℃、180℃、200℃、220℃和 0.5 h、1.0 h、2.0 h、4.0 h四个水平，进行热处理试验,试验安排如表2。

表2 热处理试验Table 2 Orthogonal test

1.3.3 热处理试验

将杨木素材和浸渍材按照表2的安排进行热处理试验。高温热处理采用干燥-高温炭化-降温的工艺，热 处理过程中炭化罐仅通过小排气孔与外界连通，用于排出高温炭化处理过程中从杨木中逸出的水蒸气。整个高温热处理过程分为以下几个阶段，具体如下：

（1）升温干燥段：将试件放入炭化罐，将炭化罐的温度由室温升高到110℃，使试件表面温度和内部温度趋于一致，控制试件的含水率在10%以下；

（2）高温炭化段：继续升高温度到既定温度，分别保持温度为0.5～3 h；

（3）降温调湿段：热处理结束后，使炭化箱缓慢降温到80℃，同时打开水蒸气发生器，不断通入水蒸气，调节试件的最终含水率。关闭水蒸气发生器，使试件自然冷却至室温。

1.3.4 力学试验测试

试件的抗弯强度按GB1936.1-91《木材抗弯强度试验方法》进行测试，试件的弹性模量按GB1936.2-91《木材弹性模量测定方法》进行测试。木材耐磨性参照国家标准GB/T15036.2-2001并根据实际情况在操作上进行了一点改动，先让试件在磨耗仪上转50 r后进行称重G，再把试件放在磨耗仪上转100 r后进行称重G1，取G与G1的差值为试样的磨耗值F。

2 结果与讨论

2.1 顺纹抗弯强度和顺纹弹性模量

将热处理材及浸渍-热处理材的值分别与素材、浸渍材的抗弯强度值相比较，得出不同温度及时间条件下热处理材及浸渍热处理材的抗弯强度降低率，如图1所示。分析图1的数据可知：热处理引起木材强度下降。对热处理材，160℃、1 h热处理材的抗弯强度损失率最小，为0.5%，220℃、0.5 h热处理材的抗弯强度损失率最大，为39%。浸渍处理能有效阻止木材在热处理过程中抗弯强度的下降，160℃、0.5 h浸渍热处理材的抗弯强度损失率最少，相对素材的抗弯强度提高32.3%，220℃、4 h浸渍热处理材的抗弯强度损失率最大，相对素材的抗弯强度下降28.9%。200℃、2 h浸渍热处理材的抗弯强度较素材的抗弯强度高2%，与素材的抗弯强度比较相近。

将相同热处理条件下的浸渍热处理材抗弯强度与热处理材抗弯强度相比较，得出浸渍热处理材抗弯强度较热处理材的提高率如图2所示。分析图2中的数据可知：浸渍处理能有效阻止木材在热处理过程中抗弯强度的下降，在各种温度及时间条件下，浸渍热处理材的抗弯强度与热处理材的抗弯强度相比，均有不同程度的提高。其中220℃、2 h浸渍热处理材较热处理材的提高率最大，达到133.9%，180℃、0.5 h浸渍热处理材较热处理材的提高率最小，为33.9%。

从图3中可以看出，随着热处理温度的升高和时间的延长，热处理材及浸渍热处理材的抗弯强度呈下降趋势，且热处理温度对抗弯强度的影响大于热处理时间。以4 h热处理材及浸渍热处理材为例，与素材相比，160℃热处理材及浸渍热处理材的抗弯强度分别下降1.8%、-25.6%，180℃热处理材及浸渍热处理材的抗弯强度分别下降3.8%、-16.9%，200℃热处理材及浸渍热处理材的抗弯强度分别下降10.8%、2.6%，220℃热处理材及浸渍热处理材的抗弯强度分别下降16.8%、28.9%。

图1 处理材较素材抗弯强度降低率Fig.1 The decrease percentage of bending strength

图2 浸渍-热处理材较热处理材抗弯强度的提高率Fig.2 The increase percentage of bending strength

图3 热处理温度对抗弯强度的影响Fig.3 The effect of thermal treatment temperature on bending strength

从图4～图6中我们发现，弹性模量的变化趋势与抗弯强度的基本一致，故不再作详细解释。

2.2 耐磨性

由表3可知，与素材相比，未经热处理的浸渍材的磨耗值由49.4 mg/r下降到42.0 mg/100r，下降幅度不大，而经过热处理后，浸渍材的表面磨耗值整体较素材略大。在200℃前，素材和浸渍材的磨耗值在42.5～49.9 mg/100r范围内，增加幅度为17.41%，达到200℃后，磨耗值从61.2 mg/100r增大到81.0 mg/100r，增加幅度为32.35%，增大的非常明显。磨耗值越小，木材表面的失重量就越低，从而表面耐磨性就越好，反之，耐磨性越差。所以未经热处理的浸渍材的表面耐磨性略优于素材，在200℃以前木材的耐磨性下降不明显，达到200℃后，耐磨性下降的非常明显。

图4 处理材较素材弹性模量降低率Fig.4 The decrease percentage of MOE

图5 浸渍-热处理材较热处理材弹性模量的提高率Fig.5 The increase percentage of MOE

图6 热处理温度对弹性模量的影响Fig.6 The effect of thermal treatment temperature on MOE

表3 木材表面耐磨性Table 3 Abrasion of untreated and treated wood

出现上述结果的原因可能是，经过脲醛树脂浸渍后，木材增重变硬，耐磨性提高，经过热处理后，脲醛树脂有可能失活变性，与木材的结合变松弛，没有木材内部各组分结合的紧密，磨损时，更容易从上面掉下来，从而使得耐磨性变差。

3 结 论

本文以速生杨木为研究对象，采用木材真空加压浸渍处理和炭化罐专用设备，对杨木进行浸渍-热处理，研究了热处理温度和时间对杨木素材、热处理材、浸渍材和浸渍-热处理材的顺纹抗弯强度、弹性模量和耐磨性影响。结果表明：

（1）热处理会使素材和浸渍材的抗弯强度和弹性模量降低，但浸渍材的下降幅度较素材更小，说明浸渍处理能提高木材的抗弯强度和弹性模量；浸渍后，杨木的抗弯强度和弹性模量由 68 MPa、7 025 MPa提高到 92 MPa、8 292 MPa，提高幅度为35.29%、15.28%；热处理后，杨木素材和浸渍材的抗弯强度和弹性模量最低降到 20.84 MPa、48.37 MPa和 4 085 MPa、6 383 MPa，下降幅度为69.35%、47.42%和41.85%、23.02%；

（2）浸渍后，杨木的耐磨性有提高，但幅度不大；热处理后，耐磨性整体呈下降趋势，特别是在200℃后，下降非常明显；浸渍材与素材的耐磨性在同条件下相差不大；

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Effect of impregnation enhancement-heat treatment on mechanical properties of plantation poplar

HOU Rui-guang, LI Xian-jun, LIU Yuan, LIAO Rui, XU Kang, HU Jia-yu, WANG Chun, WANG Yan, CHENG Xi-yi, WANG Cheng-mei
(School of Material Science and Engineering, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

The effect of thermal treatment tempetature and time on the bend strength, MOE and wear resistance of the untreated,impregnated,heat treated and impregnated-heat treated poplar wood which was treated by impregnated-thermal treatment was investiganated by vacuum pressure impregnation treatment equipment and thermal treatment equipment. The results show that the bending strength and elastic modulus of untreated poplar and impregnated poplar decreased by heat treatment, and the decline of impregnated poplar was smaller; The wear resistance of impregnated poplar was improved by a little, and that of the heat treated poplar was declined as a whole, especially above the 200 ℃, the decline was obvious; wear resistance of the untreated poplar and impregnated poplar were at the same level when the process conditions were equal.

UF; impregnation; fast-grown poplar; mechanical properties

S792.11

A

1673-923X(2016)02-0125-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.02.024

http: //qks.csuft.edu.cn

2014-04-10

“十二五”国家科技支撑计划课题(2012BAD24B02)；国家自然科学基金(31370564)；林业公益性行业科研专项(201304509)

侯瑞光，硕士研究生

刘 元，教授， E-mail：liuyuan601220@163.com

侯瑞光，李贤军，刘 元，等. 浸渍-热处理对杨木力学性能的影响[J].中南林业科技大学学报，2016, 36(2): 125-129.

[本文编校：吴 彬]