高温热处理对UF树脂改性杉木力学强度的影响

全 鹏，李 芸，曹 敏，姜成宇，刘 元，胡进波，李贤军

（中南林业科技大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 410004）

高温热处理对UF树脂改性杉木力学强度的影响

全 鹏，李 芸，曹 敏，姜成宇，刘 元，胡进波，李贤军

（中南林业科技大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 410004）

本研究以脲醛（UF）树脂改性杉木为研究对象，采用高温过热蒸汽对其进行热处理，系统研究了热处理温度和时间对UF树脂改性杉木力学强度的影响规律。结果表明：与杉木对照材相比，UF树脂改性杉木力学强度显著提高；高温热处理使杉木浸渍材的力学强度降低；随着温度升高和时间延长，杉木浸渍材的抗弯弹性模量和强度、顺纹抗压强度和横纹抗压比例极限应力均呈明显下降趋势；经热处理后，UF改性杉木抗弯弹性模量、抗弯强度、顺纹抗压强度最大分别可降低11.4%、65.1%和17.3%，横纹全部弦向和径向抗压比例极限应力最大分别可降低60.9%和59.6%，横纹局部弦向和径向抗压比例极限应力最大分别可降低36.5%和56.5%。

杉木；UF树脂改性；热处理；力学性能

杉木Cunninghamia lanceolata是我国重要的人工速生林树种，其具有生长快、干形通直、易加工、尺寸稳定性好、有特殊香气、抗蛀耐腐等优点[1-2]。然而，与硬质阔叶材相比，杉木具有材质差、结构疏松、强度和硬度低、不耐磨等缺陷[3-4]。

为改善人工速生林杉木材性能，扩大其适用范围，有必要对其进行改性处理。近些年来，国内外研究学者选用脲醛树脂、酚醛树脂、甲基丙烯酸甲酯等对杉木进行改性处理，其研究结果表明，经过树脂改性处理后，杉木的密度、硬度、力学强度等性能均能得到改善[1-6]。但树脂改性杉木也存在干燥周期长、树脂固化不完全，木材后期加工和产品后续使用过程中出现游离甲醛释放、树脂溢出等问题[7-8]，严重制约了该改性技术的推广应用。高温热处理是一种绿色木材改性处理技术，它可以使木材颜色加深、尺寸稳定性增强[9-14]、力学强度降低[9-10,12-16]。

本研究拟采用高温热处理方法使改性杉木内的树脂充分固化，解决游离甲醛释放和树脂溢出的问题，研究高温热处理对UF树脂改性杉木力学强度的影响规律，以期为人工速生杉木材增值改性处理技术的工业化推广应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

UF树脂改性杉木购置于广东省宜华木业股份有限公司，锯材规格为1 000 mm（长）× 140 mm（宽）×20 mm（厚）。试验选取的木材要求无开裂、腐朽和变色等可见缺陷。试验前，将16块锯材锯解成规格为200 mm(长)×120 mm (宽)×20 mm（厚）的四面光试件，另将16块锯材按照GB/T1929-2009[17]木材物理力学试件锯解及试样截取方法，锯解成规格为300 mm(长)×20 mm(径)× 20 mm（弦）的力学试件。试样加工好后，在恒温恒湿环境中调控其含水率为12%左右。

1.2 仪器与设备

自制小型高温热处理装置（处理温度≤250 ℃），恒温恒湿箱（HWS-70B，天津泰斯特），电热鼓风干燥箱（101-3AB，天津泰斯特），微机控制电子式木材万能力学试验机（MWD-50，济南试验机厂）。

1.3 方法与步骤

1.3.1 高温热处理

高温热处理过程中，处理温度（160、180、200、220 ℃）和处理时间（1、2、3、4 h）均设定为4个水平。每次处理4块杉木浸渍材试件和8个抗弯强度力学试件。在热处理初期升温段，从室温升高到100 ℃，升温速度控制在20 ℃/h；从100 ℃升温到130 ℃，升温速度控制在10 ℃/h。在130 ℃附近保温30 min，然后将温度升高到试验设定值，并保持相应时间（1、2、3、4 h）。在热处理过程中，用蒸汽发生器向处理箱通入水蒸汽，使被处理木材始终处于水蒸汽的保护之下。热处理结束后，使热处理箱自然冷却至室温，取出处理试件，在恒温恒湿箱中平衡处理7 d，然后将UF树脂改性杉木试件按照GB/T1929-2009[17]要求制作试验所需的力学试件。

1.3.2 力学性能测试

分别参照GB/T1936.2-2009[18]、GB/T1936.1-2009[19]、GB/T1939-2009[20]、GB/T1935-2009[21]测试未经处理杉木材（以下简称“对照材”）、树脂浸渍而未经热处理杉木材（以下简称“浸渍材”）和树脂浸渍-高温热处理联合工艺处理后杉木材（以下简称“浸-热材”）的抗弯弹性模量、抗弯强度、顺纹抗压强度、横纹抗压比例极限应力。

1.3.3 数据处理

采用Excel2016进行计算和分析，采用SPSS进行差异显著性分析，其中P＜0.01为非常显著，P＜0.05为显著。

2 结果与分析

2.1 高温热处理对木材抗弯弹性模量、抗弯强度和顺纹抗压强度的影响

浸渍材、浸-热材和对照材的抗弯弹性模量如图1所示。从图中可以得出，通过浸渍改性处理可以提高杉木的抗弯弹性模量，与对照材相比，浸渍材的抗弯弹性模量提高了36.5%，这是因为木材浸渍树脂后，其细胞腔和细胞壁存在大量的树脂，使木材的密度分布较对照材均匀，同时这些树脂与细胞壁的纤维素无定形区的游离羟基发生交联反应，使得纤维素之间形成网状结构，提高了木材的抗弯弹性模量[6,23]；热处理使浸渍材的抗弯弹性模量降低，与浸渍材相比，浸-热材的抗弯弹性模量下降了1.0%～11.4%，平均下降幅度为6.5%；当热处理时间相同时，随着热处理温度的升高，浸-热材的抗弯弹性模量整体呈现降低趋势，当温度从160 ℃升高到220 ℃，浸-热材的抗弯弹性模量下降了1.6%～5.7%，平均下降幅度为3.1%；当热处理温度相同时，浸-热材的抗弯弹性模量随着热处理时间延长而降低，当热处理时间从1 h延长到4 h，浸-热材的抗弯弹性模量下降了3.6%～7.7%，平均下降幅度为 5.4%；方差分析结果显示热处理温度和时间对杉木浸渍材的抗弯弹性模量影响显著，这一现象与李延军等研究结果[13]相似。

图1 热处理材和对照材的抗弯弹性模量Fig.1 Bending MOE of heat-treated and control specimens

图2表示浸渍材、浸-热材和对照材的抗弯强度。从图中可以看出，通过浸渍改性处理可以提高杉木的抗弯强度，与对照材相比，浸渍材的抗弯强度提高了38.9%，其原因同抗弯弹性模量；热处理使浸渍材的抗弯强度下降，与浸渍材相比，浸-热材的抗弯强度下降了8.2%～65.1%，平均下降幅度为27.4%；当热处理时间相同时，浸-热材的抗弯强度随热处理温度的升高而降低，当温度从160 ℃升高到220 ℃，浸-热材的抗弯强度下降了4.4%～60.8%，平均下降幅度为23.3%； 当处理温度相同时，浸-热材的抗弯强度随热处理时间的延长而降低，当热处理时间从1 h延长到4 h，浸-热材抗弯强度下降了0.7%～7.9%，平均下降幅度为3.3%；方差分析结果显示热处理温度对杉木浸渍材的抗弯强度影响非常显著，热处理时间对杉木浸渍材的抗弯强度影响显著，这一现象与李延军等人的研究结果[13]相似。

图2 热处理材和对照材的抗弯强度Fig.2 Bending MOR of heat-treated and control specimens

浸渍材、浸-热材和对照材的顺纹抗压强度见图3。由图中可以看出，通过浸渍改性处理可以明显增强杉木的顺纹抗压强度，与对照材相比，浸渍材的顺纹抗压强度提高了59.2%，这可能是因为木材浸渍树脂后，密度增大，其具体原因国内外尚无详细研究；热处理使杉木浸渍材的顺纹抗压强度下降，与浸渍材相比，浸-热材的顺纹抗压强度下降了2.7%～17.3%，平均下降幅度为9.0%；当热处理时间相同时，随着处理温度的升高，浸-热材的顺纹抗压强度整体呈下降趋势，但下降幅度较小，当温度从160 ℃升高到220 ℃，浸-热材的顺纹抗压强度下降了0.5%～12.2%，平均下降幅度为5.7%； 当热处理温度相同时，浸-热材的顺纹抗压强度随着处理时间延长而降低，当热处理时间从1 h延长到4 h，浸-热材的顺纹抗压强度下降了0.6%～5.6%，平均下降幅度为2.9%，这可能是因为随着热处理温度的升高和处理时间的延长，会使木材中构成细胞壁基体物质的半纤维素、木质素这两类非结晶型高聚物发生玻璃化转变，从而使木材塑性增大，力学强度下降[7]，而高温热处理会使纤维素结晶区比重加大，且细胞壁中多数微纤丝方向几乎都与细胞轴平行，所以导致木材的顺纹抗压强度下降幅度小[22]。方差分析结果显示热处理温度和时间对杉木浸渍材的顺纹抗压强度影响显著。

图3 热处理材和对照材的顺纹抗压强度Fig.3 Compressive strength of heat-treated and control specimens

由图1～图3可知：随着热处理温度的升高，浸渍材的抗弯强度和抗弯弹性模量均出现不同程度的下降，且在相同的处理工艺条件下，热处理对浸渍材的抗弯强度影响比对抗弯弹性模量的大，这是由于当热处理温度较低时（160 ℃），木材的主要化学组成几乎没有变化，而在180 ℃热处理时，较热不稳定的半纤维素先行发生分解，细胞壁的结构疏松不明显，对应MOR，MOE有较小的变化；200 ℃以上热处理时，半纤维素的热分解程度增大，使纤维素和木质素之间的连接作用变弱，引起纤丝相对地和纤维素骨架一起发生滑移，再加之纤维素也开始分解而使木材的内部强度被削弱，导致试件的MOR和MOE显著降低[12]。此外，纤维素主要赋予木材弹性和强度，木素主要赋予木材硬度和刚度[24]，且抗弯弹性模量表征的是木材的刚度，抗弯强度则对应木材的强度；在热处理过程中，随着热处理温度的升高，木材的纤维素降解程度加大，而木质素含量增加，导致木材的强度下降幅度较大，刚度的下降幅度较小[11]。

2.2 高温热处理对木材横纹抗压比例极限应力的影响

图4表示浸渍材、浸-热材和对照材的横纹弦向、径向全部抗压比例极限应力。从图中可以看出，通过浸渍改性处理可以明显改善杉木的横纹弦向、径向全部抗压比例极限应力，与对照材相比，浸渍材的横纹弦向、径向全部抗压比例极限应力分别提高了157.2%、148.6%，其可能与浸渍脲醛树脂使杉木的密度增大有关；在相同的热处理条件下，浸-热材的弦向与径向横纹全部抗压比例极限应力的差距不明显；热处理使杉木浸渍材的弦、径向横纹全部抗压比例极限应力降低，与浸渍材相比，浸-热材的弦向与径向横纹全部抗压比例极限应力分别下降3.0～60.9%、11.2～59.6%，平均下降幅度分别为39.3%、 45.0%，且当热处理时间相同时，随着处理温度的升高，浸-热材的弦向和径向的横纹全部抗压比例极限应力整体均呈现下降趋势，当热处理温度从160 ℃升高到220 ℃时，浸-热材的弦向横纹全部抗压比例极限应力下降了3.1～36.1%，平均下降幅度为25.8%，径向横纹全部抗压比例极限应力下降了6.3%～36.7%，平均下降幅度为21.2%，其可能是纤维素、木素的热稳定性均比半纤维素好，在温度较低的情况下，可以认为纤维素和木素不会发生分解或部分分解，只是在局部发生了微小的变化，当温度达到220 ℃时，木材细胞壁的纤维素和木素开始发生大量分解，导致木材力学性能显著下降[13]；当热处理温度固定时，浸-热材的横纹弦向和径向全部抗压比例极限应力随处理时间延长而降低，当热处理时间从1 h延长到4 h时，浸-热材的弦向横纹全部抗压比例极限应力下降了13.4%～38.4%，平均下降幅度为26.6%，径向横纹全部抗压比例极限应力下降了3.3%～39.6%，平均下降幅度为17.7%。方差分析结果显示热处理温度和时间对杉木浸渍材的横纹全部抗压比例极限应力的影响非常显著。

图4 热处理材和对照材的横纹全部抗压比例极限应力Fig.4 Overall compressive stress at proportional limit perpendicular to the grain of heat-treated and control specimens

图5表示浸渍材、浸-热材和对照材的横纹弦、径向局部抗压比例极限应力。从图中可以看出，通过浸渍改性处理可以明显提高杉木的横纹局部弦向和径向抗压比例极限应力，与对照材相比，浸渍材的横纹局部弦向和径向抗压比例极限应力分别提高了170.6%、141.3%；热处理使杉木浸渍材的弦、径向横纹局部抗压比例极限应力降低，与浸渍材相比，浸-热材的弦向与径向横纹局部抗压比例极限应力分别下降了0.4%～36.5%、0.9%～56.5%，平均下降幅度为分别为20.2%、28.4%；在相同的热处理条件下，浸-热材的弦向与径向横纹局部抗压比例极限应力的差距不明显；当热处理时间相同时，浸-热材的横纹局部弦向和径向抗压比例极限应力随着热处理温度的升高而降低，当热处理温度从160 ℃升高到220 ℃时，浸-热材的弦向横纹局部抗压比例极限应力下降了1.5%～25.1%，平均下降幅度为13.4%，径向横纹局部抗压比例极限应力下降了0.3%～30.6%，平均下降幅度为13.6%，其原因与横纹全部抗压比例极限应力的相同；当热处理温度相同时，浸-热材的横纹弦、径向局部抗压比例极限应力随着热处理时间延长而降低，当热处理时间从1 h延长到4 h时，浸-热材的弦向横纹局部抗压比例极限应力下降了1.0%～26.2%，平均下降幅度为11.5%，径向横纹局部抗压比例极限应力下降了3.7%～45.3%，平均下降幅度为25.4%。方差结果显示热处理温度和时间对杉木浸渍材的横纹局部抗压比例极限应力的影响非常显著。

图5 热处理材和对照材横纹局部抗压比例极限应力Fig.5 Local compressive stress at proportional limit perpendicular to the grain of heat-treated and control specimens

由图4～图5可以得出：在相同的热处理工艺下，杉木浸渍材的横纹局部抗压比例极限应力大于横纹全部抗压比例极限应力，其可能是因为局部压缩时，与加压板接触的附近应力分布复杂，且受压缩材的余长影响，所以和全部加压相比，中央局部加压的比例极限应力更大[7-8]。

3 结 论

本研究在4个温度水平（160 ℃、180 ℃、200 ℃和220 ℃）和4个时间水平（1 h、2 h、3 h和4 h）下对杉木浸渍材进行高温热处理，研究了处理温度和处理时间对木材抗弯弹性模量和强度、顺纹抗压强度、横纹抗压比例极限应力的影响规律，结果如下：

（1）通过UF树脂改性处理可以显著提高杉木的力学强度，提高幅度超过30%。

（2）热处理使杉木浸渍材的力学强度出现下降。随着温度升高和时间延长，杉木浸渍材的抗弯弹性模量和强度、顺纹抗压强度、横纹全部和局部抗压比例极限应力均呈下降趋势，且规律明显。在本研究范围内，与未经热处理的杉木浸渍材相比，热处理使杉木浸渍材的抗弯弹性模量下降1.0%～11.4%，抗弯强度下降8.2%～65.1%，顺纹抗压强度下降2.7%～17.3%，横纹全部弦向和径向抗压比例极限应力分别下降3.0%～60.9%、11.2%～59.6%，横纹局部弦向和径向抗压比例极限应力分别下降0.43%～36.5%、0.87%～56.5%。

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Effects of heat treatment on mechanical properties of urea formaldehyde resin modi fi ed Chinese fi r

QUAN Peng, LI Yun, CAO Min, JIANG Chengyu, LIU Yuan, HU Jinbo, LI Xianjun
(College of Material Science and Engineering, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

The UF resin modified Chinese fir was treated in the high temperature superheated steam to investigate the effects of temperature and processing time on wood properties. The results show that the mechanical properties of the Chinese fi r were improved after UF resin impregnation. The mechanical properties of the UF resin modified Chinese fir decreased after high-temperature heat treatment. With the increase of temperature and the extension of time, the bending MOE, MOR, the compressive strength to the grain and stress at proportional limit perpendicular to the grain of Chinese fi r were all decreased. After heat treatment, compared with the untreated UF resin modi fi ed Chinese fi r, the bending MOE and MOR, the compressive strength of the grain of the modi fi ed wood was reduced by 11.4%, 65.1%, 17.3% to the maximum extent, respectively, tangential and radial overall compressive stress at proportional limit perpendicular to the grain of the modi fi ed wood was reduced by 60.9%, 59.6% to the maximum extent, respectively. The tangential and radial local compressive stress at proportional limit perpendicular to the grain of the modi fi ed wood was reduced by 36.5%, 56.5%to the maximum extent, respectively.

Chinese fi r; urea formaldehyde resin modi fi ed; heat treatment; mechanical properties

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.12.024

http: //qks.csuft.edu.cn

S781.43

A

1673-923X(2017)12-0153-06

2017-05-24

十二五国家科技支撑计划课题“人工林软质木材增强制造关键技术与示范”（2015BAD14B01）；湖南省科技计划专项“重要用材树种高效培育及利用技术研究与示范”（2016NK2160）

全 鹏，硕士研究生

李贤军，教授，博士，博导；E-mail：lxjmu@163.com

全 鹏，李 芸，曹 敏，等. 高温热处理对UF树脂改性杉木力学强度的影响[J].中南林业科技大学学报，2017, 37(12):153-158

[本文编校：文凤鸣]