高温热处理对UF树脂改性杉木吸湿性和耐湿尺寸稳定性的影响

全 鹏，李 芸，牟玉姝，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）

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、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的木材性能，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[1-3,5-6]。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和尺寸稳定性增强[9-16]。

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树脂改性杉木吸湿性和耐湿尺寸稳定性的影响规律，获得优化的热处理工艺，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）×23 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，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。

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和220 ℃）和处理时间（1、2、3和4 h）均设定为4个水平，每次处理4块杉木浸渍材试件。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 h、2 h、3 h和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，然后将所有试件放入干燥箱中（60 ℃）干燥4 h，再按GB/T1931-2009[17]的要求，将试件干燥至绝干。

1.3.2 吸湿性和耐湿尺寸稳定性的测试

参照GB/T1934.2-2009[18]，采用饱和盐溶液法[19-20]测试未经处理的杉木材（以下简称对照材）、树脂浸渍而未经热处理的杉木材（以下简称浸渍材）和树脂浸渍-高温热处理的杉木材（以下简称热处理材）吸湿后的平衡含水率、线湿胀率和体积湿胀率。

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 高温热处理对杉木浸渍材吸湿性的影响

图1表示浸渍材、热处理材和对照材的平衡含水率随着热处理温度和时间的变化规律。从图1中可以看出，通过浸渍处理可以降低杉木的平衡含水率，与对照材相比，浸渍材的平衡含水率下降了14.44%，其原因可能是UF树脂与木材细胞壁的活性基团反应，减少了水分的结合位点，且树脂在木材内部干燥固化后存在一种内结合力，较小幅度地改善了微纤丝排列的规整性和有序性，从而降低了木材的平衡含水率[21]。热处理可以降低杉木浸渍材的平衡含水率，与对照材相比，热处理材的平衡含水率下降了15.16%～39.00%；与浸渍材相比，热处理材的平衡含水率下降了0.84%～28.71%。当热处理时间相同时，热处理材的平衡含水率随热处理温度的升高呈先降低后升高的趋势，当温度从160 ℃升高到220 ℃时，与对照材相比，热处理材的平衡含水率下降了16.32%～35.37%；与浸渍材相比，热处理材的平衡含水率下降了2.19%～24.46%，其原因是经过高温热处理后，木材的半纤维素发生降解，木质素缩合形成稳固而弹性小的网状结构，纤维素的结晶度增大，从而导致热处理材的平衡含水率降低[22]。而热处理温度达到220 ℃时，与200 ℃相比，木材的平衡含水率略呈现出增加趋势，其原因可能是木材内部产生了一些酸性物质，使纤维素部分降解，从而导致木材吸湿性增强[23]。当热处理温度相同时，杉木浸渍材的平衡含水率随热处理时间的延长，有的先降后升，有的先升后降，其可能是由于木材材性不均一和木材内部树脂分布不均匀引起的。当热处理时间从1 h延长到4 h时，与对照材相比，热处理材的平衡含水率下降了24.60%～28.00%；与浸渍材相比，热处理材的平衡含水率下降了11.88%～15.85%。方差分析也证实，热处理温度和时间对杉木浸渍材吸湿性的影响非常显著。

图1 热处理材和对照材的平衡含水率Fig.1 Equilibrium moisture content of heat-treated and control specimens

2.2 高温热处理对杉木浸渍材耐湿尺寸稳定性的影响

图2～图4分别表示浸渍材、热处理材和对照材的弦向、径向湿胀率和体积湿胀率随热处理温度和时间的变化规律。从图2～图4中可以看出，通过浸渍处理可以降低杉木的线性湿胀率和体积湿胀率，与对照材相比，浸渍材的弦向、径向湿胀率和体积湿胀率分别降低了16.12%、11.83%、12.41%，其原因是对杉木浸渍UF树脂后，树脂与木材内部的活性基团（-OH）反应，减少了水分的结合位点，且浸渍UF树脂可以提高木材的相对结晶度，从而提高木材的耐湿尺寸稳定性[21]。热处理可以降低杉木浸渍材的线性湿胀率和体积湿胀率，与对照材相比，热处理材的弦向、径向湿胀率和体积湿胀率分别下降了27.60%～62.02%、21.51%～69.89%、21.42%～59.99%；与浸渍材相比，热处理材的弦向、径向湿胀率和体积湿胀率分别下降了11.73%～53.42%、17.68%～65.85%、10.29%～54.32%。当热处理时间相同时，热处理材的弦向、径向湿胀率和体积湿胀率随热处理温度的升高而先降低后升高，当温度从160 ℃升高到220 ℃时，与对照材相比，热处理材的弦向、径向湿胀率和体积湿胀率分别下降了35.79%～58.06%、31.72%～56.72%、31.52%～59.25%；与浸渍材相比，热处理材的弦向、径向湿胀率和体积湿胀率分别下降了22.96%～49.67%、24.24%～50.91%、21.82%～53.48%，其原因是木材的耐湿尺寸稳定性与木材的结晶度和游离羟基的数目等因素有关，木材的纤维素和半纤维素在受热过程中都要发生变化，含氧量高的半纤维素最先发生降解，会使游离羟基的数量大大减少，同时纤维素非结晶区内的纤丝间距离减小，分子间作用力增大，使得纤维素结晶度增加，从而提高木材耐湿尺寸稳定性。但当处理温度达到220 ℃时，由于木材半纤维素上的脱乙酰基形成乙酸，其在高温下使得纤维素发生部分酸解，破坏了纤维素的构造，使得纤维素的聚合度下降导致木材结晶度降低，从而降低了木材的耐湿尺寸稳定性[23]。当热处理温度相同时，杉木浸渍材的耐湿尺寸稳定性随热处理时间的延长，有的先升高后降低，有的先降低后升高，当热处理时间从1 h延长到4 h时，与对照材相比，热处理材的弦向、径向湿胀率和体积湿胀率分别下降了44.19%～46.99%、36.83%～47.98%、40.12%～45.53%；与浸渍材相比，热处理材的弦向、径向湿胀率和体积湿胀率分别下降了33.47%～36.81%、30.03%～41.01%、31.64%～37.81%，其可能是由木材材性不均一和树脂在木材内部分布不均匀引起的。比较图2和图3可以看出，热处理材的弦向湿胀率大于径向湿胀率，这是由木射线对径向收缩的抑制、早晚材差异、径壁和弦壁的纹孔差异等多种因素造成的[24]。方差分析也证实，热处理温度和时间对杉木浸渍材耐湿尺寸稳定性的影响非常显著。试验数据也表明杉木浸渍材平衡含水率的变化趋势与湿胀率的变化趋势相似。

图2 热处理材和对照材的弦向湿胀率Fig.2 Radial direction swelling of heat-treated and control specimens

图3 热处理材和对照材的径向湿胀率Fig.3 Tangential direction swelling of heat-treated and control specimens

图4 热处理材和对照材的体积湿胀率Fig.4 Volume swelling of heat-treated and control specimens

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、2、3和4 h）下对UF树脂改性杉木进行高温热处理，研究了热处理温度和处理时间对UF树脂改性杉木的吸湿性和耐湿尺寸稳定性的影响规律，结果如下：

（1）通过UF树脂改性处理可以降低杉木的吸湿性，提高其耐湿尺寸稳定性。与对照材相比，UF树脂改性杉木的平衡含水率降低了14.44%，弦向、径向湿胀率和体积湿胀率分别降低了16.12%、11.83%、12.41%。

（2）高温热处理可以降低UF树脂改性杉木的吸湿性，提高其耐湿尺寸稳定性；与热处理时间相比，热处理温度对UF树脂改性杉木的吸湿性和耐湿尺寸稳定性影响更大，UF树脂改性杉木的线性湿胀率、体积湿胀率和平衡含水率随热处理温度的升高而先降低后升高；与对照材相比，热处理使UF树脂改性杉木的平衡含水率、弦向、径向湿胀率和体积湿胀率分别降低了15.16%～39.00%、27.60%～62.02%、21.51%～69.89%、21.42%～59.99%；与未经热处理的UF树脂改性杉木相比，热处理使UF树脂改性杉木的平衡含水率、弦向、径向湿胀率和体积湿胀率分别降低了0.84%～28.71%、11.73%～53.42%、17.68%～65.85%、10.29%～54.32%。

本文虽然研究了UF树脂浸渍处理和高温热处理对杉木的吸湿性和耐湿尺寸稳定性的影响规律，但还缺少影响机理的研究，下一步研究应集中于UF树脂在杉木内部的分布和树脂在高温下的变化对杉木材性的影响方面。