硅酸钠/酚醛树脂改性杨木物理力学性能研究

刘宇 刘明利 李春风

摘要：以硅酸钠/酚醛树脂为浸渍液，采用满细胞法，利用真空-加压的浸渍方式，提高速生杨木的物理力学性能。采用正交试验方法，以浸渍液配方、真空时间、保压时间为变量，物理力学性能作为评价指标。结果表明：增重率达到40%左右时，改性材的弹性模量（MOE）、静曲强度（MOR）、顺纹抗压强度和抗冲击韧性分别提高了29.5%、28.0%、36.2%和21.0%。体积干缩湿涨率降低了14%。

关键词：硅酸钠;酚醛树脂;杨木;改性;物理力学性能;

Abstract： The physical and mechanical properties of fast-growing poplar were improved by using sodium silicate/phenolic resin as impregnation solution， through full cell method and vacuum-pressure impregnation method. Based on the orthogonal test method. The formula of impregnation solution， vacuum time and holding time were taken as variables， and the physical and mechanical properties were taken as evaluation indexes. The results show that when the weight gain rate reaches about 40%， modulus of elasticity（MOE）， modulus of rupture（MOR）， compressive strength along grain and impact toughness of the modified poplar are increased by 29.5%， 28.0%， 36.2% and 21.0%， respectively. The rate of  dry shrinkage and wet expansion is reduced by 5% and 3.4%.

Key words： Sodium silicate; Phenolic Resin; Poplar; Modification; Physical and Mechanical properties

隨着生活水平的提高，人们对木材的需求量越来越大，但由于天然林木材的日益缺乏以及国家倡导“绿水青山就是金山银山”及对绿色生态林实施保护，导致柞木、水曲柳等硬质木材价格不断攀升，以及下游产品价格提高。另外，杨木、泡桐等软质木材由于其材性较差，素材无法代替硬质木材。但杨木作为速生木材具有生长周期短、成材早、适应性强等硬质阔叶材无法比拟的优势，同时也存在密度低、强度弱、疏水性差等劣势。国内外学者研究表明，杨木通过真空浸渍技术，化学改性物理填充可以有效增强杨木的强度和弹性模量，是使用改性技术来改善速生木材物理力学性能缺点的有效途径[1-3]。

硅酸钠溶液（俗称水玻璃）具有来源广泛，成本低且环保等优点，被国内外学者广泛用于改性木材[4，5]。研究表明，用硅酸钠溶液对木材进行改性处理，由于其具有较强的吸湿性和碱性，对木材本身性能影响较大，经高温固化后，可提高木材的物理力学性能[6]。但由于无机物浸渍木材易出现抗流失性差等缺点[7]，一些学者利用如酚醛树脂、脲醛树脂、三聚氰胺树脂对木材进行强化处理，其中酚醛树脂作为改性剂表现出显著的改性效果因此得到青睐，酚醛树脂作为木材浸渍改性剂，能够改善木材尺寸稳定性、强度、天然耐久性，但酚醛树脂改性材降低了木材韧性和较大程度上增加了成本[8]。为了克服单一改性剂的缺点，本实验采用酚醛树脂/硅酸钠复合液作为改性处理液，利用真空加压浸渍方式，得到性能优良的复合改性处理材。

1.材料与方法

1.1材料及设备

杨木（Populus tomentosa）：吉林省蛟河林场，密度0.41 g/cm3，含水率8%～12%，规格长×宽×厚（500 mm×122 mm×41 mm）;硅酸钠溶液（模数2.3）;酚醛树脂（PF）;真空加压浸渍罐：VPI250，沈阳维科真空技术有限公司;万能力学试验机：DWD-100E。

1.2方法

1.2.1酚醛树脂/硅酸钠复合浸渍改性液合成工艺优化

以硅酸钠为主要原料，酚醛树脂为辅助原料。PF/硅酸钠（质量分数）从（1-9）：10;引入去离子水与酚醛树脂和硅酸钠形成均一的浸渍液，去离子水/水玻璃（质量分数）从（1-9）：10。具体浸渍液配方及指标结果见表1。选用固含量36.54%、34.67%和42.10%的三组为本研究浸渍溶液。

1.2.2复合改性人工速生杨木的浸渍工艺优化

利用真空浸渍，以浸渍液配比、真空时间、保压时间为因素，进行L934正交试验。正交试验见表2。

1.2.3性能检测

抗弯强度、抗弯弹性模量、冲击韧性分别依据国家标准GB/T 1936.1—2009、GB/T1936.2—2009、GB/T 1940—2009;顺纹抗压根据国家标准GB/T 1935—2009;吸水性、湿涨性、干缩性分别根据国家标准GB/T 1934.1—2009、GB/T 1934.2—2009、GB/T 1932—2009测试。所有试件在实验开始前在常温常压下平衡1周左右，每组测试20个重复样。

2.结果与分析

2.1不同增重率对改性速生杨木力学性能的影响

图1为不同增重率对改性杨木力学性能的影响。从图可以看出随着增重率的提高，改性后的速生杨木弹性模量也相应提高。增重率在40%时，与未改性材相比，弹性模量提高了29.5%。抗弯强度提高了28.0%。改性后的速生杨木顺纹抗压强度也相应提高。与素材相比，增重率达到40%，顺纹抗压强度提高了34.11%，冲击韧性提高了21.0%，这可能是由于引入填充材料提高木材的密度，从而提高了木材力学性能，并且由于硅酸钠与酚醛树脂生成互穿网络（IPN）结构使酚醛树脂增韧进而改性杨木冲击韧性有所提高[9]。

2.2 不同增重率对改性杨木的物理性能影响

图2为不同增重率对改性杨木湿胀性、干缩性的影响。随着增重率的增加改性材的湿涨率降低和抗涨率提高，干縮率略有降低。可以看出经过处理后的改性杨木与未处理材相比湿胀性和干缩性略有降低，分别下降了5%和3.4%。究其原因：木材尺寸的变化是木材在失水或吸湿时，木材内所含水分向外蒸发，或干木材由空气中吸收水分，使细胞壁内非结晶区的相邻纤丝间、微纤丝间和微晶间水层变薄（或消失）而靠拢或变厚而伸展。本研究引入的填充材料填充到木材内部的孔隙，附着或者部分的附着与木材的细胞壁表面，因此阻碍了木材能够吸收水分的通道。从而降低了木材的吸湿干缩性。

3.结论

（1）与未处理材相比，改性材弹性模量、静曲强度、顺纹抗压强度和冲击韧性分别为142.70 GPa、157.1 MPa、57.4 MPa、112.3 kJ/m2。

（2）与未处理材相比，改性处理降低杨木的吸湿干缩性，提高了尺寸稳定性。增重率为40%左右时，改性杨木的湿涨率和干缩率，分别下降了5%和3.4%。

参考文献

【1】郎倩，陈鹤予，佘颖，武国峰，蒲俊文.功能型木材改性剂对速生杨木物理力学性能的改性效果[J].浙江农林大学学报，2012，29（05）：686-690.

【2】吕建雄，徐康，刘元，等.速生人工林杨木增强改性的研究进展[J].中南林业科技大学学报，2014，34（03）：99-103.

【3】谢延军，符启良，王清文，等.木材化学功能改良技术进展与产业现状[J].林业科学，2012，（09）：154-163.

【4】王德福，李春风，刘明利等.热处理与硅酸钠联合改性杨木的物理力学性能[J].木材工业，2016，30（6）：31-34.

【5】Furuno T.F Uehara.S Jodai. Combination of wood and silicate.Some properties of wood-mineral composiles using the water glass-boron compoundsystem.Mokuzai gakkaishi. 2011.39（5）：561-570.

【6】廖恒.杨木的硅酸盐改性研究[D].东北林业大学，硕士论文，2009.

【7】陈志林，王群，左铁镛，等.无机质复合木材的复合工艺与性能[J].复合材料学报，2003，20（04）：128-132.

【8】方桂珍，李淑君，刘健威.低分子量酚醛树脂改性大青杨木材的研究[J].木材工业，1999，（05）：17-19.

【9】徐春利，郭红霞，林兰英，等.聚合物改性水玻璃均相杂化液对速生杨木的改性[J].化学研究与应用，2010，22（2）：240-243.