正硅酸乙酯-KH-570复合浸渍改性速生杨木

刘 宇，刘明利，赵学峰，任伟斌，王晓伟，徐国锋

(1.北华大学材料科学与工程学院，吉林 吉林 132013；2.吉林森工金桥地板集团有限公司，吉林 长春 130114)

木材是人类最早使用的材料，无论是房屋建造还是家具制造都离不开木材，虽然现在钢筋混凝土可以代替木材制造房屋，但室内装潢仍在使用木材.随着社会发展，人口不断增长，木材消耗量日益增大，供需矛盾日益突出.因此，国家实行了封山育林政策[1]，以减少对自然林的采伐，但市场对木材的需求量并没有因此而减少.据测算，我国2020年木材需求量约为4.6亿m3左右，每年木材供应缺口约为1.6亿m3.第八次全国森林资源清查显示，我国森林面积约为2.08亿hm2，其中36%的林地面积为人工林，约为6 933万hm2，人工林储蓄量为24.83亿m3，占全国森林资源储蓄量的17%.我国人工林的规模居世界首位，占世界人工林总面积的1/4[2-3].

人工林生长速度快、砍伐周期短、价格低廉、干形好，具有大规模生产高附加值木制复合材的潜能[4-5]，但木材密度小、材质软、结构疏松、强度低、尺寸稳定性差、易腐朽，给生产利用带来诸多问题[6-7].浸渍是提高木材附加值的有效途径.木材浸渍改性的主流浸渍液是脲醛树脂[8-9]、酚醛树脂[10-11]、三聚氰胺甲醛树脂[12-13]，但醛类浸渍液在制备和使用过程中会不断释放甲醛，危害人类健康.本次试验采用正硅酸乙酯-KH-570复合的无醛浸渍液，用常压浸渍方法对木材进行浸渍处理[14-16]，以吸水率、体积湿涨率、气干缩率、疏水性为评价指标，通过红外光谱、DSC分析浸渍机理，探索合理的浸渍工艺.

1 材料与方法

1.1 材 料

硅烷偶联剂KH-570(化学纯，广州穗欣化工有限公司)；正硅酸乙酯(TEOS)；氨水、无水乙醇(分析纯，天津市大茂化学试剂厂)；速生杨木(敦化市新玉木材加工厂).

1.2 仪 器

电热鼓风干燥箱(DL102，天津市实验仪器厂)；精密电子天平(FA2004，天津天马衡基仪器有限公司)；电子数显卡尺(0～150 mm，上海台海工量具有限公司)；红外光谱仪(WQF-510A，长沙市开福区金拓耐火器材厂)；差示扫描量热仪(DSC4000，珀金埃尔默仪器有限公司).

1.3 试验方法与设计

浸渍液成分为TEOS、KH-570、氨水、无水乙醇、蒸馏水.

1)浸渍液配制：以TEOS与KH-570的物质的量比为变量，将其设定为1∶1、1∶0.75、1∶0.5、1∶0.25、1∶0.将溶剂无水乙醇与TEOS物质的量比定为1∶1[17].

2)水浸木材：将反应物蒸馏水提前浸注到木材中.水浸温度为95 ℃、水浸时间为1 h.

3)浸渍工艺：将水煮后的木材放入浸渍液，在60 ℃水浴中恒温加热30 min.取出浸渍装置，再加入TEOS质量10%的氨水溶液，常温缩合4 h.

1.4 物理性能检测

木材吸水性按国标GB/T 1934.1—2009检测[18]，木材体积湿胀性按国标GB/T 1934.2—2009检测[19]，木材气干缩性按国标GB/T 1932—2009检测[20].

1.5 接触角分析

在室温下使用昆山市顺诺仪器有限公司的SN-6900光学接触角测量仪测量浸渍液的静态接触角，以蒸馏水为介质，液滴体积为5 μL.

1.6 红外光谱分析

胶黏剂样品在恒温干燥箱中以120 ℃烘干，直至获得恒定质量，然后将烘干的胶黏剂磨成200目以下粉末.制样时样品与KBr晶体的质量比为1∶70，压制在模具中进行分析.在WQF-510A光谱仪上记录不同胶黏剂样品的红外光谱，扫描波长在4 000～400 cm-1，采用32次扫描，分辨率为4 cm-1.

1.7 差示扫描量热分析

胶黏剂样品在恒温干燥箱中以120 ℃烘干，直至获得恒定质量，用DSC4000(PerkinElmer)进行检测.在氮气氛围下，样品质量约为4～6 mg，温度范围为30～200 ℃，升温速率为5 ℃/min.

2 结果与分析

不同TEOS与KH-570物质的量比对处理材的增重率、尺寸稳定性、吸水率、体积湿涨率、气干缩率、流失率的影响见表1.由表1可知：当TEOS与KH-570的物质的量比由1∶0增大到1∶1时，处理材的增重率逐渐增大，由11.85%增大到36.95%；尺寸稳定性逐渐减少，由0.20%降低到2.43%；吸水率逐渐减少，由142.22%降到98.02%；体积湿涨率逐渐减小，由13.10%减小到11.12%；气干缩率呈先增加后减少的趋势，由11.42%增加到12.23%，再减小到10.08%；流失率逐渐减小，由2.09%减小到0.92%.

表1 KH-570用量对浸渍效果的影响

TEOS与KH-570物质的量比主要影响处理材的增重率，从而影响处理材的各项性能.随着增重率的增加，尺寸稳定性逐渐降低，这主要是由于一部分无机物吸附在细胞壁上，随着在木材中填充量的逐渐增加，细胞壁上的无机物含量也会逐渐增加，因此尺寸稳定性就会降低.增重率越大的处理材吸湿率越低，这是因为无机物的吸水能力远低于纤维素、半纤维素、木质素，并且增重率越大，木材中的空隙率越低，使得吸水量减小.增重率越大体积湿涨率越小.无机物进入细胞间隙吸附到细胞壁上，既阻止了水分进入木材空隙又减弱了细胞壁对水分的吸收.随着增重率的增加，气干缩率呈先增大后减小的趋势.流失率逐渐减小，可能是因为KH-570吸附木材的能力大于无机物吸附木材的能力.

由表1可知：试验中，所有TEOS与KH-570物质的量比下，处理材的物理性能均超过素材.在TEOS与KH-570的物质的量比为1∶1时，各项物理性能都是最好的，但尺寸稳定性要比其他配比低很多.而TEOS与KH-570的物质的量比为1∶0.75时，增重率虽不是最大，各方面性能也不是最好，但其相比1∶1时尺寸稳定性提高很多，且各项物理性能降低很少，所以认定TEOS与KH-570物质的量比为1∶0.75是最佳配比.

2.1 TEOS与KH-570物质的量比对改性杨木抗吸水率的影响

图1为不同TEOS与KH-570物质的量比下处理材相对素材的抗吸水率.由图1可知：抗吸水率随着TEOS与KH-570物质的量比的增大而增大，即由30.43%增大到52.05%，其中TEOS与KH-570物质的量比为1∶0.75和1∶1时的抗吸水率相差不大，可能原因是浸渍液填充到木材空隙中，经水解、缩合通过陈化形成了具有三维网络结构的凝胶，再将浸渍木材进行干燥，无机粒子将附着到细胞壁上或沉积到木材空隙中，从而阻挡了水分的进入.

2.2 TEOS与KH-570物质的量比对改性杨木抗体积湿涨率的影响

图2为TEOS与KH-570不同物质的量比处理材相对素材的抗体积湿涨率.抗体积湿涨率随着TEOS与KH-570物质的量比的增大而增大，由16.56%增加至29.17%，可能原因是浸渍液与木材之间形成了氢键相互作用，从而减弱了细胞壁的吸水能力.

2.3 TEOS与KH-570物质的量比对改性杨木抗气干缩率的影响

图3为不同TEOS与KH-570的物质的量比处理材相对素材的抗气干缩率.结果显示：当TEOS与KH-570物质的量比逐渐增大时，抗气干缩率呈先减小再增大的趋势，由12.60%减小至4.89%，再增大到21.61%.

2.4 接触角分析结果

以TEOS与KH-570物质的量比为变量制备浸渍液处理木材后，水滴在处理材表面停留1 min的接触角见图4.水滴滴到未处理木材表面30 s后完全铺展开，主要原因是木材表面疏松、多孔且含有大量亲水性基团，木材表现出较强的亲水性.木材经过浸渍处理后其表面接触角得到了很大提高，原因是木材表面具有微米级粗糙度，经过浸渍改性降低了木材表面粗糙度，使木材表面更加光滑，同时降低了木材表面能，使水滴在木材表面铺展变得更加困难.另一方面，TEOS和KH-570水解后会产生很多羟基，这些羟基可能与木材中的羟基相互作用或是相结合，使得木材中的羟基数量减少，从而使木材的亲水性降低.

由图4可知：随着TEOS与KH-570物质的量比不断增大，水滴与处理材表面的接触角由85°增大至124.5°，但在TEOS与KH-570物质的量比小于1∶0.5后水滴与处理材之间的接触角由124.5°减小至97°，而使用不加KH-570的浸渍液处理木材，其接触角最大为137.5°，可能原因是KH-570本身具有长链烷烃结构，能够起到一定的疏水效果，但是疏水性能要小于无机硅，从而整体上对木材表面的疏水起到消极作用.

2.5 红外分析结果

2.6 差示扫描量热分析结果

图6为素材和浸渍后处理材的DSC曲线.由图6可知：素材的Tg值为55.86 ℃，处理材的Tg值为42.21 ℃，素材经浸渍处理Tg值降低了13.65 ℃.浸渍液在木材内部经溶胶-凝胶过程堆积在细胞腔内和吸附在细胞壁上，从而使硬而脆的素材变得相对柔软.

3 结 论

经单因素试验分析可知：TEOS与KH-570的最佳物质的量比为1∶0.75，其增重率为27.40，尺寸稳定性为1.59%，吸水率为106.81%，体积湿涨率为11.28%，气干缩率为10.89%，流失率为1.00%.随着TEOS与KH-570物质的量比的增大，处理材抗吸水率和抗体积湿涨率逐渐减小，抗气干缩率呈先增大后减小的趋势，TEOS与KH-570物质的量比为1∶0.5时为最小点.速生杨木经TEOS-KH-570复合浸渍改性后，其表面疏水性得到了极大提高，从亲水性材料变为疏水性材料.浸渍后的木材物理性能得到了提升，无有害物质释放，拓宽了杨木的使用范围.