工业化生产树脂增强杨木的性能与评价∗

王梦蕾 元海广 孙照斌 魏立婷 杨丽虎

（1.河北农业大学林学院，河北 保定 071000；2.河北爱美森木材加工有限公司，河北 邯郸 056800；3. 江苏爱美森木材加工有限公司，江苏 淮安 223001）

速生人工林杨树生长迅速，适应性强，蓄积量大，分布范围广，是我国尤其北方地区人工林的主要树种[1-2]。但人工林杨木存在结构疏松、密度小（基本密度小于0.40 g/cm3）、材质软、强度低、切削加工易起毛等缺点，直接影响木材质量和价格，多用于低附加值木材产品。对人工林杨木进行功能性改良，可大幅度提高杨木附加值，有效扩大其应用范围[3-5]。

树脂浸渍改性是指将木材浸泡在水溶性低分子量树脂溶液中，树脂扩散进入木材细胞壁，使木材增容，然后经干燥除去水分，最后加热使树脂固化，达到改性目的[6-9]。树脂浸渍处理能够较好地改进木材的力学强度、耐腐性、尺寸稳定性等性能[8-13]。众多学者以杨木、杉木、桉木等速生材为研究对象，探究了浸渍处理对改性木材物理力学性能等的影响[14-16]。研究大多采用实验室小规格锯材在小型浸渍设备中完成，各项工艺参数可控性相对较好，但应用于工业化规模生产，尚需对设备和相关工艺参数进行调整。

本研究以工业化生产的树脂增强大规格杨木锯材为研究对象，分别对其物理力学性能，胶合、涂饰、视觉性能等进行测试分析，并以亚美马褂木（Liriodendron sino-americanumP.C.Yiehex ShangetZ.R.Wang）和北美鹅掌楸（Liriodendron tulipifera Linn.）为对照材，对改性杨木应用于实木家具的性能进行评价。

1 材料与方法

1.1 材料

1）杨木，河北爱美森木材加工有限公司，含水率为9.26%。

2）树脂增强杨木（以下简称改性杨木），河北爱美森木材加工有限公司。木材中加压浸渍以脲醛树脂为主体的化学试剂，使用工业浸渍处理罐，浸渍树脂浓度约为22%～25%，浸渍压力2.5～3.0 MPa，浸渍时间3 h左右。浸渍后进行常规二次干燥，得到树脂浸渍处理杨木锯材，含水率为7.38%。

素材杨木和改性杨木的具体树种不详，为成品刨光锯材，纹理通直，表面无缺陷。锯材尺寸为2 600 mm×（100～300） mm×（25～45） mm。

3）胶黏剂：聚醋酸乙烯酯乳液（白胶），深圳市吉田化工有限公司。

4）涂料：UV固化聚氨酯溶剂型清漆，上海坚弗特种涂料有限公司；UV固化丙烯酸水性漆，昆山三越油墨有限公司。

1.2 设备

工业化真空加压-负压浸渍处理罐，单体容积40 m3/罐，定制；工业化蒸汽常规干燥窑，100 m3/窑，安徽福沃德干燥设备有限公司；10l-3AB型干燥箱，天津泰斯特仪器有限公司；微控电子万能力学试验机，型号WDW-100E，济南试金集团有限公司；高精度木工圆锯机，FESTOOL KS120，德国费斯托（中国）有限公司；电子天平（精确至0.001g），上海花潮电器有限公司；游标卡尺（精确至0.02mm），上海美耐特实业有限公司；单面木工压刨床，型号MB104A，烟台市振邦木工机械厂；台式铣机，型号FESTOOL TF1400，德国费斯托（中国）有限公司；立式单轴榫槽机，型号MS362，佛山市顺德区新马木工机械设备有限公司；仿形木工车床，JWL-1018，扬州讴歌五金机械有限公司；ADCI-60型色差仪，北京辰泰克仪器技术有限公司。

1.3 性能检测与评价方法

1.3.1 物理性能测定

密度、干缩性、湿胀性、吸水性分别根据GB/T 1933—2009《木材密度测定方法》、GB/T 1932—2009《干缩性测定方法》、GB/T 1934.2—2009《木材湿胀性测定方法》、GB/T 1934.1—2009《吸水性测定方法》进行测定。

1.3.2 力学性能测定

抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗压强度、横纹全部抗压强度、横纹局部抗压强度、硬度、握钉力分别根据GB/T 1936.1—2009《木材抗弯强度试验方法》、GB/T 1936.2—2009《木材抗弯弹性模量测定方法》、GB/T 1935—2009《木材顺纹抗压强度试验方法》、GB/T 1939—2009《木材横纹抗压试验方法》、GB/T 1941—2009《木材硬度试验方法》、GB/T 14018—2009《木材握钉力试验方法》进行测定。

1.3.3 胶合性能测定

胶合性能测试参照以往研究进行[17-19]，试件尺寸为30 mm×25 mm×20 mm。将2 个试件为一对胶合在一起，在长度方向错开5 mm，胶黏剂为家具用聚醋酸乙烯酯乳液（白胶）。使用手工羊毛刷将胶黏剂涂布到试件表面，双面涂胶量为240 g/cm2，在压机上进行冷压加压胶合，表压力1 MPa，保压2 h后卸压。陈放48 h后进行胶合性能测试。

1.3.4 涂饰性能测定

按照GB/T4893.4—2013《家具表面漆膜理化性能试验》中的附着力交叉切割测定法测定漆膜表面附着力。试件尺寸为300 mm×110 mm×8 mm，首先用120目砂纸砂光两遍，刷一遍硝基漆，待漆膜自然晾干后，再用240 目水砂纸进行砂光，再刷一遍硝基漆，自然晾干后用320 目的水砂纸进行砂光，最后涂一层硝基漆，2 遍底漆（96 mg/m2），2 遍面漆（26 mg/m2）。

1.3.5 游离甲醛释放量测定

按照GB/T 17657—2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》对改性材进行游离甲醛释放量测定。

1.3.6 视觉特性测定方法

根据CIE1976(L*a*b*)色空间法，采用ADCI-60 型色差仪进行颜色测定。木材纹理测定根据文献[20-21]中的方法进行。

1.3.7 机械性能测试方法[22]

按照LY/T 2054—2012《锯材机械加工性能评价方法》对刨削、铣削、钻削、开榫和车削5 项木材机械加工性能进行测试与等级评定。

1.3.8 性能评价方法

根据改性木材的性能，结合实木家具用材要求，对比亚美马褂木和北美鹅掌楸，从物理力学性能、胶合涂饰性能与机械加工性能等方面对树脂增强改性杨木的性能进行评价。

2 结果与分析

2.1 改性杨木物理性能

改性杨木和不同树种家具材的物理性能如表1所示。

表1 改性杨木和2 种家具用木材的物理性能比较Tab.1 Comparison of physical properties of modified poplar wood and two kinds of wood for furniture

2.1.1 密度

由表1 可知，改性杨木的气干密度、全干密度、基本密度分别为0.57、0.55、0.50 g/cm3，均高于素材杨木，基本密度为轻级（0.351～0.550 g/cm3），北美鹅掌楸亦为轻级。

改性杨木气干密度、基本密度与亚美马褂木接近，高于北美鹅掌楸，在木材质量方面优于或接近马褂木等家具用材，参照常见木材物理力学分级表[23]，与常见家具用材柚木气干密度相近，在密度重量方面适合用作实木家具材及装饰材。

2.1.2 干缩特性

改性杨木全干的弦径干缩差异(弦向干缩率/径向干缩率)为1.95，小于 2，因此其弦径向干缩比较均匀，尺寸稳定性较好，不易开裂和变形。其体积、弦向、径向的全干干缩率分别为9.39%、6.00%、3.07%，较素材杨木均有所降低，表明改性杨木干燥时较未改性杨木更不容易发生翘曲和开裂，其径弦向干缩率低于亚美马褂木和北美鹅掌楸，可用作实木家具用材。

2.1.3 吸水吸湿膨胀率

从全干到水饱和状态，改性杨木的弦向湿胀率均大于径向湿胀率，其水饱和的弦径湿胀差异小于2,因此其弦径向湿胀比较均匀。改性杨木的体积、弦向、径向的吸水厚度膨胀率分别为8.24%、5.03%、2.21%；吸湿膨胀率分别为2.83%、1.46%、1.34%，均低于素材杨木。可见，改性杨木尺寸稳定性有所提高，在实木家具的生产与使用过程中，耐水及耐潮性能均较好。

2.1.4 吸湿平衡含水率

图1为改性材与对照材的平衡含水率。

图1 改性材与对照材平衡含水率对比情况Fig.1 Comparison of equilibrium moisture content between modified material and reference material

由图1可知，改性处理能够降低木材的平衡含水率。在温度25 ℃，相对湿度50%时，浸渍改性材（5.65%）的平衡含水率比素材杨木（6.39%）降低了11.58%；在温度25 ℃，相对湿度65%时，浸渍改性材（11.12%）的平衡含水率比素材杨木（29.5%）降低了62.31%。这可能是因为木材中部分树脂固化，占据并堵塞了水分迁移通道，导致吸湿率下降[11]。

2.2 改性杨木力学性能

改性杨木和不同树种木材的力学性质见表2。

表2 改性杨木和不同树种的力学性能比较Tab.2 Comparison of mechanical properties of modified poplar and different tree species

1）抗弯弹性模量。抗弯弹性模量代表木材的劲度或弹性，是木材产生一个一致的正应变所需要的应力，以及在比例极限内，抵抗弯曲变形的能力[25]。改性杨木抗弯弹性模量（13 990 MPa）较素材杨木（8 093 MPa）有明显提高，达到“Ⅳ”级[23]，优于亚美马褂木和北美鹅掌楸（“Ⅱ”级）。抗弯弹性模量与常见家具用材水曲柳和柞木比较接近。

2）抗弯强度。木材抗弯强度亦称静曲极限强度，为木材承受横向静弯曲荷载的能力，和抗弯弹性模量一样都是重要的木材力学性质之一[25]。改性木材的抗弯强度（129.84 MPa）较素材杨木（77.10 MPa）提高了68.40%。为“Ⅳ”级，亚美马褂木和北美鹅掌楸均为“Ⅲ”级。与常见家具用材相比，改性杨木的抗弯强度明显高于水曲柳，与柞木接近。

3）顺纹抗压强度。在短时间内沿木材顺纹方向缓缓施加压缩荷载，木材所承受的最大能力为顺纹抗压强度。改性杨木顺纹抗压强度（96.44 MPa）较素材杨木（57.88 MPa）提高了66.62%。改性杨木为“Ⅴ”级，亚美马褂木为“Ⅱ”级，北美鹅掌楸为Ⅲ级。改性杨木顺纹抗压强度显著优于常用家具用材（水曲柳和柞木）。

4）横纹抗压强度。横纹抗压强度为木材在垂直纹理方向抵抗比例极限时压缩荷载的能力。杨木改性前后的横纹全部径向抗压强度分别为3.93 MPa和6.69 MPa，改性后提高了70.23%；横纹局部弦向抗压强度分别为2.99 MPa和3.75 MPa，提高了25.42%。横纹局部径向抗压强度改性前后分别为6.91 MPa和9.93 MPa，改性后提高了43.70%；局部弦向抗压强度改性前后分别为4.47 MPa和6.69 MPa，提高了49.66%。改性杨木全部径向达到“Ⅲ”级（6.1～11.0 MPa）。

5）硬度。木材硬度表示木材局部抵抗硬物压入其表面的能力。改性杨木的各面硬度均高于素材杨木。木材端面硬度最高，其次为弦面，径面硬度最低。改性杨木端面硬度达到Ⅲ级，亚美马褂木和北美鹅掌楸均为“Ⅲ”级。改性杨木的硬度明显高于水曲柳的硬度，但是低于柞木硬度。

6）握钉力。改性杨木的各面握钉力均高于素材杨木。其中改性前后弦面握钉力强度分别为16.50 N/mm和27.53 N/mm，改性后提高66.85%；径面握钉力分别为17.04 N/mm和39.96 N/mm，改性后提高134.51%。端面握钉力分别为7.57 N/mm和15.69 N/mm，提高了107.26%。木材径面握钉力最高，其次为弦面，端面握钉力最低，几乎为弦面握钉力的1/2。

7）对承重构件还需对木材的综合强度进行评价，通常以顺纹抗压强度和抗弯强度之和表示。改性杨木的综合强度为148.79 MPa，参照物理力学性质分级表可知[23]，其综合强度属于中等（135～180 MPa）。

2.3 改性杨木胶合性能

用白乳胶胶合的杨木剪切强度和木破率测试结果如表3 所示。

表3 白乳胶胶合的杨木剪切强度和木破率测试结果Tab.3 Test results of shear strength and wood breakage rate of white latex glued poplar wood

由表3 可知，改性杨木的剪切强度略大于素材杨木，而木破率低于素材杨木。树脂增强改性处理对杨木胶合性能影响不大。改性后的杨木密度、脆性、硬度均增大，而孔隙率降低，使得改性材的剪切强度提高。由于树脂浸渍杨木后，径向、弦向、纵向的渗透性存在差异，导致各个方向密度有所差异，因此改性杨木胶合剪切强度、木破率存在一定差异。

2.4 改性杨木涂饰性能

改性材硝基漆漆膜附着力等级测试结果如表4 所示。国家标准规定漆膜附着力优等品为0-1 级；一等品2 级；合格品3 级。

表4 改性材硝基漆漆膜附着力等级测试结果Tab.4 Test results of film adhesion grade of modified nitrocellulose paint

由硝基清漆漆膜附着力等级测试结果可知，经硝基漆涂饰的改性杨木和素材杨木的漆膜附着力全为0 级，漆膜附着力为优等品。一方面说明硝基漆的质量好，另一方面说明和素材杨木相比，改性后的杨木漆膜附着力变化不大。

2.5 改性杨木环保性能

树脂浸渍改性杨木游离甲醛含量为0.1～0.3 mg/L，达到E0 级（≤0.5 mg/L）要求，环保性能良好，无论在加工过程还是制品的使用过程中均不会对身体健康和环境产生不良影响。

2.6 材色与纹理

改性杨木涂饰前后材色参数测试结果如表5 所示，涂饰前后纹理参数测试结果如表6 所示。

表5 改性杨木涂饰前后材色参数Tab.5 Material color parameters before and after modified wood coating

表6 改性木材涂饰前后纹理参数Tab.6 Texture parameters before and after modified wood coating

由表5 可知，素材杨木偏白色，改性杨木呈淡黄色。经过涂饰后，素材杨木与改性杨木的明度L*降低，黄蓝轴色品指数b*和红绿轴色品指数a*均有所增加；改性杨木经过涂饰后其颜色向深色发展，肉眼观察，发现改性杨木较素材偏黄。

由表6 可知，改性杨木的纹理粗细值涂饰前后变化为1.25～0.12 mm、纹理间距与疏密程度无明显变化，纹理间距为5.49 mm，其纹理疏密程度为0.23 mm。杨木未改性材与改性材的纹理均不太清晰。

改性杨木本身花纹不显著，但可以通过后期做色处理、花纹凸显处理、木蜡油调色涂饰、高温热处理调色等技术，或几种技术复合，使之显示相对漂亮的材色和花纹，可以模拟色彩美观木材的材色和纹理，改善改性木材的视觉特性。

2.7 机械加工性能[22,25]

机械加工性能是木材的重要性质，对于开发木材的利用潜能及扩大适用范围均具有重要意义。本研究对杨木的刨削、铣削、钻削、开榫和车削5项机械加工性能进行测试和等级评定。在满分40分情况下，杨木未改性材和树脂改性材的质量总评分分别为20分和30分，改性杨木的综合机械加工性能明显提高。在各项加工测试过程中，树脂改性杨木的刨削和铣削为优秀，其钻削、开榫加工和车削为良好，改性杨木可用于实木家具的生产，也适用于各种机械加工方式。

3 结论

本试验中，改性杨木的物理力学性能均优于素材杨木，且力学性能都在中等级别以上。改性杨木的胶合性能显著提高，甲醛释放量符合国家标准。与北美鹅掌楸和亚美马褂木等家具用材相比，其干缩湿胀性、抗弯强度、抗弯弹性模量、横纹抗压强度、顺纹抗压强度、握钉力以及胶合性能、涂饰性能、综合机械加工性能均符合实木家具生产要求。改性杨木的材色和纹理可通过后期处理加以改善，能够满足实木家具要求。杨木经改性处理后，可以在家具用材中作为轻型承重件，或可用于对力学性能有要求的特殊场合。树脂增强处理工艺可充分发掘杨木的利用潜能，拓展其应用领域，促进木材的高附加值应用。