木材防端裂剂的制备及应用1)

许凯 张天放 伊松林 何正斌

(北京林业大学，北京，100083)

木材干燥是实木制品加工过程中的必备环节，其能耗占整个木制品加工过程中能耗的40%～70%，为节约干燥成本，可采用大气干燥方法。大气干燥绿色环保、工艺简单且干燥成本和能耗低，被广泛应用于木材预干。木材干燥过程中，由于表层的水分移动速率大于木材内部，在木材表层含水率低于纤维饱和点后，表层木材先于内部干缩，产生干燥应力而开裂。其中，木材气干过程中端裂最容易发生，其数量约占开裂总数的95%[1]。

为了提高木材干燥质量，减少损耗和浪费，通常在气干过程中，使用防端裂剂对木材进行封端处理，或是通过减缓木材端部水分挥发速率，以及充胀木材细胞的细胞壁等方式减少木材开裂。目前各类树脂、石蜡、沥青、植物油等材料是国内使用频率较高的防端裂剂：石蜡和沥青防裂效果好，但需要对木材进行加热浸渍处理，其浸渍工艺操作较为困难，且浸渍部位材性及颜色会发生改变。刘彦龙等[1]研制的异氰酸酯与多元醇作用形成的预聚体型聚氨酯可用作防裂涂料，异氰酸酯基会附着在木材表面上，降低水分子从木材内挥发的速率，能够有效抑制木材开裂；聚乙二醇可以填充木材纤维间的空隙从而缓解开裂，饶瑾等[2]研究表明物质的量浓度为25%，分子量为1 000的聚乙二醇和石蜡热处理相结合，不仅能够缓解木材的开裂问题，同时也具备了一定程度的防霉和防腐效果，但其需要对木材进行浸渍处理，工艺较为复杂；黄政等[3]研究表明改性后的氮羟甲基树脂分子能够较为容易地进入木材细胞的细胞壁，有良好的填充效果，改善了木材的尺寸稳定性，这种方法对木材进行真空加压浸渍处理，成本较高；邹怡佳[4]研究表明三聚氰胺甲醛树脂能有效地充胀细胞壁或细胞腔，防止木材产生干缩湿胀，从而减少开裂，但树脂成膜速度慢且工艺较复杂；Zhang et al.[5]通过真空压力浸渍和原位聚合的方法在木材内部制备交联共聚物网络(PMP)，其中的热致形状记忆聚合物(SMP)能有效填充细胞壁、延缓细胞壁在高温下的热膨胀并抵消细胞壁收缩带来的应力，从而提高了木材的尺寸稳定性，减少了木材的裂纹，但该工艺较为复杂；Hu et al.[6]研究了低分子量酚醛树脂对木材耐候性能的影响，研究表明枫香和南方松在浸渍低分子量酚醛树脂后尺寸稳定性均有所增加，但处理后试材端部开裂明显增加，说明浸渍处理不能增加木材防裂能力；Ibaez et al.[7]以巨桉为材料测试了水性石蜡基乳液产品作为防水剂的效率，结果表明，与未使用防水剂的木材相比，处理过的木材在尺寸稳定性方面有显著改善并减少了开裂，但该方法需对木材进行真空高压浸渍，较为复杂；Schorr et al.[8]将有机硅烷浸渍到细胞壁中，并结合适当的热处理，将白云杉木材的尺寸稳定性提高高达35%；高秀文等[9]研制出一种硬质木材防裂剂，涂饰于木材两端表面后能使木材完好率达98%，防裂效果好且使用简单。

针对当前木材气干过程中使用的防端裂剂存在制作及使用过程复杂、成本高、不易储存等问题，并且本研究为了满足企业的需求，拟研究一种安全有效、成本适宜和施工简单的木材防端裂方法，能够减少木材资源的浪费和降低企业的生产经营成本。

1 材料与方法

榆木(UlmuspumilaL.)，平均含水率为89.56%，平均尺寸为80 mm×60 mm×30 mm；产地为河南省临颍县，无开裂、节子、腐朽等缺陷。低分子漆成膜剂，无机填料。

防端裂剂的制备：防端裂剂是由成膜剂、填料和水不同的配比制成。按照m(成膜剂)∶m(填料)∶V(水)=1 g∶2 g∶2 mL(成膜剂质量40 g，填料质量80 g，水体积80 mL)、3 g∶4 g∶3 mL和3 g∶3 g∶4 mL分别制备不同配比的防端裂剂。将制备的防端裂剂放置于烧杯中并贴好标签，用保鲜膜和橡皮筋密封保存，每隔24 h观察其分层状况。在全部防端裂剂都分层(24 h)后用玻璃棒搅拌，观察搅拌后的防端裂剂是否能够正常使用。

防端裂剂成膜性能检测：将防端裂剂均匀涂饰在清洗干净且无杂质的透明培养皿上，在温度为20 ℃、风速为0的环境干燥。每隔10 min观察1次涂膜情况，记录表干和实干时间，并观察成膜后的开裂和变色情况。

木材涂饰防端裂剂配比：榆木的对照组A1～A10不涂饰防端裂剂。试验组防端裂剂依照表1进行涂饰。

表1 防端裂剂涂饰方法的设计

各个试验组防端裂剂涂饰量均为1 000 g·m-2，涂饰后的表面应尽量保持平整，将边缘处流挂的防端裂剂擦去并称量其质量。

木材涂饰防端裂剂的干燥环境：北京地区年平均风速为1.8～3.0 m/s，最大风速为5.7 m/s。因此，本研究分别在温度为20、30和40 ℃的条件下进行木材气干，探究不同温度和20 ℃条件下不同风速对木材气干过程的影响，风速可以通过调整试材与风扇的距离而调节，弱风组风速为1.8 m/s，强风组风速为5.6 m/s，接近北京的年平均风速和最大风速。对照组和试验组试材的干燥环境如表2所示。

表2 干燥环境的设计

干燥中的试材每24 h进行称质量以计算试材的干燥速率，平均干燥速率为各组所有试材干燥速率的平均值。

防端裂剂防裂效果检测：气干过程中，对开裂试材裂纹的长度进行测量。本试验中依照试材裂纹长度将裂纹进行划分，并参照竹材开裂程度评定的方法对防端裂剂效果进行评定[10-11]：裂纹长度≥10 mm为“长裂纹”，<10 mm为“短裂纹”。木材无开裂现象为第1等级；短裂纹≤5条，且长裂纹≤1条为第2等级；6<短裂纹<10条、2<长裂纹<5条，为第3等级；10≤短裂纹<15条，或5≤长裂纹<10条，为第4等级；短裂纹≥15条，或长裂纹≥10条，为第5等级。

2 结果与讨论

2.1 防端裂剂保存效果

防端裂剂放置24 h后观察发现，m(成膜剂)∶m(填料)∶V(水)=3 g∶4 g∶3 mL配比的防端裂剂分层不明显，而m(成膜剂)∶m(填料)∶V(水)=1 g∶2 g∶2 mL和3 g∶3 g∶4 mL配比的防端裂剂均发生明显的分层现象。其上层为水层，下层为成膜剂和填料混合物。另外，将分层后的防端裂剂再次搅拌，观察发现防端裂剂的黏度增加，但仍可以继续使用。

在不同的防端裂剂中，由于水分所占比重不同，在长时间存放后，水会与填料、成膜剂混合物分离。位于顶部的水分在长时间存放后逐渐挥发，导致防端裂剂黏度增大，当水分完全挥发后即不能正常使用。

2.2 防端裂剂成膜情况

防端裂剂的成膜时间如表3所示，成膜后的各组防端裂剂膜均未发生开裂，且无气泡、变色等现象发生。

表3 防端裂剂成膜时间

m(成膜剂)∶m(填料)∶V(水)=1 g∶2 g∶2 mL配比的防端裂剂表干时间和实干时间最长。当成膜剂与填料的质量总和占防端裂剂整体质量百分比固定时，增大填料质量的同时降低成膜剂的质量会阻碍涂料成膜，延长涂膜固化时间。而水分降低后，防端裂剂黏度增加的同时减少了干燥时间，说明水分是影响防端裂剂成膜的最主要因素，降低水分含量能使防端裂剂更快固化。

吴华贵等[12]、刘如等[13]在研究中发现：固体质量占比较低的涂料含有较高的基础水分，在成膜初期水分挥发的质量更大；而固体质量占比较高的涂料，在干燥初期有着更大的挥发速度；在涂膜干燥初期，水分挥发较快，在涂膜干燥阶段中，涂料中的固体成分，如填料或胶粒，会相互接近并呈现紧密排列的状态，从而阻止水分继续流失，因此当涂料水分挥发速度与涂料成膜速度相匹配时，成膜速度最快。在该试验中，m(成膜剂)∶m(填料)∶V(水)=1 g∶2 g∶2 mL配比的防端裂剂干燥时间最长，说明该组防端裂剂水分质量占比过高，水分挥发速度与成膜速度不匹配，其挥发速度大于成膜速度，干燥时间延长。

2.3 木材干燥速率

2.3.1 试材涂饰不同防端裂剂的干燥速率

如表4所示，将不同干燥环境涂饰相同配比防端裂剂的试材含水率取平均值，对比干燥速率发现：涂饰m(成膜剂)∶m(填料)∶V(水)=1 g∶2 g∶2 mL防端裂剂的试材干燥速率>涂饰m(成膜剂)∶m(填料)∶V(水)=3 g∶3 g∶4 mL防端裂剂的试材干燥速率>涂饰m(成膜剂)∶m(填料)∶V(水)=3 g∶4 g∶3 mL防端裂剂的试材干燥速率>对照组的试材干燥速率。

表4 榆木试材的含水率参数

在涂饰24 h后试材质量大幅减少，说明该阶段有较多的水分从木材中流失，可能是由于防端裂剂中的水分和木材表面水分挥发较快。试验组干燥初期水分质量的挥发大于对照组，是因为防端裂剂中的水分先挥发，其挥发速度大于木材原本的表面挥发速度。干燥初期木材内部自由水含量较大，在涂饰防端裂剂后，自由水由内到外的移动速度和木材表面的挥发速度相匹配，干燥速率较高；木材中的自由水首先挥发，需要的能量比结合水更低，因此干燥速率较快[14]，当含水率降低至自由水完全挥发，木材中的结合水开始干燥，干燥速率较慢。所以试验组和对照组的试材在干燥初期干燥速率较高，而随着干燥时间的延长，木材的干燥速率逐渐下降。现有研究表明，涂层的性质和有无会影响木材表面的热性质，对木材的干燥速率产生影响[15]。试材的干燥速率受到了不同配比的防端裂剂的影响，通过计算试材在96 h内干燥速率平均值，其中m(成膜剂)∶m(填料)∶V(水)=1 g∶2 g∶2 mL配比的防端裂剂对干燥速率影响最大，变化率为5.1%，其余防端裂剂对干燥速率影响较小，变化率为1.2%和0.7%。

2.3.2 试材在不同环境中干燥速率

由表5可知，将相同干燥环境涂饰不同配比防端裂剂的试材含水率取平均值，对比干燥速率发现：温度40 ℃、风速0环境的干燥速率>温度30 ℃、风速0环境的干燥速率>温度20 ℃、风速5.6 m/s环境的干燥速率>温度20 ℃、风速1.8 m/s环境的干燥速率>温度20 ℃、风速0环境的干燥速率。

表5 榆木试材的干燥速率参数

风速对木材干燥速率的影响取决于内部阻力和外部阻力两方面，木材内部阻力主要受内含物、含水率等因素的影响，而外部阻力则与空气和木材表面之间的质量交换系数有关[16]。当外部阻力在干燥过程中起主要作用时，提高风速能够提高质量交换系数，木材表面的传质阻力降低，提高了木材干燥速率。当内部阻力在干燥过程中起主要作用时，提高风速对干燥速率的提高不明显。榆木是硬阔叶材，树脂道内含有较多内含物，所以在干燥时内部阻力较大，即使风速为5.6 m/s，温度为20 ℃环境的干燥速率，也不能超过30 ℃和40 ℃环境的干燥速率。内部阻力作用的同时，较低的温度使得水分不能更好地吸收热量气化，所以干燥速率较慢。而提高环境温度可以提高木材内部水分子的内能，提高水分子移动速度，使木材干燥速率加快。

2.3.3 试材干燥速率曲线拟合

为使干燥环境对榆木干燥的影响曲线更加有理论意义，以及企业能够在实际生产制造中应用，对榆木在20 ℃环境下的干燥曲线进行模型建立。涂饰不同配比防端裂剂的榆木在相同环境干燥速率趋势大致相同，所以暂时忽略不同防端裂剂对干燥速率造成的影响，将20 ℃干燥环境的榆木试验组干燥速率变化曲线各自回归，得到的具体公式如下：

V=23.654 21×t-1.574 31,R2=0.982 7,

(1)

V=27.785 2×t-1.938 41,R2=0.992 3,

(2)

V=31.767 05×t-2.461 36,R2=0.992 3,

(3)

V=A×t-B。

(4)

式中：V为干燥速率；A，B为系数；t为干燥时间。

其中公式(1)为试验组试材在温度20 ℃、风速0环境的回归方程，公式(2)为试验组试材在温度20 ℃、风速1.8 m/s环境的回归方程，公式(3)为试验组试材在温度20 ℃、风速5.6 m/s环境的回归方程，公式(4)为温度20 ℃干燥环境的回归方程通式。

如图1所示，三组回归方程的回归效果良好，试材干燥速率的理论值与实际值的拟合程度较高，且三组试材的干燥速率曲线回归方程均满足方程通式。说明在不同的风速环境中，涂饰不同的防端裂剂试验组试材的干燥速率降低速度及趋势类似，所以榆木在涂饰防端裂剂后的平均干燥速率仅受干燥初期木材干燥速率影响。通过提高风速和保持木材较高自由水含量的方式不仅能保证干燥质量，同时也能提高木材的干燥速率。

图1 不同环境中试材干燥速率回归方程

2.4 木材开裂情况

根据表6中的开裂情况所示，榆木在涂饰不同配比的防端裂剂后，平均开裂等级由3.5降为2，降低了42.9%。同时，平均每块试材短裂纹数降低了78.7%，长裂纹数降低了76.9%。裂纹数明显降低，说明该防端裂剂通过覆盖木材表面的方式，降低了木材表面水分的流失速度，降低了木材内部的含水率梯度，从而减小了木材表面的拉伸应力，有较好的防裂效果。

表6 榆木开裂情况对比

由表7可知，榆木涂饰防端裂剂后最适宜的干燥环境是温度20 ℃、风速0，平均每块试材短裂纹条数为0.5条，长裂纹为0.2条。但该环境木材干燥速率最慢，从而影响企业的生产成本和利益，所以综合干燥速率因素，温度20 ℃、风速1.8 m/s环境干燥效果最佳，平均每块试材短裂纹数为2条，长裂纹为0.3条。虽然相比温度20 ℃、风速0环境，短裂纹数增加了75.0%，长裂纹数增加了33.3%，但干燥速率较高，综合干燥效果最佳。

表7 榆木在不同干燥环境的开裂情况

同时从表7中可知，升高木材干燥温度和提高木材干燥风速均会导致木材裂纹数增加。研究表明，温度升高会导致木材表层横纹抗拉强度降低，导致表裂更容易发生[17]。同时由于风速提高加大了木材表面的水分流失速率，木材内部的水分沿纤维方向的端表层及垂直于纤维方向的木材表层水分迅速排出，增大了含水率梯度，表层与内部收缩不均匀而形成过大的拉应力所致[18]。

根据表8所示，榆木在涂饰m(成膜剂)∶m(填料)∶V(水)=3 g∶4 g∶3 mL配比的防端裂剂后防裂效果最好。平均每块试材短裂纹数为1.6条，长裂纹数为0.3条，相较涂饰m(成膜剂)∶m(填料)∶V(水)=1 g∶2 g∶2 mL和3 g∶3 g∶4 mL配比的防端裂剂试验组，短裂纹数量减少了40.7%和69.2%，长裂纹数量减少了50.0%和66.7%。相比对照组，涂饰3 g∶4 g∶3 mL防端裂剂的试验组短裂纹数降低了89.3%，长裂纹数降低了88.5%。

表8 榆木涂饰不同防端裂剂开裂情况

在涂饰量和干燥环境相同的情况下，涂层组成和结构会对涂膜的附着力、硬度等性质产生影响[19]。m(成膜剂)∶m(填料)∶V(水)=3 g∶4 g∶3 mL配比的防端裂剂相较涂饰m(成膜剂)∶m(填料)∶V(水)=1 g∶2 g∶2 mL和3 g∶3 g∶4 mL配比防端裂剂的最大优势在于黏度适中、成膜均匀和附着性好不易脱落，能够在干燥时均匀地降低木材表面水分的挥发速率，从而减少木材表面拉伸应力的产生。m(成膜剂)∶m(填料)∶V(水)=3 g∶4 g∶3 mL配比的防端裂剂有着较大的填料组分质量占比，且无机填料较小的体积能够很好地堵塞木材中水分流失的通道，从而降低表面水分的挥发。

3 结论

木材涂饰防端裂剂后防裂效果良好，涂饰防端裂剂的全部试材相较未涂饰组，平均每块试材短裂纹数降低78.7%，长裂纹数降低76.9%。

温度20 ℃、风速0环境木材的开裂数较少；温度40 ℃、风速0环境的干燥速率最高，但极易出现开裂现象。综合对比温度为20 ℃、风速为1.8 m/s环境的干燥速率较快且干燥效果较好。

m(成膜剂)∶m(填料)∶V(水)=3 g∶4 g∶3 mL配比的防端裂剂防裂效果最好，相较对照组木材在涂饰后短裂纹数量降低了89.3%，长裂纹数量降低了88.5%。

综合试验结果，该防端裂剂有较好的使用效果。相较市面上其他现有防端裂剂，该防端裂剂最大优势在于制备简单，可根据实际需要的涂饰面积计算各组分质量；涂饰简单，仅需刷涂即可，节省加工成本；防裂效果好，裂纹数有明显降低；易于保存和长时间使用。m(成膜剂)∶m(填料)∶V(水)=3 g∶4 g∶3 mL配比的防端裂剂防裂效果最佳。在实际生产中，可根据实际情况选择干燥环境并涂饰防端裂剂。