酚醛树脂浸渍处理对中山杉物理力学性能的影响
- 前言
中山杉是20世纪80年代从原产北美落羽杉属的池杉、落羽杉和墨西哥落羽杉3个树种的种间杂交选育出的优良无性系的总称。首先培育出的是中山杉 301、中山杉 302( 落羽杉 times;墨西哥落羽杉) 以及中山杉 401( 池杉 times;墨西哥落羽杉) 。“中山杉 302”于2002年通过国家林业局林木品种审定委员会审定,成为全国首批通过国家审定的16个林木良种之一。中山杉的优良特性主要表现在:速生、耐盐碱性强、抗旱性和耐涝性强,树干强劲抗风力强。中山杉是海岸防风林的优良树种【1】。赵荣军【2】等通过中山杉与落羽杉木材物理力学性质的比较研究发现:中山杉密度小,质量较轻,其径向干缩率和弦向干缩率差异较大,因此差异干缩较大,干燥时易翘曲开裂,使用时也易湿胀,尺寸稳定性差;中山杉 302木材基本密度、气干密度、MOE、MOR和顺纹抗压强度的平均值比落羽杉的高,而体积全干干缩率、弦向气干干缩率、体积气干干缩率均比落羽杉的低。可见,中山杉 302无论是在物理还是力学性能中均显示了新品种的优越性。
经济的发展使人们更加注重生活品质的提高,对木制品的需求量也日益增加。发展应用人工速生林是解决木材供应紧缺的重要措施。速生材由于幼龄材所占比例高,密度低,尺寸稳定性差,使其在应用方面受到限制。为改善速生材生物耐久性,延长木制品使用寿命,木材改性技术应运而生。
- 木材改性技术
木材改性研究始于20世纪30年代,是通过化学、生物或物理介质作用增强木材尺寸稳定、耐久、防腐性能的科学手段,可分为主动改性(改变材料化学性质)、被动改性(未改变材料化学性质)和组合改性【3】。
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- 树脂浸渍改性
浸渍改性是被动改性最常用的方法之一,其原理是用小分子的浸渍剂单体浸渍细胞壁,与细胞壁聚合;或利用可溶性的浸渍剂扩散进入细胞壁,进行固化处理,使浸渍剂不可溶【3】。近年来,糠基化改性是工业化最成功的木材浸渍改性技术。树脂浸渍改性由于成本高和环境污染问题,目前仍处于试验阶段。
树脂浸渍功能化改性木材就是利用木材多孔可渗透结构,通过特定方法采用水溶性低分子量树脂浸渍木材,经干燥固化,部分树脂与木材细胞壁物质中的某些基团发生交联接枝等化学反应,或者通过填充于细胞间隙来提高木材密度、物理、力学强度等性能【4】。树脂浸渍改性的原理正是利用了木材的结构特点。木材组织从纳米量级的细胞壁结构到微米量级的管饱组织,再到毫米量级的年轮,形成了独特的多层次、纤维状和各向异性等生物结构特点。不同尺度孔隙的存在不仅为容纳其他纳米微粒(粉体)、纳米管、纳米棒等结构单元提供内在空间,同时赋予木材一定的渗透性,为有机物和无机物进入木材起增强作用或其他功能化作用提供可能【5】。
随着树脂浸渍技术的发展完善,这一技术日益得到广泛应用,塑合木、浸渍木、阻燃木、染色木、木陶瓷和透明木材均运用了该项技术。其中浸渍木是利用低分子量热固性树脂的水溶液浸渍木材,再经干燥脱水及加热固化而制备的功能化修饰木材。具体的工艺流程为:
浸渍用树脂应具有以下特点:树脂分子能透过细胞壁,且未聚合或少量聚合;树脂分子能溶于极性溶剂,以便扩散入细胞壁内部,使细胞壁处于膨胀状态;树脂分子与细胞壁大分子成分有高亲和力等特点【3】。热固性合成树脂在固化后耐水性强,不流失,而且强度高,受热不软化,适用于浸渍木材。目前已有多种不同类型的树脂能成功地在木材内部聚合,如酚醛树脂、脲醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂以及异氰酸酯。
酚醛树脂在木材改性技术中应用最为广泛【6~13】,虽然其价格高于脲醛树脂,但由于它具有很高的强度和耐水性,所以仍备受青睐。李坚【6】等利用凝胶渗透色谱仪对16种不同合成条件的水溶性低分子量酚醛树脂样品进行检测,分别求得数均分子量、重均分子量和树脂质量指标。结果表明 ,苯酚∶甲醛∶ NaOH的摩尔比为 1∶ 2 .1∶ 0 .1,反应时间超过 180 min后 ,PF预聚物的分散指数小 ,分子量均匀。在柴宇博【9】和王舒【10】各自关于浸渍改性木材的研究中,采用了相同的浸渍树脂合成工艺——二次缩聚工艺,即在强碱(NaOH)的催化作用下,甲醛分两次投料与苯酚进行缩聚反应生成甲阶酚醛树脂,最后再加入少量尿素捕捉甲醛。
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