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辐射松重组木密度对其孔隙率和性能的影响

魏金光 韦亚南 鲍敏振 张亚慧 余养伦 李长贵 于文吉

魏金光, 韦亚南, 鲍敏振, 张亚慧, 余养伦, 李长贵, 于文吉. 辐射松重组木密度对其孔隙率和性能的影响[J]. 浙江农林大学学报, 2018, 35(3): 519-523. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2018.03.017
引用本文: 魏金光, 韦亚南, 鲍敏振, 张亚慧, 余养伦, 李长贵, 于文吉. 辐射松重组木密度对其孔隙率和性能的影响[J]. 浙江农林大学学报, 2018, 35(3): 519-523. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2018.03.017
WEI Jinguang, WEI Yanan, BAO Minzhen, ZHANG Yahui, YU Yanglun, LI Changgui, YU Wenji. Effect of density on porosity and physical-mechanical properties of high-performance scrimbers[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2018, 35(3): 519-523. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2018.03.017
Citation: WEI Jinguang, WEI Yanan, BAO Minzhen, ZHANG Yahui, YU Yanglun, LI Changgui, YU Wenji. Effect of density on porosity and physical-mechanical properties of high-performance scrimbers[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2018, 35(3): 519-523. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2018.03.017

辐射松重组木密度对其孔隙率和性能的影响

doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2018.03.017
基金项目: 

山东省泰山产业领军人才工程高效生态农业创新类项目 LJNY201602

详细信息
    作者简介: 魏金光, 博士研究生, 从事木基复合材料的制备与胶合等研究。E-mail:weijorn@163.com
    通信作者: 于文吉, 研究员, 博士, 博士生导师, 从事木质重组材的研发与应用研究。E-mail:yuwenji@caf.ac.cn
  • 中图分类号: S781.6

Effect of density on porosity and physical-mechanical properties of high-performance scrimbers

图(6) / 表(1)
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-06-07
  • 修回日期:  2017-08-12
  • 刊出日期:  2018-06-20

辐射松重组木密度对其孔隙率和性能的影响

doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2018.03.017
    基金项目:

    山东省泰山产业领军人才工程高效生态农业创新类项目 LJNY201602

    作者简介:

    魏金光, 博士研究生, 从事木基复合材料的制备与胶合等研究。E-mail:weijorn@163.com

    通信作者: 于文吉, 研究员, 博士, 博士生导师, 从事木质重组材的研发与应用研究。E-mail:yuwenji@caf.ac.cn
  • 中图分类号: S781.6

摘要: 为高值化利用人工林速生材辐射松Pinus radiata,采用高性能重组木制造技术,制备了不同密度的辐射松重组木,并探讨了密度对其孔隙率、耐水性以及力学强度的影响规律。结果表明:辐射松素材的孔隙率约为68.00%;重组木的孔隙率随密度增大呈线性下降,低至2.11%。随密度增大,重组木的耐水性和力学强度均呈升高趋势;当密度从0.80 g·cm-3增加到1.39 g·cm-3,吸水厚度膨胀率和吸水率分别下降了21.55%和76.88%,弹性模量和水平剪切强度分别提高了116.47%和86.29%。

English Abstract

魏金光, 韦亚南, 鲍敏振, 张亚慧, 余养伦, 李长贵, 于文吉. 辐射松重组木密度对其孔隙率和性能的影响[J]. 浙江农林大学学报, 2018, 35(3): 519-523. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2018.03.017
引用本文: 魏金光, 韦亚南, 鲍敏振, 张亚慧, 余养伦, 李长贵, 于文吉. 辐射松重组木密度对其孔隙率和性能的影响[J]. 浙江农林大学学报, 2018, 35(3): 519-523. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2018.03.017
WEI Jinguang, WEI Yanan, BAO Minzhen, ZHANG Yahui, YU Yanglun, LI Changgui, YU Wenji. Effect of density on porosity and physical-mechanical properties of high-performance scrimbers[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2018, 35(3): 519-523. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2018.03.017
Citation: WEI Jinguang, WEI Yanan, BAO Minzhen, ZHANG Yahui, YU Yanglun, LI Changgui, YU Wenji. Effect of density on porosity and physical-mechanical properties of high-performance scrimbers[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2018, 35(3): 519-523. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2018.03.017
  • 辐射松Pinus radiata是一种适应性强、生长快、材质好的优良速生材,主要分布于新西兰、澳大利亚、美国、智利等国[1]。目前,辐射松是中国进口量较大的木材种类之一,但由于辐射松存在材质疏松、密度低、节疤多、松脂含量高等不足,应用局限于纸浆造纸、胶合板、集成材等低附加值产品[2]。因此,寻求新的制造工艺,高值高效化利用辐射松,已成为木材行业研究者关注的焦点。高性能重组木的研发与成功产业化为此提供了新的加工利用途径。高性能重组木是以速生林木材为原料,疏解单板作为基本单元,与酚醛树脂增强体胶合而成的重组材料[3]。该材料克服了速生林木材径级小、材质软、强度低、材质不均等缺陷,具有天然纹理结构、规格可调、性能可控等特点,是劣材优用、提高产品附加值的有效途径。现阶段,高性能重组木的制造技术已在杨树Populus,泡桐Paulownia,柳树Salix和桉树Eucalyptus等中低密度阔叶材上成功实践,产品可应用在景观建筑、地板、家具等领域。但在针叶材辐射松上的应用研究尚未涉及[4-7]。为此,笔者以新西兰辐射松为原料,采用高性能重组木制造技术,制备了不同密度的重组木,并探究了密度对板材孔隙率、耐水性和力学强度的影响,为辐射松的高值化利用提供技术参考。

    • 材料:辐射松,购自新西兰,胸径30~60 cm;酚醛树脂(PF)胶,购自北京太尔化工有限公司,固体含量47.49%,黏度37 Pa·s(25 ℃),pH 10.22,水溶倍数11.02,游离醛1.90 g·kg-1,游离酚<10.00 g·kg-1

      主要试验设备:无卡轴单板旋切机,疏解机,热压机,全自动真密度分析仪,万能力学试验机等。

    • 工艺流程:原木旋切→单板剪裁→疏解→干燥→浸胶与干燥→组坯→热压→冷却与卸板→砂光→板材。主要工序:①疏解单板:采用无卡轴旋切机,旋切单板厚为6 mm。利用专有的定向线裂纤维化分离装置[8],将旋切单板成粗细较均匀、纤维束宽度分布在1~3 mm的木单板。②浸胶与干燥:先将疏解单板干燥至含水率约8%,然后根据预浸胶试验结果,设定单板在固含量为10%的PF胶中常压浸渍2 min,再通过调控淋胶时间确保单板浸胶量在(13.0±0.5)%,最后自然晾晒至含水率8%~10%。③组坯:单板沿顺纹方向平行逐张铺放于铺装槽中,规格为450 mm × 160 mm × 12 mm,设计0.80,1.00,1.20和1.40 g·cm-3等4个密度水平。④热压:采用“热压-冷出”的成型工艺。将板坯移至已预热(145 ℃)的压机模具中,加压至模具完全闭合。热压温度为145 ℃,闭合时间为1.0 min·mm-1,保压25 min。⑤平衡:自然环境中平衡3周,含水率控制在7%左右。

    • 参照GB/T 17657-2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》测定重组木的表观密度,试件6个·样品-1,结果取平均值。采用Accupy1330型真密度全自动测试仪测定板材的实质密度。测试前,试样磨成木粉,过60~80目筛,含水率控制在7%左右。以高纯氦气为介质,试件6个·样品-1,循环测量5次,结果取平均值。孔隙率(P)按参考文献[9]中方法计算,P=(1-V/V)×100%=(1-ρ/ρ)×100%。其中,Vρ分别为材料的绝对密实体积和密度(实质密度),Vρ分别为材料在自然状态下的体积和密度(表观密度)。

    • 本试验设计重组木为户外结构用材,参考GB/T 30364-2013《重组竹地板》中室外用重组竹地板的耐水性测试方法。先将试件放入(100 ± 2)℃沸水中煮4 h,再在(63 ± 3)℃的干燥箱中干燥20 h,最后放入(100 ± 2)℃沸水中继续煮4 h,取出后在室温下冷却10 min。测定其吸水宽度膨胀率(WSR)、吸水厚度膨胀率(TSR)和吸水率(WAR)。各项目取试件6个·样品-1,结果取平均值。

    • 参照GB/T 17657-2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》测定试件的抗弯性能。试件尺寸为200 mm × 24 mm × 10 mm(长×宽×厚),支持辊跨度150 mm,加载速度5 min·mm-1,记录静曲强度(MOR)和弹性模量(MOE)。参照GB/T 20241-2006《单板层积材》,测定试件的水平剪切强度(HSS)。试件尺寸为60 mm × 24 mm × 10 mm(长×宽×厚),支撑辊直径10 mm,跨度40 mm,加载辊直径30 mm。垂直加载,加载速度为5 min·mm-1。各项目取试件6个·样品-1,结果取平均值。

    • 表 1可知:辐射松素材的实质密度为1.50 g·cm-3,接近软木细胞壁的平均密度(1.52 g·cm-3[10]。辐射松重组木的实质密度随表观密度的增加稍有波动。表观密度从0.80 g·cm-3增加到1.01 g·cm-3,实质密度下降至1.39 g·cm-3;表观密度大于1.01 g·cm-3时,实质密度保持在1.42 g·cm-3。素材的气干密度为0.48 g·cm-3,此时孔隙率为68.00%,与樟子松Pinus sylvestris var. mongolica的(约67.16%)接近[11]。辐射松重组木的表观密度为0.80,1.01,1.20和1.39 g·cm-3时,对应的孔隙率分别为45.95%,29.37%,15.49%和2.11%;与素材的孔隙率相比,分别下降了32.43%,56.81%,77.22%和96.90%。

      表 1  辐射松重组木的表观密度、实质密度和孔隙率

      Table 1.  Substantial density, apparent density and porosity of radiata pine scrimbers

      材性 表观密度/(g·cm-3) 实质密度/(g·cm-3) 孔隙率/%
      素材 0.48(0.03) 1.50(0.02) 68.00
      重组木 0.80(0.02) 1.48(0.02) 45.95
      1.01(0.03) 1.39(0.02) 29.37
      1.20(0.03) 1.42(0.03) 15.49
      1.39(0.02) 1.42(0.01) 2.11
      说明:括号内数值为标准差

      不同表观密度下,重组木板材内部孔隙发生不同程度的变化。在疏解单板热压胶合中,木材细胞被压缩,酚醛胶受热固化,部分空隙被封闭,形成与外界隔绝的微孔;当采用真密度测试仪测试时,惰性气体难以进入这些微孔,导致板材实质体积偏大,实质密度从1.48 g·cm-3降至1.39 g·cm-3。当板材密度进一步增大,部分隔绝的微孔受压破裂或被填充,使得实质密度增加至极限值1.42 g·cm-3。辐射松素材的实质密度近乎是细胞壁的密度,这说明68.00%的孔隙率几乎全部源于细胞腔的空隙。而重组木的空隙除细胞腔外,还包含单板旋切和疏解过程中产生的裂隙。在板材热压成型过程中,除细胞腔受压缩小外,还存在纤维之间裂隙的减小。所以随表观密度的增加,细胞腔逐渐被细胞壁填充,裂隙逐渐被木纤维取代,孔隙率随之降低。

      经回归分析,孔隙率与表观密度存在高度的线性关系,即y=-72.988x+103.42(R2=0.999 5)。其中y为孔隙率,x为表观密度。

    • 图 1~3可知:随着密度的增加,重组木试件的WSR,TSR和WAR均呈减小趋势。当密度为0.80 g·cm-3时,WSR,TSR和WAR分别为4.92%,31.51%和81.82%。而当密度增至1.39 g·cm-3时,三者指标分别为3.81%,24.72%和18.94%,同比下降了22.56%,21.55%和76.88%。表明重组木试件的尺寸稳定性和耐水性随密度增大而显著提高。

      图  1  密度对吸水宽度膨胀率的影响

      Figure 1.  Effect of density on the width swelling rate

      图  2  密度对吸水厚度膨胀率的影响

      Figure 2.  Effect of density on the thickness swelling rate

      图  3  密度对吸水率的影响

      Figure 3.  Effect of density on the water absorption rate

      辐射松为针叶材,主要由木纤维、木射线、轴向管胞、轴向薄壁组织和树脂道组成,其中木射线、管胞、薄壁细胞和树脂道等细胞腔大、壁薄[12-13],吸水性强,易膨胀。当密度较低时,板材内部空隙较大,单板纤维相对松散,木纤维之间的有效胶合面降低,致使板材无法实现完全胶合,内应力较大。在湿热作用下,板材易吸水膨胀。随着密度增加,板坯密实化程度升高,水通道减少,进入板材内部困难。密度增大时,木纤维间接触紧密,有效胶合点增多,胶合性能改善,内应力降低,使得板材耐水性和尺寸稳定性增强,WSR,TSR和WAR降低。

    • 图 4~6所示:密度在0.80~1.39 g·cm-3范围内,辐射松重组木的MOR,MOE和HSS随着孔隙率的降低而增大。当密度为1.39 g·cm-3时,试件的MOR,MOE和HSS分别高达178.72 MPa,18.71 GPa和21.16 MPa;与密度0.80 g·cm-3的板材相比,3个力学指标分别提高了116.47%,50.52%和86.29%。这表明高密度可有效提高重组木的力学强度,与前人研究的结果一致[14-15]。当密度为0.80 g·cm-3时,所制重组木的MOR和HSS分别达到GB/T 20241-2006《单板层积材》中结构用单板层积材最高级180E和65V-55H的要求,MOE也能达到120E级的要求。

      图  4  密度对静曲强度的影响

      Figure 4.  Effect of density on the modulus of rupture

      图  5  密度对弹性模量的影响

      Figure 5.  Effect of density on the modulus of elasticity

      图  6  密度对水平剪切强度的影响

      Figure 6.  Effect of density on the horizontal shear strength

      单板纤维间的裂隙和木材细胞腔是重组木空隙的主要来源,板材力学性能的增强与其有着密不可分的关系。木纤维是板材承受外部载荷的主体。根据复合材料细观强度理论,纤维主要起承载基体传递的载荷,防止基体屈曲,提高材料整体强度的作用[16]。密度的增加降低了板材内部的空隙,增强细胞间的胶合性能,使得单根木纤维的承载能力提高;板坯经热压后,纤维间的裂隙缩小或数量减少,即密度增大,单位体积内的木纤维增多,提高了板材的整体承载能力。另外,源于纤维间裂隙的减少意味着纤维间的胶接点增多,胶合强度增大,也有效提高了板材的力学强度。

    • 辐射松素材的实质密度为1.50 g·cm-3;热压胶合成重组木后,实质密度为1.42~1.48 g·cm-3。辐射松重组木孔隙率与表观密度存在负线性关系,即孔隙率随表观密度增大而降低。气干素材的孔隙率约68.00%,重组木的孔隙率最低为2.11%。随密度增大,辐射松重组木的耐水性和力学强度显著提高。当辐射松重组木表观密度为1.39 g·cm-3时,辐射松重组木的物理力学性能最高,吸水厚度膨胀率(TSR),吸水率(WAR),静曲强度(MOR)和水平剪切强度(垂直加载)(HSS)分别为24.72%,18.94%,18.71 GPa和21.16 MPa。

      本试验范围内,所有重组木板材的力学指标均能满足甚至超过GB/T 20241-2006《单板层积材》的结构用材要求,可根据生产和应用的实际情况合理选择板材密度,以达到高性价比产品。

参考文献 (16)

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