三聚氰胺脲醛树脂复配硼化物改性杨木的性能

第２９卷　Ｖｏ１．２９　第３期　Ｎｏ．３　木材工业　

ＣＨＩＮＡ　ＷＯＯＤ　ＩＮＤＵＳＴＲＹ　２０１５年５月　Ｍａｙ　２０１５　

研　巴盖茸开　乞．　聚氰胺脲醛树脂复配硼化物改性杨木的性能　

柴宇博　，刘君良　，孙柏　玲　，吕文华　（１．中国林科院林业新技术研究所，北京　１０００９１；２．中国林科院木材工业研究所，北京　１０００９１）　

摘要：　采用硼酸、硼砂混合液，三聚氰胺脲醛（ＭＵＦ）树脂及ＭＵＦ树脂与硼酸、硼砂的复配改性剂处理人工林杨木，　并对处理材的各项性能进行评价。结果表明：ＭＵＦ树脂和ＭＵＦ树脂复配硼化物的处理，均可显著降低木材的吸湿　率，提高抗胀率、弹性模量和抗弯强度；３种改性材的氧指数均提高，点燃时间延迟，热释放速率、总热释放量、总烟释　放量及ＣＯ产率均降低。以ＭＵＦ树脂复配硼化物处理杨木的效果最优，杨木各项性能可全面改善。　关键词：　杨木；复合改性剂；三聚氰胺脲醛树脂；硼化物　中图分类号：￥７８１．７；￥７９２．１１　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１—８６５４（２０１５）０３—０００５—０５　

Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ａｎｄ　Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　Ｐｏｐｌａｒ　Ｗｏｏｄ　Ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ｗｉｔｈ　ａ　Ｍｉｘｔｕｒｅ　ｏｆ　ＭＵＦ／Ｂｏｒｉｃ　Ａｃｉｄ／Ｂｏｒａｘ　

ＣＨＡＩ　Ｙｕ—ｂｏ　～，ＬＩＵ　Ｊ　ｕｎ－ｌｉａｎｇ　一，ＳＵＮ　Ｂａｉ—ｌｉｎｇ　，ＬＶ　Ｗｅｎ－ｈｕａ。　（１．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｆｏｒｅｓｔｒｙ　Ｎｅｗ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｆｏｒｅｓｔｒｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００９１，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｗｏｏｄ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ，Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｆｏｒｅｓｔｒｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００９１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｒｅｅ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ　ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ａ　ｍｉｘｔｕｒｅ　ｏｆ　ｂｏｒｉｃ　ａｃｉｄ／ｂｏｒａｘ（ＢＢ），　ｍｅｌａｍｉｎｅ－ｕｒｅａ—ｆｏｒｍａｌｄｅｈｙｄｅ（ＭＵＦ）ｒｅｓｉｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｉｘｔｕｒｅ　ｏｆ　ＭＵＦ／ｂｏｒｉｃ　ａｃｉｄ／ｂｏｒａｘ（ＭＢＢ），ｗｅｒｅ　ｐｒｅｐａｒｅｄ　ａｎｄ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｉｍｐｒｅｇｎａｔｅ　ｐｏｐｌａｒ　ｗｏｏｄ．Ｍｏｉｓｔｕｒｅ　ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ（ＭＡ），ａｎｔｉ—ｓｗｅｌｌｉｎｇ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　（ＡＳＥ），ｍｏｄｕｌｕｓ　ｏｆ　ｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ　ｉｎ　ｓｔａｔｉｃ　ｂｅｎｄｉｎｇ（ＭＯＥ），ｍｏｄｕｌｕｓ　ｏｆ　ｒｕｐｔｕｒｅ（ＭＯＲ）ａｎｄ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｒｅａｔｅｄ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｗｏｏｄ　ｓａｍｐｌｅｓ　ｗｅｒｅ　ａｌｌ　ｔｅｓｔｅｄ．Ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ＭＡ　ｒｅｄｕｃｅｄ　ｒｅｍａｒｋａｂｌｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ＡＳＥ，ＭＯＥ　ａｎｄ　ＭＯＲ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｓａｍｐｌｅｓ　ｗｅｒｅ　ｔｒｅａｔｅｄ　ｗｉｔｈ　ＭＵＦ　ｏｒ　ＭＢＢ．Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｏｐｌａｒ　ｗｏｏｄ　ｔｒｅａｔｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｔｈｒｅｅ　ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ　ｗｅｒｅ　ａｌｌ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｔｏ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｄｅｇｒｅｅｓ．Ｐｏｐｌａｒ　ｗｏｏｄ　ｔｒｅａｔｅｄ　ｗｉｔｈ　ＭＢＢ　ｗａｓ　ｍｏｒｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｏｔｈｅｒ　ｔｗｏ　ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｏｐｌａｒ　ｗｏｏｄ；ｍｉｘｅｄ　ｍｏｄｉｆｉｅｒ；ｍｅｌａｍｉｎｅ—ｕｒｅａ—ｆｏｒｍａｌｄｅｈｙｄｅ（ＭＵＦ）ｒｅｓｉｎ；ｂｏｒｉｄｅ　

杨树是我国主要人工林树种之一，因其木材材质　疏松、尺寸不稳定、力学性能较差，对此已有大量杨木　收稿日期：２０１４—０５—１４；修改日期：２０１５—０３—２５　基金项目：中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金“树脂型　硅酸盐改性人工林杨木技术研究”（ＣＡＦＩＮＴ２０１３Ｋ　０２）；农业科技成　果转化资金项目“人工林杉木增强改性技术推广与示范”　（２０１３ＧＢ２４３２０６０５）。　作者简介：柴宇博（１９８１一），男，中国林科院木材工业研究所助理　研究员。　的改性研究，并取得了良好的效果ｌ＿１　］。其中，水溶性　树脂浸渍处理木材的成本较低，工艺相对简单，可有　效提高木材密度、尺寸稳定性、强度及硬度等［４　］，成　为较为常用的木材改性方法之一。然而，随着国内外　木材改性技术的发展及产品的多样化，采用单一树脂　浸渍处理的方法，难以适应市场对改性材多种功能的　需求。　

三　ＶＯ１．２９　Ｎ０．３　Ｍａｙ　２０１５　硼化合物（如硼酸、硼砂等）常被用于木材的阻　燃、防腐处理，但这类无机阻燃剂或防腐剂的吸湿性　强，在非干燥环境下使用，常导致处理材吸潮、尺寸不　稳定，甚至某些力学性能的小幅降低。如果将有机水　溶性树脂和无机硼化合物的优势组合，制成一种稳定　的多功能木材改性剂，则有望全面改善杨木的物理力　学性能、阻燃性及耐腐性，拓宽其应用范围。　在前期研究中，笔者采用不同浓度的三聚氰胺脲　醛（Ｍｅｌａｍｉｎｅ－ｕｒｅａ—ｆｏｒｍａｌｄｅｈｙｄｅ，ＭＵＦ）树脂，与一　定比例的硼酸、硼砂复配，用于浸渍处理柳杉木材，效　果明显ｉ一。～一。参照柳杉试验的工艺参数，笔者自制了　ＭＵＦ树脂溶液、硼化物溶液以及ＭＵＦ树脂与硼化　物的复配溶液。对人工林杨木进行浸渍处理，并对处　理材各项性能指标进行测定，以期全面了解ＭＵＦ与　硼酸、硼砂复配溶液对人工林杨木的改性效果，为杨　木的增值高效利用提供新径。　１材料与方法　１．１试验材料　１）大青杨（Ｐｏｐｕｌｕｓ　ｕｓｓｕｒｉｅｎｓｉｓ）：采自吉林省白　河林业局。试件规格４００　ｍｍＸ１５０　ｍｍＸ２５　ｍｍ（纵　向×径向×弦向），数量４Ｏ块，气干密度０．３９　ｇ／　ｃｍ。，干燥至绝干备用。　２）三聚氰胺、脲醛、硼酸、硼砂等化学试剂，均　外购。　１．２试验方法　１．２．１改性剂配制　１）ＭＵＦ树脂溶液　以质量分数２０　的ＮａＯＨ　溶液为催化剂，三聚氰胺、甲醇、甲醛、尿素按量比　１．０：２．５：２．２：１．０备料，在６０￣８０　ｏＣ的条件下合　成ＭＵＦ树脂。检测其性能指标为：ｐＨ值１０．５～　１１，黏度３５　ｍＰａ・ｓ（２５℃），固体含量５３．２　。加水　稀释成质量分数为３Ｏ　的ＭＵＦ溶液，备用。　２）硼化物溶液　参照前期柳杉试验用溶液配　比，将硼酸、硼砂以质量比１：１加入水中，配制质量　分数为５　的硼化物溶液；　３）复配溶液　将硼酸、硼砂添加至ＭＵＦ溶液　中，调制成质量分数为３５　的复配改性液。其中：硼　酸、硼砂的质量分数均为２．５　，ＭＵＦ树脂的质量分　数为３Ｏ　。　・　Ｒ　。　１．２．２改性处理　取ｌＯ块未处理试件（记为Ｃ）用于空白样对比，　其余３０块分成３组，每组１Ｏ块，分别采用上述３种　改性剂进行处理。　具体步骤：将试件置于密闭处理罐中，先抽真空　至一０．０９５　ＭＰａ，保持３０　ｍｉｎ；将改性剂注入罐中，解　除真空后，施压０．８　ＭＰａ保持２　ｈ，使试件完全被浸　透后卸压取出，干燥至恒重。　根据处理前、后试件的绝干质量，计算三种改性　试件的增重率分别为：ＭＵＦ树脂溶液处理试件（记　为Ｍ）６６．５Ｙｏ，硼化物溶液处理试件（记为Ｂ）６．２　，　复配溶液处理试件（记为ＭＢ）６９．３　９／６。　１．３性能检测　１）尺寸稳定性按照ＧＢ／Ｔ　１９３４．２－２００９｛木材　湿胀性测定方法》，测试试件（在相对湿度６５　、２Ｏ℃　环境中）吸湿稳定后的质量和体积湿胀率。根据试件　的绝干质量和吸湿稳定后的质量，计算吸湿率　（ＭＡ）；根据空白样和改性材试件吸湿稳定后的体积　湿胀率，计算抗胀率（ＡＳＥ）。重复测试１０个试件。　２）力学性能按照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》，测试抗弯强度（ＭＯＲ）和弹性模量　（ＭＯＥ）。重复测试１５个试件。　３）燃烧性能按照ＧＢ／Ｔ　２４０６—２００９｛塑料用　氧指数法测定燃烧行为》测试氧指数，重复测试２Ｏ个　试件；按照ＩＳＯ　５６６０－１：２００２｛对火的反应试验一热释　放率、发烟率和质量损失率一锥形量热仪测试方法》　测试点燃时间、热释放速率、总热释放量、ＣＯ产率和　总烟释放量，热辐射功率５０　ｋＷ／ｍ　，重复测试３个　试件。　

２结果与分析　２．１尺寸稳定性　木材吸湿可引起木材细胞壁的膨胀，故其吸湿率　越高，抗胀率则越小。如图１所示，经硼化物溶液处　理的试件Ｂ，其吸湿率明显高于未处理对照试件Ｃ；　ＭＵＦ树脂溶液处理试件Ｍ和复配溶液处理试件　ＭＢ的吸湿率相差不大，而且两者吸湿率均低于试件　Ｂ和Ｃ。因此，４种试件的抗胀率由高到低排序为：Ｍ　＞ＭＢ＞Ｃ＞Ｂ　第２９卷第３期　木材工业　２０１５年５月　瓣　图１改性试件和未处理试件的吸湿率与抗胀率　Ｆｉｇ．１　ＭＡ　ａｎｄ　ＡＳＥ　ｏｆ　ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｗｏｏｄ　ｓａｍｐｌｅｓ　

硼酸、硼砂为水溶性无机盐，容易吸收空气中的　水分子，因此导致了硼化物溶液处理试件的吸湿性　大、抗胀率小。　ＭｕＦ树脂溶液或ＭＵＦ与硼化物复配溶液，在　木材内部经干燥、固化后，可形成不溶于水的团状物　或链状物，沉积在木材细胞腔和细胞间隙中，或部分　充胀于木材细胞壁之间［８　］，对水分的吸收形成阻碍，　同时也抑制了细胞壁的进一步膨胀，从而可降低处理　材的吸湿性，提高其抗胀率。　由于硼化物的加入，复配溶液处理试件ＭＢ的抗　胀率略低于ＭＵＦ树脂溶液处理试件Ｍ，但两者相差　不大，均在５０　９／６以上，显示出良好的尺寸稳定性。说　明硼酸、硼砂溶液处理导致木材吸湿性增加的副作　用，可以通过与ＭＵＦ树脂复配来抑制，从而改善处　理材的尺寸稳定性。　２．２力学性能　图２显示，试件Ｂ的ＭＯＲ和ＭＯＥ与对照试件　ｃ较为相近，试件Ｍ和ＭＢ之间的差别也不大；但后　两者的ＭＯＲ和ＭＯＥ，比前两者分别高出５０　和　４Ｏ　以上。　岛　０　０　图２改性试件和未处理材的弹性模量与抗弯强度　Ｆｉｇ．２　ＭＯＥ　ａｎｄ　ＭＯＲ　ｏｆ　ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｗｏｏｄ　ｓａｍｐｌｅｓ　结果说明，硼化物处理对杨木的ＭＯＲ和Ｍ０Ｅ　的影响不大，而ＭＵＦ树脂或复配改性剂处理，可提　高杨木的ＭＯＲ和ＭＯＥ。这主要是由于试件Ｍ和　ＭＢ的增重率较大，密度提高，且吸湿性小，平衡含水　率较低，所以其ＭＯＲ和Ｍ０Ｅ高于试件Ｂ和Ｃ。　２．３燃烧性能　１）氧指数氧指数是材料在氧氮混合气流中进　行有焰燃烧所需的最低氧浓度，其值大于２７　属难　燃材料。　由表１可知，杨木试件经３种不同的改性剂处理　后，其氧指数均大于２７％，达到难燃材料的要求；而　且，相对未处理对照试件Ｃ，ＭＵＦ树脂溶液处理试件　Ｍ的氧指数提高了７０　，而加入硼化物溶液后，试件　Ｂ和ＭＢ的氧指数均提高１倍以上。　２）点燃时间　由表１可知，３种改性试件的点燃　时间均比对照试件Ｃ明显延长，说明３种改性剂处　理可推迟木材的燃烧。　３）热释放速率即单位面积试材释放热量的速　率。热释放速率越大，在短时间内燃烧产生大量热　能，造成火势迅速蔓延。