防腐树脂增强改性木材力学及耐久性能研究_陈利芳.pdf
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1、 收稿日期:2022-07-13 基金项目:中央财政林业科技推广项目(2020 GDTK-04 号)资助。作者简介:陈利芳,教授级高级工程师。E-mail: 安徽农业大学学报,2023,50(3):389-395 Journal of Anhui Agricultural University DOI 10.13610/ki.1672-352x.20230625.007 网络出版时间:2023-06-26 16:21:10 URL https:/ 防腐树脂增强改性木材力学及耐久性能研究 陈利芳,王剑菁,马红霞,谢桂军,高 婕(广东省林业科学研究院/广东省森林培育与保护利用重点实验室,广州 51
2、0520)摘 要:为综合提升发挥防腐木材与树脂改性木材的优势,在赋予防腐木材良好尺寸稳定性和力学强度的同时提高树脂改性材的耐腐性能。采用低分子酚醛树脂(PF)分别与木材防腐剂硼化合物、三唑类化合物、硼类与有机唑类复合物相互复配,制备防腐树脂复合制剂,对马尾松木材进行防腐树脂增强改性处理,研究处理材的物理力学性能及抗生物耐久性能。结果表明:防腐树脂增强改性材的尺寸稳定性随着树脂质量分数的增大而提高,当树脂质量分数 20%时,处理材的体积抗湿胀率(V-ASE)均比素材提高 30%以上。防腐树脂增强改性材的抗弯弹性模量、抗弯强度、顺纹抗压强度和表面硬度较未处理材分别平均提高了 33.8%、27.1%
3、、29.0%和 60.6%;未处理马尾松木材的耐腐性差,室内耐腐性属于级,PF 改性材属于级,而防腐树脂增强改性材均可达到强耐腐等级(级),抗白蚁性达到 9.0 级以上;经 4 年埋地测试,PF 树脂复合三唑类防腐剂(PF-PT)处理试材的完好指数为 10。综合以上结果,防腐树脂增强改性马尾松木材能有效提高其尺寸稳定性、力学性能、耐腐及抗白蚁性能,其中 PF-PT防腐增强改性材达到了室外用材耐久性的要求,具备良好尺寸稳定及防腐防虫功能,具有较好的推广应用价值。关键词:防腐树脂;改性木材;尺寸稳定性;力学性能;抗白蚁性能;耐久性 中图分类号:S781 文献标识码:A 文章编号:1672-352X
4、(2023)03-0389-07 Study on mechanics and durability of wood reinforced and modified by preservative resin CHEN Lifang,WANG Jianjing,MA Hongxia,XIE Guijun,GAO Jie(Guangdong Academy of Forestry/Guangdong Provincial Key Laboratory of Silviculture,Protection and Utilization,Guangzhou 510520)Abstract:To c
5、omprehensively improve the advantages both preservative-treated wood and resin modified wood,the target is to obtain good dimensional stability and mechanical strength of preservative-treated wood,and the excellent decay resistance of resin modified wood at the same time.In this paper,low molecular
6、phenolic resin(PF)was compounded with wood preservative boron compound,triazole compound,boron and organic azole compound respectively to prepare preservative resin composite preparation,the masson pine wood was modified by the preservative resin composite preparation,mechanical and biological durab
7、ility properties of modified wood were tested and evaluated.The results showed as follows,the dimensional stability of treated wood was improved with the increase of resin mass fraction,compared with that of the untreated wood specimen.When the mass frac-tion of preservative resin is greater than or
8、 equal to 20%,the anti-shrink efficiency(V-ASE)of the modified wood increased by more than 30%.Modulus of elasticity(MOE),Modulus of rupture(MOR),Longitudinal Compressive strength and Surface hardness of the wood modified with the preservative-resin composite preparation could in-crease 33.8%,27.1%,
9、29.0%and 60.6%separately.The decay resistance of untreated wood was poor,and the lev-el decay resistance belonged to,pf modified specimen belonged to,and the modified wood by preserva-tive-resin belonged to grade I.The Anti-termite performance reaches above grade 9.0.After 4 years of buried test,the
10、 integrity index of pf resin composite triazole preservative(PF-PT)treated samples reached 10.Therefore,the preservative-resin reinforced modified masson pine wood can effectively improve its dimensional stability,me-chanical properties,corrosion resistance and termite resistance.The wood reinforced
11、 and modified with PF-PT preservative-resin meets the requirements of outdoor durability,and have good application value.Key words:preservative resin;modified wood;dimensional stability;mechanical properties;anti-termite performance;durability 390 安 徽 农 业 大 学 学 报 2023 年 我国人工林保存面积达 6 933 万 hm2,居世界首位,
12、蕴含着丰富的可利用木材资源。随着国内天然林商业性采伐的全面停止,人工林木材因其产量高、培育周期短等优点1,一定程度上缓解了我国森林资源的现状,已成为我国主要的工业用材林2。人工林木材具有天然林木材的纹理特点、易于加工等优点,但也存在强度低、易变形、易腐朽虫害等缺陷,使得其使用寿命缩短、应用领域受限3。因此开展对人工林木材的保护性增强处理,提高其材质特性、延长其木材的使用寿命的技术应用是十分必要的。经证明,木材防腐处理技术是对户外使用木材保护而延长其使用寿命的最直接有效的方法,常用的木材防腐剂是铬化砷酸铜(CCA),其次是铜胺季铵盐(ACQ)和铜唑(CuAz)防腐剂,这类水载型防腐剂处理木材的优
13、点是防腐剂在木材中的渗透性较好,抗流失性能强,处理后防腐木材的耐久性优良,而水载型防腐剂处理材的主要缺点之一是处理材尺寸稳定性差,在户外使用中存在开裂变形,裂缝会成为虫菌的突破口,导致其耐久性受到不良影响4-6。随着环境保护要求的不断提高及人们环境意识的提高,对环境和人体健康有较大影响的木材防腐剂(如 CCA)的使用受到限制或禁止是必然趋势7,环保型木材防腐剂越来越受到重视,此类防腐剂多以高效低毒的有机农药为主成分,由戊唑醇、丙环唑处理的木材具有较好的防腐性能,且目前应用较广泛8-9。另外,也有配合其他助剂制备成有机型或水基型防腐剂如唑醇啉(PTI),或将石蜡与有机防腐剂复合配制成水基型有机木
14、材保护复合制 剂10,从而达到提高尺寸稳定性的防腐防水要求。近年来,除了开发新的环保型木材防腐剂外,木材改性处理作为木材保护的另一手段,它在改善防腐木材的使用缺陷,提高木材耐腐性方面的研究日益受到关注11-12。我国普遍用脲醛树脂(UF)、三聚氰胺甲醛树脂(MF)和酚醛树脂(PF)对木材进行浸渍处理,这是人工林软质木材高效增值利用的重要方法13,如岳孔等14用酚醛树脂浸渍处理木材达到处理材耐腐性增强的目的。也有将防腐剂与水溶性有机树脂联合处理木材,如王传耀等15将脲醛树脂与水溶性防腐剂 ACQ 复配改性杉木达到强耐腐等级,邸向辉16以三聚氰胺脲醛树脂包覆印楝提取物制备微囊处理木材也可具有良好的
15、尺寸稳定性和耐候性。综观以上对改性材的耐腐性能研究测试大多限于室内测试的结果,因此为了更加客观了解树脂改性材用于户外恶劣环境下的耐白蚁及耐腐朽性能,改善单一的防腐处理材缺乏良好的尺寸稳定性,防腐处理材的力学强度不能得到提高的现状,本研究以我国南方主要树种马尾松木材为主要研究对象,选择稳定耐老化的酚醛树脂与环保型的防腐剂如三唑类防腐药剂丙环唑、戊唑醇、硼类化合物等进行复配,获得多种配方,以此药剂对速生松木进行功能性改良,拟在提高处理木材力学强度和尺寸稳定性的同时提高其抗生物劣化性能,以此获得增强型防腐木材的技术、拓宽速生人工林木改性木材的使用范围。1 材料与方法 1.1 试验材料 1.1.1 试
16、材 试验用马尾松(Pinus massoniana)木材采自广东省龙山林场。锯取试材长度 宽度 厚度为 320 mm 25 mm 25 mm,干燥后再锯成不同测试要求的试件尺寸。1.1.2 室内耐腐性测试菌种 褐腐菌试验菌种为密粘褶菌(Gloeophyllum trabeum),白腐菌试验菌种为彩绒革盖菌(Coriolus versicolor),均由广东省林业科学研究院提供。1.1.3 改性 PF树脂 自制 PF树脂,树脂性能指标:分子量小于 400,水溶比大于 30,固含量大于 45%,pH 值为 9.5,黏度为 14.8 s,外观为透明酒红色液体。1.1.4 防腐剂成分 有机药剂戊唑醇(
17、TBZ)、丙环唑(PPZ)、碘丙炔醇丁基氨甲酸酯(IPBC)、无机硼类防腐剂有四水八硼酸二钠、硼酸、硼砂。1.1.5 防腐树脂 将有机防腐剂戊唑醇、丙环唑、碘丙炔醇丁基氨甲酸酯(IPBC)与表面活性剂、溶剂按一定比例调配成水乳溶液,再与树脂分别复配得到 3 种增强防腐树脂,分别表示为:PF-B 是由PF 树脂与四水八硼酸二钠、硼砂(21)复配;PF-PB是 PF 树脂与四水八硼酸二钠、丙环唑(201)复配;PF-PT 由 PF 树脂与丙环唑、戊唑醇、IPBC 3种药剂(110.5)有机药剂复配;PF 表示单一PF 树脂,即未加任何防腐剂成分。1.2 试验方法 1.2.1 树脂增强改性处理 分别
18、配制 3 组质量分数为 10%、20%和 30%稳定的防腐树脂 PF-B、PF-PB、PF-PT 和 PF 对照树脂,按浓度比例要求加入配方中相应的防腐剂有效成分质量。然后再对锯制好的试件按浸渍工艺进行处理。浸渍工艺:注入药液的试件先抽真空(绝对压力 8kPa)保持 10 min,再加压(绝对压力 1.4 MPa)处理 30 min,然后进50 卷 3 期 陈利芳等:防腐树脂增强改性木材力学及耐久性能研究 391 行第 2 次真空后再将试件取出。防腐树脂浸渍的试件于常温气干放置 24 h 后置入烘箱,首先在 80 烘干 3 h,然后逐渐升到 105 烘 2 h,最后将处理材在 130 放置 4
19、 h 进行烘干固化。考虑到增强防腐处理技术的实用性,本研究将质量分数为 20%防腐树脂处理材进行了力学性能和防虫抗生物耐久性能研究。1.2.2 湿胀性能测试 试件尺寸为 20 mm 20 mm 20 mm(纵向 径向 弦向),每组 10 块试件。用游标卡尺测量小试件在气干状态和吸水饱和状态下弦向、径向和纵向值,计算试件从气干至吸水饱和时的体积抗湿胀率(ASE),并跟素材相比,以体积抗湿胀率的变化比率来衡量浸渍处理材的尺寸稳定性。1.2.3 力学性能测试 主要测定木材的硬度、顺纹抗压强度、抗弯强度和抗弯弹性模量,每组试件 30根。1.2.4 防虫抗生物耐久性能测试和评价 室内抗白蚁性能测试:每组
20、 5 块试块,试件尺寸为 25 mm 25 mm 6 mm;室内耐腐性能测试:试样尺寸为 20 mm 20 mm 10 mm,每组试样数量为 12 块。天然耐久性能测试:试验地点:广州,试样尺寸:20 mm 20 mm 300 mm,每种改性处理材的试样根数分别为 10 根。分级评价包括耐腐值和白蚁蛀蚀值,当二者测试结果不一致时,以损毁严重的值来计算。1.2.5 微 观 构 造 分 析 所 用 生 物 显 微 镜OLYMPUS、SZX16,切片要求按照木材显微切片制作技术内容完成。2 结果与分析 2.1 防腐树脂改性处理材的尺寸稳定性分析 水溶性低分子量的 PF 树脂溶液浸渍处理木材,可以渗入
21、到木材细胞内部,经过后续工艺的加热固化可提高处理材的尺寸稳定性17-19。但是防腐树脂体系跟单一的树脂体系有区别,防腐乳液中含有一定量的溶剂、表面活性剂和防腐剂,为研究防腐树脂处理马尾松木材尺寸稳定性能,并确定相对合适的使用浓度,本研究针对质量分数为 10%、20%和30%的防腐树脂处理材进行了抗湿胀率测试。通过防腐树脂处理木材前后的体积抗湿胀率(V-ASE)来衡量防腐树脂增强改性处理松木的尺寸稳定性能。结果如表 1 所示,从中可知,当树脂质量分数为 10%时,PF、PF-B 与 PF-PB 处理材的体积抗湿胀率跟素材相差不大,改性效果不明显。表 1 防腐树脂增强改性木材尺寸稳定性能变化 Ta
22、ble 1 Changes in dimensional stability of wood reinforced and modified with preservative resin%改性材种类 树脂质量浓度 增重率 体积湿胀率 ASE 变化率 PF 10 74.03 7.02(0.46)2.90 PF-B 10 77.50 6.68(0.55)7.61 PF-PB 10 72.40 7.08(0.61)2.07 PF-PT 10 73.38 6.61(0.45)8.58 PF 20 99.42 5.17(0.46)25.73 PF-B 20 95.24 4.86(0.32)32.78
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