不同立桿高度毛竹材弦切面的潤濕性能研究

張巧玲，周洪偉，梁廷斌，仝雪艷，曾欽志(福建農林大學材料工程學院，福州350002)

不同立桿高度毛竹材弦切面的潤濕性能研究

張巧玲，周洪偉，梁廷斌，仝雪艷，曾欽志
(福建農林大學材料工程學院，福州350002)

本文研究了H2O、酚醛樹脂膠黏劑（PF）、脲醛樹脂膠黏劑（UF）和改性大豆蛋白膠（MSA）在毛竹材不同立桿高度弦切面的潤濕性能，通過測定這些潤濕液體在竹材弦切面上的接觸角，建立潤濕液體在毛竹材弦切面的動態潤濕模型，分析毛竹材的不同高度對潤濕液體動態潤濕性能的影響，并對比分析各種潤濕液體在毛竹材弦切面的潤濕性能差異。

毛竹；立桿高度；弦切面；接觸角；潤濕性

1 前言

我國是竹材生產大國，是世界上竹材面積最大的國家，竹材資源極其豐富。我國竹材總共有39屬500余種，約占世界竹種總數的1/3，現在竹林面積530多萬公頃(1公頃=10 000 m2)，主要分布于我國長江以南的19個省、市、自治區，竹林面積、蓄積量、竹材產量均居世界之首[1]。隨著我國木材加工業的發展，木材供需矛盾越來越激烈，而竹材生長速度快、繁殖能力強、周期短、產量高、資源豐富，因此以竹代木是緩解木材供需矛盾的重要措施。經歷了三十多年的發展，我國竹材加工業得到快速發展，竹材產品達數十種，然而竹材加工工藝參數主要參照木材加工的工藝參數，但由于竹材的組織結構與木材有較大差異，導致竹材的表面性質也存在較大的差異。濕潤性是固體材料表面的重要特性之一，表現為某些液體與固體表面接觸時，在接觸表面潤濕、鋪展、滲透和粘附時的速度與能量[2]。膠黏劑對竹材坯料的潤濕性如何，決定著涂膠的質量和膠合產品的物理力學性能，因此潤濕性好壞非常重要。

本文重點研究毛竹材(Phyllostachys Pubescen)不同立桿高度弦切面上H2O、酚醛樹脂膠黏劑（PF）、脲醛樹脂膠黏劑（UF）和改性大豆蛋白膠（MSA）的動態潤濕性能，分析了毛竹材的不同高度對膠黏劑動態潤濕性能的影響和各種膠黏劑在毛竹材弦切面上的潤濕性能差異。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

毛竹材取材于福建省三明市尤溪縣中仙鄉，4年生，胸徑約120 mm，齊地砍伐，裁去砍口處一個竹節后，每隔2 m取30 mm長的竹筒，共5節竹筒試樣，即每節竹筒試樣分別離伐口為0 m、2 m、4 m、6 m、8 m。試驗中采用實驗室自制的各種潤濕液體，包括H2O、PF、UF、MSA，其基本性能見表1。

2.2 試驗方法

2.2.1 制備試樣

分別將齊地砍伐高度0 m、2 m、4 m、6 m、8 m的30 mm長的竹筒剖分成1.5～2 mm寬的竹條，按分別用于H2O、PF、UF和MSA的潤濕性能測試的順序，依次間隔取樣編號。再將竹條的竹青面刨削掉2 mm制作毛竹材弦切面樣本。試件規格為30 mm×5 mm×3 mm。將所有樣本干燥后，用砂紙砂光被測表面，最后在20℃、相對濕度65%的條件下調溫調濕48 h，密封備用。

表1 各種潤濕液體的基本性能(20℃)Table 1 The fundamental parameters of several kinds of liquids(20℃)

2.2.2 接觸角測試與分析

試驗中所用的接觸角儀是JC2000A靜滴接觸角/界面張力測量儀，其測試方法是外形圖像分析法。采用該儀器連續存儲各種潤濕液體在毛竹材弦切面上潤濕狀態，測量不同時間的接觸角，并按式(1)所示模型擬合得θ(t)曲線[3，4]。

式（1）中：θ為接觸角，（°）；θ0為平衡接觸角，（°）；A為潤濕緩沖系數；T為潤濕時間常數；t為時間，s。

3 試驗結果與分析

3.1 H2O在毛竹材弦切面的動態潤濕性

由圖1a可知，隨著立桿高度的增加，平衡接觸角逐漸減小，其潤濕性越好。H2O在毛竹材立桿高度為8 m時潤濕速度相對較緩慢，在立桿高度0 m時潤濕速度相對較快，在2 m和4 m立桿高度弦切面的潤濕速度相近，比6 m弦切面快。這是因為隨著立桿高度的增加，毛竹材的密度逐漸增大，微毛細管和毛細管的直徑減小，H2O的滲透阻力也逐漸減小[5，6]。H2O在毛竹材各弦切面上的潤濕速度均較快，僅7～8 s完成快速潤濕過程，達到或接近平衡接觸角，H2O的潤濕一般不會隨時間的延長穩定于平衡接觸角，H2O仍會在竹材表面發生滲透，直到接觸角為0，即完全潤濕。

3.2 PF在毛竹材弦切面的動態潤濕性

由圖1b可以看出，PF在毛竹材各弦面的平衡接觸角的變化規律與H2O的變化規律相似，但其平衡接觸角相對于H2O的較大，潤濕速度也較為緩慢。主要是因為PF的粘度大、分子量高，內聚能較大，在毛竹材表面不易流展[3]，也不易通過毛竹材的毛細管和微毛細管向毛竹材內部滲透[4]。比較圖1a和圖1b可知，H2O約需8 s完成在竹材表面的快速潤濕，其接觸角接近平衡接觸角；而PF在竹材表面的潤濕，需80～100 s才能接近平衡接觸角。此外，對比圖1b中不同立桿高度可知，PF在竹材各個立桿高度的接觸角的變化規律與H2O的潤濕規律相似。其中在立桿高度0 m處的衰減趨勢比其他部位的衰減趨勢更為明顯，且在前60 s內快速衰減，而后趨于平緩，說明PF在立桿高度0 m部分在前60 s內潤濕速率最快。而在立桿高度為8 m的竹材弦弦切面上的平衡接觸角最小，但潤濕速度較為緩慢。

3.3 UF在毛竹材弦切面的動態潤濕性

由圖1c可知，UF在不同立桿高度毛竹材弦切面上的平衡接觸角的變化與H2O的潤濕過程相似，自根部到梢部UF在毛竹材弦切面上的平衡接觸角逐漸減小。但UF在毛竹材弦切面上的平衡接觸角比H2O大，潤濕速度較慢，約需40 s達到較好的潤濕；與PF相比較，其平衡接觸角小得多，潤濕速度也比PF快。其主要原因是UF粘度比H2O大，但比PF小，膠液分子量比水分子量大但比PF小，在竹材弦切面上鋪展、滲透速度較H2O慢，比PF快[7，8]。此外，UF在竹材不同立桿高度的弦切面上接觸角的變化規律與H2O和PF的變化規律基本相似，不同立稈高度的毛竹材弦切面上在前0～30 s內呈快速衰減規律，而后趨于平緩；在0 m和2 m處衰減的趨勢較為明顯且快速，說明在立桿高度0 m和2 m處弦切面潤濕較為快速；而在6 m和8 m處其平衡接觸角相對較小，但潤濕速率較慢。

3.4 MSA在毛竹材弦切面的動態潤濕性

由圖1d可知，MSA的平衡接觸角的變化規律與H2O的相似，平衡接觸角的大小介于PF和UF之間。潤濕時間常數T很小，與H2O的潤濕時間常數很接近，MSA在10 s以內快速潤濕，表明MSA潤濕速度很快，幾乎與H2O在毛竹材弦切面的潤濕速度相當，僅10 s左右完成潤濕過程達到接近于平衡接觸角。其主要原因是MSA的固含量低、且富含極性基團，靜置時易形成氫鍵等，故而在與毛竹材弦切面上接觸的初期，由于水分含量大，以及在極性基團的作用下，在竹材表面快速鋪展、吸附、滲透。但隨著時間的延長，膠液中水分減少，并在蛋白質所帶電荷和極性基團的作用下，形成較大的內聚力，使膠液不易流展。此外，MSA在竹材各個立桿高度的接觸角的變化規律與前3種潤濕液體的變化規律相似。其中弦切面的各個部位在前0～10 s內呈快速衰減規律，在10～20 s內變化相對減緩，在20 s后趨于平緩，且不同立桿高度的竹材各弦切面的潤濕過程很接近，無明顯變化。

圖1 不同液體在毛竹各弦切面的動態潤濕曲線Fig.1 The dynamic wetting curves of several kinds of liquids on the tangential sections of moso bamboo

4 結語

隨著竹稈高度的增加，H2O和PF在毛竹材弦切面的平衡接觸角呈下降趨勢，潤濕性能越來越好，而UF和MSA的平衡接觸角和潤濕速度隨竹稈高度的變化相對不明顯。

H2O在毛竹弦切面上的潤濕速度最快，平衡接觸角最小，且隨時間的延長可達到完全潤濕。PF、UF和MSA3種膠黏劑在毛竹弦切面上的平衡接觸角都小于90o，表明這3種膠黏劑在毛竹材弦切面均可以潤濕。其中PF的平衡接觸角最大，潤濕速度最慢，即其潤濕性能最差；UF的平衡接觸角最小，潤濕速度居中；MSA潤濕速度最快，幾乎與H2O的潤濕速度相當，但平衡接觸角介于PF和UF之間，其潤濕性能不如UF；但3種膠黏劑的平衡接觸角均大于H2O。總體上而言，在同一立桿高度的毛竹材弦切面上，3種膠黏劑中，UF潤濕速度相對較快，平衡接觸角最小，潤濕性能較好。

致謝

參與試驗的還有張榮強、楊永濤、鄭志偉、夏美佺、樊迪、施國煒等同學，在此一并表示感謝。

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Study on wettability of tangential sections of moso bamboo with different pole heights

Zhang Qiaoling，Zhou Hongwei，Liang Tingbin，Tong Xueyan，Zeng Qinzhi
(College of Materials Engineering，Fujian Agriculture and Forestr University，Fuzhou 350002，China)

This paper studied the wettability of H2O，phenol formaldehyde adhesive(PF)，urea-formaldehyde adhesive(UF)and modified soy-based adhesive(MSA)in tangential sections of moso bamboo(Phyllostachys Pubescen)with different pole heights.Through measuring contact angles of four kinds of liquids on the tangential sections of moso bamboo，the dynamic wetting model was built，and the effects on the wettability of these liquids on the tangential sections with different pole heights and the differences of the wetting performance of these liquids on the tangential section of moso bamboo were analyzed.

moso bamboo；pole height；tangential section；contact angle；wettability

TS652

A

1009-1742(2014)04-0056-04

2013-12-03

福建省教育廳科技項目（JK2009009）；福建省大學生創新訓練項目（111ZC1256）

曾欽志，1969年出生，男，福建寧化縣人，博士，副教授，主要從事木材加工工藝及其裝備自動化的研究；E-mail：fjafuzqz@163.com