刺槐品種原木與膠合板物理力學性能比較分析

仲偉國，徐貴學，王有剛，趙一凡，李國霞，張寶貞，董元夫，荀守華*

（1.山東省林業科學研究院，山東濟南250014；2.臨沂優優木業股份有限公司，山東費縣273400；3.山東萬智教育集團，山東濟南250100；4.費縣國有大青山林場，山東費縣273402）

我國森林資源短缺，森林蓄積量和生長量較低。我國又是木材消費大國，木材消耗量逐年增加，木材對外依存度超過50%[1]。培育速生優質用材林良種，提高人工林生產力，增加木材供應，可有效緩解我國木材短缺問題。

刺槐（Robinia pseudoacaciaL.）是地球上溫帶地區栽培廣泛的速生闊葉樹種，木材屬中等密度，軟硬適中，加工性能好；順紋抗壓力強，斷裂時會發出警戒響聲；在潮濕條件下較長時間不腐朽；耐火性強，燃燒熱值高；是重要的建筑、礦柱、農具、造船、木地板等用材[2-3]。但是刺槐木材存在干燥易開裂、翹曲等缺陷，致使干燥合格率較低，影響了刺槐木材加工利用效益[4]。人造膠合板具有性能穩定、不易變形的特性，將刺槐原木旋切單板多層膠合制作膠合板，能改善刺槐木材翹裂缺陷，提高木材利用性能。迄今有關刺槐膠合板相關物理力學性能的研究報道較少，為此，本試驗選用刺槐用材林新品種‘多彩青山’、‘壯美青山’、‘綠滿青山’和優良無性系‘魯刺10’原木制作普通膠合板，檢測其密度、含水率、膠合強度、靜曲強度、彈性模量等性能，并與歐美楊107 楊（授權新品種名稱為‘尼娃’）和桉樹木材膠合板進行比較，為刺槐膠合板合理開發利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為山東省林業科學研究院和費縣國有大青山林場選育的刺槐用材林新品種‘多彩青山’‘壯美青山’‘綠滿青山’和刺槐優良無性系‘魯刺10’8年生試驗林立木，平均胸徑15 cm～18 cm，平均樹高10 m～12 m；產地為費縣國有大青山林場，2017年9月采伐。以產自山東臨沂的歐美楊107 楊小徑材和產自廣西的桉樹小徑材作為對照。見表1。

表1 試驗材料相關信息

1.2 膠合板制作工藝和方法

將原木各段統一截成長度1.2 m 的木段，上單板旋切機旋切成厚度1.5 mm 的單板，經過干燥處理后加工制成7 層膠合板。膠黏劑為酚醛膠，涂膠量為180 g·m-2，板材的制備尺寸為500 mm×500 mm。熱壓工藝參數：時間1000 s+500 s，溫度125 ℃，一段13 kg·cm-2，二段7 kg·cm-2。制作工藝流程是：單板整理→涂膠→組坯→預壓→熱壓→砂光→裁邊。

1.3 原木物理性質測定

在刺槐各品種伐倒木樹干高度的基部、胸高(1.3 m)、1/3、1/2、3/4 處截5 cm 厚圓盤各1 個，對各部位圓盤截取5 個試樣（試樣尺寸20 mm×20 mm×20 mm），稱重、干燥，記錄鮮、干質量。原木含水率按照國家標準GB/T1931-2009《木材含水率測定方法》進行測定。原木基本密度和氣干密度按照GB/T1933-2009《木材密度測定方法》進行測定。各品種樹干各部位基本密度和氣干密度取5 個試樣的平均值，用胸高段位的基本密度和氣干密度代表該品種的基本密度和氣干密度進行比較分析。

1.4 膠合板性能檢測

刺槐品種及對照膠合板物理力學性能檢測依據GB/T9846-2015《普通膠合板》、GB/T17657-2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》；膠合板浸漬剝離測定依據GB/T18103-2013《實木復合地板》。測試指標包括甲醛（mg·L-1）、耐熱長度變化率、耐熱寬度變化率、膠合強度、一類浸漬剝離、二類浸漬剝離、橫向靜曲強度、橫向彈性模量、密度、含水率等。每種試材測試6 片，即每個指標重復測試6次，取算術平均值。

2 結果與分析

2.1 刺槐品種木材物理性質及差異

2.1.1 刺槐品種木材密度及差異

4 個刺槐品種木材基本密度介于0.58 g·cm-3～0.67 g·cm-3之間，為中等密度木材[5]。同一品種樹干不同部位基本密度有差異，總體趨勢在樹干1/2 高度基本密度達到最高值，基部次之，至3/4 部位密度最低，胸高部位密度居中。樹干各部位基本密度由高至低排序為1/2 處＞基部＞胸高＞1/3 處＞3/4 處。以‘多彩青山’為例，樹干各部位基本密度值為0.71 g·cm-3＞0.68 g·cm-3＞0.67 g·cm-3＞0.66 g·cm-3＞0.65 g·cm-3。不同刺槐品種其基本密度有差異，‘多彩青山’和‘壯美青山’均大于‘魯刺10’，‘綠滿青山’低于‘魯刺10’（見圖1）。

圖1 刺槐品種木材不同部位基本密度

刺槐各品種木材氣干密度在0.67 g·cm-3～0.79 g·cm-3范圍內，樹干高度不同位置氣干密度有差異，且不同品種表現趨勢有差異。‘多彩青山’和‘壯美青山’在樹干1/2 高度氣干密度達到最高值，胸高部位次之，3/4 部位最低；‘綠滿青山’和‘魯刺10’樹干基部氣干密度最高，隨樹干高度增加氣干密度呈降低趨勢（見表2）。

表2 刺槐品種不同樹干高度氣干密度測定數據表

2.1.2 刺槐品種木材含水率和體積干縮系數及差異

刺槐各品種木材含水率隨樹干高度增加而減少，基部含水率最高，至樹梢3/4 部位含水率最低，胸高部位含水率介于38%～53%之間，各品種由高至低排序為‘壯美青山’＞‘綠滿青山’＞‘多彩青山’＞‘魯刺10’。體積干縮系數在0.33%～0.44%范圍內，不同品種有差異，‘多彩青山’和‘魯刺10’較高，‘壯美青山’較低；同一品種在樹干高度不同位置體積干縮系數有差異，規律趨于1/2 ＞胸高＞基部＞1/3＞3/4(見表3)。

2.2 刺槐品種木材膠合板物理性能及差異比較

刺槐各品種、107 楊和桉樹木材膠合板物理性能測定結果（見表4）表明，4 個刺槐品種膠合板密度為0.92g·cm-3、0.91 g·cm-3、0.83 g·cm-3和0.83g·cm-3，分別比原木密度提高了37.3%、46.77%、43.1%和36.1%，達到高密度木材要求。107 楊膠合板密度為0.62g·cm-3，桉樹膠合板密度為0.70g·cm-3，均達到中密度木材要求。

4 個刺槐品種膠合板密度有差異且均超過對照107 楊、桉樹膠合板密度。‘多彩青山’分別超過對照48.4%、31.4%，‘壯美青山’分別超過對照46.8%、30%，‘綠滿青山’和‘魯刺10’膠合板密度相同分別超過對照33.9%、18.6%。4 個刺槐品種和107 楊、桉樹膠合板密度由大至小排序為‘多彩青山’＞‘壯美青山’＞‘綠滿青山’/‘魯刺10’＞ 桉樹＞107 楊。

4 個刺槐品種膠合板含水率分別為為8.4%、10.7%、8.1%、9.5%，107 楊、桉樹膠合板含水率分別為7.7%、9.0%，均符合國家標準。由原木制作膠合板后木材含水率顯著降低，‘多彩青山’膠合板含水率比其原木降低了77.9%，‘壯美青山’膠合板含水率比其原木降低了79.8%，‘綠滿青山’膠合板含水率比其原木降低了83.8%，‘魯刺10’膠合板含水率比其原木降低了76.3%。

2.3 刺槐品種木材膠合板力學性能及差異比較

膠合強度是膠黏劑與木材單板界面發生破壞所需的應力，反應了單板的膠合能力，膠合強度值越大，其膠合能力越大。由表4 可知，刺槐品種的膠合強度分別為3.45 MPa、2.97 MPa、2.85 MPa、3.01 MPa，均高于對照107 楊的1.94 MPa，桉樹的1.56 MPa，‘多彩青山’膠合強度比107 和桉樹分別提高了77.83%和121.15%。刺槐品種木材膠合強度顯著大于107 楊和桉樹，說明刺槐木材更適宜制作膠合板。

表3 刺槐品種木材含水率和體積干縮系數測定數據表

靜曲強度（MOR）是膠合板在受力彎曲到斷裂時所能承受的壓力強度。從表4 看出，4 個刺槐品種‘多彩青山’、‘壯美青山’、‘綠滿青山’、‘魯刺10’膠合板橫向靜曲強度分別為85 MPa 、105 MPa 、96 MPa 和105 MPa，4 個品種的MOR 值均低于107 楊的107 MPa，均高于桉樹的67 MPa。不同種類木材膠合板橫向靜曲強度大小排序為107 楊＞‘壯美青山’＞‘魯刺10’＞‘綠滿青山’＞‘多彩青山’＞桉樹。

表4 刺槐品種、歐美楊、桉樹木材膠合板物理力學性能檢測表

彈性模量（MOE）是衡量膠合板產生彈性變形難易程度的指標，其值越大，使材料發生一定彈性變形的應力也越大，即材料剛度越大。刺槐品種‘多彩青山’的MOE 值為9055 MPa，‘壯美青山’為9292 MPa，‘綠滿青山’為11041 MPa，‘魯刺10’為7831 MPa。其中，只有‘綠滿青山’的MOE 值高于107 楊的MOE 值10831 MPa，只有‘魯刺10’的MOE 值低于桉樹的8679 MPa。不同種類木材膠合板橫向彈性模量大小排序為‘綠滿青山’＞107 楊＞‘壯美青山’＞‘多彩青山’＞桉樹＞‘魯刺10’。

3 結論與討論

木材密度是木材材性的重要指標，對木材強度、性能和加工產品質量有直接影響。刺槐品種木材屬中密度木材，本試驗4 個刺槐品種木材基本密度介于0.58 g·cm3～0.67 g·cm3之間，經過多層單板膠和后其密度顯著提高，膠合板密度介于0.83 g·cm3～0.92g·cm3之間，分別比原木密度提高了37.3%、46.77%、43.1%和36.1%，且4 個刺槐品種膠合板密度均超過對照107 楊和桉樹膠合板密度，達到高密度板材要求。

4 個刺槐品種的靜曲強度介于85 MPa～105 MPa，大于桉樹的靜曲強度67 MPa，低于107 楊靜曲強度107 MPa。彈性模量介于7831 MPa～11041 MPa，只有‘魯刺10’的MOE 值低于桉樹的8679 Mpa，只有‘綠滿青山’MOE 值高于107 楊彈性模量10831 MPa，說明刺槐品種的力學性能有提升空間，選育速生性和力學性能兼優的品種可作為育種新目標。4 個刺槐品種木材的膠合強度介于2.85 MPa～3.45 MPa 之間，均高于107 楊和桉樹膠合強度，說明刺槐木材更適宜制作膠合板。

木材密度表示木材細胞壁物質的多少，闊葉樹木材結構及其細胞種類比較復雜，木材密度變化較大。孫恒等對人工林刺槐物理力學性質的研究結果，刺槐木材的氣干密度、全干密度、基本密度、順紋抗壓強度、抗彎強度、抗彎彈性模量均隨樹齡的增大而增加[6]。鮑甫成等研究了22年生中林三北一號楊和26年生檸檬桉的木材密度[7]，吳世軍、羅浩等研究了雜種桉樹、四川藍桉木材密度[8-9]，其結果為楊樹幼齡材基本密度平均為0.328 g·cm-3，成熟材基本密度平均為0.333g·cm-3，桉樹幼齡材基本密度平均為0.626 g·cm-3，成熟材基本密度平均為0.728g·cm-3。本試驗材料刺槐品種、107 楊和桉樹均為幼齡材，原木和膠合板密度測定數據僅表示這些樹種品種幼齡材的密度，其成熟材密度有何變化有待進一步測試研究。

張亞梅等利用刺槐和桉樹木材試制高密度重組木，結果表明，2 種木材均適合制備高密度重組木；當密度為1.10 g·cm-3時，2 種木材重組木的力學性能是其木材的1.5～2.0 倍，且刺槐重組木的MOR、MOE 力學性能與耐水性能優于桉樹[10]。本試驗刺槐品種膠合板橫向靜曲強度和彈性模量均大于桉樹，由此得出刺槐品種膠合板的承重和剛度性能優于桉樹，具有更廣泛的用途。