二羥甲基二羥乙基乙烯脲樹脂處理對尾巨桉木材尺寸穩定性的影響

雷福娟，王軍鋒，黃騰華，宋戀環

（廣西壯族自治區林業科學研究院 廣西木材資源培育質量控制工程技術研究中心，廣西南寧 530002）

木材屬多孔性材料，大的孔隙有細胞腔和紋孔等，小的有微纖維間隙；木材中有許多親水基團，水分很容易滲透到木材內部，并與木材中的某些成分以化學鍵或氫鍵形式結合，引起纖維潤脹，使木材尺寸發生變化，即木材的干縮濕脹[1]。木材是各向異性材料，各方向上的干縮濕脹不均勻，容易產生翹曲、變形和開裂等缺陷，極大地制約了木材的應用范圍。因此，改善木材的尺寸穩定性對木材的高效利用有重要意義。尾巨桉（Eucalyptus urophylla×E.grandis）是尾葉桉（E.urophylla）和巨桉（E.gran?dis）雜交的無性系[2]，為廣西種植面積較大的用材林樹種，由于自身的生長應力和內部構造特征，其木材的體積干縮濕脹率較大，干縮濕脹不均勻，在加工和使用過程中易開裂和變形[3]。

樹脂浸漬處理木材是提高木材尺寸穩定性的有效方法。常用的浸漬樹脂有酚醛樹脂、三聚氰胺甲醛樹脂和尿素改性三聚氰胺甲醛樹脂等，均能顯著改善木材的防水性和尺寸穩定性，但樹脂的黏滯性、固化硬脆性和縮水性也易造成木材開裂及內外材性差異[4]。二羥甲基二羥乙基乙烯脲（DMDHEU）是具有多羥甲基活性的合成樹脂預聚體，主要用于紡織品的耐久定型整理；可提高纖維素纖維的彈性模量，增強纖維的形變恢復能力，應用在棉、粘膠、人造棉和富纖紡織品上時，具有良好的防縮和抗皺效果[5]；DMDHEU 能與木材纖維素纖維分子中的羥基發生共價交聯，生成網狀交聯結構，降低木材中的親水基團游離羥基，提高木材尺寸穩定性[6-7]。利用DMDHEU 良好的防皺縮性、高滲透性和對木材纖維的高反應活性[8]，通過真空-加壓的方法對木材進行浸漬處理，處理后的木材具有良好的尺寸穩定性、抗菌性、抗蟲性和抗老化性等[9-10]。本研究以尾巨桉木材為研究對象，采用真空-加壓方法對木材進行DMDHEU 樹脂浸漬處理，分析處理后木材的抗脹（縮）率、抗吸水率和密度及木材的尺寸穩定性和物理力學性質，以期為提高尾巨桉木材綜合品質、擴大木材應用范圍提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試材為6年生尾巨桉木材，2021年8月采于廣西壯族自治區國有高峰林場六里分場。選取3株直徑16 cm、干型通直且無明顯缺陷的標準木，分別截取1.3 ～4.3 m 段原木。將原木制成鋸材，置于室內氣干；根據GB/T 1929-2009[11]將鋸材制成標準試樣，試樣規格為20 mm×20 mm×20 mm。

1.2 試驗儀器

真空加壓浸漬處理罐（山東諸城市安太機械有限公司，中國）、電熱鼓風干燥箱（美墨爾特（上海）貿易有限公司，德國）、電子天平（梅特勒－托利多儀器（上海）有限公司，中國，精度為0.001 g）和千分尺（三量量具，中國，精度為0.001 mm）。

1.3 試驗方法

1.3.1 浸漬處理

采用全因素試驗方法，對木材進行DMDHEU 樹脂真空-加壓浸漬處理，設置兩個因素（濃度、壓力），每因素4 水平，濃度為5%、10%、20%和30%，壓力為0.3、0.6、0.9和1.2 MPa；共16組試驗，每組40塊試樣。將全部標準試樣（包括處理材和未處理材）在（103±5）℃下絕干，測量尺寸和質量，密封,備用。將固體含量為40%的DMDHEU 樹脂溶液按質量比配制成濃度為5%、10%、20%和30%的樹脂溶液，按質量比分別在樹脂溶液中加入1.5%的MgCl2催化劑[12]。將待處理試樣置于真空罐內，抽真空使真空罐內壓力達到0.08 MPa以下，保持30 min，排除木材細胞腔中的水分和空氣，之后向罐內注入不同濃度樹脂溶液，在不同加壓壓力下浸漬1 h；取出試樣，自然條件下晾1天后，120 ℃下烘至絕干[12]。

1.3.2 測試及計算方法

依據GB/T 1932-2009[13]測定木材的干縮性；依據GB/T 1933-2009[14]測定木材的密度；依據GB/T 1934.1-2009[15]測定木材的濕脹性及吸水率。增重率（WPG，%）為注入木材的處理劑固體含量與未處理材絕干質量的百分比，計算公式為[16]：

式中，GC為未處理材的絕干重量（g）；GT為處理材的絕干重量（g）。

體積抗脹（縮）率（ASE，%）為浸漬處理材從飽水狀態至氣干/絕干狀態的體積干縮率或從絕干狀態至飽水狀態的體積濕脹率與未處理材的比較，計算公式為[16]：

式中，VC為未處理材的體積濕脹（縮）率；VT為處理材的體積濕脹（縮）率。

抗吸水率（RWA，%）為處理材從絕干狀態至飽水狀態吸水率與未處理材的比較，計算公式為[16]：

式中，WC為未處理材的吸水率；WT為處理材的吸水率。

1.4 數據處理

采用Excel 軟件處理數據；依據GB/T 1928-2009[17]計算各指標的平均值和標準差。

2 結果與分析

2.1 方差分析

經DMDHEU 樹脂真空-加壓處理后，木材的尺寸穩定性顯著提升；樹脂濃度和加壓壓力對木材的增重率和密度均影響顯著或極顯著（P< 0.05，P<0.01）（除加壓壓力對氣干密度的影響）；樹脂濃度對木材增重率和密度的影響大于加壓壓力（表1）。

表1 方差分析Tab.1 Variance analysis

2.2 增重率與木材密度分析

2.2.1 樹脂濃度和加壓壓力對木材增重率的影響

樹脂濃度為30%、加壓壓力為1.2 MPa 時，處理材的增重率最大（23.85%）；樹脂濃度為5%、加壓壓力為0.3 MPa 時，增重率最?。?.57%）（圖1）。木材增重率隨樹脂濃度增加而增加。加壓壓力為0.3 和0.6 MPa時，隨樹脂濃度從5%增至30%，木材增重率分別從3.57%和4.19%增至18.81%和21.72%，增速較快。加壓壓力為0.9 和1.2 MPa 時，隨樹脂濃度從5%增至20%，木材增重率分別從4.48%和5.16%增至18.39%和18.64%，增速較快；濃度高于20%時，增重率的增速開始減緩。木材增重率隨加壓壓力增加而增加。相同樹脂濃度下，加壓壓力≥0.9 MPa時，木材增重率基本保持不變，趨于飽和。

圖1 樹脂濃度和加壓壓力對尾巨桉木材增重率的影響Fig.1 Effects of resin concentration and pressure on weight gain rate of E.urophylla×E.grandis woods

2.2.2 樹脂濃度和加壓壓力對木材密度的影響

木材密度與其力學性質密切相關，木材的各力學性質基本隨木材密度增加而變大[18]。未處理材的基本密度、氣干密度和全干密度分別為0.409、0.492和0.465 g/cm3（圖2）。處理材的基本密度、氣干密度和全干密度均隨樹脂濃度和加壓壓力增加而增加。樹脂濃度為5%、加壓壓力為0.3 MPa 時，木材基本密度為0.437 g/cm3，比未處理材高出6.85%；氣干密度為0.508 g/cm3，比未處理材高出3.25%；全干密度為0.477 g/cm3，比未處理材高出2.58%。樹脂濃度為30%、加壓壓力為1.2 MPa 時，木材基本密度為0.519 g/cm3，比未處理材高出26.89%；氣干密度為0.590 g/cm3，比未處理材高出19.92%；全干密度為0.557 g/cm3，比未處理材高出19.78%。樹脂濃度從5%增至20%時，各加壓壓力下的木材基本密度、氣干密度和全干密度均增速較快；樹脂濃度高于20%、加壓壓力≥0.6 MPa 時，木材基本密度、氣干密度和全干密度增速減緩。

圖2 樹脂濃度和加壓壓力對尾巨桉木材密度的影響Fig.2 Effects of resin concentration and pressure on densities of E.urophylla×E.grandis woods

2.3 尺寸穩定性分析

2.3.1 抗縮率分析

木材增重率最大（23.85%）、加壓壓力為1.2 MPa 時，處理材的氣干體積干縮率從7.0%降至1.9%，氣干抗縮率達到最大值（72.9%）；全干體積干縮率從11.8%降至6.3%，全干抗縮率達到最大值（46.6%）（圖3）。木材氣干和全干抗縮率均隨增重率增加而增加。加壓壓力為0.9 MPa時，隨增重率由4.48%增至23.74%，處理材的氣干和全干抗縮率分別由55.7%和33.1%增至71.4%和44.1%。加壓壓力≥0.9 MPa、增重率為9%～10%左右時，木材氣干和全干抗縮率增速減緩。增重率相近時，隨加壓壓力增加，木材氣干和全干抗縮率總體呈增加趨勢。

圖3 增重率對尾巨桉木材抗縮率的影響Fig.3 Effects of weight gain rate on shrinkage resistance rates of E.urophylla×E.grandis woods

2.3.2 木材抗脹率分析

木材增重率最大（23.85%）、加壓壓力為1.2 MPa 時，處理材的體積濕脹率從15.5%降至7.2%，抗脹率達到最大值（53.5%）（圖4）。木材抗脹率隨增重率增加而增加。壓力為0.9 MPa 時，隨增重率由4.48%增至23.74%，木材抗脹率由43.2%增至52.3%。增重率為9%～10%左右，木材抗脹率增速減緩。增重率相近時，隨加壓壓力增加，木材抗脹率增加。

圖4 增重率對尾巨桉木材抗脹率的影響Fig.4 Effects of weight gain rate on swelling resistance rate of E.urophylla×E.grandis woods

2.3.3 木材吸水率分析

木材增重率最大（23.85%）、加壓壓力為1.2 MPa時，處理材吸水率從132.5%降至45.7%，抗吸水率達到最大值（65.5%）（圖5）。木材抗吸水率隨增重率增加而增加。壓力為0.9MPa 時，隨增重率由4.48%增至23.74%，木材抗吸水率由32.5%增至64.5%。增重率相近時，隨加壓壓力增加，木材抗吸水率基本保持不變。

圖5 增重率對尾巨桉木材抗吸水率的影響Fig.5 Effects of weight gain rate on water absorption resistance rate of E.urophylla×E.grandis woods

3 討論與結論

尾巨桉木材經DMDHEU 樹脂真空-加壓處理后，其密度明顯提高。處理材的增重率隨樹脂濃度和加壓壓力的增加而增加。處理材的增重率除與樹脂濃度、加壓壓力等密切相關外，還與木材的滲透性密切相關。畢增[19]采用20%復合改性DMD?HEU 樹脂溶液，在真空0.09 MPa、加壓壓力2.5 MPa條件下，對速生楊木浸漬2 h，其增重率為42.75%，抗吸水率為44.1%，抗脹率為60.0%。本研究中，采用20% DMDHEU 樹脂溶液，在真空度0.08 MPa、加壓壓力1.2 MPa的條件下，對尾巨桉木材浸漬1 h，其增重率為18.64%，抗吸水率為56.0%，抗脹率為56.1%。對比可知，相同DMDHEU樹脂溶液濃度下，本研究中處理材的增重率與畢增[19]所得的結果相差較大，抗吸水率和抗脹率相當。除處理條件不同外，主要是因為樹種不同；桉樹木材含有大量樹膠等內含物，堵塞部分細胞腔[13-14]，樹脂溶液較難滲透，因此增重率較低。但另一方面，木材中樹膠等內含物豐富，可能與樹脂發生作用形成聚合物，改善木材尺寸穩定性。

經DMDHEU 樹脂真空-加壓處理后，尾巨桉木材的尺寸穩定性顯著提高。當木材增重率為23.85%、加壓壓力為1.2 MPa 時，氣干抗縮率、全干抗縮率、抗脹率和抗吸水率分別為72.9%、46.6%、53.5%和65.5%。在相同壓力下處理的尾巨桉木材抗脹（縮）率、抗吸水率均隨增重率的增加而增加；壓力≥0.9 MPa時，增重率達到9%～10%左右，處理材的抗脹（縮）率增速開始減緩。在增重率相同、處理壓力提高的情況下，處理材的抗脹（縮）率也增加，這是由于增加壓力可使樹脂在木材中分布更均勻，提高木材的抗脹（縮）率。

不同樹種木材中內含物種類和量的差異不同程度地影響著木材的滲透性。采用DMDHEU 樹脂處理不同樹種木材，在使木材尺寸穩定性的改善效果達到相同的情況下，內含物豐富的木材對樹脂的消耗量比內含物較少的木材低，可降低處理成本。本研究沒有對樹脂與木材內含物的相互作用進行深入研究，今后可在這方面進一步研究。