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软化处理对杨木刨切单板的影响研究

2013-07-23 16:22 来源:材料化学论文 人参与在线咨询

本研究针对铅笔杆材的松脆性和尺寸稳定性要求,以苏北意杨作为研究对象,选取4种化学药剂对杨木刨切板进行软化处理,并检测其物理力学性能,旨在探索适用于意杨铅笔板的改性处理方法。

一、材料与方法

1.试验材料及设备

试验材料:意杨(Populuseuramericana)刨切板,由江苏丰县飞龙木制品厂提供,规格183mm×73mm×5.12mm,无节子、无变色等缺陷,初始含水率为6%~10%。化学药剂:乙二胺:99.0%,成都市科龙试剂厂;氨水:25%~28%,NaOH:96.0%,乙酸(冰乙酸):99.5%,南京化学试剂有限公司。实验装置:加压浸渍罐、力学试验机、恒温恒湿箱、电子天平、干燥箱、偏光显微镜等。

2.实验方法

为确定意杨单板软化处理的最佳工艺条件,在参考相关文献的基础上,本试验选择软化剂、软化温度、软化时间和加压压力4个因素为变量,设定4个水平(表1),采用L16(44)进行正交试验设计。为减少由含水率不均引起的浸渍差异,先将杨木刨切单板泡水24h,然后将配置好的软化剂溶液加热到各个温度水平,再放入杨木单板在进行加压浸渍,注意杨木单板一定要全部浸入软化剂溶液中;待达到软化时间后,取出试件水洗2min,放置在干燥无酸的环境里气干3d,然后放到烘箱先在60℃温度下烘4h、再在80℃烘6h,随后对处理试件进行物性测定。试件硬度的测定:按照GB1940—91木材硬度试验方法,采用万能力学试验机,将试样放在实验机座上,测试所用钢球直径11mm,速度0.5mm/min,压入深度为2.75mm,记录荷载的数字。试件抗弯弹性模量按GB/T1657—1999《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》进行测定。试件密度、24h吸水率、尺寸稳定性均按GB/T1657—1999有关试验方法进行测定。试件尺寸:50mm×50mm×5.12mm。微观构造:采用OLYMPUS—BX41偏光显微镜观察试件显微构造并拍照。

二、结果与分析

1.最佳工艺参数的确定

铅笔板用材需要刚度大、变形小、偏脆性的木材,因此本实验以抗弯弹性模量为主要考察因子,优选出最佳工艺参数。软化处理后杨木单板抗弯弹性模量的极差和方差分析结果见表2、3。由表2可见,各因素影响主次顺序为D>A>B>C,即加压压力影响最大,软化剂种类和软化温度其次,软化时间影响相对最小。从表3可见,加压压力在0.034水平上对杨木单板抗弯弹性模量的影响显著,软化剂种类对杨木单板抗弯弹性模量的影响不显著,软化温度其次,软化时间的影响相对较小。由此得出最佳的软化工艺参数条件为:加压压力为0.6MPa,软化剂为25%氨水,软化温度为60℃,软化时间为50min。

2.处理前后物理力学性能对比

1)抗弯弹性模量和硬度

本试验主要测定软化处理单板抗弯弹性模量和硬度的变化,并与未处理材对比表征软化效果。由图1可知,经过处理后的杨木单板抗弯弹性模量均有一定程度的降低,其中25%氨水处理的衰减的最少,下降幅度为13%,最接近椴木的MOE值(椴木的MOE值约为10067MPa[6]);其他3种软化剂处理板材的MOE下降幅度较大,材质劣化明显。由图2可知,经过处理后的杨木单板硬度都有较大程度降低,其中25%乙二胺处理材硬度下降最明显,但各组软化剂处理单板之间硬度值差异不大;产生这种现象的主要原因可能是:化学药剂和温度的协同作用,使部分纤维素、半纤维素溶解,木素稍有降解。由此可知经这4种化学药剂处理后,杨木单板的抗弯弹性模量和硬度都不同程度的降低,杨木单板的刚度下降变形增加,但软化剂种类对单板抗弯弹性模量的影响更明显。

2)密度

未处理单板和软化单板的密度测定结果如表4所示。由表4可见,经软化处理的单板的密度均有不同程度的降低,相应的软化处理前后密度变化率均为负值;变化率最大是25%氨水,最小的为25%乙二胺。说明杨木单板经软化处理后质量有所损失,密度降低。

3)24h吸水率

未处理单板和软化单板的24h吸水率测定结果如表5所示。由表5可见,软化后单板的24h吸水率比未处理单板增大了许多,相应的软化处理前后24h吸水率变化率为正值,变化率最大的是10%NaOH处理的单板,其吸水率增加了38.4%;最小的是25%乙酸,增加了15.8%。原因可能是木材经过化学药剂处理后,部分纤维素、半纤维素水解,部分木素降解,吸水性增加。

4)尺寸稳定性未处理单板和软化单板的尺寸稳定性测定结果如表6所示。由表6可见,软化处理单板的长度增长率、长度收缩率、厚度增长率、厚度收缩率均比未处理材小,相应的各方向的变化率为负值。其中乙二胺和氨水处理单板在长度增长率的变化率最大,为48%,乙二胺的长度收缩率的变化率甚至达到50%。而乙酸处理单板在厚度方向上的变化率最大,其原因可能是乙二胺和氨水为碱性,与半纤维素反应明显,而乙酸为弱酸,对木质素降解作用更明显些,因此,处理后板材在各方向上的尺寸变化率表现不一致。总体上软化后的单板抗胀缩能力明显增强,尺寸稳定性显著提高。

3.微观构造对比

选取了软化效果最佳的单板进行显微切片,观察软化处理对组织构造的影响。由图3可以看出,软化处理后杨木组织中薄壁细胞的细胞壁变得膨润,边界不清,细胞形状扭曲;导管产生了较大的变形和破损;胞间层变皱变松,部分甚至破损。这些变化表明软化处理使单板组织结构变得更松软,软化处理明显减弱了细胞壁的骨架作用。

三、结论

(1)试验确定了杨木单板的最佳软化工艺参数为:软化剂为25%氨水,软化温度为60℃,软化时间为50min,加压压力为0.6MPa。(2)软化处理后单板的密度、硬度、抗弯弹性模量均不同程度降低,材质下降,尺寸稳定性均好于未处理单板,达到了预期软化的目的。软化处理能有效提高杨木单板的松脆性,从而将会减少铅笔杆加工过程中不光滑和起毛现象。(3)微观构造观察表明,软化处理后杨木的细胞壁膨润,细胞形状模糊,管孔变形和破损,材质变软,使木材更易卷削。因此,采用化学药物对铅笔板进行改性处理效果明显,具有较好的发展前景。(本文图、表略)

本文作者:肖飞 饶文彬 魏娟 关明杰 单位:南京林业大学材料科学与工程学院 江苏苏美达国际技术贸易有限公司

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