干燥溫度和溫度對速溶膠接熱板楊木和桉木生長性能的影響

干燥溫度和溫度對速溶膠接熱板楊木和桉木生長性能的影響

中國有豐富的人工林資源，總面積6188.28萬hha，速生材積19.6億hm。這是緩解工業(yè)材料和商品之間矛盾的重要手段。目前，中國近50%的速生材產(chǎn)品為單板類產(chǎn)品(例如:膠合板、單板層積材等)，均需控制單板的含水率，以滿足膠黏劑的膠合需求。研究干燥方式和工藝對單板表面特性(例如:顏色、潤濕性等)的影響，對于合理控制干燥工藝、調(diào)控界面膠合質(zhì)量、降低干燥能耗具有重要意義。文獻表明，針對鋸材(包括速生材)的熱處理，國內(nèi)外開展了大量的研究，重點關(guān)注干燥方法(例如:高溫汽蒸、熱風(fēng)干燥、熱油浴、真空干燥、熱壓密實化等)和工藝對鋸材的耐久性、表面粗糙度、材色和化學(xué)組分等方面的影響，而系統(tǒng)研究快速干燥過程中單板材色、潤濕性和界面膠合性能變化的文獻缺乏。本文以中國南部最常見的工業(yè)用材意楊和桉木為材料，研究其單板在干燥處理過程中表面顏色、潤濕性和膠合性能發(fā)生的變化，為工業(yè)化生產(chǎn)中制定合理的干燥工藝參數(shù)提供借鑒。1材料和方法1.1xemi-97楊木(PopulusdeltoidesBartr.cv．“Lux”exI-69，產(chǎn)地:江蘇)和桉木(Eucalypt.urophylla，產(chǎn)地:廣西)單板，尺寸為500mm×500mm×2.0mm(L×T×R)，取材部位為兩種木材的邊材，氣干至含水率20%。1.2熱板干燥試驗裁取單板試件(150mm×150mm)，采用氣流干燥處理(溫度:135、165、195、225和250℃)和熱板干燥處理(溫度:100、135、165、195和225℃)兩種方法，時間取3、7和10min3水平，各工藝條件下重復(fù)5次，共300次試驗。氣流干燥在強制對流式電熱烘箱內(nèi)實施，熱板干燥在600mm×600mm幅面熱壓機上實施。為防止單板表面污染，熱板干燥時試件采用鋁箔包覆。1.3性能試驗1.3.1試件色澤度計算方法根據(jù)CIEL*a*b*系統(tǒng)，采用CM-600d便攜式色差測試儀，測得干燥前后單板試件的表面明度L*、紅綠值a*和黃藍值b*(每個試件測試5個點，取平均值)，再計算各顏色指標。測試角度為10°，光源取D65?？偵瞀*=[(ΔL*)2+(Δa*)2+(Δb*)2]1/2，ΔL*、Δa*、Δb*分別為干燥前、后單板試件L*、a*和b*的差值。以ΔE*來表征單板干燥前后顏色的變化情況。1.3.2潤濕劑和試驗儀器采用滴液法(liquiddropletmethod)測試潤濕角，以定量描述處理前后單板表面的潤濕性。潤濕劑為蒸餾水，試驗儀器為JC2000A型接觸角測試儀，配備顯微鏡和計算機。通過針管將蒸餾水滴在單板表面后，每隔2s動態(tài)拍攝液滴在單板表面的滲透狀態(tài)，再通過計算機分析獲取潤濕角。1.3.3膠合物的力學(xué)性能從熱處理前后的單板上制取150mm(L)×50mm(T)試件，在試件端50mm(L)×50mm(T)面積上涂布脲醛樹脂膠黏劑(固含量52%，涂布量200g/m2)后，覆蓋另一片試件制成膠合試件對，在150℃和1MPa條件下熱壓3min，再采用萬能力學(xué)試驗機測試抗拉強度(剪切強度)。2結(jié)果與分析2.1種樹種熱板、熱板對l#的影響圖1和圖2分別顯示了氣流干燥和熱板干燥兩種熱處理方法下溫度和時間因子對單板表面明度的影響。總體看，隨著熱處理時間的延長和(或)溫度的提高，單板表面明度均不同程度降低。根據(jù)CIE顏色評價體系，材料顏色的明度L*居0(最暗)～100(最亮)之間，則楊木明顯屬于高明度材料，而桉木屬于中等明度材料。隨著熱處理溫度的提高(氣流干燥:135～250℃;熱板干燥:100～225℃)，兩種樹種的單板表面明度均呈下降趨勢。以7min氣流干燥的楊木為例，溫度為135℃時L*=89.6，而250℃時L*=79.2，下降幅度達到10.7%。熱處理時間的長短對L*的影響隨方法而異。從圖1(氣流干燥)看，干燥時間從3min延長到7min和10min,L*的降低趨勢愈發(fā)明顯;而采用熱板干燥時(圖2)，無論是桉木還是楊木，在相同的干燥溫度下，3～10min條件下明度L*十分接近。由此也可看出，兩種不同的熱處理方法，對木材單板表面的影響效能存在明顯區(qū)別。熱板干燥處理過程中，單板表面與熱壓板直接接觸，傳熱快，木材和水分同時受熱，水分迅速汽化且難以逃逸，使單板表面同時受到“熱作用”和“水作用”;而采用熱空氣對流干燥方式，熱能首先主要用于水分汽化，水分汽化殆盡后熱能更多作用于木材的熱處理，因此，木材表面的明度變化比熱板干燥弱。這可從測試數(shù)據(jù)得到佐證:在相同的處理時間(3～10min)和溫度(135～225℃)條件下，桉木單板氣流干燥時L*值平均為63.5～59.0，而熱板干燥處理時為60.0～57.7;楊木單板則分別為89.5～87.0和79.9～79.3，即熱板干燥處理對木材單板表面的明度衰減比氣流干燥處理明顯。2.2干燥前后市場的顏色特征CIE(1976)顏色體系中，將顏色按照紅綠值a*和黃藍值b*的組合，構(gòu)建了二維色度平面。依照此方法，可把不同材料的顏色“歸位”到相應(yīng)的(a*，b*)坐標點上，從而可以簡便評價某顏色與紅(R)、黃(Y)、綠(G)、藍(B)、紫(P)5只基本色相和黃紅(YR)、綠黃(GY)、藍綠(BG)、藍紫(BP)和紅紫(RP)5只鄰近色相構(gòu)成的10大色相的對應(yīng)關(guān)系。依照此方法，將本次熱處理前后的試件顏色點標志在a*b*二維平面，如圖3所示。從圖3中看出，在a*b*二維平面內(nèi)，楊木未熱處理時在(-0.14,15.27)點，處于第二象限，隸屬于“黃”色范圍;桉木在(9.41,17.7)點，第一象限，歸屬于“黃紅”范圍。經(jīng)干燥處理后，楊木的b*值和a*值均明顯增大，朝“黃紅”方向演變，但基本停留在“黃”色范圍，少部分落入“黃紅”色領(lǐng)域;相反的，桉木的b*值和a*值均略微減小，即有向“綠”和“藍”發(fā)展的趨勢，盡管依舊隸屬于“黃紅”范圍。從以上分析看出，干燥后單板的顏色發(fā)生變化，尤其是楊木。由此也得到啟示:針對不同的樹種、面向不同的產(chǎn)品用途，可通過熱處理工藝控制實現(xiàn)木材顏色的二次調(diào)控，這是速生材“仿珍”和增值利用的重要途徑之一。2.3熱處理條件對表面顏色的影響表1比較了不同熱處理工藝產(chǎn)生的單板表面總色差。從表1中可以看出，隨著熱處理溫度的提高、時間的延長，總色差ΔE*值均呈上升趨勢。通常而言，按照ΔE*值的大小，將色差分為“非常小或沒有(ΔE*<0.25)”→“微小(ΔE*<0.5)”→“微小到中等(ΔE*<1.0)”→“中等(ΔE*<2.0)”→“有差距(ΔE*<4.0)”→“非常大(ΔE*>4.0)”六個級別。從表1列出的數(shù)據(jù)可以看出，幾乎所有熱處理條件下單板的表面顏色變化均達到了“中等”以上的程度?？梢姡瑹崽幚砉に噷δ静念伾恼{(diào)控效果明顯。2.4熱處理對不同種類木材表面潤濕角的影響潤濕角直觀表征了膠液對材料的滲透能力，也間接反映了對材料的膠合能力。一般而言，膠黏劑液體對木材表面的潤濕角越小，則滲透能力越強，產(chǎn)生“膠釘”可能性越大，膠合強度也越高。未經(jīng)過熱處理的桉木和楊木，其潤濕角因表面狀態(tài)而異，居于45°～55°范圍內(nèi)，膠黏劑能很好滲透、固化和膠合。表2給出了不同熱處理條件下速生楊木和桉木表面潤濕角在30s時間內(nèi)的動態(tài)變化。從表2中可見，經(jīng)熱處理后兩種木材的表面潤濕角均顯著提高;無論是氣流干燥還是熱板干燥，隨著處理溫度升高，潤濕角均呈現(xiàn)明顯的增大趨勢，且楊木在熱處理后潤濕角增大尤其明顯，初始潤濕角甚至高達96.8°。Razak等(2011)的研究表明，熱處理后木材表面的化學(xué)構(gòu)成發(fā)生了變化，親水基團(例如:羥基—OH、羰基Cue5caO)濃度降低，這直接導(dǎo)致木材表面的潤濕性減弱，不利于膠黏劑液體對木材的滲透和膠合。2.5熱處理對膠合強度的影響圖4示例了熱處理工藝對楊木和桉木膠合強度的影響(10min)。從圖4中看出，在同樣的膠種和施膠量條件下，桉木膠合強度普遍高于楊木。從測試數(shù)據(jù)看，熱處理溫度越高、時間越長，兩種木材的膠合強度遞減越明顯，顯然，熱處理導(dǎo)致木材潤濕角增大、膠液滲透作用減弱、“膠釘”數(shù)量變少，宏觀體現(xiàn)為膠合強度降低。從測試數(shù)據(jù)看，當熱處理時間控制在7min內(nèi)、溫度控制在165℃內(nèi)時，楊木熱處理后膠合強度僅比未熱處理時(1.65MPa)降低7.2%～9.4%，桉木比未處理時(2.74MPa)降低9.5%～13.8%。由此可見，只要熱處理時間和溫度控制合理，膠合強度的衰減程度是較小和可接受的。但繼續(xù)延長時間或(和)提高干燥溫度后，膠合強度將受到顯著影響。因此，在實際生產(chǎn)中，上述干燥工藝參數(shù)可供借鑒。3干燥條件對木材表面性能的影響1)干燥處理明顯調(diào)控木材的材色、提高木材表面潤濕角、降低脲醛樹脂膠黏劑對木材的膠合