2021-4-9 | 材料化学论文
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