不同因素對竹柳枝椏材重組木性能的影響

陳明及，吳金絨，陳驍軼，鄧玉和，王新洲，何爽爽，余旺旺，張　?。?南京林業大學 材料科學與工程學院，江蘇 南京 2007；2.（越南）東北農林高等學校，涼山 涼山209999；.江蘇沿江地區農科所，江蘇 如皋22654）

不同因素對竹柳枝椏材重組木性能的影響

陳明及1，2，吳金絨1，陳驍軼1，鄧玉和1，王新洲1，何爽爽1，余旺旺1，張健3
（1.南京林業大學 材料科學與工程學院，江蘇 南京 210037；2.（越南）東北農林高等學校，涼山 涼山209999；3.江蘇沿江地區農科所，江蘇 如皋226541）

竹柳Salix discolor枝椏材的直徑小，是重組木的好原材料。試驗結果表明：在竹柳重組木為密度0.9 g·cm－3，脲醛樹脂（UF）施膠量15%，枝椏材直徑5～10 mm，木束長度150和450 mm，熱壓溫度140℃，加壓時間20 min，木束含水率6%條件下制得的竹柳重組木靜曲強度為102.04 MPa，內結合強度1.99 MPa，2 h吸水厚度膨脹率3.78%，其值均達到或超過LY/T 1984－2011《重組木地板》行業標準的要求；掃描電子顯微鏡（SEM）圖像表明：用脲醛樹脂壓制的竹柳重組木的管孔被壓縮成橢圓形，但細胞壁本身并沒有被壓潰，仍然保持了其完整性，木束表面附著的膠黏劑均勻；X射線能譜（EDAX）表明枝椏材直徑≥10 mm制得的重組木的碳氧比為0.55，枝椏材直徑5～10 mm為0.60，枝椏材直徑為≤5 mm為0.62。說明枝椏材直徑對碳氧比有影響；且枝椏材制成的重組木的碳氧比高于枝椏材本身的碳氧比（0.41）。圖6表3參9

木材科學與技術；竹柳枝椏材；重組木；施膠量；物理力學性能

竹柳Salix discolor是新培育出的速生柳種，生長速度快，對環境適應性強。隨著全球天然林資源的逐漸減少和各國對生態環境保護的日益重視，小徑級材和枝椏材的充分利用成為緩解當今不斷增長的木材需求和資源相對不足矛盾的重要途徑之一。竹柳的速生性和適應性，決定其具有應用于木材工業的潛力。利用它的枝椏材加工出優質結構重組材的思路，更是順應了當今木材工業研究的主流思想［1－4］。目前，關于竹柳木材應用的研究相對較少，僅見南京林業大學的董葛平等［5］、吳金絨等［6］、楊瑩等［7］、何爽爽等［8-9］以竹柳為原料研制竹柳刨花板、層積材、纖維板和重組木相關報道。本研究以竹柳枝椏材為原料，通過對脲醛樹脂膠（UF）施膠量、枝椏材直徑、木束長度對竹柳重組木物理力學性能的影響進行研究，并采用掃描電子顯微鏡（SEM）和X-射線能譜（EDAX）分析膠合界面微觀構造和化學成分，為竹柳制造重組木的研究提供一定的理論基礎和參考。

1　材料與方法

1.1試驗材料和儀器

竹柳枝椏材，取自江蘇省如東縣，經剝皮后縱向劈成木束并截60 cm備用；膠黏劑為脲醛樹脂（UF），黏度300 MPa·s，固含量52%，pH 7.6，固化時間126 s，購于山東省曲阜市慧迪化工有限責任公司。

試驗分析儀器：XBL平板硫化機，8104電子萬能試驗機，掃描電子顯微鏡（SEM），X-射線能譜（EDAX）。

1.2試驗方法

1.2.1竹柳重組木竹柳木束制備：首先采用XBL平板硫化機對竹柳枝椏材進行碾壓去皮，再利用縱向碾壓機輥壓、橫切成600，300，150和450 mm長的竹柳木束，所制得的木束呈網狀結構。木束經膠黏劑噴膠，壓制成600 mm×300 mm×20 mm的重組木，靜曲強度（MOR）和彈性模量（MOE）的試件尺寸為450 mm×50 mm×20 mm，測定位置和重組木的鋪裝方法見圖1。工藝條件：熱壓溫度為140℃，熱壓時間20 min。

1.2.2膠合界面微觀構造分析密度為0.9 g·cm－3，施膠量15%，枝椏材直徑5～10 mm，木束長度150 和450 mm（對接）制成的重組材。試樣尺寸為10 mm×10 mm×5 mm。采用FEI Quanta 200（FEG）型掃描電鏡對樣品進行觀察，試件要求：長，寬＜10 mm，厚度＜5 mm。采用Oxford Inca X-act能譜儀進行分析。試件要求：長、寬＜10 mm，厚度為1 mm。

2　結果與分析

2.1施膠量、枝椏材直徑、木束長度對竹柳枝椏材重組木性能的影響

2.1.1施膠量的影響密度為0.90 g·cm－3，施膠量為13%～17%制成的重組木的物理力學性能見圖2。

由圖2中可知：施膠量對重組木的物理力學性能有明顯的影響。重組木的靜曲強度（MOR），彈性模量（MOE）和內結合強度（IB）均隨施膠量的增加而增加，2 h吸水厚度膨脹率（TS）則隨施膠量的增加而降低。當施膠量從13%增加至17%時，竹柳重組木的靜曲強度依次為12 411，12 886，12 966 MPa，后者比前者分別增加了3.57%和0.62%；施膠量從15%增加到17%時，彈性模量的增長幅度減小。竹柳重組木靜曲強度的增幅趨勢與彈性模量相同，施膠量從13%增加到15%時其增幅大于施膠量從15%增加到17%，分別為6.55%和0.97%。試驗結果表明：當密度為0.90 g·cm－3時，以脲醛樹脂為膠黏劑，施膠量在13%～17%范圍內，以竹柳枝椏材為原料壓制的重組木的靜曲強度均達到或超過LY/T 1984－2011《重組木地板》的要求。

圖2中：竹柳重組木的內結合強度隨著施膠量的增多而提高，依次為1.53，2.10，2.39 MPa。在施膠量13%～15%范圍內，重組木的內結合強度增幅明顯，達37.25%；施膠量從15%增至17%時，內結合強度的增幅僅為13.81%。當密度為0.90 g·cm－3時，施膠量在15%及以上的竹柳重組木的內結合強度均可達到LY/T 1984－2011《重組木地板》的要求。當施膠量升高到17%時，內結合強度提升的幅度不明顯，為了節約成本，生產中施膠量達到15%以上即可。

在施膠量13%到17%的施膠量范圍內，隨著施膠量的增加，竹柳重組木的2 h吸水厚度膨脹率不斷降低（圖2）；在13%到17%的施膠量范圍內，重組木的2 h吸水厚度膨脹率從4.01%逐漸下降到2.95%，減小了26.43%。施膠量為13%～17%，重組木的2 h吸水厚度膨脹率均能達到或超過行業標準LY/T 1984－2011《重組木地板》的要求。

圖1　重組木的鋪裝方法及靜曲強度和彈性模量的測定位置Figure 1　Measurement position of MOR，MOE and spreading method of scrimber

圖2　施膠量與竹柳重組木的物理力學性能Figure 2　Influence of glue consumption on the properties of Salix discolor scrimber

不同施膠量條件下竹柳枝椏材重組木物理力學性能方差分析結果見表1。當施膠量為13%～17%時，其對靜曲強度和彈性模量的影響均不顯著，對內結合強度和2 h吸水厚度膨脹率的影響十分顯著。

表1　施膠量與板材物理力學性能的方差分析Table 1　Variance analyses for physical and mechanical properties of board in different glue consumption

2.1.2枝椏材直徑的影響當密度0.90 g·cm－3，施膠量15%時，重組木物理力學性能較優。因此，枝椏材直徑對重組木的物理力學性能的影響研究采用此條件。試驗結果見圖3。

圖3　枝椏材直徑與竹柳重組木的物理力學性能Figure 3　Influence of diameter branch on the properties of Salix discolor scrimbe

由圖3中可知：枝椏材直徑對重組木的物理力學性能有明顯的影響。重組木的靜曲強度、彈性模量和內結合強度均隨枝椏材直徑的增加而有所降低，2 h吸水厚度膨脹率則隨枝椏材直徑的增加而增加。當枝椏材直徑從≤5 mm增加至≥10 mm時，竹柳重組木的彈性模量依次為12 940，12 886，12 348 MPa，后者比前者分別降低了0.42%和4.17%；枝椏材直徑5～10 mm與≤5 mm相比，彈性模量沒有明顯的變化。竹柳重組木靜曲強度的變化趨勢與彈性模量相同；在枝椏材直徑≤5 mm到5～10 mm時，靜曲強度值沒有明顯的降低，其降幅小于枝椏材直徑5～10 mm到≥10 mm，僅為0.58%；枝椏材直徑從5～10 mm到≥10 mm其降幅達9.11%。試驗結果表明：當密度為0.90 g·cm－3，施加15%的脲醛樹脂膠黏劑時，任何枝椏材直徑原料壓制的重組木的靜曲強度均達到或超過LY/T 1984－2011《重組木地板》的要求。由于直徑小的枝椏材碾壓效果好，制成的木束梳狀性好、網狀結構比大直徑的更均勻，加之重組木的結構特點，直徑≤10 mm枝椏材制成的重組木的性能比直徑＞10 mm的好。

圖3中：竹柳重組木的內結合強度同樣隨著枝椏材直徑的增加而降低內結合強度值分別為2.13，2.10和1.50 MPa。同樣在枝椏材直徑從≤5 mm到5～10 mm范圍內，重組木的內結合強度降幅不明顯，僅為1.41%；而枝椏材直徑從5～10 mm增至≥10 mm時，內結合強度的降幅達28.57%。當密度0.90 g·cm－3，施膠量為15%時，枝椏材直徑≤10 mm的竹柳重組木的內結合強度均可達到或超過LY/T 1984－2011《重組木地板》的要求。試驗結果表明：直徑≤10 mm竹柳木束均勻的網狀結構有利木束之間的膠合，因此其膠合強度較好，更適合重組木的生產。

在枝椏材直徑≤5 mm到≥10 mm范圍內，隨著枝椏材直徑的增加，竹柳重組木的2 h吸水厚度膨脹率不斷增加（圖3）；它們的值分別為2.99%，3.31%和4.02%。雖然枝椏材直徑≥10 mm重組木的2 h吸水厚度膨脹率比直徑≤5 mm的增加了34.44%。但由它們制成的重組木2 h吸水厚度膨脹率均能達到或超過行業標準LY/T 1984－2011《重組木地板》的要求，說明由枝椏材生產重組木是可行的。

不同枝椏材直徑條件下竹柳枝椏材重組木物理力學性能方差分析結果見表2。當枝椏材直徑為≤5 mm到≥10 mm時，其靜曲強度、彈性模量、內結合強度的P值都大于0.01但同時小于0.05，這說明在枝椏材直徑對靜曲強度、彈性模量、內結合強度有影響，但影響不明顯，2 h吸水厚度膨脹率的影響十分顯著。

表2　枝椏材直徑與板材物理力學性能的方差分析Table 2　Variance analyses for physical and mechanical properties of board in different diameter wood stick

2.1.3木束長度的影響測量點①。在密度0.90 g·cm-3，施膠量15%，枝椏材直徑5～10 mm條件下研究木束長度對重組木物理力學性能的影響，鋪裝方法見圖1，試驗結果見圖4。

圖4　木束長度與竹柳重組木（測定位置①）的物理力學性能Figure 4　Influence of length wood stick on the properties of Salix discolor scrimber（determination of①position）

由圖4中可知：木束長度對重組木在結合點①的物理力學性能有明顯的影響。木束長度600 mm制成的板材的力學性能最高，其次是150和450 mm，150和300 mm的最低。當板材為木束長度600 mm，150和450 mm（搭接），150和450 mm（對接），150和300 mm（搭接），150和300 mm（對接），竹柳重組木的彈性模量分別為6 378，5 659，5 116，3 695，3 875 MPa，木束長度600 mm制成的板材的彈性模量比150和450 mm搭接的高出12.7%，對接的高出24.7%；比150和300 mm搭接的高出72.6%，對接的高出64.5%。木束長度150和450 mm搭接和對接的彈性模量比150和300 mm搭接的和對接的彈性模量分別高出53.15%和32.03%。在這2種接長方法中木束長度150和450 mm搭接的彈性模量比其對接的高出10.61%；150和300 mm搭接的彈性模量比其對接的降低了4.65%。

竹柳木束長度600 mm制成的重組木的靜曲強度為104.28 MPa，比150和450 mm搭接的102.41 MPa高出1.83%，比對接的102.04 MPa高出2.20%；比150和300 mm搭接的88.97 MPa高出17.21%，對接的90.12MPa高出15.71%。木束長度150和450 mm搭接的靜曲強度為102.41 MPa，比150和300 mm搭接的88.97 MPa高出15.11%；150和450 mm對接的靜曲強度為102.04 MPa，比150和300 mm對接的90.12 MPa高出13.23%。同樣木束長度150和450 mm搭接的靜曲強度比其對接的高出0.36%，而150和300 mm搭接的靜曲強度比其對接的降低了1.28%。

這是因為木束長度150和450 mm的測量位置①不論是對接還是搭接均只有2層接頭，而150和300 mm搭接的有4層接頭，搭接對接各2層，150和300 mm對接的有3層接頭（圖1）。由于接頭層數不同，所以木束長度150和450 mm制成的板材，無論是搭接還是對接的靜曲強度、彈性模量均比150 和350 mm的高。在接頭層相同的條件下搭接方法制成重組木的靜曲強度和彈性模量均高于對接的。150和300 mm搭接的靜曲強度和彈性模量比其對接的低是因為搭接的有4層接頭，而對接的僅有3層接頭。試驗結果進一步說明：重組木制造中木束的接長對其力學性能有明顯的影響。試驗結果還表明：密度0.90 g·cm－3，脲醛樹脂施膠量15%，枝椏材直徑5～10 mm，木束長度600 mm，150和300 mm，150和450 mm制成的重組木的靜曲強度均超過LY/T 1984－2011《重組木地板》的要求。

由木束長度600 mm，150和450 mm（搭接、對接），150和300 mm（搭接、對接）制成板材的內結合強度值分別為2.10，2.00，1.99，1.53，1.57 MPa（圖4）。同樣，木束長度600 mm制成的板材的內結合旨度值最高，由長度150和450 mm木束制成重組木的內結合強度比其值，搭接時降低了4.76%，對接時降低了0.50%。木束長度150和450 mm搭接比150和300 mm搭接高出30.72%；150和450 mm對接的比150和300 mm對接高出26.75%。木束長度150和450 mm搭接的內結合強度值比其對接的高出0.5%，150和300 mm搭接比150和300 mm對接降低了2.55%。試驗結果又進一步證明：重組木生產時木束的接長對板的內結合強度有影響，但與靜曲強度和彈性模量相比不是十分明顯，在這樣條件下測得的竹柳重組木的內經合強度均可達到LY/T 1984－2011《重組木地板》的要求。為了節約成本，實際生產中可采用木束接長方法制造重組木，但應合理設計接頭距離和層數，防止接頭在同一斷面集中，從而保證制品的質量。

隨著木束長度的減少，竹柳重組木的2 h吸水厚度膨脹率呈上升的趨勢增加（圖4）；木束長度600 mm制成的板材的2 h吸水厚度膨脹率比150和450 mm搭接的降低了8.31%，對接的降低了12.43%；比150和300 mm搭接的降低了29.87%，對接的降低了18.07%。且木束長度150和450 mm制成重組木的2 h吸水厚度膨脹率值不論是搭接方式還是對接方式均低于150和300 mm制成的重組木。本試驗條件下使用的各種木束長度研制重組木的2 h吸水厚度膨脹率均能達到或滿足行業標準LY/T 1984－2011《重組木地板》的要求。

測量點②。由圖5可知：木束長度對重組木在測量點②的物理力學性能影響沒有測量點①明顯。當板材為木束長度600 mm，150和450 mm（搭接），150和450 mm（對接），150和300 mm（搭接），150和300 mm（對接），竹柳重組木的彈性模量分別為6 378，6 039，6 116，5 419，5 246 MPa。試驗結果表明：隨著木束長度的減短，雖然重組木彈性模量有所降低，但不明顯。在相同條件下竹柳重組木的靜曲強度值分別為104.28，103.21，103.93，102.86，102.29 MPa，其值也沒有明顯的變化。在此處測得的內結合旨度值同樣出現這種結果，在這幾種條件下制得的內結合強度分別為2.10，2.02，2.04，1.99，1.98 MPa，也沒出現明顯的變化。這是因為不論是木束長度150和450 mm制成的板，還是150和300 mm制成的板，在測量點②都沒有出現接頭（圖1）。試驗結果表明：重組材的靜曲強度、彈性模量、內結合強度與測試點是否有接頭以及接頭的多少有關，或者說重組材的接頭處對其力學性能有明顯的影響。

在無接頭處，木束長度600 mm，150和450 mm（搭接、對接），150和300 mm（搭接、對接）制成的重組木的2 h吸水厚度膨脹率分別為3.31%，3.65%，3.62%，3.72%，3.78%。從試驗數據中可以明顯地看出：這幾種條件下制得的板材其2 h吸水厚度膨脹率沒有明顯的變化，因此，可以得出結論：木束的接頭對重組材的2 h吸水厚度膨脹率會產生影響，接頭越多板材的2 h吸水厚度膨脹率值越高。這是因為木材的斷面易吸水，因此表現在接頭越多板材的2 h吸水厚度膨脹率越高（圖5）。

圖5　木束長度與竹柳重組木（測定位置②）的物理力學性能Figure 5　Influence of length wood stick on the properties of Salix discolor scrimber（determination of②position）

2.2膠合界面微觀構造分析

2.2.1掃描電子顯微鏡分析利用掃描電子顯微鏡觀察木束表面附著膠黏劑的膠層及細胞的變形，試件取自密度為0.90 g·cm－3，施膠量為15%，枝椏材直徑為5～10 mm，木束長度為150和450 mm的竹柳重組材（圖6）。

圖6　脲醛樹脂壓制竹柳重組木的膠合界面Figure 6　SEM images of agglutinate interface of Salix discolor scrimber manufactured with UF

圖6橫切面放大200倍和弦切面放大200倍中可以發現：膠層薄且均勻，木束和膠膜很緊密，木束的管孔在橫切面上的分布均勻，大小沒有明顯的區別。在橫切面放大1 000倍和4 000倍和弦切面放大1 000倍和4 000倍時，膠層沒有斷口，膠合界面很緊密，木束表面附著的膠黏劑均勻，細胞管孔沒有填滿膠黏劑，但是細胞壁附著的膠黏劑均勻，噴膠壓制竹柳重組木的管孔被壓縮成橢圓形。雖然細胞發生了明顯的變形，但細胞壁本身并沒有被壓潰，仍然保持了其完整性。

2.2.2X射線能譜分析采用X射線能譜分析竹柳重組木（無接頭）組成分及原子含量百分比。由表3可知，竹柳重組木的主要組成元素是碳、氧、鈉和小量其他元素。

從表3可知：竹柳枝椏材的碳元素為29.16%，氧元素為69.81%，竹柳枝椏材的碳氧比為0.41，說明竹柳枝椏材的氧元素含量較高，含氧的基團多，親水性高，吸水性能高。由枝椏材直徑≥10 mm制得的竹柳重組木的碳元素和氧元素分別為33.27%和60.74%，板材的碳氧比為0.55。枝椏材直徑5～10 mm和枝椏材直徑≤5 mm制得的重組木的碳氧比分別為0.60和0.62，說明制得的板材后的碳氧比竹柳枝椏材的高。這主要是由于竹柳枝椏材在熱壓過程中發生了一定的碳化，使得碳元素含量增加，板材內部親水性氧元素含量降低、板材的吸水性能降低、板材尺寸穩定性高，與枝椏材直徑對重組木2 h吸水厚度膨脹率影響的分析一致。除碳氧元素以外元素的含量，枝椏材直徑≥10 mm制成的竹柳重組木為5.99%，直徑5～10 mm的為9.49%，直徑≤5 mm為8.94%，竹柳枝椏材為1.04%，低于枝椏材制成的重組木。這明說竹柳重組木內部的無機物的含量較竹柳枝椏材多。這主要的是因為在制備竹柳重組木過程中有一定量的膠黏劑浸入到板材內部，使得其表面的無機物元素含量增加。

表3　竹柳枝椏材和竹柳枝椏材重組木表面原子含量Table 3　Quality percentage atom content of Salix discolor branch and scrimber

3　結論

方差分析的結果表明：板材施膠量對密度為0.90 g·cm－3的竹柳重組木的靜曲強度和彈性模量影響不顯著，對內結合強度、2 h吸水厚度膨脹率有顯著的影響。15%的脲醛樹脂施膠量是生產竹柳重組木的較優工藝。

枝椏材直徑對竹柳重組木的2 h吸水厚度膨脹率有顯著的影響，對靜曲強度、彈性模量、內結合強度的影響不顯著。枝椏材直徑為5～10 mm是生產竹柳重組木好的原材料。

重組木制造時，木束的接頭處對其靜曲強度、彈性模量、內結合強度、2 h吸水厚度膨脹率有顯著的影響，隨著接頭處的增加竹柳重組木的靜曲強度、彈性模量、內結合強度呈下降趨勢，2 h吸水厚度膨脹率則呈上升趨勢。試驗結果表明：在重組木制造時應將接頭均勻分散在板中，防止接頭在同一斷面集中，從而保證制品的質量。

掃描電子顯微鏡圖像表明：脲醛樹脂壓制的竹柳重組木的管孔被壓縮成橢圓形，雖然細胞發生了明顯的變形，但細胞壁本身并沒有被壓潰，仍然保持了其完整性，膠層薄且均勻，木束和膠層很緊密，木束表面附著的膠黏劑均勻。X射線能譜表明：竹柳重組木的主要組成元素是碳、氧、鈉，枝椏材制成的重組木比竹柳枝椏材的碳氧比高，且枝椏材直徑≥10 mm，5～10 mm，≤5 mm的竹柳重組木的碳氧比，后者比前者分別增加了9.09%和3.33%，說明竹柳枝椏材的直徑對碳氧比有影響。隨著直徑的減少，碳氧比增加。

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Properties of Salix discolor scrimber

TRAN Minh Toi1，2，WU Jinrong1，CHEN Xiaoyi1，DENG Yuhe1，WANG Xinzhou1，HE Shuangshuang1，YU Wangwang1，ZHANG Jian3
（1.College of Materials Science and Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，Jiangsu，China；2. Northeast Agriculture Forestry Colleges，Langson 209999，Langson，Vietnam；3.Agricultural Research Institute Along the Yangtze River，Rugao 226541，Jiangsu，China）

This study was conducted to determine if small diameter Salix discolor branches were a favorable raw material for scrimber.To test，urea-formaldehyde resin（UF）was used indoors.Results showed that when the density was 0.90 g·cm－3，glue consumption was 15%；the optimum treatment parameters of plates manufactured with UF were an initial moisture content of 6%，hot-pressing temperature of 140℃，and hot-pressing time of 20 min.Also，the modulus of static bending strength was 102.04 MPa，internal bonding was 1.99 MPa，and the thickness swelling rate after 2 h of water soaking was 3.8%，which were up to industry standards［Scrimber Floor］（LY/T 1984－2011）.SEM images also showed that the UF was compressed into an oval hole，but the cell wall itself maintained its integrity and was not crushed.EDAX also showed that the C/O for wooden sticks with diameters≥10 mm was 0.55，5－10 mm was 0.60，and≤5 mm was 0.62.Thus，C/O of S.discolor branches made of scrimber were higher（＞0.55）than C/O of S.discolor branches alone（0.41）.［Ch，6 fig.3 tab.9 ref.］

wood science and technology；Salix discolor branches；scrimber；glue consumption；physical and mechanical properties

S781.6

A

2095-0756（2016）04-0658-09

10.11833/j.issn.2095-0756.2016.04.015

2015-03-17；

2015-10-28

江蘇高校優勢學科建設工程資助項目；2012年國家級大學生創新創業訓練計劃資助項目（201310608457）

陳明及，博士研究生，從事木質復合材料研究。E-mail：minhtoi802003@yahoo.com。通信作者：鄧玉和，教授，博士，博士生導師，從事木材科學與技術研究。E-mail：dengyuhe@hotmail.com