干燥温度和温度对速溶胶接热板杨木和桉木生长性能的影响

干燥温度和温度对速溶胶接热板杨木和桉木生长性能的影响

中国有丰富的人工林资源，总面积6188.28万hha，速生材积19.6亿hm。这是缓解工业材料和商品之间矛盾的重要手段。目前，中国近50%的速生材产品为单板类产品(例如:胶合板、单板层积材等)，均需控制单板的含水率，以满足胶黏剂的胶合需求。研究干燥方式和工艺对单板表面特性(例如:颜色、润湿性等)的影响，对于合理控制干燥工艺、调控界面胶合质量、降低干燥能耗具有重要意义。文献表明，针对锯材(包括速生材)的热处理，国内外开展了大量的研究，重点关注干燥方法(例如:高温汽蒸、热风干燥、热油浴、真空干燥、热压密实化等)和工艺对锯材的耐久性、表面粗糙度、材色和化学组分等方面的影响，而系统研究快速干燥过程中单板材色、润湿性和界面胶合性能变化的文献缺乏。本文以中国南部最常见的工业用材意杨和桉木为材料，研究其单板在干燥处理过程中表面颜色、润湿性和胶合性能发生的变化，为工业化生产中制定合理的干燥工艺参数提供借鉴。1材料和方法1.1xemi-97杨木(PopulusdeltoidesBartr.cv．“Lux”exI-69，产地:江苏)和桉木(Eucalypt.urophylla，产地:广西)单板，尺寸为500mm×500mm×2.0mm(L×T×R)，取材部位为两种木材的边材，气干至含水率20%。1.2热板干燥试验裁取单板试件(150mm×150mm)，采用气流干燥处理(温度:135、165、195、225和250℃)和热板干燥处理(温度:100、135、165、195和225℃)两种方法，时间取3、7和10min3水平，各工艺条件下重复5次，共300次试验。气流干燥在强制对流式电热烘箱内实施，热板干燥在600mm×600mm幅面热压机上实施。为防止单板表面污染，热板干燥时试件采用铝箔包覆。1.3性能试验1.3.1试件色泽度计算方法根据CIEL*a*b*系统，采用CM-600d便携式色差测试仪，测得干燥前后单板试件的表面明度L*、红绿值a*和黄蓝值b*(每个试件测试5个点，取平均值)，再计算各颜色指标。测试角度为10°，光源取D65。总色差ΔE*=[(ΔL*)2+(Δa*)2+(Δb*)2]1/2，ΔL*、Δa*、Δb*分别为干燥前、后单板试件L*、a*和b*的差值。以ΔE*来表征单板干燥前后颜色的变化情况。1.3.2润湿剂和试验仪器采用滴液法(liquiddropletmethod)测试润湿角，以定量描述处理前后单板表面的润湿性。润湿剂为蒸馏水，试验仪器为JC2000A型接触角测试仪，配备显微镜和计算机。通过针管将蒸馏水滴在单板表面后，每隔2s动态拍摄液滴在单板表面的渗透状态，再通过计算机分析获取润湿角。1.3.3胶合物的力学性能从热处理前后的单板上制取150mm(L)×50mm(T)试件，在试件端50mm(L)×50mm(T)面积上涂布脲醛树脂胶黏剂(固含量52%，涂布量200g/m2)后，覆盖另一片试件制成胶合试件对，在150℃和1MPa条件下热压3min，再采用万能力学试验机测试抗拉强度(剪切强度)。2结果与分析2.1种树种热板、热板对l#的影响图1和图2分别显示了气流干燥和热板干燥两种热处理方法下温度和时间因子对单板表面明度的影响。总体看，随着热处理时间的延长和(或)温度的提高，单板表面明度均不同程度降低。根据CIE颜色评价体系，材料颜色的明度L*居0(最暗)～100(最亮)之间，则杨木明显属于高明度材料，而桉木属于中等明度材料。随着热处理温度的提高(气流干燥:135～250℃;热板干燥:100～225℃)，两种树种的单板表面明度均呈下降趋势。以7min气流干燥的杨木为例，温度为135℃时L*=89.6，而250℃时L*=79.2，下降幅度达到10.7%。热处理时间的长短对L*的影响随方法而异。从图1(气流干燥)看，干燥时间从3min延长到7min和10min,L*的降低趋势愈发明显;而采用热板干燥时(图2)，无论是桉木还是杨木，在相同的干燥温度下，3～10min条件下明度L*十分接近。由此也可看出，两种不同的热处理方法，对木材单板表面的影响效能存在明显区别。热板干燥处理过程中，单板表面与热压板直接接触，传热快，木材和水分同时受热，水分迅速汽化且难以逃逸，使单板表面同时受到“热作用”和“水作用”;而采用热空气对流干燥方式，热能首先主要用于水分汽化，水分汽化殆尽后热能更多作用于木材的热处理，因此，木材表面的明度变化比热板干燥弱。这可从测试数据得到佐证:在相同的处理时间(3～10min)和温度(135～225℃)条件下，桉木单板气流干燥时L*值平均为63.5～59.0，而热板干燥处理时为60.0～57.7;杨木单板则分别为89.5～87.0和79.9～79.3，即热板干燥处理对木材单板表面的明度衰减比气流干燥处理明显。2.2干燥前后市场的颜色特征CIE(1976)颜色体系中，将颜色按照红绿值a*和黄蓝值b*的组合，构建了二维色度平面。依照此方法，可把不同材料的颜色“归位”到相应的(a*，b*)坐标点上，从而可以简便评价某颜色与红(R)、黄(Y)、绿(G)、蓝(B)、紫(P)5只基本色相和黄红(YR)、绿黄(GY)、蓝绿(BG)、蓝紫(BP)和红紫(RP)5只邻近色相构成的10大色相的对应关系。依照此方法，将本次热处理前后的试件颜色点标志在a*b*二维平面，如图3所示。从图3中看出，在a*b*二维平面内，杨木未热处理时在(-0.14,15.27)点，处于第二象限，隶属于“黄”色范围;桉木在(9.41,17.7)点，第一象限，归属于“黄红”范围。经干燥处理后，杨木的b*值和a*值均明显增大，朝“黄红”方向演变，但基本停留在“黄”色范围，少部分落入“黄红”色领域;相反的，桉木的b*值和a*值均略微减小，即有向“绿”和“蓝”发展的趋势，尽管依旧隶属于“黄红”范围。从以上分析看出，干燥后单板的颜色发生变化，尤其是杨木。由此也得到启示:针对不同的树种、面向不同的产品用途，可通过热处理工艺控制实现木材颜色的二次调控，这是速生材“仿珍”和增值利用的重要途径之一。2.3热处理条件对表面颜色的影响表1比较了不同热处理工艺产生的单板表面总色差。从表1中可以看出，随着热处理温度的提高、时间的延长，总色差ΔE*值均呈上升趋势。通常而言，按照ΔE*值的大小，将色差分为“非常小或没有(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)”六个级别。从表1列出的数据可以看出，几乎所有热处理条件下单板的表面颜色变化均达到了“中等”以上的程度。可见，热处理工艺对木材颜色的调控效果明显。2.4热处理对不同种类木材表面润湿角的影响润湿角直观表征了胶液对材料的渗透能力，也间接反映了对材料的胶合能力。一般而言，胶黏剂液体对木材表面的润湿角越小，则渗透能力越强，产生“胶钉”可能性越大，胶合强度也越高。未经过热处理的桉木和杨木，其润湿角因表面状态而异，居于45°～55°范围内，胶黏剂能很好渗透、固化和胶合。表2给出了不同热处理条件下速生杨木和桉木表面润湿角在30s时间内的动态变化。从表2中可见，经热处理后两种木材的表面润湿角均显著提高;无论是气流干燥还是热板干燥，随着处理温度升高，润湿角均呈现明显的增大趋势，且杨木在热处理后润湿角增大尤其明显，初始润湿角甚至高达96.8°。Razak等(2011)的研究表明，热处理后木材表面的化学构成发生了变化，亲水基团(例如:羟基—OH、羰基Cue5caO)浓度降低，这直接导致木材表面的润湿性减弱，不利于胶黏剂液体对木材的渗透和胶合。2.5热处理对胶合强度的影响图4示例了热处理工艺对杨木和桉木胶合强度的影响(10min)。从图4中看出，在同样的胶种和施胶量条件下，桉木胶合强度普遍高于杨木。从测试数据看，热处理温度越高、时间越长，两种木材的胶合强度递减越明显，显然，热处理导致木材润湿角增大、胶液渗透作用减弱、“胶钉”数量变少，宏观体现为胶合强度降低。从测试数据看，当热处理时间控制在7min内、温度控制在165℃内时，杨木热处理后胶合强度仅比未热处理时(1.65MPa)降低7.2%～9.4%，桉木比未处理时(2.74MPa)降低9.5%～13.8%。由此可见，只要热处理时间和温度控制合理，胶合强度的衰减程度是较小和可接受的。但继续延长时间或(和)提高干燥温度后，胶合强度将受到显著影响。因此，在实际生产中，上述干燥工艺参数可供借鉴。3干燥条件对木材表面性能的影响1)干燥处理明显调控木材的材色、提高木材表面润湿角、降低脲醛树脂胶黏剂对木材的胶合