杨木板材浸渍改性树脂及浸渍改性方法技术领域
本发明涉及对木材的浸渍改性方法及使用的树脂。
背景技术
我国是木材资源紧缺国家，用树脂浸渍低值木材替代珍贵木材的研究已经成为热
点。由于浸渍改性木材的密度、力学性能和尺寸稳定性均提高了，在国内已经有多家企业将
杨木浸渍改性材应用于实际生产。用于室内用材浸渍的树脂均为尿胶或改性尿胶，虽然解
决了甲醛超标问题，但这类胶黏剂固化温度高于100℃(通常改性的树脂固化温度最低为
115℃)，采用常规窑干法无法让这类胶黏剂完全固化(国内外常规干燥窑设计的最大加热
温度均不超过的100℃)，导致后续机械加工时出现木材表面粘手，影响涂饰质量等问题。
国内外在脲醛树脂浸渍木材的干燥理论方面研究较少。浸渍木在干燥过程中树脂
分子的聚合程度越来越高，但温度如果达不到固化点温度数值时，树脂将不能达到固化状
态，木材的物理和力学性能将不能达到最佳状态。由于常规干燥窑的最高温度有限，均低于
100℃，使用的浸渍树脂都难以完全固化。
发明内容
本发明的目的提供一种杨木板材浸渍改性树脂，其固化温度不超过100℃，能够有
效浸入杨木板材内，有效提高杨木板材的抗弯强度。
本发明所述的杨木板材浸渍改性树脂，是将质量百分比浓度为18-22％的草酸水
溶液，加入到质量百分比浓度为25-35％的脲醛树脂溶液中，草酸水溶液的加入量为脲醛树
脂溶液重量的0.2-1％。
上述的杨木板材浸渍改性树脂，草酸水溶液的加入量为脲醛树脂溶液重量的
0.5％-0.7％。
本发明同时提供了一种能够在不超过100℃的条件下，对浸渍树脂改性后的木材
进行常规干燥固化，并且能够使得改性树脂完全固化，有效提高木材的强度的杨木板材浸
渍改性方法。
本发明的杨木板材浸渍改性方法，使用上述的杨木板材浸渍改性树脂，以真空加
压浸渍法对杨木板材进行浸渍，浸渍后取出放入干燥窑内采用低温慢速升温法进行干燥固
化。
上述的杨木板材浸渍改性方法，浸渍时，先在真空度-0.08～-0.10Mpa下，将杨木
板材浸渍在改性树脂中保持80-100min；然后升高压力至0.6-0.7Mpa，再在保持压力状态下
浸渍3h-5h。
上述的浸渍改性杨木板材干燥固化时，先在升温至55-65℃保持50-70min，然后升
温至78-82℃保持50-70min，再升温至85-95℃保持2-3h。
本发明的有益效果：草酸的添加量对木材的增重率是有明显影响的。随着草酸添
加量的增多，湿增重率呈现先增加后减少的现象；实际增重率呈现减少的趋势(实际增重率
为干燥后木材的净增重率，湿增重为液态树脂和水的重量总和)。所以本发明的杨木板材浸
渍改性树脂中草酸的添加量以0.2-1％为宜；最好草酸的填加量为0.5％-0.7％，此时与未
加草酸改性的树脂实际增重率接近。
随着草酸添加量的增加，改性树脂的玻璃化温度和储能模量最小值对应的温度整
体上呈现先降低，到达一个最小值后又逐渐升高的趋势，并且这两个温度都在草酸添加量
为0.5-0.7％、0.7-0.9％处出现最小值。从增重率方面考虑，虽然不添加草酸和草酸添加量
为0.2％的实际增重率高，但它们的玻璃化温度较高。若从玻璃化温度方面考虑，草酸添加
量为0.7-0.9％时是最低的，但它的净增重率又太不理想。
经过测试，改性处理的杨木，发现在干燥固化温度100-110℃下处理的杨木，抗弯
强度和抗弯弹模是最好的，但在85-95℃下固化干燥的杨木，抗弯强度和抗弯弹模虽然低于
100-110℃下处理的杨木，其降低量在3％以内。为了能使用最高温度低于100℃的常规干燥
窑进行处理，本发明选择固化温度为85-95℃。
总之，本发明的杨木板材浸渍改性方法，能够使用最高温度低于100℃常规干燥
窑，适应性强，而且能够使得浸渍的改性树脂完全固化，有效提高杨木板材的抗弯强度。
附图说明
图1是湿增重率和净增重率与草酸添加量关系图。
图2是玻璃化温度和储能模量E’最小对应温度与草酸添加量关系图。
图3是草酸添加量不同的浸渍材损耗角正切值与温度的关系图。
图4是不同组别损耗角正切值随时间的变化图。
具体实施方式
为了研究浸渍杨木板材胶黏剂固化技术问题，申请人用潜伏型固化剂对浸渍用树
脂进行了改性，利用动态热机械分析仪(DMA)，分析了改性尿胶的在木材干燥过程中的固化
机制。
1.试验材料与方法
1.1动态热机械分析
关于动态热机械分析的原理和有关参数简述如下：在动态热机械分析测量中，试
样承受一个正弦应力，产生一个正弦应变，而这种应变比应力滞后一个相位差，tan d表示
损耗模量与储能模量的比值，tan d占温度曲线的峰值代表相应的相转变定义:E′为储存模
量，E″为损耗模量，因而有：
tan d＝E′/E″(损耗角正切)
测定材料的E’、E″和tan d随温度的变化关系，得到动态热机械曲线，通过测试储
能模量、损耗模量以及损耗角正切等的变化来考察UF树脂的性能变化过程。
1.2试材:
浸渍试验所用树脂为自制的水溶性、低分子量、低粘度的改性脲醛树脂(UF)，其性
能指标见下表1-2：
表1-2改性脲醛树脂性能指标
浸渍试材为速生杨木木材，试件尺寸是300mm×80mm×25mm，每组5块，共8组。
潜伏性固化剂为草酸水溶液。
1.3试验方法:
将初始质量百分比浓度为20％的草酸水溶液，按重量百分比设置成八种不同添加
量(0％、0.2％、0.4％、0.6％、0.8％、1.0％、2.0％、3.0％)，分别添加到浓度为30％的脲醛
树脂溶液(水溶液)中，得到不同的改性脲醛树脂。采用不同的改性脲醛树脂在相同浸渍工
艺条件下对杨木浸渍得到八组浸渍材，浸渍工艺是采用真空加压浸渍法，真空度是-
0.09Mpa，保持90min，正压0.7Mpa，保持压力4h，各组试材对应的编号分别是0、0.2、0.4、
0.6、0.8、1.0、2.0和3.0组，对八组浸渍木材试件进行动态热机械分析测试(Dynamic
Mechanical Analysis以下简称DMA)。得到八条DMA曲线，在八条DMA曲线上将读出八种玻璃
化温度，依据最低的玻璃化温度，设置三种温度对浸渍木材固化处理(本试验中的玻璃化温
度是指固化后的胶黏剂出现玻璃态软化温度，而固化温度比玻璃化温度低30℃)，再测量不
同固化温度下试材的抗弯强度，将抗弯强度最大对应的温度确定为本实验树脂浸渍木材后
的固化温度。
DMA测试试样制作；从浸渍结束后每组中选择两块试材加工成尺寸是60mm×8mm×
3mm，共16片，进行玻璃化温度(Tg)测试分析，动态热机械分析仪(DMA 242C)，变温范围设定
在10℃-200℃，升温速度设定为5℃/min，频率设定为10Hz。加工DMA测试试样时要注意保证
所有试样的长度方向(承受荷载)均为木材的顺纹方向。
抗弯强度试件制作：选取一组DMA测试效果较满意的试材，分成3组，加工成300mm
×20mm×20mm的抗弯强度测试试件，每组抗弯强度试件9个。分别在90℃、105℃和120℃的
温度条件下进行干燥固化，固化过程采取的是低温慢速升温：60℃保持1h，然后80℃保持
1h，然后分别升到预先设定的温度并保持2.5h。固化结束后按GB/T1936.1-2009木材抗弯强
度试验方法来测试抗弯强度。
1.4数据计算
湿增重率测试
式中：Mf—试件浸渍后的质量(g)；
Mi—试件浸渍前的质量(g)；
Mc—试件浸渍前的绝干质量(g)。
净增重率测试
式中：Mt—试件浸渍处理后的绝干质量；
Mo—试件处理前的绝干质量(g)。
2.试验数据分析
2.1草酸添加量对树脂增重率的影响
下表2-1显示的是不同组别试材的树脂增重率、玻璃化温度及储能模量最小值对
应的温度。
表2-1不同草酸添加量浸渍材的增重率和有关温度
根据表2-1数据以平均湿增重率和平均净增重率为纵坐标，草酸添加量为横坐标
作折线图1。
由表2-1和图1知，草酸的添加量对木材的增重率是有明显影响的。随着草酸添加
量的增多，湿增重率呈现先增加后减少的现象；实际增重率呈现减少的趋势。原因之一可能
是，草酸具有弱酸性，易溶于水，轻微水解后产生游离H+离子使得溶液呈现弱酸性，并且草
酸添加量越多产生的游离H+离子越多，而脲醛树脂在酸性条件下会有部分小分子树脂变成
较大分子树脂，因浸渍需要一定的时间，当草酸添加量高时，产生分子量较大的脲醛树脂可
能就多，阻碍了树脂胶继续进入木材内部，导致木材的湿增重率降低；草酸的添加量较少，
胶体在缓慢固化过程中缩聚出的少量液态水较易进入木材内部，出现了湿增重率增加的现
象，草酸的添加量较多时，浸渍木材表面部分的细胞通路被预固化的产物阻塞，湿增重也降
低了，实际增重率就更低。
2.2草酸添加量对树脂玻璃化转变温度的影响
根据表2-1数据以玻璃化温度和储能模量(E′)最小时的温度为纵坐标，草酸添加
量为横坐标作折线图2：
图2知，玻璃化温度和储能模量最小值对应的温度整体上呈现先降低，到达一个最
小值后又逐渐升高的趋势，并且这两个温度都在草酸添加量为0.6％和0.8％处出现最小
值。从增重率方面考虑，虽然0组和0.2组的实际增重率高，但它们的玻璃化温度较高，而本
试验期望在较低的温度下使得树脂固化；若从玻璃化温度Tg方面考虑，0.8组的Tg是最低
的，129℃，但它的净增重率又太不理想。因此，综合对比分析增重率及玻璃化温度Tg得出，
0.6组较满意，实际增重率是39.05％，玻璃化温度是131℃，储能模量E’最小对应的温度是
119℃。因此草酸添加量定为0.6％。
图3显示草酸添加量不同的八组树脂浸渍木材试样经DMA测试后损耗角正切值随
温度的变化曲线。
通常材料的玻璃化转变伴随着储能模量E′的下降和损耗模量E″与损耗角正切tan
d的峰等变化的，因此tan d峰对应的温度是玻璃化转变的特征温度。当处理温度接近玻璃
化温度Tg时，材料的强度、刚度都会急剧下降。从图3可以看出，草酸添加量不同，tan d对应
的峰值不同，表示不同组别的玻璃化转变温度不同。0组曲线的峰值出现在图的最右边，它
的玻璃化温度最高；0.6、0.8和2.0组的玻璃化温度接近且较低，为129℃-131℃。
2.3草酸添加量对固化温度和时间的影响
由表2-3得出，在105℃下固化后的试材的抗弯强度和抗弯弹模是最好的，且90℃
的固化结果稍低于105℃的固化结果，降低的百分数分别是2.1％和2.9％。90℃固化后试件
的含水率在65％左右，105℃固化后试件的含水率在30％左右，都还需要后续继续干燥。因
此本实验采取在95℃的条件下按上面步骤中的方法进行固化，然后再在调温调湿箱中进一
步干燥处理，草酸添加量确定为0.6％。
3组固化实验结果见下表2-3：
表2-3浸渍树脂不同温度固化后试件的抗弯强度
固化温度确定了，还需确定树脂浸渍木材后的固化时间，固化时间也可以从DMA曲
线上读出。图4显示的是八组不同草酸添加量的树脂，在固化反应过程中损耗角正切值tand
随时间延长的变化曲线。
tand峰对应的温度表征材料的玻璃化转变温度。如图4所示，组0，即没有添加草酸
的一组，其损耗角正切tand达峰值时所用的时间最长，为31min左右。其他组别的损耗角正
切tand达峰值时所用的时间均在22min—27min之内，相差不大。也就是说，只要达到所需的
温度，树脂会很快出现玻璃化状态，30min之内。考虑到浸渍树脂的杨木板材厚度为25mm。实
际操作时，要考虑板材在厚度方向上热透所需要的时间，故本试验固化时间为达到确定的
固化温度保持2.5h。
3、结论
添加草酸后，对浸渍杨木的增重率有一些影响，对固化温度影响较大。
1.随着草酸添加量的增加，浸渍杨木实际增重呈现下降趋势，其中0.6组试验后实
际增重率是39.05％，与未加草酸改性的树脂增重率接近。
2.草酸添加量对树脂玻璃化转变温度影响较大，DMA测试tan d峰对应的温度是玻
璃化转变的特征温度。草酸添加量定为0.6％时储能模量E’最小，对应的温度是119℃。
3.力学强度测试表现佳、固化温度低的草酸添加量为0.6％。