纤维树脂制备实木木陶瓷的研究

纤维树脂制备实木木陶瓷的研究

在制造金属材料时，尤其是在变形和开裂方面，存在着不可避免的问题。当以实木为原料时,由于其弦向、径向、纵向收缩的差异,使得这一问题更为突出。与实木相比,中密度纤维板价格低廉、加工性能良好,特别是无弦、径、纵向差异,因而显现出了良好的应用前景。本实验以中密度纤维板为基本木质原料来研究其在制备木陶瓷过程中在质量和体积上的变化。1纤维增强复合林分纤维与活性树脂液系实验选用的中密度纤维板为黑龙江省伊春市南岔人造板厂生产,密度为680kg/m3,含水率约9%,由东北林业大学木工厂加工为实验所需试样。试样规格:20mm×20mm×18mm(厚),每组6个。浸渍酚醛树脂的合成与前报道相同。将所合成树脂液配制成质量分数分别为10%、20%、30%、40%、50%的处理液。树脂浸渍及后续干燥、树脂固化、高温烧结等工艺也与前报道相同。2结果分析2.1树脂质量分数对试样绝干密度的影响如表1所示,对于中密度纤维板各组试样,除了比大青杨实体木材更难浸渍外,它们表现出了与大青杨木材试样相似的处理效果,即:质量增加率几乎随处理所用的树脂质量分数线性增加,而增容率则在低质量分数时增加很快,当质量分数超过10%时趋于稳定。当处理液质量分数为10%时,质量增加率为11.99%,比大青杨木材试样的一半还低,增容率达10.14%;处理液质量分数为40%时,质量增加率达到了46.79%,增容率仅为15.21%。这说明低质量分数时,树脂主要进入细胞壁,起到扩张细胞壁的作用,而使试样体积增大;在高质量分数时,细胞壁已充满树脂,很大一部分树脂只是填充在细胞腔内,起不到增容的作用。另外,中密度纤维板试样经树脂处理的质量增加率与树脂质量分数呈更加明显的线性关系,增幅几乎不随树脂质量分数增加而降低,这可能是因为树脂除了进入木材细胞壁和细胞腔内,更多是填充于木质纤维的空隙间,而这些空隙的大小远远大于木材细胞腔,对高质量分数树脂的阻碍作用不像实体木材那样突出。树脂质量分数对中密度纤维板试样处理后绝干密度的影响与木材试样相同(见表2),中密度纤维板试样的绝干密度随树脂质量分数的增加而有较大幅度的增加。其根本原因是在树脂浸渍处理后,试样的质量增加率几乎随质量分数线性增加;而增容率则在低质量分数时增加较快,当质量分数超过10%时趋于稳定,增加较小。当用质量分数10%的树脂处理中密度纤维板试样时,虽然质量增加率为11.99%,但是此时的增容作用也较大,为10.14%,导致了密度增加不显著,仅为1.68%;用质量分数40%的树脂处理中密度纤维板试样时,质量增加率为46.79%,增容率仅为15.21%,因而密度增加幅度较大,为35.62%。从试样的面积、平面尺寸及厚度变化率情况来看(见表3),它们都与增容率变化规律相同:在低质量分数时增加很快,当质量分数超过10%时趋于稳定。质量分数为10%时,其平面尺寸、面积、厚度变化率已分别为0.56%、1.02%和8.93%,而质量分数为40%时,它们也仅达到0.93%、1.82%和13.15%。另外,中密度纤维板试样经酚醛树脂处理所引起的尺寸变化最大的是厚度方向,10%树脂处理时,约为平面尺寸变化的16倍,这一点同样与中密度纤维板试样的干缩差异规律相同,但树脂处理引起中密度纤维板试样厚度与平面尺寸变化的差异比吸湿引起的变化差异大(中密度纤维板试样的干缩差异比为8.4:1)。当较少的水等极性分子进入木材细胞壁时,主要使木材细胞沿直径方向膨胀,体现在木材上为弦、径向变化较大,而体现在中密度纤维板上,由于纤维方向与板面方向平行,细胞沿直径方向的膨胀即引起中密度纤维板在厚度方向的膨胀。另外,在水等极性溶剂的作用下,被压缩成板的木质纤维发生回弹,进一步增加了厚度膨胀。2.2在高温下燃烧后，样品的大小和质量会发生变化2.2.1树脂质量分数对烧结密度的影响表4所表明的是在800℃下烧结的中密度纤维板木陶瓷与酚醛树脂处理后绝干试样相比的炭得率和体积剩余以及木陶瓷绝干密度与树脂质量分数的关系。木陶瓷的炭得率和体积剩余都随树脂质量分数提高而增加,同样可以归结为是固化后的酚醛树脂高温烧结的炭得率和体积剩余率都较木材高很多的原因。树脂质量分数对木陶瓷的炭得率和体积剩余都有影响,因而对木陶瓷产品的密度也有影响。树脂质量分数对密度影响较大,木陶瓷产品的密度随树脂质量分数增加呈上升趋势。样品经高温烧结,体积剩余取决于其平面尺寸和厚度剩余。如表5所示,在800℃下烧结使中密度纤维板样品在厚度上的收缩大于平面上的收缩,但这种差异也远比中密度纤维板的干缩差异及其树脂浸渍后发生膨胀时的差异要小。另外,从表5中还可看出,不同质量分数的树脂处理的样品平面尺寸剩余差异很小,而厚度剩余差异较大,说明树脂对试样厚度方向的作用更大。2.2.2树脂剩余与炭得率、体积剩余的关系在木陶瓷的制造过程中,由于在烧结之前进行的树脂浸渍处理对原料中密度纤维板有一定的质量增加、增容作用,因而木陶瓷产品分别与树脂处理前后的中密度纤维板相比不完全相同。表6为不同质量分数的树脂处理的试样在800℃下烧结的木陶瓷相对处理前绝干原料的炭得率和体积剩余。中密度纤维板木陶瓷与酚醛树脂处理前试样相比的炭得率和体积剩余分别与其进行树脂处理时的质量增加率与增容率有同样的关系,即:炭得率随树脂质量分数提高而增加,但增加幅度远大于与树脂处理后样品相比的比率;体积剩余在树脂质量分数较低时增加较快,超过一定质量分数时趋于稳定,但增加幅度更大一些。表7为样品平面尺寸和厚度剩余与树脂质量分数的关系。不同质量分数的树脂处理的样品平面尺寸收缩小,且差异很小;而厚度方向上收缩大,且差异较大。厚度剩余在树脂质量分数较低的范围随质量分数增加而增大,且增加幅度较大,而超过一定质量分数后这种变化趋于平缓。样品体积的变化主要在于厚度变化。树脂处理使其平面和厚度收缩差异减小。3木陶瓷炭化过程中密度纤维板试样比实体木材(树种为大青杨)难于浸渍,但是处理后试样的质量增加率和增容率变化规律两者相同。中密度纤维板试样经高温烧结后,相对酚醛树脂处理前、