蓝变杨木重组木尺寸稳定性及胶合界面微观表征

杨思瑞，柳金章，张云奎，刘振学，关明杰

（1.南京林业大学 材料科学与工程学院，江苏 南京 210037；2.黄河三角洲京博化工研究院有限公司，山东 滨州 256500）

新型重组木是以速生材为原料，疏解单板为基本单元，通过浸胶、干燥、顺纹组坯及成型等工艺制成的一种增强型复合材料，其力学性能和耐久性能优良，可作为地板，门窗等建筑类用材[1-2]。杨木作为制备重组木常用的原料之一，其资源丰富，但其尺寸不稳定、易变形且在露天存放或加工过程中容易受到真菌的侵害，发生蓝变。木材蓝变是指蓝变菌等具有暗色菌丝的真菌侵入到木材细胞内，使得木材材色、材性发生改变，降低了木材的品质[3-4]。赵桂华等[5]认为木材的性质变化与蓝变菌种类及木材种类有关。有国外学者认为，蓝变不仅会改变材色，也会影响木材的吸湿性和渗透性，一些蓝变的真菌还会减少木材的质量，降低其韧性[6-8]。木材的干缩湿胀受含水率[9]、密度的影响，2015年，Rouco M C A等人经研究表明，蓝变木材的干缩性要略小于普通木材[10]。杨木作为阔叶材中最易变色的材种，其材色较浅，蓝变无疑是其重要的木材缺陷，它对杨木的生产利用，人造板制造都有严重的影响。但目前国内外对杨木蓝变后材性变化的研究甚少，用蓝变杨木制备的重组木，其对胶黏剂的渗透、分布及重组木尺寸稳定性的影响还有待进一步研究。

因此，对比了以蓝变杨木和普通杨木制备的重组木不同部位的尺寸稳定性，利用荧光显微镜观察并分析了重组木胶合界面上胶黏剂的分布情况，旨为蓝变杨木重组木性能研究和重组木加工利用时提供基本技术参数。

1 材料与方法

1.1 实验材料

本研究用杨木Populus euramevicana重组木取自山东京博木基有限公司，分别为疏解蓝变木束单板和普通木束单板经浸渍低分子量酚醛树脂胶，冷压热固化压制而成的蓝变重组木和普通重组木，均为调湿调质材。根据GB/T18261-2013《防霉剂对木材霉菌及变色菌防治效力的试验方法》中4.6.3试样变色分级已测定出用于制备蓝变杨木重组木的疏解蓝变木束单板的变色分级为3级。蓝变重组木和普通重组木的规格尺寸为2 600 mm×160 mm×230 mm（长×宽×厚），每根分别取端部和中部试样各一块，试样尺寸为600 mm×160 mm×230 mm。试样标记如下：蓝变重组木端部材（LD）、蓝变重组木中部材（LM）、普通重组木端部材（PD）和普通重组木中部材（PZ）。4组重组木的基本物理力学性能如表1所示。

表1 4组重组木基本物理力学性能Table1 Basic physical and mechanical properties of four scrimbers

1.2 尺寸稳定性测试

依据LY/T1854-2009《室内高湿场所用木地板》中5.3.3耐湿热尺寸稳定性方法制样分析测试。将LD、LM、PD、PZ每组的20个试样在60 ℃热水中煮6 h，然后在60 ℃，90%以上蒸汽中处理24 h后，测量其质量和尺寸，计算其湿胀率。将湿胀后的材料，在室温下陈放48 h，放入60 ℃烘箱内干燥30 h后取出，至试件冷却后测量其质量及尺寸，计算其干缩率。

1.3 胶合界面荧光分析

实验设备：大型滑走式切片机YAMATO TU-213，荧光显微镜BX51（显微摄像头DP70）奥林巴斯有限公司（OLMPUS）。

实验方法：将LD、LM、PD、PZ 4组式样制备成尺寸为20 mm×10 mm×5 mm大小的木条，放置水中浸泡直至软化，用滑走式切片机切片，每个切片厚度为10 μm。将切片用无水乙醇浸泡5 min进行脱水处理。然后分别滴加1至2滴浓度为0.5%甲苯胺蓝荧光跟踪染色剂，染色时间为30 min。用蒸馏水进行多次清洗后，滴加甘油，盖上盖玻片，进行荧光显微镜观察拍照。用图像处理软件绘制相应的3D灰度图，并计算胶黏剂的渗透面积、胶层厚度和渗透深度。其中总胶面积是指酚醛树脂胶黏剂占整个荧光图像的面积；胶层面积是胶黏剂在杨木基材表面的渗透面积（不包括基材内部独立分散在导管和木纤维细胞内的胶斑）；胶层面积百分比为胶层面积占总胶面积的百分比；平均胶层厚度指在胶层上取5个最大厚度值求平均值；平均渗透深度指在胶层上取5个最大渗透深度值求平均值；总胶面积除以胶线长度所得到的数值为有效胶层厚度；胶层面积除以胶线长度所得到的数值为有效渗透深度。

2 结果与分析

2.1 湿胀率

重组木由于湿胀干缩而引起的厚度方向和板面方向上的尺寸变化称为尺寸稳定性。杨木木束单板在压制过程中被高度压缩，导致基材本身或基材之间存在较大的内应力。当把重组木放置湿度较高的环境下，木材细胞壁吸水膨胀，基材的内应力释放，导致了宏观上重组木尺寸的变化[11]。杨木重组木湿胀率如图1所示。由图1a可以看出，总体上纵向湿胀率在±0.20%之间波动，根据LY/T1854-2009《室内高湿场所用木地板》的要求，纵向湿胀率应小于等于0.50%，因此4组试样均能达标。如图1b所示，4组试样的厚度湿胀率在2.00%～7.50%之间，LM湿胀率最小，其主体分布在2.00%～3.00%之间，其次是LD组2.50%～3.50%，PZ组3.30%～4.40%，PD组4.40%～6.80%。

图1 4组重组木湿胀率Fig.1 Swelling rate of four scrimbers

图1c表明：宽度湿胀率LM组最小，其次是LD组，PZ组，PD组。宽度湿胀率明显要比厚度湿胀率小很多，LM组在0.50%～1.00%、LD组1.00%～1.50%、PZ组1.50%～2.00%、PD组1.60%～2.70%。LY/T1854-2009《室内高湿场所用木地板》标准规定宽度湿膨胀率小于等于1.50%，那么只有LM、LD可以达标，PD、PZ组均不达标。

4组重组木的纵向湿胀率变化不大，但厚度和宽度的湿胀率蓝变组明显小于普通组，中部小于端部，这可能是因为重组木的尺寸稳定性跟杨木疏解单板的含水率和密度有关。由表1可见，4组重组木的密度在0.80～0.90 g/cm3之间，中部密度大于端部，密度增大，木材空隙减小，减少了吸湿途径。4组重组木的含水率在4.50%～6.50%之间，蓝变重组木的含水率要略大于普通重组木，差值在0.85%左右，重组木中部含水率略大于端部含水率，差值在0.70%左右。重组木在未达到平衡含水率前，含水率增大，木材的吸湿性降低。

2.2 干缩率

经湿热处理后的试件再经干燥处理近于绝干，其干缩率结果如图2所示。从图2a可以看出，4组纵向干缩率均小于0.35%。在4组试样的厚度干缩率中（见图2b），LM最小，在4.25%～4.75%之间，其次是LD组4.25%～5.00%、PZ组4.50%～5.25%、PD组4.75%～5.75%。图2c中，宽度干缩率LM组最小，其次是LD组、PZ组、PD组。LM组在1.70%～2.30%、LD组1.90%～2.40%、PZ组2.20%～2.60%、PD组2.40%～2.90%。

图2 4组杨木重组木干缩率Fig.2 Shrinkage rate of four scrimbers

由图2可知，厚度方向的干缩率大于宽度方向大于纵向。由于木束都是顺纤维方向排列的，长度方向的尺寸变化反映了木材顺纹的变化。木材顺纹干缩率在0.10%～0.30%之间，说明蓝变组和普通组的纵向尺寸稳定性都比较好。总体上，蓝变组的干缩率小于普通组，试样中部的干缩率比端部的干缩率要小。一般在相同条件下，板材的湿胀率、干缩率越小，尺寸稳定性越好。蓝变组的尺寸稳定性比普通组要好，中部的尺寸稳定性比端部要好。因而4组重组木中，尺寸稳定性最好的是LM、其次是LD、PZ、PD。

2.3 胶合界面分析

显微分析可以更直观地观察到胶黏剂在木材细胞上的分布情况[16]。蓝变杨木重组木和普通杨木重组木的胶合界面荧光图和3D灰度图[12]如图3、图4所示。由于制备杨木重组木的基本单元是疏解单板，4组重组木的胶合界面均有胶液沿疏解单板的微观缝隙方向或木射线方向基材内部渗透。对比图3、图4可以看出胶黏剂大部分渗透于木纤维细胞中，渗透深度最大至15～20个木纤维细胞，少量胶体渗透于导管的细胞壁和细胞腔中。而普通组的导管内渗透的胶黏剂较多，胶黏剂在管孔内形成较为明显的胶斑且较为分散，胶层上胶黏剂的渗透深度最大至10～15个木纤维细胞单位，图3、图4中的3D灰度图其波峰值是酚醛树脂胶（PF胶），基线暗的值为杨木基材。蓝变组的波峰较少且峰值略大于普通组，说明胶合界面上蓝变组渗入基材的胶黏剂比普通组少。蓝变组中的胶黏剂主要分布在离胶线较近且具有小细胞腔的细胞中，而普通组有部分胶黏剂分布在离胶线较远且具有大细胞腔的细胞中，形成明显的胶斑。这种差异可能是因为一方面蓝变增大了杨木纤维细胞壁的渗透性[6]，胶黏剂更易于渗入离胶线较近的木纤维细胞中。另一方面，普通组的胶黏剂可通过木射线从基材表面渗入到导管中并将管孔填满形成胶斑，而蓝变组可能因蓝变菌堵塞木射线致使胶液无法渗入离胶线较远的导管中[8]。胶液渗透到木材细胞壁内，会影响重组木的机械强度和吸湿性能[13-14]。蓝变组的胶黏剂渗入木纤维细胞壁内的较多，降低了木纤维细胞壁的吸湿性，使得蓝变杨木制备的重组木的湿胀率和干缩率小于普通杨木制备的重组木。

图4 普通杨木重组木胶合界面的荧光显微图和3D灰度图Fig.4 Fluorescence micrograph and 3D-Gray value graph of non-stained scrimbers

表2为4组重组木胶合界面的分析结果，可以看出PD、PZ的总胶面积比LD、LM大，最大是PD，总胶面积为224 207.76 μm2，最小是LD为141 190.00 μm2，最大值是最小值的 1.6倍。4组的胶层面积范围在84 470.74～115 509.53 μm2。胶层面积百分比从大到小依次为LM、LD、PD、PZ，最大的是LM，其值为79.81%，最小的是PD，为39.36%，最大值比最小值大2倍以上。胶层面积百分比反映了酚醛树脂胶黏剂在重组木胶合界面上的分布状况，PD、PZ胶层面积百分比小是因为有50%以上的胶液分散于木材基体内部的导管和木纤维细胞内，不与胶线相连接，未起到粘结基材的作用。

胶层厚度和渗透深度也反应了胶黏剂在胶合界面的分布情况，4组重组木的有效渗透在70.00～96.00 μm之间，有效渗透最大是LM，为95.79 μm。PD在4组重组木中胶层面积百分比最小，为39.36%，平均胶层厚度最小，为122.65 μm，平均渗透深度最小，为94.42 μm。虽然蓝变组的胶层面积百分比大于普通组，但有效胶层厚度却比普通组小，有效胶层厚度最大是PD，185.93 μm；最小是LD，117.09 μm。这说明蓝变组基材表面附近的小腔细胞（如木纤维细胞）渗透性要好，胶黏剂更易于渗入胶线附近的小细胞的细胞壁和细胞腔内。因而有效胶层厚度比普通组略小。而普通组基材表面的小腔细胞渗透性比蓝变组略差，胶黏剂更易于通过木射线渗入到大腔细胞（如导管）的细胞壁和细胞腔中，形成较为分散的胶斑，使得有效胶层厚度略大。

表2 4组重组木胶合界面分析结果†Table2 Analysis result of bonding interface of four scrimbers in fluorescence micrograph

为探究酚醛树脂胶黏剂在杨木重组木胶合界面上的渗透分布与尺寸稳定性的关系，将4组重组木的胶层面积百分比与厚度、宽度方向上的湿胀率进行比较，如图5所示。

图5 4组重组木胶层百分比与厚度、宽度湿胀率对比Fig.5 Comparison of thickness and width expansion with four scrimber colloidal percentages

由图5可以看出，湿胀率从小到大依次为LM、LD、PZ、PD，胶层面积百分比从大到小依次为LM、LD、PZ、PD，胶层面积百分比与厚度、宽度方向的湿胀率成负相关。重组木受环境中水分的影响使得木材细胞壁吸水膨胀及木材单元之间内应力释放导致宏观上尺寸的变化，其属于不可恢复膨胀[15]。由于蓝变重组木有较好的渗透性和吸湿性，蓝变重组木的含水率略高于普通重组木（如表1）且蓝变重组木渗入木纤维细胞壁内的胶黏剂多，当环境中水分增大，蓝变重组木木材细胞壁的吸水膨胀率小于普通重组木。胶层面积百分比反应了重组木应力应变的分布情况，蓝变重组木的胶黏剂分布较为集中在木纤维细胞内，对基材的干缩湿胀时产生内应力较小；普通重组木的胶黏剂分布较为分散，且多分布在大导管内，对基材的干缩湿胀内应力较大，尺寸稳定性略差。因此，当重组木吸湿内应力释放时，普通重组木基材往往会产生开裂现象。因而可以认为当胶合强度合格时，在一定的胶层厚度范围内，胶层面积百分比越大，厚度、宽度湿胀率越小，重组木的尺寸稳定性越好。因此，蓝变重组木的尺寸稳定性最好。然而，前面胶合界面的表征，蓝变重组木的有效胶层厚度较小，也就是高密度胶层界面相对薄，在重组木制备工艺中仍需注意由于蓝变引起的胶黏剂过于渗透对重组木有效胶层厚度的影响，以保证蓝变重组木的胶合强度稳定性。

3 结论与讨论

对蓝变端部材（LD）、蓝变中部材（LM）、普通端部材（PD）、普通中部材（PZ）4组重组木的尺寸稳定性和胶合界面的荧光显微分析表明：

（1）4组重组木的纵向湿胀率和干缩率均小于0.50%，符合LY/T1854-2009《室内高湿场所用木地板》标准要求，LM、LD的宽度湿胀率小于等于1.50%，符合标准要求，PD、PZ大于1.50%，未达到标准要求。宽度、厚度方向的湿胀率和干缩率从小到大依次为LM、LD、PZ、PD。

（2）4组重组木的胶合界面荧光显微分析表明，蓝变组的胶黏剂主要渗透在离基体表面较近的木纤维细胞中，有效渗透厚度较小；普通组的胶黏剂有50%以上的胶液渗入离基材表面较远的导管细胞中，有效渗透厚度较大。4组重组木的胶层面积百分比从大到小依次为LM、LD、PZ、PD。蓝变重组木中胶黏剂在胶层上的面积百分比最大为79.81%，是普通杨木重组木中胶层占比的1.5～2.0倍左右。胶层面积百分比与厚度、宽度方向的湿胀率成负相关。

通过荧光显微分析对比了蓝变重组木与普通重组木胶黏剂在胶合界面的分布情况并探讨了尺寸稳定性差异的原因，但影响重组木尺寸稳定性的因素除了胶黏剂的分布外还与木材自身材质有关。现国内外对蓝变杨木渗透性的研究较少，蓝变对木材浸渍工艺、重组木制备的影响研究也较为缺乏，今后将对蓝变杨木的尺寸稳定性、蓝变杨木重组木的裂纹及力学性能做进一步探究。