廣東林業(yè)科技2012年第28卷第1期聚乙二醇對五硼酸銨改性結構刨花板力學性能的影響高偉'曹金珍?( 1.西南林業(yè)大學材料工程學院 云南昆明 650224; 2.北京林業(yè)大學材料科學與技術學院)摘要試驗引入聚乙二醇改性體 系以補償五硼酸銨對結構刨花板力學性能的影響。結果表明:聚乙二.醇可以彌補五硼酸銨對結構刨花板力學性能的降低,內結合強度隨五硼酸銨用量的增加有一定程度的增大。五硼酸銨用量、聚乙二醇種類及聚乙二醇用量三個因素對內結合強度有顯著影響,對靜曲強度和彈性模量均無顯著性影響。研究提出改性體系最佳配比為:2.80%的五硼酸銨(基于絕干刨花重)配合20%的PEG-2000(基于酚醛樹脂膠粘劑用量)。關鍵詞五硼酸銨 聚乙二醇內結合強度靜曲強度彈性模量中圖分類號: S781.6文獻標識碼:A文章編號:1006 -4427( 2012 )01 -0007 -06Effect of PEG on the Mechanical Properties of APBTreated Strand BoardGao .Wei'Cao Jinzhen2( 1. College of Material Engineering, Southwest Forestry University ，Kunming, Yunnan, 650224;2. College of Material Science & Technology，Beijing Forestry University )AbstractPolyethylene glycol ( PEG ) was introduced to compensate the reducing effect of ammonium pent-aborate( APB ) on mechanical properties of its treated strand board. The results showed that PEG could compensatethe influence of APB on the mechanical properties of strand board. Internal bond strength increased with the addi-tion of APB in this study. The adding amount of APB, PEG type and adding amount of PEG showed significanteffect on the internal bond strength, but no significant effect on the modulus of rupture and modulus of elasticity.The best modification formulation is as follows: 2. 80% APB based on dried flake with 20% PEG-2000 based on PFresin.Key words ammonium pentaborate ( APB ), polyethylene glycol ( PEG ), internal bond strength, modu-lus of rupture, modulus of elasticity有機和無機硼類防腐劑是CCA(加鉻砷酸銅)等重金屬類木材防腐劑極具潛力的替代品。其被引入結構刨花板后,在賦予板材理想的生物耐久性的同時，也在一定程度上影響板材力學性能。Sean等的研究指出,硼酸鋅添加量為2.5%時,內結合強度由0.57 MPa降至0.39 MPa,靜曲強度由30 MPa降至21 MPa。Cavdar等的研究也表明,添加3%和5%的硼酸鋅后,定向刨中國煤化工莫量由對照組的22.03MPa和2. 40 GPa分別降至17.25 MPa、12. 83 MPa和0.21CTHCNMHG和Kalaycioglu得出了類似的結果3。2010年Gao等的研究發(fā)現(xiàn),五硼酸銨添加量趣過8.08%0前山亞小」對刨花板力學性能的降。 通訊作者:高偉。手機:13648893936 ,E mail: weigaoe@ gmail. com?；?項縣:國家自然科學基金青年基金項目:納米氧化銅/酚醛樹脂復合體系制備及應用基礎研究( No. 31100423 ),西南林業(yè)大學科研啟動基金:一種防偶降罐權效防腐劑改性UF研究( No. 1111 )。高偉等:聚乙二醇對五硼酸銨改性結構刨花板力學性能的影響低作用(4]。在補償金屬硼酸鹽對人造板力學性能降低的作用方面,聚乙二醇( polyethylene glycol, PEG )等多羥基的受熱后能增強體系流動性的化合物被著重引人。Sean等發(fā)現(xiàn)硼酸鋅與聚乙二醇配合應用于改性的刨花板,其內結合強度和靜曲強度均優(yōu)于只用硼酸鋅者1。本文在前人研究的基礎上,將三種類型聚乙二醇以不同添加比與五硼酸銨配合應用于結構刨花板,研究其改性板材的內結合強度、靜曲強度和彈性模量的變化,旨在通過單因素方差分析和配對方差分析探索五硼酸銨用量、聚乙二醇種類及聚乙二醇用量對改性結構刨花板力學性能的單獨及交互作用,為提高硼類防腐劑處理結構刨花板力學性能提供新思路和新方法。1實驗材料與方法材料與設備,實驗方案以及結構刨花板的制備及數(shù)據(jù)分析方法參見《聚乙二醇對五硼酸銨改性結構刨花板吸水性能的影響》51。內結合強度、靜曲強度和彈性模量的測定方法及過程依據(jù)國標GB/T17657-1999<人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》6。2結果與討論表1列出了聚乙二醇與五硼酸銨復合處理大片刨花板的內結合強度、靜曲強度及彈性模量。國標標準規(guī)定在干燥狀態(tài)下使用的結構刨花板(公稱厚度6~13 mm )內結合強度≥0.40 MPa, 靜曲強度≥17 MPa,彈性模量≥0.23GPal7。從表1可知,按試驗設計方案所制備的結構刨花板,有63%的內結合強度,達到國際要求,靜曲強度和彈性模量則100%達到國標要求。表1聚乙二醇--五硼酸銨復合處理大片刨花板的內結合強度、靜曲強度及彈性模量實驗結果處理五硼酸銨用量.聚乙二醇聚乙二醇用量.內結合強靜曲強度彈性模量編號(%BAE)種類(wt/wt%)度( MPa)( MPa)( GPa)1.002000200.39(0.17)34. 00( 10. 19)0.94(0. 24)4000400.43(0.24)28.02(8.94)0.98(0.08)6000600.17(0.11 )28. 79(9. 92 )0.83(0. 19)10000800.37(0. 18)30.75(7.43)0.88(0.24)1.880.40(0.16)33.79(7.19)60.55(0.06)30.38(6. 46)0.62(0. 50)0.36( 0.26)35.61( 10.60)0.79(0.22)81. 880.48(0.05)33.84( 10.29 )0.84(0. 28)2.800.75(0. 12)33. 05(8.74)0.87(0. 26)10.44(0.19)33. 54(6.77 )0.84(0. 15)112. 800.51(0.04 )28.71( 5.14)0.92(0. 12)120.44(0.09 )30. 86(8.08 )0.93(0.21 )134.690.29(0.14)24. 93(3.81 )0.88(0. 19)140.50(0.12 )27.27( 7.95 )0.99(0.21 ) .4. 690.34(中國煤化工0.86(0.20)0. 44(:YHCNMHG0.94(0.24 )注:括號中的數(shù)值表示其對應均值的標準偏差。2.1 內結合強度方差萬布教捅,五硼酸銨用量對復合改性后結構刨花板內結合強度影響最大(p=0.001),其次是聚乙廣東林業(yè)科技2012年第28卷第1期二醇種類( p=0.028 )和聚乙二醇用量( p=0.031 )(表2)。表2聚乙二醇一-五硼酸銨復合處理大片刨花板內結合強度方差分析表方差來源離均差平方和自由度均方F五硼酸銨用量0. 4900.1636. 2780.001聚乙二醇種類0. 0833.1720. 028聚乙二醇用量.0.2410.0803. 0850. 031誤差.2. 238860. 026總和20. 79496校正總和3.216952.1.1五硼酸銨用量由表3可見,在與各種類型聚乙二醇復合應用后,改性結構刨花板內結合強度的變化與已報道研究中只用五硼酸銨處理時完全不同,內結合強度并未線性減小，而隨五硼酸銨用量的增加呈先增再減的變化趨勢。最大值出現(xiàn)在2.80%用量處理的樣品,該處理量對應的內結合強度與其他三個用量的處理結果有顯著性差異(p < 0.05 )。這說明針對內結合強度,五硼酸銨用量最宜選取2. 80%。五硼酸銨與內結合強度之間非線性關系結果,唯一可解釋的原因是聚乙二醇的引人,這表明聚乙二醇確實達到了補償五硼酸銨對結構刨花板內結合強度降低的影響。表3五硼酸銨用量對應內結合強度的統(tǒng)計值及各水平間的方差分析結果各用量間的差異對比p值水平五硼酸銨用量( % BAE )內結合強度( MPa)1. 88%2. 80%4. 69%11. 000. 340.0240.0000.27521.880.450.0700.23332.800.530. 00344. 690.392.1.2 聚乙二醇種類 由表4可知，隨著聚乙二醇分子量增大,結構刨花板內結合強度先增后減。最大值0. 48 MPa出現(xiàn)在PEG 4000處,與PEG-6000結果有顯著性差異(p < 0. 05)。這組結果表明,針對內結合強度,聚乙二醇最宜選取分子量為4000者。表4聚乙二醇種類對應內結合強度的統(tǒng)計值及各水平間的方差分析結果各種類間的差異對比p值400060001000020000.460. 6090.0200. 6420. 480.0050. 3300.350. 0470.432.1.3 聚乙二醇用量 表5的統(tǒng)計結果表明,當聚乙二醇用量達最大80%(基于酚醛樹脂膠粘劑用量)時,改性結構刨花板內結合強度亦至最大值0.50MPa;四個用量中國煤化工度最小值( 60%聚乙二醇用量)和最大值( 80%聚乙二醇用量)之間差異顯著外( p0.05 ),尤其是聚乙二醇種類對應P =0.902,表明改性結構刨花板的靜曲強度幾乎不受聚乙二醇種類的影響。表6聚乙二醇--五硼酸銨復合處理大片刨花板靜曲強度方差分析表方差來源離均差平方和自由度均方F五硼酸銨用量396. 297132. 0991.9660. 125聚乙二醇種類38. 66412. 8880.1920. 902聚乙二醇用量.131. 522343. 8410.6520. 584誤差5778. 2588667. 189總和97323. 34496校正總和6344. 741952.2.1五硼酸銨用量從表7可以發(fā)現(xiàn),靜曲強度隨五硼酸銨用量的增加呈先增后減的趨勢,最大值33.41MPa出現(xiàn)在五硼酸銨1.88%用量處理的樣品,與內結合強度變化的趨勢略有不同;另外,1.88%用量處理時的最大靜曲強度與4.69%用量處理對應的強度有顯著性差異( p<0.05 ),其他值之間無顯著性差異( p>0.05)。這組實驗結果表明,聚乙二醇可以補償五硼酸銨對結構刨花板靜曲強度降低的影響。表7五硼酸銨用量對應靜曲強度的統(tǒng)計值及各水平間的方差分析結果五硼酸銨用量( % BAE )靜曲強度( MPa)1. 88%2. 80%4. 69%1. 0030. 390.2060.6280.2771.8833.410.4330. 0202. 8031. 540. 1174. 6927. 802.2.2聚乙二醇種類 由表8 可見,不同種類聚乙二醇對應的靜曲強度無顯著性差異( p>0.05 ),表明聚乙二醇種類對五硼酸銨改性結構刨花板的靜曲強度無顯著性影響。表8聚乙二醇種類對應靜曲強度的統(tǒng)計值及各水平間的方差分析結果各種類間的差異對比p值中國煤化工10000200031.440.743400029. 80MHCNMH Gi80.716600031.230.81230. 672.2.3聚方數(shù)據(jù)用量由表9可見,與聚乙二醇種類的作用類似,不同聚乙二醇用量對應的靜曲強度也無廣東林業(yè)科技2012年第28卷第1期I1顯著性差異(p>0.05),表明聚乙二醇用量對五硼酸銨改性結構刨花板的靜曲強度無顯著性影響。表9聚乙二醇用量對應靜曲強度的統(tǒng)計值及各水平間的方差分析結果各用量間的差異對比p值水平聚乙二醇用量( % )靜曲強度( MPa)40%60%80%12031.940.199 .0. 6420. 8512428.880.4100.27236(30. 830.7818(31.492.3彈 性模量由表10可知,三個因素對彈性模量的影響均不顯著(p>0.05),聚乙二醇種類對應p=0.881,表明改性結構刨花板的彈性模量幾乎不受聚乙二醇種類改變的影響。下面將三個因素分別對彈性模量的影響進行單因素方差分析及配對方差分析。表10聚乙二醇-五硼酸銨復合處理大片刨花板彈性模量方差分析表方差來源離均差平方和自由度均方F五硼酸銨用量0. 3250.1082.0040. 119聚乙二醇種類.0. 0360.0120.2220. 881聚乙二醇用量0. 1680. 0561. 0330. 382誤差4. 646860.054總和77. 96896校正總和5. 175952.3.1五硼酸銨用量改性結構刨花板的彈性模量并未隨五硼酸銨用量的增加呈線性變化,由表11方差.分析可知,彈性模量最大的兩個值和最小值差異顯著(p=0.035,0.044)之外,其他相互之間無顯著性差異。這部分結果與靜曲強度變化類似，即聚乙二醇的復合應用補償了五硼酸銨對結構刨花板彈性模量的影響。表11五硼酸銨用量對應彈性模量的統(tǒng)計值及各水平間的方差分析結果五硼酸銨用量( % BAE)彈性模量( GPa )1. 88%2. 80%4. 69%0.910.0440.7500. 9201.880.770.0890. 0352. 80. 890.6754. 690. 922.3.2聚乙二醇種類表12的結果表明,結構刨花板彈性模量最大值屬于PEG-10000,最小值屬于PEG-6000;但不同種類聚乙二醇改性結構刨花板的彈性模量之間無顯著性差異( p>0. 05 )。表12聚乙二醇種類對應彈性模量的統(tǒng)計中國煤化工i結果聚乙二醇種類彈性模量( GPa)+YHCNMHG異對比p值400060001000020000.880.7120. 6200. 8210.860.8990. 5520.85.0.4710. 9012高偉等:聚乙二醇對五硼酸銨改性結構刨花板力學性能的影響2.3.3聚乙二醇用量由表13可知,隨聚乙二醇用量的增加,彈性模量呈線性減少,但各用量對應的彈性模量結果之間無顯著性差異( p>0.05 )。表13聚乙二醇用量對應彈性模量的統(tǒng)計值及各水平間的方差分析結果各用量間的差異對比p值水平聚乙二醇用量( % )彈性模量( GPa)40%60%80%1200.910. 9100. 4280.123240.4960.15236(0. 860.4498(0.81力學性能檢測結果表明,加人聚乙二醇后,熱壓過程中由五硼酸銨引起的酚醛樹脂流動性降低的弊端可在一定程度上被克服。這是由于低分子量階段酚醛樹脂的運動能力被提高,亦即增加了樹脂的流動性,而流動性的強弱是決定復合材料力學性能極其重要的一一個因素。一般而言,高流動性的樹脂,可以提供更大的膠合面積,從而提高板材的膠合質量。故本實驗結果表現(xiàn)為內結合強度不但沒有隨五硼酸銨添加量的增加而降低,反而在一-定程度上有所增大，同時沒有影響抗彎力學強度。3結論3.1聚乙二醇表現(xiàn)了就力學性能對五硼酸銨理想的補償作用,其與五硼酸銨配合應用所生產(chǎn)的63%的結構刨花板,內結合強度達到國標規(guī)定的要求,靜曲強度和彈性模量100%滿足國標要求。3.2 綜合各項力學性能的分析結果,改性體系最佳配比是2. 80%五硼酸銨與20%的PEG-2000。 在此配方下的重復實驗結果為,內結合強度0.51MPa,靜曲強度33.15MPa,彈性模量0.88GPa,三項力學性能均達到國標規(guī)定在干燥狀態(tài)下使用的結構刨花板的力學性能要求。3.3未來研究可集中于簡化五硼酸銨和聚乙二醇的應用過程,通過引入分散劑等其他中間體,先將五硼酸銨與PEG-2000復合,再與酚醛樹脂膠粘劑結合應用,提高其作用效果。參考文獻[1] Sean T, Brunette G, Cote F. Protection of oriented strandboard with borate[ J ]. Forest Products Journal, 1999, 49(6): 47-51.[ 2 ] Cavdar A D, Kalaycioglu H, Nemli G. The effects of zine borate treatment of wood strands on some technological properties of o-riented strandboard ( OSB )[ C ]. In The 39th Annual Meeting of Intermational Research Group on W ood Preservation. Istanbul,Turkey.2008.[3]Donmez A, Kalaycioglu H. Some technological properties of OSB panels treated zine borate and borax[ C ]. In The 3rd Interma-tional Borate Symposium. Ankara. 2006.[ 4] Gao W, CaoJ, Li J. Some physical，mechanical properties and termite resistance of ammonium pentaborat-treated strand board[J]. Wood Research, 2010, 55( 3): 61-72.[5]高偉， 曹金珍.聚乙二醇對五硼酸銨改性結構刨花板吸水性能的影響[J].廣東林業(yè)科技, 2011, 27(6): 21-26. .[6]中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T17657-1999人造板及飾面人造板理化性能試驗方法[s].北京:中國標準出版社, 1999.中國煤化工[7]中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局. GB/T 4897.4- -20.YHCNMHG狀態(tài)下使用的結構用板要求[ s].北京:中國標準出版社,2003.