聚乙二醇对五硼酸铵改性结构刨花板力学性能的影响

广东林业科技2012年第28卷第1期聚乙二醇对五硼酸铵改性结构刨花板力学性能的影响高伟'曹金珍?( 1.西南林业大学材料工程学院 云南昆明 650224; 2.北京林业大学材料科学与技术学院)摘要试验引入聚乙二醇改性体 系以补偿五硼酸铵对结构刨花板力学性能的影响。结果表明:聚乙二.醇可以弥补五硼酸铵对结构刨花板力学性能的降低,内结合强度随五硼酸铵用量的增加有一定程度的增大。五硼酸铵用量、聚乙二醇种类及聚乙二醇用量三个因素对内结合强度有显著影响,对静曲强度和弹性模量均无显著性影响。研究提出改性体系最佳配比为:2.80%的五硼酸铵(基于绝干刨花重)配合20%的PEG-2000(基于酚醛树脂胶粘剂用量)。关键词五硼酸铵 聚乙二醇内结合强度静曲强度弹性模量中图分类号: S781.6文献标识码:A文章编号: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有机和无机硼类防腐剂是CCA(加铬砷酸铜)等重金属类木材防腐剂极具潜力的替代品。其被引入结构刨花板后,在赋予板材理想的生物耐久性的同时，也在一定程度上影响板材力学性能。Sean等的研究指出,硼酸锌添加量为2.5%时,内结合强度由0.57 MPa降至0.39 MPa,静曲强度由30 MPa降至21 MPa。Cavdar等的研究也表明,添加3%和5%的硼酸锌后,定向刨中国煤化工莫量由对照组的22.03MPa和2. 40 GPa分别降至17.25 MPa、12. 83 MPa和0.21CTHCNMHG和Kalaycioglu得出了类似的结果3。2010年Gao等的研究发现,五硼酸铵添加量趣过8.08%0前山亚小」对刨花板力学性能的降。 通讯作者:高伟。手机:13648893936 ,E mail: weigaoe@ gmail. com。基金/项县:国家自然科学基金青年基金项目:纳米氧化铜/酚醛树脂复合体系制备及应用基础研究( No. 31100423 ),西南林业大学科研启动基金:一种防偶降罐权效防腐剂改性UF研究( No. 1111 )。高伟等:聚乙二醇对五硼酸铵改性结构刨花板力学性能的影响低作用(4]。在补偿金属硼酸盐对人造板力学性能降低的作用方面,聚乙二醇( polyethylene glycol, PEG )等多羟基的受热后能增强体系流动性的化合物被着重引人。Sean等发现硼酸锌与聚乙二醇配合应用于改性的刨花板,其内结合强度和静曲强度均优于只用硼酸锌者1。本文在前人研究的基础上,将三种类型聚乙二醇以不同添加比与五硼酸铵配合应用于结构刨花板,研究其改性板材的内结合强度、静曲强度和弹性模量的变化,旨在通过单因素方差分析和配对方差分析探索五硼酸铵用量、聚乙二醇种类及聚乙二醇用量对改性结构刨花板力学性能的单独及交互作用,为提高硼类防腐剂处理结构刨花板力学性能提供新思路和新方法。1实验材料与方法材料与设备,实验方案以及结构刨花板的制备及数据分析方法参见《聚乙二醇对五硼酸铵改性结构刨花板吸水性能的影响》51。内结合强度、静曲强度和弹性模量的测定方法及过程依据国标GB/T17657-1999<人造板及饰面人造板理化性能试验方法》6。2结果与讨论表1列出了聚乙二醇与五硼酸铵复合处理大片刨花板的内结合强度、静曲强度及弹性模量。国标标准规定在干燥状态下使用的结构刨花板(公称厚度6~13 mm )内结合强度≥0.40 MPa, 静曲强度≥17 MPa,弹性模量≥0.23GPal7。从表1可知,按试验设计方案所制备的结构刨花板,有63%的内结合强度,达到国际要求,静曲强度和弹性模量则100%达到国标要求。表1聚乙二醇--五硼酸铵复合处理大片刨花板的内结合强度、静曲强度及弹性模量实验结果处理五硼酸铵用量.聚乙二醇聚乙二醇用量.内结合强静曲强度弹性模量编号(%BAE)种类(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(中国煤化工0.86(0.20)0. 44(:YHCNMHG0.94(0.24 )注:括号中的数值表示其对应均值的标准偏差。2.1 内结合强度方差万布教捅,五硼酸铵用量对复合改性后结构刨花板内结合强度影响最大(p=0.001),其次是聚乙广东林业科技2012年第28卷第1期二醇种类( p=0.028 )和聚乙二醇用量( p=0.031 )(表2)。表2聚乙二醇一-五硼酸铵复合处理大片刨花板内结合强度方差分析表方差来源离均差平方和自由度均方F五硼酸铵用量0. 4900.1636. 2780.001聚乙二醇种类0. 0833.1720. 028聚乙二醇用量.0.2410.0803. 0850. 031误差.2. 238860. 026总和20. 79496校正总和3.216952.1.1五硼酸铵用量由表3可见,在与各种类型聚乙二醇复合应用后,改性结构刨花板内结合强度的变化与已报道研究中只用五硼酸铵处理时完全不同,内结合强度并未线性减小，而随五硼酸铵用量的增加呈先增再减的变化趋势。最大值出现在2.80%用量处理的样品,该处理量对应的内结合强度与其他三个用量的处理结果有显著性差异(p < 0.05 )。这说明针对内结合强度,五硼酸铵用量最宜选取2. 80%。五硼酸铵与内结合强度之间非线性关系结果,唯一可解释的原因是聚乙二醇的引人,这表明聚乙二醇确实达到了补偿五硼酸铵对结构刨花板内结合强度降低的影响。表3五硼酸铵用量对应内结合强度的统计值及各水平间的方差分析结果各用量间的差异对比p值水平五硼酸铵用量( % BAE )内结合强度( MPa)1. 88%2. 80%4. 69%11. 000. 340.0240.0000.27521.880.450.0700.23332.800.530. 00344. 690.392.1.2 聚乙二醇种类 由表4可知，随着聚乙二醇分子量增大,结构刨花板内结合强度先增后减。最大值0. 48 MPa出现在PEG 4000处,与PEG-6000结果有显著性差异(p < 0. 05)。这组结果表明,针对内结合强度,聚乙二醇最宜选取分子量为4000者。表4聚乙二醇种类对应内结合强度的统计值及各水平间的方差分析结果各种类间的差异对比p值400060001000020000.460. 6090.0200. 6420. 480.0050. 3300.350. 0470.432.1.3 聚乙二醇用量 表5的统计结果表明,当聚乙二醇用量达最大80%(基于酚醛树脂胶粘剂用量)时,改性结构刨花板内结合强度亦至最大值0.50MPa;四个用量中国煤化工度最小值( 60%聚乙二醇用量)和最大值( 80%聚乙二醇用量)之间差异显著外( p0.05 ),尤其是聚乙二醇种类对应P =0.902,表明改性结构刨花板的静曲强度几乎不受聚乙二醇种类的影响。表6聚乙二醇--五硼酸铵复合处理大片刨花板静曲强度方差分析表方差来源离均差平方和自由度均方F五硼酸铵用量396. 297132. 0991.9660. 125聚乙二醇种类38. 66412. 8880.1920. 902聚乙二醇用量.131. 522343. 8410.6520. 584误差5778. 2588667. 189总和97323. 34496校正总和6344. 741952.2.1五硼酸铵用量从表7可以发现,静曲强度随五硼酸铵用量的增加呈先增后减的趋势,最大值33.41MPa出现在五硼酸铵1.88%用量处理的样品,与内结合强度变化的趋势略有不同;另外,1.88%用量处理时的最大静曲强度与4.69%用量处理对应的强度有显著性差异( p<0.05 ),其他值之间无显著性差异( p>0.05)。这组实验结果表明,聚乙二醇可以补偿五硼酸铵对结构刨花板静曲强度降低的影响。表7五硼酸铵用量对应静曲强度的统计值及各水平间的方差分析结果五硼酸铵用量( % BAE )静曲强度( MPa)1. 88%2. 80%4. 69%1. 0030. 390.2060.6280.2771.8833.410.4330. 0202. 8031. 540. 1174. 6927. 802.2.2聚乙二醇种类 由表8 可见,不同种类聚乙二醇对应的静曲强度无显著性差异( p>0.05 ),表明聚乙二醇种类对五硼酸铵改性结构刨花板的静曲强度无显著性影响。表8聚乙二醇种类对应静曲强度的统计值及各水平间的方差分析结果各种类间的差异对比p值中国煤化工10000200031.440.743400029. 80MHCNMH Gi80.716600031.230.81230. 672.2.3聚方数据用量由表9可见,与聚乙二醇种类的作用类似,不同聚乙二醇用量对应的静曲强度也无广东林业科技2012年第28卷第1期I1显著性差异(p>0.05),表明聚乙二醇用量对五硼酸铵改性结构刨花板的静曲强度无显著性影响。表9聚乙二醇用量对应静曲强度的统计值及各水平间的方差分析结果各用量间的差异对比p值水平聚乙二醇用量( % )静曲强度( MPa)40%60%80%12031.940.199 .0. 6420. 8512428.880.4100.27236(30. 830.7818(31.492.3弹 性模量由表10可知,三个因素对弹性模量的影响均不显著(p>0.05),聚乙二醇种类对应p=0.881,表明改性结构刨花板的弹性模量几乎不受聚乙二醇种类改变的影响。下面将三个因素分别对弹性模量的影响进行单因素方差分析及配对方差分析。表10聚乙二醇-五硼酸铵复合处理大片刨花板弹性模量方差分析表方差来源离均差平方和自由度均方F五硼酸铵用量0. 3250.1082.0040. 119聚乙二醇种类.0. 0360.0120.2220. 881聚乙二醇用量0. 1680. 0561. 0330. 382误差4. 646860.054总和77. 96896校正总和5. 175952.3.1五硼酸铵用量改性结构刨花板的弹性模量并未随五硼酸铵用量的增加呈线性变化,由表11方差.分析可知,弹性模量最大的两个值和最小值差异显著(p=0.035,0.044)之外,其他相互之间无显著性差异。这部分结果与静曲强度变化类似，即聚乙二醇的复合应用补偿了五硼酸铵对结构刨花板弹性模量的影响。表11五硼酸铵用量对应弹性模量的统计值及各水平间的方差分析结果五硼酸铵用量( % BAE)弹性模量( GPa )1. 88%2. 80%4. 69%0.910.0440.7500. 9201.880.770.0890. 0352. 80. 890.6754. 690. 922.3.2聚乙二醇种类表12的结果表明,结构刨花板弹性模量最大值属于PEG-10000,最小值属于PEG-6000;但不同种类聚乙二醇改性结构刨花板的弹性模量之间无显著性差异( p>0. 05 )。表12聚乙二醇种类对应弹性模量的统计中国煤化工i结果聚乙二醇种类弹性模量( GPa)+YHCNMHG异对比p值400060001000020000.880.7120. 6200. 8210.860.8990. 5520.85.0.4710. 9012高伟等:聚乙二醇对五硼酸铵改性结构刨花板力学性能的影响2.3.3聚乙二醇用量由表13可知,随聚乙二醇用量的增加,弹性模量呈线性减少,但各用量对应的弹性模量结果之间无显著性差异( p>0.05 )。表13聚乙二醇用量对应弹性模量的统计值及各水平间的方差分析结果各用量间的差异对比p值水平聚乙二醇用量( % )弹性模量( GPa)40%60%80%1200.910. 9100. 4280.123240.4960.15236(0. 860.4498(0.81力学性能检测结果表明,加人聚乙二醇后,热压过程中由五硼酸铵引起的酚醛树脂流动性降低的弊端可在一定程度上被克服。这是由于低分子量阶段酚醛树脂的运动能力被提高,亦即增加了树脂的流动性,而流动性的强弱是决定复合材料力学性能极其重要的一一个因素。一般而言,高流动性的树脂,可以提供更大的胶合面积,从而提高板材的胶合质量。故本实验结果表现为内结合强度不但没有随五硼酸铵添加量的增加而降低,反而在一-定程度上有所增大，同时没有影响抗弯力学强度。3结论3.1聚乙二醇表现了就力学性能对五硼酸铵理想的补偿作用,其与五硼酸铵配合应用所生产的63%的结构刨花板,内结合强度达到国标规定的要求,静曲强度和弹性模量100%满足国标要求。3.2 综合各项力学性能的分析结果,改性体系最佳配比是2. 80%五硼酸铵与20%的PEG-2000。 在此配方下的重复实验结果为,内结合强度0.51MPa,静曲强度33.15MPa,弹性模量0.88GPa,三项力学性能均达到国标规定在干燥状态下使用的结构刨花板的力学性能要求。3.3未来研究可集中于简化五硼酸铵和聚乙二醇的应用过程,通过引入分散剂等其他中间体,先将五硼酸铵与PEG-2000复合,再与酚醛树脂胶粘剂结合应用,提高其作用效果。参考文献[1] Sean T, 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