文献综述
摘要：杨木作为速生材，被广泛种植，资源丰富。但其结构疏松，材质较差，导致物理力学性能也差，尺寸稳定性更是不佳，限制了适用范围。为改善杨木这些缺陷，提高杨木附加值，扩大适用范围，只能对杨木进行改性处理。传统常用的杨木改性方式：浸渍改性、压密改性、浸渍-热处理改性，都能起到一定作用。本文采取新的工艺方法，通过对杨木进行脱木质素处理，在保持原有木材纤维排列的基上，形成具有多尺度的微纳孔隙结构，并将纤维分离成具有微纳米径级的纤维素纤维，最后经酚醛树脂浸渍后热压密实成脱木素杨木/酚醛树脂复合材料，这种新材料强重比高、尺寸稳定性好、防霉防腐性能高。可以替代钢、铝等产品，应用在航空航天、建筑承重等方面。
关键词：杨木；脱木素；酚醛树脂；复合材料
文献综述正文
一、项目研究目的及意义
杨木作为一种速生木材，其适应性广、生长速度快，五六年就可以采伐，在我国南方及北方均广泛种植，资源十分丰富。但是由于杨木结构疏松，材质比较差，导致其各方面物理力学性能也差。山东省林业科学研究院的王桂岩等在2001年对13种杨木进行物理力学性能测试分析，得到以下结果：13种杨树全树木材心材率在14.6%~34.1%之间，生材含水率在86.2%~148.5%之间，基本密度在0.286~0.379g/cm3之间，气干密度在0.346~0.461g/cm3之间，由生材干燥至气干材的体积收缩率在8.66%~11.96%之间，径、弦向干缩差异在1.70~3.35之间；力学性能如顺纹抗压强度在25.6~38.5Mpa之间，抗弯强度在48.7~73.0Mpa之间，抗弯弹性模量在7551~10395Mpa之间，冲击韧性在43~74KJ/m3之间[1] 以上我们可以得出杨木心材率高、密度小、尺寸稳定性差、力学性能不佳等结论，这极大地限制了杨木的使用范围。在传统的杨木应用中，杨木主要用于人造板（胶合板、刨花板、纤维板、细木工板等）的普通加工以及劣质家具的制造，同时造纸、火柴等的原材料也是杨木。这些产品的附加值并不高。如果杨木能经过某些改性，并与其他材料复合，就能得到各方面性能都比较优异的复合材料。
本项目通过对杨木样品进行脱木质素处理，以形成具有大体积高度定向的微纳米径级的纤维然后进行酚醛树脂浸渍处理，最后热压固化成脱木质素/酚醛树脂复合材料。杨木作为一种散孔材，其导管分子均匀地分散在早晚材之中，这保证了化学药剂的均匀渗入，为木质素的脱除提供了良好的条件。紧接着对脱木质素的杨木试件的酚醛树脂浸渍工艺研究，使酚醛树脂完全渗透进细胞壁中，最后进行热压固化，该方法可以制备出密实化程度高、尺寸稳定性好以及优异的物理力学性能，可以代替钢铝应用于航空航天、承重建筑等领域。
- 国内外研究现状
杨木心材率高、密度小、尺寸稳定性差、力学性能不佳，近年来，学者们和相关企业也采用了各种方法以求杨木有更高的利用价值和更多的利用空间。家具用速生杨木进行改性处理，有三种方式：一是浸渍改性，即是向木材细胞内注入可与木材发生成分反应或可起到固定作用的有机（脲醛树脂、 酚醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂等）或无机（无机氧化物、无机盐、天然矿物等）物质，利用添加物质进行填充或粘连实现对木材性质的改变；二是压密改性，即施加外力实现对木材进行固定，进而提升木材现有的密度的稳定性、 尺寸的固定性。这是最常见的做法，但同时要把握适度的压缩率，进而稳固其力学性能，有效的防治材质结构被破坏；三是浸渍-热处理联合改性，及在浸渍木材后进行高温热处理，这可以提高基材的尺寸稳定性[2]。以上应是杨木应用时最常见的改性方式。举例来说，段忠会用以SiO2改性的低分子酚醛树脂浸渍杨木单板，并用绝缘纸和玻璃纤维布复合，制备具电气性能的杨木基电工层压木[3]；Cai,M.Z采用麦芽糊精(MA)与1,3-二甲基-4,5-二羟乙基脲(DM)树脂复合改性杨树木材，测定了浸渍前后的增重率、尺寸稳定性、机械强度和微观化学变化[4]。Zhao,Y.K等从压缩比、压缩方向、压缩速度和压缩卸载位置等方面，系统地研究了压缩预处理对杨木和杉木液体浸渍的影响[5]；Laya Khademi Bami 等研究了水热机械联合改性(CHTM)杨木的抗真软腐和褐腐能力[6]；Suat Altun 等用三聚氰胺甲醛(MF)和三聚氰胺脲醛(MUF)树脂对苏格兰松树和白杨进行改性，以改善其物理力学性能[7]；卞雪桐等用真空加压的方式将糠醇树脂改性液浸入速生杨木以加强其物理力学性能[8]；邱学海等研究了两种压制方法（冷压热固化法、热压法）对杨木重组木性能的影响，得出冷压热固化法优于热压法，但随着密度的增加优势渐失[9]。杜超、涂登云等将毛白杨木材用195℃热处理3 h,然后用160℃的热压温度,分别在18%、26%、34%的压缩率下压缩保压10、25、40 min处理,研究了压缩率和保压时间对压缩木性能的影响。得出最佳工艺：195℃热处理3 h,之后再用160℃温度26%压缩率保压25 min进行压缩处理[10]； 邹国政研究不同的蒸汽预处理工艺以及热压工艺对速生杨木密实化性能的影响。得出喷蒸预处理有利于提高杨木板材表面的压缩率及密度，同时表面压缩改性后的杨木物理力学性能有明显的改善[11]。陈太安等研究了杨木经糠醇浸渍处理对其压缩材吸水性、尺寸稳定性、颜色和力学性质的影响，并与压缩后再经后期热处理的压缩木以及单纯的压缩木进行对比。结果表明相较于未浸渍的压缩木，糠醇浸渍对压缩材的定型效果略佳,且力学性质明显较优，同时具有环境友好性[12]。柴宇博等通过采用不同的工艺参量，对乙酰化杨木进行横纹热压缩处理，分析增重率、压缩率、热压时间和温度对乙酰化杨木物理力学性能的影响。得出增重率为20.56%的乙酰化杨木,压缩率为40%时,在180℃下压缩60 min,压缩木的物理力学性能大幅提高,且压缩回弹被有效固定[13]。Sozbir, G. D等结合热处理和致密化浅谈对杨木性能的影响[14]；Chu, D. M等采用表面热机械致密化与氮磷复合阻燃预浸渍法制备了一定厚度的杨树功能化表面层,通过浸泡试验和锥盆分析揭示了其较好的压缩稳定性[15]；Hajihassani,R等采用湿-热-机械相结合技术对杨木进行密实化处理，代替单一的处理[16]；Camille Freitag 等利用VTC来改善低密度木材物理性能[17]。
从上述研究可以看出，杨木压缩工艺在不停的发展，逐渐趋向成熟，但在处理上大同小异。2018年，胡良兵教授团队在Nature上发表题为“Processing bulk natural wood into a high-performance structural material”的文章，利用一种简单有效的方法，将去除木质素的块状天然木材直接加压转变成高性能结构材料，这种新材料在强度、韧性上比原木材提高了十倍，尺寸稳定性也更好[18]。与传统的的经蒸汽、浸渍、热力或冷轧后再密实化处理得到的致密化木材相比，其致密化更完全，尺寸稳定性更好，各种物理力学强度更优异，用途更广。这一创新为杨木压缩致密化提供了新的思路。
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