浸漬樹(shù)脂處理對(duì)降低竹制品表面開(kāi)裂性能的研究

鄒怡佳，陳玉和，吳再興，劉紅征，李 能，包永潔

（1. 國(guó)家林業(yè)局竹子研究開(kāi)發(fā)中心，浙江 杭州310012；2. 浙江大莊實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司，浙江 杭州311200）

浸漬樹(shù)脂處理對(duì)降低竹制品表面開(kāi)裂性能的研究

鄒怡佳1，陳玉和1，吳再興1，劉紅征2，李 能1，包永潔1

（1. 國(guó)家林業(yè)局竹子研究開(kāi)發(fā)中心，浙江 杭州310012；2. 浙江大莊實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司，浙江 杭州311200）

將單層帶青展平竹、重組竹、展平竹板三層復(fù)合板經(jīng)過(guò)樹(shù)脂浸漬處理后再進(jìn)行水煮干燥加速開(kāi)裂處理，從而來(lái)分析浸漬樹(shù)脂處理對(duì)三種材料的表面開(kāi)裂性能的差異性及機(jī)理。結(jié)果表明，單層帶青展平竹的浸潤(rùn)效果最好，表面也幾乎沒(méi)有裂紋，但是整體變形較為明顯；重組竹表面會(huì)形成較為細(xì)小的裂紋，浸漬樹(shù)脂處理后的重組竹表面開(kāi)裂情況明顯降低；展平竹板三層復(fù)合板表面開(kāi)裂最明顯，形成的裂紋較長(zhǎng)并沿紋理方向延伸。

竹制品；浸漬處理；表面裂紋

竹子是我國(guó)的特產(chǎn)資源[1]，其中毛竹分布面積最大，用途最廣，經(jīng)濟(jì)效益最佳，生態(tài)適應(yīng)性較強(qiáng)的竹種[2]。以竹代木，依靠科技創(chuàng)新拓展竹材應(yīng)用領(lǐng)域是緩解森林木材資源貧乏、改善生態(tài)環(huán)境的有效措施[3]。展平竹和重組竹等竹制品最大限度的保留了竹青竹黃面，提高了毛竹利用率，降低了生產(chǎn)成本，增加了竹加工企業(yè)與竹農(nóng)的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)[4-5]。但是其表面開(kāi)裂問(wèn)題至今是困擾企業(yè)和科研的難題，關(guān)于開(kāi)裂的相關(guān)研究較多：張南南、袁光明等[6]表明經(jīng)改性納米碳酸鈣處理后的杉木具有更高的耐磨性和抗沖擊性；李曉玲、小林功等[7]在日本柳杉高頻真空干燥的研究中發(fā)現(xiàn)，在干燥前進(jìn)行常壓的蒸汽或者過(guò)熱蒸汽的預(yù)處理，板材的開(kāi)裂及程度大大降低；劉彥龍、唐朝發(fā)等[8]用異氰酸酯與多元醇作用形成的預(yù)聚體型聚氨酯作為防裂涂料。這種涂料涂覆到木材的端部后，涂料中的-NCO在木材中水分子和羥基的作用下發(fā)生反應(yīng)固著在木材表面上，形成保護(hù)層，抑制端部水分的散發(fā)，同時(shí)在纖維之間產(chǎn)生牽制作用，有效控制端裂的發(fā)生；陳玉和、James H Muehl 等[9]得出用10%的酚醛樹(shù)脂水溶液浸漬泡桐，可以大大提高泡桐壓縮木材尺寸穩(wěn)定性。常德龍,陳玉和等[10]用低分子樹(shù)脂透入木材，然后在高溫?zé)釅哼^(guò)程中，使低分子樹(shù)脂之間及木材發(fā)生化學(xué)交聯(lián)作用，達(dá)到化學(xué)試劑固定變形的目的[11-12]，大大提高了木材的尺寸穩(wěn)定性。

本實(shí)驗(yàn)用低分子的三聚氰胺樹(shù)脂浸漬處理竹制品，觀測(cè)其對(duì)樹(shù)脂浸潤(rùn)速度接觸角、增重率，來(lái)表征樹(shù)脂浸漬到竹材內(nèi)部的指標(biāo)；測(cè)量表面裂紋數(shù)目、寬度、長(zhǎng)度等值，更直觀的說(shuō)明表面開(kāi)裂的情況，為以后研究表面開(kāi)裂的表征方法提供一個(gè)參考。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試材及試劑

單層展平竹、重組竹，尺寸分別為100 mm ×100 mm，100 m×100 mm；展平竹板三層復(fù)合板，上下層展平竹板的竹黃面分別與中層板兩面膠合連接，上下表面均為竹青面，尺寸為150 mm×75 mm；將三種材料依次記為A、B、C，分別編號(hào)待用，由大莊實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司提供。

三聚氰胺樹(shù)脂：實(shí)驗(yàn)室自制。

1.2 竹制品的浸漬處理及加速表面開(kāi)裂處理

將3種竹制品分別浸漬到制好的三聚氰胺樹(shù)脂中30 min，每種試樣3個(gè)重復(fù)，選擇表面平整及沒(méi)有裂紋的試樣，并且編號(hào)。然后取出試樣放置室溫內(nèi)24 h，再放到鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)于150℃干燥30 min，接著于80℃干燥24 h，使樹(shù)脂充分地后固化[13]。處理完成后，用100℃沸水煮試件1 h，取出試件再放入鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)80℃干燥24 h，經(jīng)過(guò)加速開(kāi)裂處理后，觀測(cè)試件的表面開(kāi)裂情況。共進(jìn)行16次樹(shù)脂浸漬試驗(yàn)，把每次得到的結(jié)果求均值，即為該竹制品的表面開(kāi)裂性能參數(shù)。對(duì)照試樣除不進(jìn)行樹(shù)脂浸漬處理外，其它處理皆與處理試樣相同。

1.3 接觸角的測(cè)量

每次做好的樹(shù)脂編號(hào)，放入干凈的針管內(nèi)，用KRüSS DSA100光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x檢測(cè)其對(duì)竹制品表面的潤(rùn)濕性能。從每滴樹(shù)脂滴下形成清晰畫(huà)面為第1幀，然后分別記錄其后的第10、20、30幀的接觸角，并以第30幀的值為樹(shù)脂對(duì)竹制品的接觸角。(注：每30幀為1秒)

1.4 增重率測(cè)量

用電子天平分別稱量竹制品浸漬前后的質(zhì)量（精確到0.01 g），然后根據(jù)公式計(jì)算增重率，公式如下：W=(m1-m0) /m×100%，其中m0為試樣浸漬前的質(zhì)量，m1為試樣浸漬后的質(zhì)量，W為增重率。

1.5 竹制品表面裂紋情況測(cè)量

裂紋寬度測(cè)定：用讀數(shù)顯微鏡觀測(cè)每條裂紋長(zhǎng)度中心的寬度，即為這條裂紋的寬度（精確到0.02 mm），將試樣3個(gè)重復(fù)的所有裂紋寬度求均值，得到的均值即為當(dāng)次試驗(yàn)的裂紋寬度。裂紋長(zhǎng)度測(cè)定：用直尺測(cè)量每條裂紋的長(zhǎng)度（精確到1 mm），將試樣3個(gè)重復(fù)的所有裂紋長(zhǎng)度求均值，得到的均值即為當(dāng)次試驗(yàn)的裂紋長(zhǎng)度。共進(jìn)行16次樹(shù)脂浸漬試驗(yàn)，把每次得到的結(jié)果再求均值，即為該竹制品的表面開(kāi)裂性能參數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同竹制品的接觸角差異

接觸角的變化狀態(tài)間接反映了液體分子與固體界面分子作用力的大小、作用的速度快慢等，即反映了液體在固體表面的潤(rùn)濕情況[14]。由圖1可以看出，整體趨勢(shì)來(lái)看，三種材料中，單層展平竹的接觸角較小，樹(shù)脂對(duì)其浸潤(rùn)性好。重組竹由于經(jīng)過(guò)樹(shù)脂浸漬熱壓后，密度非常大，樹(shù)脂很難再進(jìn)入到竹材內(nèi)，所以接觸角比較大，而有些則接觸角比另外兩種試樣小，可能是由于重組竹的密度不均勻所致。展平竹板三層復(fù)合板由于表面是竹青面，竹青組織緊密，質(zhì)地堅(jiān)韌，表面光滑，所以樹(shù)脂很難進(jìn)入到竹材細(xì)胞內(nèi)，接觸角大。表1是同一樹(shù)脂下分別對(duì)三種材料的接觸角隨時(shí)間的變化值，可以看出，在前10幀的差異性最明顯，單層展平竹的接觸角降低了24.06°，重組竹的降低了10.66°，展平竹板三層復(fù)合板降低了6.66°；在后面的20幀內(nèi)，接觸角的變化都不是很明顯。

圖1 接觸角的差異Fig. 1 Differences of contact angle

表1 不同竹材接觸角隨時(shí)間的變化值Table 1 Changes of contact angle of different bamboo with time

2.2 增重率的差異

用聚合樹(shù)脂浸漬竹材試樣，很顯然樹(shù)脂固化后會(huì)充脹竹材細(xì)胞，阻止竹材的收縮，保持尺寸穩(wěn)定，即表面裂紋降低。另一方面，樹(shù)脂固化后不溶不熔，充脹細(xì)胞腔或者細(xì)胞壁，使竹材表面疏水，也能降低由干縮濕脹引起的開(kāi)裂現(xiàn)象。因此增重率越大，說(shuō)明樹(shù)脂浸漬到竹材內(nèi)部越多，越能有效的降低竹材的開(kāi)裂缺陷。由圖2可以看出，單層展平竹的增重率最大，展平竹三層復(fù)合板的增重率次之，重組竹增重率最小。單層展平竹由于竹黃面組織疏松，和有沿著紋理方向的凹槽，使樹(shù)脂更容易浸漬到竹材內(nèi)部，使增重率大于另外兩種材料。而重組竹由于本身比較致密，樹(shù)脂很難浸漬到材料內(nèi)部，只會(huì)在表面一層浸漬，所以增重率最小。三層展平竹復(fù)合板由于上下展平竹板的竹黃與中間層膠合，竹青層位于表面，故增重率較單層展平竹小。有研究表明[15]，經(jīng)過(guò)微波處理，材料表面的孔隙會(huì)增多，所以若是能將竹材先進(jìn)行預(yù)處理，應(yīng)該會(huì)提高浸漬性能。

圖2 增重率的差異Fig. 2 Differences in rate of weight gain

2.3 表面裂紋情況

2.3.1 單層展平竹表面裂紋情況

單層展平竹表面幾乎是沒(méi)有裂紋的，原因如下：它是由竹筒沿縱向剖開(kāi)軟化，再用帶有凸齒的軋輥在竹材內(nèi)壁由少到多逐漸遞增地壓軋出沿縱向的凹槽，使竹材內(nèi)壁的弧長(zhǎng)延伸，使竹材變平。由于竹材本身是粘彈（彈塑）性材料，將弧形竹片展平為竹板過(guò)程中，不可避免地產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)經(jīng)過(guò)加速開(kāi)裂處理后，展平竹會(huì)發(fā)生應(yīng)力釋放即回彈現(xiàn)象。背部有凹槽，大大降低表面的開(kāi)裂情況，但是整體會(huì)回彈的非常明顯，變形嚴(yán)重，本實(shí)驗(yàn)只測(cè)定了表面開(kāi)裂情況，故變形情況有待于進(jìn)一步的研究。

2.3.2 重組竹表面裂紋情況

重組竹表面形成的是較為細(xì)小的裂紋。裂紋較短較細(xì)。在碾壓竹絲和鋪裝的過(guò)程中，都會(huì)使竹材維管束的方向發(fā)生改變，竹絲只是相對(duì)的平行，很多維管束會(huì)發(fā)生傾斜或者彎曲。當(dāng)裂紋在沿長(zhǎng)度方向變長(zhǎng)時(shí)，可以阻止裂紋的繼續(xù)變長(zhǎng)，故而形成較為細(xì)小的裂紋。通過(guò)對(duì)浸漬重組竹表面裂紋情況進(jìn)行方差分析，由表2可以看出，通過(guò)浸漬樹(shù)脂處理后，重組竹的裂紋數(shù)目、裂紋長(zhǎng)度及裂紋寬度較對(duì)照重組竹都是降低的，其中裂紋寬度上是顯著性的。說(shuō)明通過(guò)浸漬樹(shù)脂處理，固化后的樹(shù)脂韌性大于重組竹內(nèi)部的殘余應(yīng)力，足以抑制重組竹表面開(kāi)裂。

表2 重組竹開(kāi)裂情況的方差分析Table 2 Anova of crcaks of bamboo scrimber

2.3.3 展平竹板三層復(fù)合板表面裂紋情況

展平竹板三層復(fù)合板表面的裂紋較寬，裂紋長(zhǎng)度較長(zhǎng)。展平竹板的制作工藝，是將竹筒縱向剖開(kāi)軟化碾壓成平板的，竹材的弦向干縮率最大，而竹青的弦向干縮率又比竹黃大[16]，所以表面會(huì)因干燥后產(chǎn)生應(yīng)力，造成表面開(kāi)裂，單層的展平竹由于背部有凹槽，當(dāng)干燥時(shí)使干縮應(yīng)力得到釋放，使展平竹板恢復(fù)弧形但不產(chǎn)生裂紋。而三層復(fù)合板由于竹黃面被中間層膠合，抑制了竹材的恢復(fù)弧形，應(yīng)力得不到釋放，而表面樹(shù)脂固化后的應(yīng)力小于干燥的殘余應(yīng)力，導(dǎo)致了展平竹板三層復(fù)合板表面裂紋的產(chǎn)生。竹材的維管束在竹節(jié)見(jiàn)的排列相當(dāng)平行而整齊，所以一旦形成裂紋，就會(huì)沿著維管束的方向進(jìn)一步的開(kāi)裂，使裂紋的長(zhǎng)度變長(zhǎng)。通過(guò)對(duì)浸漬三層展平竹板和對(duì)照三層展平竹板的方差分析，由表3可以看出，通過(guò)浸漬處理表面裂紋情況沒(méi)有明顯差異，說(shuō)明僅僅通過(guò)浸漬樹(shù)脂處理不能使其表面開(kāi)裂情況降低。

表3 展平竹板三層復(fù)合板開(kāi)裂情況的方差分析Table 3 Anova of crcaks of bamboo unfolded

3 結(jié) 論

（1）單層帶青展平竹的浸漬效果最好，接觸角較小，浸潤(rùn)速度也最快，而由于竹黃側(cè)獨(dú)特的凹痕構(gòu)造，大大的降低了其表面開(kāi)裂的缺陷，但其發(fā)生變形是最明顯的，這點(diǎn)有待于進(jìn)一步的研究。而另外兩種試樣的接觸角較大，浸潤(rùn)速度也相對(duì)慢些。

（2）重組竹的表面產(chǎn)生較細(xì)小的裂紋，通過(guò)浸漬樹(shù)脂處理，浸漬重組竹較對(duì)照重組竹的表面開(kāi)裂情況降低，其中表面裂紋寬度最為顯著。而展平竹板三層復(fù)合板表面形成比較明顯的大裂紋，通過(guò)浸漬樹(shù)脂處理不能有效的降低其表面開(kāi)裂情況，樹(shù)脂固化的膠接強(qiáng)度不足以抑制板材內(nèi)部殘余應(yīng)力的釋放。

（3）三種材料由于加工方式不同，表面開(kāi)裂情況也截然不同。重組竹經(jīng)過(guò)改性處理后表面裂紋會(huì)大大降低，有利于工業(yè)化發(fā)展。將竹材軟化碾壓成展平竹，在膠合成復(fù)合板，保留了竹材本身的天然紋理和物理力學(xué)性能，更加使人們親近大自然，但是板材的性能也最不穩(wěn)定，開(kāi)裂和變形將是一對(duì)矛盾的性能制約著展平竹的發(fā)展，有待于繼續(xù)研究。

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Inhibition of surface cracking of bamboo ware by impregnating resin processing

ZOU Yi-jia1, CHEN Yu-he1, WU Zai-xing1, LIU Hong-zheng2, LI Neng1, BAO Yong-jie1
(1. Chinese Bamboo Research Center, Hangzhou 310012, Zhejiang, China; 2. Zhejiang Dazhuang Industry Group Co. Ltd.,Hangzhou 311200, Zhejiang, China)

Single layer surf green flattened bamboo, scrimber and three-layer composite plates of flattened bamboo respectively were impregnated with the resin to investigate the differences and mechanism of the resin modification for the surface crack of the three kinds of composite boards. The results show that the performance of single layer flattened bamboo was better than others and there was no crack almost, but it was distorted significantly; the cracks on the bamboo scrimber were decreased with the impregnation of resin; the crack of the treated flattened bamboo board was severe and the length of the crack along the veins was longer than that of others.

bamboo products; impregnation treatment; surface crack

S784

A

1673-923X(2013)06-0136-04

2013-02-27

竹質(zhì)建筑裝飾材料研究團(tuán)隊(duì)建設(shè)（2012F20001）；2012年浙江省省屬科研院所專項(xiàng)計(jì)劃項(xiàng)目

鄒怡佳（1985-），女，河北磁縣人，碩士研究生，主要從事三聚氰胺樹(shù)脂的制備和防止竹材表面開(kāi)裂的研究

陳玉和（1963-），男，河南羅山人，研究員，博士，主要從事木（竹）材漂白和染色、竹材加工與人造板工藝、竹質(zhì)活性炭制備工藝等技術(shù)的研究

[本文編校：歐陽(yáng)欽]