意楊酚醛樹脂單板層積材吸水特性與靜曲彈性模量的關(guān)系

王 靜，蔣峻峰，董春雷

（西南林業(yè)大學材料工程學院，云南昆明 650224）

酚醛樹脂單板層積材（PF－LVL）是一種經(jīng)熱壓膠合成型的結(jié)構(gòu)用木質(zhì)材料，廣泛用作木結(jié)構(gòu)建筑中的梁、柱、桁架等承重性構(gòu)件。在實際使用過程中，PF－LVL可能在極端或意外情況（如浸水）下接觸到大量的液態(tài)自由水而影響其承載能力。因此，研究浸水條件下PF－LVL的吸水特性、截面尺寸變化及其對力學性能的影響，是評價其承載能力持久性的重要指標。

眾所周知，纖維飽和點以下實木材料的力學性能與吸著水的含量呈負相關(guān)關(guān)系，而與自由水的含量則關(guān)系不大。然而，當今所用的木質(zhì)建筑材料多為重組型膠合材料，有了膠粘劑的介入和作用，加上制造過程中的熱、水和壓縮效應(yīng)等，這些重組型木質(zhì)膠合材料是否還遵循實木與自由水之間的關(guān)系，卻是一個值得探討的問題，因為它關(guān)乎到這些材料力學性能的持續(xù)性和長期可靠性。

1 試驗方法

1.1 原材料

意楊酚醛樹脂單板層積材（PF－LVL），氣干密度為500 kg/m3;截面尺寸為:垂直膠層方向的高度為40 mm，平行膠層的寬度為50 mm;山東壽光市富士木業(yè)公司生產(chǎn)。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 試驗變量和水平設(shè)置

取水溫20℃為常量，取不同的浸泡時間（12 h、36 h、60 h、84 h、132 h、204 h、444 h 和900 h）為變量。

1.2.2 衡量指標

①剖面密度（VDP），kg/m3;②試件厚度（h），mm;③試件寬度（b），mm;④靜曲彈性模量MOE（4點彎，加載方向垂直于膠層），MPa。

1.3 試件規(guī)格和數(shù)量

隨機選取截面尺寸為50×40 mm的PF－LVL原料，剖鋸得到長×寬×厚=534×50×20 mm（含15個膠層）的試件6根，再分別將同一根試件鋸截成50 mm長的短試件和480 mm長的長試件各一截，前者用以檢測剖面密度，如圖1所示，將后者再剖鋸成480×20×20 mm用以檢測MOE。

圖1 試件尺寸和掃描方向Fig.1 Dimensions of sample and scanning direction

1.4 試驗設(shè)備

（1）Binder KBF720恒溫恒濕箱一臺，溫度精度±0.1℃，濕度精度±2%。

（2）格雷康剖面密度儀一臺，型號為DAX300，主要參數(shù)指標:X射線強度30eKV。

（3）烘箱一臺，溫度精度±2℃。

（4）數(shù)顯游標卡尺一把，精度0.01 mm。

（5）外顯式電子天平一臺，精度0.01 g。

（6）封口式密封袋若干。

1.5 操作步驟

將所有試件放入烘箱內(nèi)，按國標GB/T 1931－2009要求烘至絕干，稱重并測量試件外形尺寸。隨后，將試件放入溫度20℃，相對濕度65%的恒溫恒濕箱中平衡約一個月至恒重，再測試件重量和外形尺寸。接著將試件放入20±2℃不銹鋼水浴鍋水面以下50mm處作浸泡。達預(yù)設(shè)浸泡時間時撈起試件，快速吸干其表面水分，稱重，測量外形尺寸后，立即將短試件送入剖面密度儀，按圖1中箭頭所指X射線入射方向掃描試件厚度方向上的密度分布，同時按美國標準ASTM－D4761［1］給出的力學性能測試方法測試長試件的MOE。測試和記錄所需指標后立即將全部試件送回換水后的水浴鍋。保持每一預(yù)定浸泡時間時的處理和測試方法相同。

2 結(jié)果與分析

2.1 PF－LVL中的吸水特性

如圖2所示，給出了PF－LVL在各設(shè)定浸泡時間后其厚度方向上材料密度的大小及分布情況。為清楚地顯示PF－LVL膠層部分浸水后發(fā)生的變化，將圖2中各時段所測剖面密度線沿y軸做線性平移得到圖3。

圖2 各時刻PF－LVL剖面密度的分布Fig.2 Profile density distributions of PF-LVL at different time圖中各線自下而上分別代表絕干、12h、36h、60h、84h、132h、204h、444h和900h 9個時刻浸水PF－LVL的剖面密度分布

由圖2和圖3可知，隨著浸泡時間的增加，PF－LVL主要發(fā)生了以下3個方面的變化:

（1）PF－LVL厚度方向上各微層的密度也隨之增加。Lindgren 和 Macdeo，A.等人［2－3］的研究證實木材的三大組分 （纖維素、半纖維素和木素）對X射線的吸收率是幾乎一樣的，Laufenberg，T.L通過研究證實膠層和膠粘劑對X射線的吸收幾乎不影響［4］，因此PF－LVL厚度方向上各微層密度的增加實際上是水分的增加造成的。

圖3 PF－LVL膠合層及原料層密度和厚度的變化Fig.3 Varieties of adhesive layer and material layer in PF-LVL a～i分別代表絕干、12h、36h、60h、84h、132h、204h、444h和900h 9個時刻浸水PF－LVL的剖面密度分布

（2）由圖2還可明顯看出與絕干狀態(tài)試件較均恒的無水密度分布不同，后續(xù)浸水試件外層（距試件上下表層約2 mm，跨越兩個膠層）的密度明顯高于芯層密度，亦即存在著含水梯度差，但這一差異隨浸水時間的增加呈逐漸減小的趨勢。

（3）PF－LVL單板與單板間沒有形成連續(xù)膠層。因為代表PF－LVL膠層部分的剖面密度線波峰（圖2）部分所對應(yīng)的密度值隨浸水時間的增加仍持續(xù)上升，說明水分滲透進了膠層所在的位置。由圖3可知，膠層所對應(yīng)的所有剖面密度線的尖波峰隨浸水時間增加逐漸“變胖”，意味著有膠釘釘著效應(yīng)的被膠合層發(fā)生了部分膠釘?shù)拿撀浜退譂B透使其厚度發(fā)生了膨脹。

2.2 水分對PF－LVL厚度和寬度的影響

由圖4可知，PF－LVL試件厚度在前60 h內(nèi)從19.81 mm驟增至20.89 mm，增長了5.45%，而從第60 h至900 h雖歷經(jīng)了35 d卻僅增長了0.86%，這與圖2給出的試件吸水密度變化（即含水變化）趨勢是一致的。由此說明在經(jīng)過60 h吸水后，PF－LVL原料層木材細胞壁已基本充滿了吸著水，在濕脹作用下其在熱壓過程中的壓縮得到了回復(fù)且被膠合部分的木材（有膠釘存在且被束縛部分）不再明顯的發(fā)生脫膠回彈［5－6］。

PF－LVL試件寬度膨脹規(guī)律與厚度相似，在前60 h（2.5 d）內(nèi)從19.61 mm驟增至20.64 mm，增長了5.25%，而從60 h（2.5d）至900 h（37.5d）雖歷經(jīng)了35 d也僅增長了0.48%。這說明除單板寬度上的濕脹以外，也有伴隨著厚度方向熱壓壓縮而發(fā)生的試件寬度方向的熱壓壓縮的回復(fù)。

在經(jīng)歷60 h的浸水后PF－LVL的寬度和厚度尺寸增長非常緩慢，但其名義含水率（吸水量與PF－LVL絕干重量的比值）仍增長迅速。這是因為在PF－LVL木材細胞壁吸著水飽和后，細胞腔中仍有較大的空間吸收自由水并最終導(dǎo)致PF－LVL的名義含水率超過100%并繼續(xù)上升，如圖5示，而木材細胞腔中自由水的多寡并不影響木材骨架物質(zhì)細胞壁的形態(tài)和大小。因此60 h后雖經(jīng)35 d的浸水，PF－LVL的寬度和厚度膨脹率還不到1%，這應(yīng)是被膠合層少量膠釘脫落造成的極微尺寸增長，這也印證了圖3或圖4中代表被膠層的剖面密度線波峰“變胖”的事實。

圖4 浸水時間對PF－LVL寬度和厚度的影響Fig.4 Effect of soaking time on width and thickness

圖5 浸水時間與PF－LVL名義含水率的關(guān)系Fig.5 Relationship between soaking time and nominal MC

2.3 水分對PF－LVL靜曲彈性模量的影響

由圖5和圖6可知:吸水過程中，PF－LVL的名義含水率從0吸水到70.59%時（0～60 h），MOE從10 409 MPa下降到了4 518 MPa，下降量為5 891 MPa，占初始 MOE的 56.60%。從 60 h（2.5d）開始，PF－LVL的含水率雖在繼續(xù)大幅增加，但其MOE僅下降了351～4 167 MPa，占初始MOE的3.37%。

假設(shè)試件尺寸不因含水率的變化而變化，其（取絕干時試件的厚度和寬度為分母計算所得的）MOE（圖6中的b線）與上述實測MOE（圖6中的a線）的差距，就是因含水率變化對本試驗吸水過程中P－PF－LVL尺寸的影響而帶給對應(yīng)的MOE的影響;本試驗名義含水率為129.11%時，對應(yīng)于膨脹后截面尺寸的MOE為4 167 MPa，對應(yīng)于膨脹前初始截面尺寸的MOE為5 348 MPa，兩者相減，即為因尺寸膨脹帶來MOE的損失量1 181 MPa，占增水損失總量（6 242 MPa）至少為18.92%，占初始MOE（104 091 MPa）至少為11.34%。

圖6 浸水時間對PF－LVL靜曲MOE的影響Fig.6 Effect of soaking time on static bending MOE

由于寬度膨脹遠小于厚度膨脹，加上在MOE的計算式（MOE=23△Fl3/108bh3△y）中，處分母位置的寬度b為一次方，因此可以認為上述11.34%的MOE的損失主要源自于試件厚度的膨脹，寬度方向上的膨脹可忽略不計。

3 結(jié)論

（1）浸水過程中，PF－LVL內(nèi)水分分布處于梯度狀態(tài)，隨浸水時間的增加含水率梯度呈逐漸減小的趨勢。

（2）PF－LVL單板與單板間沒有形成連續(xù)膠，水分仍可滲透進膠層所在的位置。

（3）PF－LVL試件厚度和寬度在前60 h（1.5 d）內(nèi)分別增長了5.45%和5.25%，而從第60 h（2.5 d）至900 h（37.5 d）雖歷經(jīng)了35 d卻僅分別增長了0.86%和0.48%。說明PF－LVL原料木材的細胞壁在60 h浸水后已完全充滿了吸著水，被壓縮部分的木材也回彈完畢且被膠合部分的木材（有膠釘存在且被束縛部分）不再發(fā)生脫膠回彈，PF－LVL的厚度就幾乎不發(fā)生變化了。

（4）PF－LVL的名義含水率從0吸水到70.59%時（0～60 h），MOE下降了56.60%。從60 h（2.5d）開始，PF－LVL的含水率雖在繼續(xù)大幅增加，但其MOE僅下降3.37%。其中因厚度膨脹帶來MOE的損失量為1 181 MPa，占增水損失總量（6 242 MPa）的18.92%，占初始MOE（104 091 MPa）的11.34%。寬度方向上的膨脹引起的MOE的損失可忽略不計。

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［1］International Standards Worldwide.ASTM D 4761-11 Standard Test Methods for Mechanical Properties of Lumber and Wood-Base StructuralMaterial［EB/OL］.http://www.astm.org/Standards/D4761.htm.

［2］Lindgren L O.Medical cat-scanning:X-ray absorption coefficients，connecticut-studies and their relations to wood density［J］.Wood Science and Technology，1991，25:341-349.

［3］Macedo A，Vaz C M P，J.C.D.Pereira J C D，et al.Wood density determination by x-and gamma-raytomography［J］.Holzforschung，2002，56:535-540.

［4］Laufenberg T L.Using gamma radiation to measure density gradients in reconstituted wood products［J］.Forest Products Journal，1986，36（2）:59-62.

［5］Zhang H，Chui Y，Schneider M H.Compression control and its significance in the manufacture and effects on properties of poplar LVL［J］.Wood Science and Technology，1994，28（4）:285-290.

［6］韓宇光，曹 軍，朱良寬.刨花板熱壓控制系統(tǒng)模糊自適應(yīng)PID控制［J］.森林工程，2011，27（4）:30 －33.