重組竹制造用竹束的浸膠工藝優(yōu)化研究

王 燕，李賢軍，呂建雄，徐 康，吳義強

（中南林業(yè)科技大學 材料科學與工程學院, 湖南 長沙 410004）

重組竹制造用竹束的浸膠工藝優(yōu)化研究

王 燕，李賢軍，呂建雄，徐 康，吳義強

（中南林業(yè)科技大學 材料科學與工程學院, 湖南 長沙 410004）

為了獲得優(yōu)化的竹束浸膠工藝，以疏解炭化毛竹竹束作為原材料，較系統(tǒng)研究了酚醛樹脂膠黏劑固體含量、浸膠時間、竹束含水率和截面尺寸4個因素對竹束浸膠量的影響規(guī)律。結(jié)果表明：在相同條件下，竹束浸膠量隨膠黏劑固體含量的升高而增大,隨浸膠時間的延長緩慢增長；隨竹束含水率和截面尺寸的增加而減?。辉诒緦嶒灧秶鷥?nèi)，竹束的優(yōu)化浸膠工藝條件為：酚醛樹脂膠黏劑固體含量為25%、浸膠時間為14 min、竹束含水率為11%、竹束截面尺寸為10.3 mm2。

毛竹竹束；浸膠；酚醛樹脂；優(yōu)化工藝

重組竹又稱重竹，是一種將竹材重新組織并加以強化成型的一種竹質(zhì)新材料，其一般工藝過程是先將竹材加工成長條狀竹篾、竹絲或碾碎成竹絲束，再對其進行干燥、浸膠和二次干燥處理，最后將干燥好的浸膠竹束鋪放在模具中，經(jīng)過冷壓成型-熱固化或高溫熱壓而成的型材[1]。

重組竹由于具有生產(chǎn)工業(yè)程度和材料利用率高、產(chǎn)品性能較穩(wěn)定等優(yōu)點，已經(jīng)成為我國竹材工業(yè)化利用中最重要的竹產(chǎn)品[2-7]。從本世紀初開始，我國在重組竹領(lǐng)域開展了大量的研究工作，研究內(nèi)容涉及重組竹制造設(shè)備研制、高強度耐候性酚醛樹脂膠黏劑制備、竹束均勻化疏解及組坯技術(shù)等方面[8-15]。在重組竹制造過程中，竹束浸膠是一個非常重要的工序，浸膠工藝過程控制的好壞直接影響著重組竹最終的產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣和生產(chǎn)成本的高低[16]。近年來，南京林業(yè)大學初步研究了膠黏劑固體含量、浸膠壓力、浸膠時間等因素對竹束浸膠量的影響規(guī)律，但其研究還不夠系統(tǒng)和全面[17]。

本研究利用筆者改造的吸膠量連續(xù)測量裝置在線研究了浸膠過程中竹束的膠液吸收規(guī)律，并揭示了竹束初含水率、截面尺寸和膠黏劑固體含量、浸膠時間4個因素對竹束浸膠量的影響規(guī)律，獲得了優(yōu)化的竹束浸膠工藝，研究成果對重組竹實際生產(chǎn)中竹束浸膠參數(shù)的確定和工藝過程的控制具有借鑒和指導意義。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

竹束：經(jīng)疏解炭化后的毛竹竹束，長度80 mm，形態(tài)為橫向分離成單根束狀或網(wǎng)狀，厚度5～7 mm，含水率介于11%～60%。取自益陽桃花江實業(yè)有限公司，其中炭化工藝的參數(shù)為溫度130℃，壓力0.3 MPa，時間140 min。

膠黏劑：水溶性酚醛樹脂膠黏劑（PF），固體含量為45%（廣東太爾有限公司）。

1.2 試驗儀器與設(shè)備

自制的吸膠量連續(xù)測量裝置，該裝置主要有天平（精度為0.01 g）和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成（見圖1）。

圖1 吸膠量連續(xù)測量法的裝置原理Fig.1 Device of continuously measuring suction glue amount

1.3 試驗方法

稱取55.0 g竹束，放入捆綁于玻璃棒上的兩個鐵絲圈中，注意使竹束在鐵絲圈內(nèi)有一定的松動空間，以利于吸膠。之后，將竹束連同鐵絲圈迅速垂直插入盛有酚醛樹脂的燒杯中，使竹束完全浸沒在膠液中（不觸碰燒杯內(nèi)壁及底部），記錄天平隨時間變化的讀數(shù)。當竹束浸膠完畢后，取出浸膠竹束，按順紋方向垂直陳放10 min后稱其質(zhì)量，并按式（1）計算竹束的浸膠量（竹束的干增重）。將浸膠竹束晾干后置于溫度為102±2℃的恒溫干燥箱中烘至絕干，再按照公式（2）反算浸膠竹束的含水率。

式（1）中：Μ—浸膠量；m1—浸膠前的竹束質(zhì)量；m2—浸膠后的竹束質(zhì)量；ω—膠黏劑的固體含量；α—浸膠前竹束的含水率。

式（2）中：W—浸膠后竹束含水率；m0—浸膠后竹束絕干質(zhì)量；m2—浸膠后的竹束質(zhì)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 膠黏劑固體含量對竹束浸膠量的影響規(guī)律

圖2表示當竹束浸泡在具有不同固體含量的酚醛樹脂膠黏劑中，竹束膠液吸收量（竹束的濕增重）隨時間的變化規(guī)律。從圖2中可以看出，在最初的2 min內(nèi)，竹束吸膠速度快，膠液吸收量大；在2 min以后，隨著浸膠時間的延長，膠液吸收量緩慢增加，最后趨于平穩(wěn)。另外，從圖2中還可以看出，隨著膠液固體含量的增加，膠液吸收量呈現(xiàn)出減小趨勢。當膠黏劑固體含量從10%增加到25%時，竹束的膠液吸收量減少了9.6%。這是由于隨著膠黏劑固體含量的增大，單位體積中的樹脂分子密度大，分子之間的距離小，分子之間的相互作用加強，不利于膠黏劑在竹束中的滲透和擴散，導致了其膠液吸收量的降低。

圖2 竹束吸膠量隨膠黏劑固體含量變化的關(guān)系Fig.2 Relation between adhesive absorption amount of bamboo bundles and solid content of phenol formaldehyde

圖3為膠黏劑固體含量分別為10%、15%、20%和25%時，竹束在1 h內(nèi)的浸膠量，反映了竹束浸膠量隨膠黏劑固體含量的變化規(guī)律。從圖3中可看出，固體含量為25%時，竹束浸膠量最大；固體含量為10%時，浸膠量最小。所以在相同浸膠時間下，竹束浸膠量隨膠黏劑固體含量的增加而增大，變化明顯，基本上呈線性正相關(guān)。因為在竹束吸收相同體積膠液的情況下，固體含量大的膠黏劑，樹脂分子密度大，因而竹束吸收的膠黏劑分子也會增多。同時，隨著膠黏劑固體含量的增大，它們在竹束表面的粘附能力增強，導致竹束的浸膠量增大。

圖3 竹束浸膠量隨膠黏劑固體含量變化的關(guān)系Fig.3 Relation between adhesive impregnation content of bamboo bundles and solid content of phenol formaldehyde

圖4 浸膠后竹束含水率隨固體含量變化的關(guān)系Fig.4 Relation between moisture content of impregnated bamboo bundles and solid content of phenol formaldehyde

圖4為膠黏劑固體含量分別為10%、15%、20%和25%時，竹束在浸膠1 h后的含水率，反映了竹束浸膠后含水率隨膠黏劑固體含量的變化規(guī)律。從圖4中可看出，固體含量為10%時，竹束浸膠后的含水率最高；固體含量為25%時，竹束浸膠后的含水率最低。因為固體含量高的膠黏劑中的水分子比固體含量低的膠黏劑少。同時從圖2看出固體含量高時，竹束吸收膠液的量減少了，從而導致固體含量為25%時，竹束吸收水分的量也相應(yīng)減少了。所以可以得出，竹束浸膠后的含水率隨膠黏劑固體含量的增加而降低，變化明顯，基本上呈線性負相關(guān)。

2.2 浸膠時間對竹束浸膠量的影響規(guī)律

圖5為膠黏劑固體含量為25%時，竹束分別在2、6、10、14、18 min 時的浸膠量，反映了竹束浸膠量隨浸膠時間的變化規(guī)律。從圖5中數(shù)據(jù)可看出，竹束的浸膠量隨浸膠時間的延長而增加。浸膠時間從2～14 min的過程中，竹束浸膠量增加較為明顯；但竹束在14 min 延長到18 min 過程中，竹束浸膠量增加較緩慢,原因在于竹束在14 min 時吸收的膠黏劑已基本達到飽和狀態(tài)了。說明通過控制浸膠時間來提高竹束浸膠量較困難，浸膠時間延長，竹束浸膠量的提升有限，反而降低生產(chǎn)效率。

圖5 竹束浸膠量隨浸膠時間變化的關(guān)系Fig.5 Relation between adhesive impregnation time and solid content of phenol formaldehyde

2.3 竹束初含水率對竹束浸膠量的影響規(guī)律

圖6為竹束初含水率分別為60%、31%、18%、11%和1%時，在1 h 內(nèi)吸收膠液的量（每2 min記錄一次天平的讀數(shù)），反映了隨浸膠時間竹束吸收膠液的量與竹束初含水率的變化規(guī)律。

圖 6 竹束吸膠量隨竹束初含水率變化的關(guān)系Fig.6 Relation between adhesive absorption amount and initial moisture content of bamboo bundles

圖中6的數(shù)據(jù)顯示，初含水率為1%時，竹束的膠液吸收量最大；初含水率為60%時，竹束的膠液吸收量最少。隨著竹束初含水率的提高，竹束細胞壁中的吸著水慢慢接近飽和狀態(tài)，細胞腔內(nèi)的自由水也不斷增多，不利于膠黏劑向竹束表面和內(nèi)部的滲透和擴散，使得竹束吸收膠液的量不斷減少[18]。所以可以得出，竹束的吸膠量隨竹束初含水率的提高而減少。同時，竹束在最初的2 min 內(nèi)吸收膠液的速度最快，此時，竹束吸收膠液的量接近飽和狀態(tài)，之后隨時間的延長而緩慢增長。

圖7為竹束初含水率分別為60%、31%、18%、11%和1%時，竹束在1 h 內(nèi)的浸膠量，反映了竹束浸膠量隨竹束含水率的變化規(guī)律。從圖7中數(shù)據(jù)可分析出，竹束初含水率為1%時，竹束浸膠量最大；初含水率為60%時，浸膠量最小。竹束的浸膠量隨竹束初含水率的降低而增加，即竹束越干燥越利于其浸膠，因為竹束與周圍液體環(huán)境的含水率梯度越大，越利于膠黏劑在竹束表面和內(nèi)部的滲透和擴散。但當竹束含水率從11%降到1%時，竹束浸膠量只增加了1.53%。說明通過繼續(xù)降低初含水率來提高竹束浸膠量是有限的，增加了成本，反而降低了生產(chǎn)效率，是不可取的。

圖7 竹束浸膠量隨竹束初含水率變化的關(guān)系Fig.7 Relation between adhesive impregnation amount and initial moisture content of bamboo bundles

2.4 竹束截面尺寸對竹束浸膠量的影響規(guī)律

圖8為竹束截面尺寸分別為31.9、20.2、13.2、10.3 mm2時，在1 h 內(nèi)吸收膠液的量（每2 min 記錄一次天平的讀數(shù)），反映了竹束的膠液吸收量隨竹束截面尺寸的變化規(guī)律。從圖8中數(shù)據(jù)可看出，竹束的膠液吸收量隨竹束截面尺寸的減少而增加。因為竹束疏解的越細，膠黏劑的滲透路徑和竹束的比表面積也越大，從而越利于其吸收膠液。同樣，竹束在最初的2 min內(nèi)吸收膠液的速度最快，此時，竹束吸膠量已接近飽和狀態(tài)，之后隨時間的延長而緩慢增大。

圖8 竹束吸膠量隨竹束截面尺寸變化的關(guān)系Fig.8 Relation between adhesive absorption amount and cross section area of bamboo bundles

圖9為竹束截面尺寸分別為31.9、20.2、13.2、10.3 mm2時，竹束在1 h 內(nèi)的浸膠量，反映了竹束浸膠量隨竹束截面尺寸的變化規(guī)律。從圖9中所顯示的數(shù)據(jù)可看出，竹束浸膠量隨竹束截面尺寸的減小而增加，表明竹束的疏解狀態(tài)與竹束浸膠量有一定關(guān)系，并且竹束疏解得越細，比表面積越大，使膠黏劑在竹束表面和內(nèi)部的濕潤、擴散、滲透更充分，越利于竹束浸膠。

圖9 竹束浸膠量隨截面尺寸變化的關(guān)系Fig. 9 Relation between adhesive impregnation amount and cross section size of bamboo bundles

3 結(jié) 論

在本試驗范圍內(nèi)：

（1）隨著膠黏劑固體含量的改變，竹束浸膠量呈直線趨勢變化。膠黏劑固體含量越高，竹束浸膠量越大，確定較優(yōu)的膠黏劑固體含量為25%。通過控制膠黏劑固體含量，可以較準確的控制竹束的浸膠量，其工藝容易控制和掌握，可以提高生產(chǎn)效率，減少設(shè)備投入，降低生產(chǎn)成本。

（2）浸膠時間的改變對竹束浸膠量影響較小，通過延長浸膠時間來提高竹束浸膠量有限，且浸膠時間的增加降低了生產(chǎn)效率，所以較佳的浸膠時間為14 min 左右。

（3）隨著竹束初含水率的降低，竹束浸膠量不斷增加，但當竹束含水率降低到一定程度后，竹束浸膠量的增加有限，導致成本增加，不利于生產(chǎn)，將竹束含水率控制在11%左右即可。

（4）竹束浸膠量與竹束的疏解狀態(tài)有關(guān)，隨著竹束疏解得越細，竹束截面尺寸越小，竹束比表面積增大，接觸面積也增大。將竹束截面尺寸控制在10.3 mm2左右即可。

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Optimization adhesive impregnation conditions of bamboo bundles used for making reconsolidated bamboo composite

WANG Yan, LI Xian-jun, LV Jian-xiong, XU Kang, WU Yi-qiang
(School of Material Science and Engineering, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

In order to obtain the optimal impregnation process of bamboo bundles, the effects of four factors, including solid content of phenol formaldehyde, adhesive impregnation time, moisture content and cross section area of bamboo bundles, on adhesive impregnation content of heat-treated bamboo bundles were investigated by taking mao bamboo bundles as the raw materials. The results show that under the same conditions, the adhesive impregnation content of bamboo bundles increased rapidly with the increase of solid content of phenol formaldehyde, the increasing trend slowed down as the adhesive impregnation time was prolonged, and the increasing trend decreased moderately as the initial moisture content of bamboo bundles and the cross section area of bamboo bundles increased.The optimal solid content of phenol formaldehyde, adhesive impregnation time and moisture content of bamboo bundles are 25%, 14 minutes, 11% and 10.3 mm2, respectively.

bamboo bundles; adhesive impregnation; phenol formaldehyde; optimization of process

S795.7

A

1673-923X(2013)10-0153-05

2013-03-02

湖南省科技重大專項（2011FJ1006）；教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃項目（NCE-11-0979）；湖南省科技支撐計劃項目( 2010NK3039)

王 燕（1989―），女，湖南永州人，碩士研究生，主要從事木材功能性改良方面的研究；E-mail：wybebold@163.com

李賢軍（1969―），男，湖南常德人，教授，主要從事木材功能性改良、生物質(zhì)復合材料方面的研究；

E-mail：lxjmu@163.com

[本文編校：文鳳鳴]