組坯方式對竹木復(fù)合層積材膠合性能的影響

陳國寧 ，孫正軍 ，陳桂華 ，劉煥榮 ，崔 樂

（1.國際竹藤中心，北京100102；2.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410004）

組坯方式對竹木復(fù)合層積材膠合性能的影響

陳國寧1，2，孫正軍1，陳桂華2，劉煥榮1，崔 樂2

（1.國際竹藤中心，北京100102；2.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410004）

竹材和木材都是各向異性材料，其紋理對其表面性能和膠合性能都有重要影響。本研究采用了雙切口拉伸試驗(yàn)方法和浸漬剝離試驗(yàn)方法，對比分析竹層板與楊木單板垂直紋理和平行紋理兩種組坯方式制備的竹木復(fù)合層積材的膠合性能和破壞模式，旨在為生產(chǎn)強(qiáng)度高、尺寸穩(wěn)定性好的結(jié)構(gòu)用竹木復(fù)合材料制備工藝提供理論依據(jù)。結(jié)果表明：橫紋組坯方式生產(chǎn)的竹木復(fù)合材在試驗(yàn)中的破壞模式主要為材料被破壞，其膠合強(qiáng)度更好；由于竹拼板間橫向強(qiáng)度較差，用該工藝生產(chǎn)出的竹木復(fù)合材作為Ⅰ類人造板其膠合強(qiáng)度不合格，作為Ⅱ類人造板的膠合強(qiáng)度合格。

竹木復(fù)合層積材；組坯方式；膠合強(qiáng)度；雙切口拉伸試驗(yàn)；浸漬剝離試驗(yàn)

竹木復(fù)合材料是以人工林木材和竹材為主要原料，按照木質(zhì)單板層積材的組坯方式，將竹拼板和木單板均按順紋方向或者順紋橫紋交錯(cuò)的方向?qū)臃e膠合而成的板材。近年來，竹木復(fù)合材料發(fā)展迅速，已經(jīng)由傳統(tǒng)的非結(jié)構(gòu)用材發(fā)展為新型結(jié)構(gòu)用材，其應(yīng)用領(lǐng)域也由家具、室內(nèi)裝潢等行業(yè)發(fā)展到建筑、船舶、運(yùn)輸?shù)雀咝阅懿牧闲枨笮袠I(yè)。受竹材資源分布影響，竹材加工及竹木復(fù)合材料的研究主要集中于日本、印度、印尼等亞洲國家，其中我國在這方面的研究一直處于領(lǐng)先地位，許多產(chǎn)品已經(jīng)得到產(chǎn)業(yè)化。印度和泰國是世界上生產(chǎn)商品竹較多的國家，其竹子主要是用來造紙，竹材占整個(gè)造紙業(yè)原料來源的60%以上，另一個(gè)用途是將竹子與混凝土復(fù)合制成竹筋混凝土構(gòu)件用于建筑，但更深入的研究并沒有進(jìn)行[1-3]。

竹木復(fù)合材料結(jié)合了竹材和木材的優(yōu)良特性，但是對于二者之間膠合性能的探索是個(gè)長期而復(fù)雜的課題，由于竹材滲透性差、粘結(jié)強(qiáng)度低，以往的竹木復(fù)合材料的制作大多采用涂膠方式并在熱壓工藝下進(jìn)行，但對其膠合性能的好壞并沒有做出深入具體的研究。其中部分研究人員做了一部分前期工作，如于文吉研究員、王戈研究員對影響膠合的竹材表面性能進(jìn)了研究[4-6]。木質(zhì)復(fù)合材料、木塑復(fù)合材料以及樹脂基復(fù)合材料界面研究涉及了界面研究的各種測試方法、形成了較為完善的研究體系，可以為界面性能研究提供借鑒。

本研究將A級(jí)竹片[7]拼成的截面規(guī)則、無間隙竹拼板和楊木單板進(jìn)行浸膠，使用冷壓熱固化工藝制作竹木復(fù)合材料。（冷壓熱固化即先將板材在模具中組坯，然后再用壓機(jī)加壓，后將模具定形使壓力保持穩(wěn)定，最后在干燥箱中加熱固化，制成板材。）此工藝由于薄楊木單板的存在，使得竹單板在厚度方向上彼此之間有穩(wěn)定的膠層；其次，其橫向之間實(shí)現(xiàn)了無縫連接，使得竹拼板本身的缺陷減少，進(jìn)而有效的提高了竹木復(fù)合材料性能；另外，冷壓熱固化工藝縮短了材料的制作時(shí)間，進(jìn)而有效的提高了生產(chǎn)效率。近年來國內(nèi)外相關(guān)專家學(xué)者對竹木復(fù)合材料進(jìn)行了廣泛研究，但大多集中在新產(chǎn)品開發(fā)及宏觀力學(xué)性能方面[8]，對于膠合強(qiáng)度及破壞模式方面的報(bào)道較少。本研究采用雙切口拉伸試驗(yàn)法[9]和浸漬剝離試驗(yàn)法對竹木復(fù)合材料的膠合強(qiáng)度進(jìn)行了測試，測試出了使用如上冷壓熱固化工藝生產(chǎn)出的竹木復(fù)合板材的膠合強(qiáng)度，并對破壞模式進(jìn)行了分析，以期為竹木復(fù)合材料的后續(xù)使用提供可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論支持。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1）毛竹：Phyllostachys pubescens，4 a 生，采自浙江省新昌縣，平均胸徑約為10 cm，高度約為7 760 mm，無蟲眼、霉變等缺陷。加工好的竹條厚度為 3 mm，寬度為 7.5 mm，長度為 2 000 mm。將14根竹條用熱熔膠線粘接在一起，做成竹拼板。

2）意楊：Populus euramevicana，產(chǎn)于江蘇豐縣，胸徑約為60 cm，單板等級(jí)為一級(jí)，厚度為0.5 mm，含水率8%～10%。

3）膠粘劑：采用環(huán)氧樹脂與醇溶性酚醛樹脂按照3∶2比例進(jìn)行混合，丙酮作為稀釋劑進(jìn)行調(diào)和制備的膠黏劑。固體含量為40%～45%，作為制備竹木復(fù)合層積材的膠黏劑。環(huán)氧樹脂：樹脂型號(hào) WSR618(E-51)，環(huán)氧值（100 g）為0.48 ～ 0.54，粘度（40 ℃）≤ 2 500 MPa·s，無機(jī)氯值（100 g）≤ 0.000 8，有機(jī)氯值≤ 0.014，揮發(fā)份≤1.5%。 醇溶性酚醛樹脂2 124，游離酚≤10%，固體含量：75.8%～76%。

1.2 竹木復(fù)合材料制備工藝

1）干燥：將竹拼板和楊木單板進(jìn)行干燥至含水率為8%～10%；

2）對竹拼板進(jìn)行等離子處理：竹拼板通過等離子處理機(jī)的處理后，可增強(qiáng)其表面的附著力，以便可以更好的完成之后的浸膠環(huán)節(jié)。處理后迅速進(jìn)入浸膠環(huán)節(jié)；

3）對竹拼板和楊木單板浸膠，浸膠后竹拼板含膠量為4.2%，楊木單板含膠量為35.6%。

含膠量的計(jì)算方法：

4）組坯：3層組成單元，采用楊木單板的紋理方向與竹拼板相同（順紋）和垂直（橫紋）兩種方式。具體組坯方式如圖1。

圖1 兩種不同的組坯方式Fig.1 Two different assemble patterns

5）壓制工藝：采用冷壓熱固化工藝制作，冷壓壓力為7 MPa。竹木復(fù)合材料固化溫度為130～135 ℃，連續(xù)固化時(shí)間為15～16 h。生產(chǎn)工藝流程如圖2：

圖2 生產(chǎn)工藝流程Fig.2 Technological process of production

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

冷壓機(jī)（青島國森機(jī)械有限公司生產(chǎn)）、數(shù)顯恒溫水浴鍋HH-4（國華電器有限公司）、電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海一恒科學(xué)儀器有限公司）、instron5582萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)等。

1.4 測試方法

雙切口拉伸試驗(yàn)依照標(biāo)準(zhǔn)GBT 9846-7進(jìn)行。雙切口拉伸試件的鋸制：膠合強(qiáng)度試件的開槽寬度和深度按照圖3所示尺寸和要求進(jìn)行（由于楊木單板厚度為0.5 mm，壓制成板材后厚度小于0.5 mm，可視作2層竹拼板間的膠層，故在圖中不需要單獨(dú)將楊木單板表示出來）。試件的槽口深度應(yīng)鋸過膠層止，剛好鋸過該膠層。試件開槽要確保測試受載時(shí)一半試件芯板的旋切裂隙受拉伸，而另一半試件芯板的旋切裂隙受壓縮，即應(yīng)按膠合板的正（面板）、反（背板）方向鋸制數(shù)量相等的試件。試件鋸制的誤差應(yīng)不大于0.5 mm。

圖3 雙切口拉伸試件尺寸Fig.3 Double notch tensile specimen size

浸漬剝離試驗(yàn)GBT 17657-1999進(jìn)行。分別使用Ⅰ類和Ⅱ類浸漬剝離試驗(yàn)方法對被測竹木復(fù)合材進(jìn)行測試。

雙切口拉伸試驗(yàn)每種組坯方式的試件數(shù)為12個(gè)，浸漬剝離試驗(yàn)每種測試方法使用的試件數(shù)為10個(gè)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同組坯方式竹木復(fù)合層積材的膠合強(qiáng)度影響

雙切口拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示順紋3層竹木復(fù)合材的膠合強(qiáng)度最大3.29 MPa，最小2.13 MPa，平均值為2.57 MPa。橫紋3層竹木復(fù)合材的膠合強(qiáng)度最大值5.38 MPa，最小2.17，均值4.12 MPa。主要原因是由于按照順紋的組坯方式生產(chǎn)的材料在試驗(yàn)中的破壞方式是膠層的破壞，而橫紋的組坯方式生產(chǎn)的材料在試驗(yàn)中主要是材料本身被破壞，所以橫紋組坯生產(chǎn)的竹木復(fù)合材的膠合強(qiáng)度要比順紋組坯生產(chǎn)的竹木復(fù)合材的膠合強(qiáng)度要優(yōu)良。試件的典型破壞如圖4，圖5。

表1 雙切口拉伸試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Two incisions tensile test results

圖4 平行紋理典型破壞模式Fig.4 Typical failure mode of parallel texture

圖5 垂直紋理典型破壞模式Fig.5 Typical failure mode of vertical texture

根據(jù)照片及試驗(yàn)結(jié)果分析：垂直紋理試件的破壞出現(xiàn)在竹拼板的破壞上，由于膠層保存比較完好，所以其表現(xiàn)出膠合性能較強(qiáng)，平行紋理試件的破壞主要是竹拼板與楊木單板間的膠層上，照片中膠層已經(jīng)被拉開，所以表現(xiàn)出的膠合性能比較弱。綜上所述膠合強(qiáng)度優(yōu)良的試件主要是材料被破壞，膠合強(qiáng)度較差的試件主要是膠層的破壞。

2.2 浸漬剝離破壞方式分析

根據(jù) GBT 17657-1999 Ι類和 ΙΙ類膠合板浸漬剝離試驗(yàn)方法，分別對兩種組坯方式竹木復(fù)合層積材進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)通過Ⅰ類試驗(yàn)方法測試后的試件總體表現(xiàn)為膠層開裂非常嚴(yán)重，竹拼板間的膠層全部開裂，竹拼板與楊木單板間的膠層大部分均表現(xiàn)為大面積開裂，少部分材料的膠層完全開裂，根據(jù)GBT 17657-1999，材料的膠合性能不合格。其主要原因是由于竹拼板間不存在膠層，所以其橫向強(qiáng)度比較差，在浸漬時(shí)會(huì)出現(xiàn)開裂并使楊木單板和竹拼板間的膠層受到額外的拉力作用，增加了膠層的負(fù)荷并最終被破壞。典型材料的破壞方式如圖6。

圖6 膠層大部分開裂Fig.6 Crackings occurred on most of cementation planes

通過Ⅱ類試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)的試件總體表現(xiàn)表現(xiàn)為開裂不嚴(yán)重，竹拼板間的膠層出現(xiàn)明顯開裂，竹拼板與楊木單板的膠層開裂并不明顯，根據(jù)GBT 17657-1999，竹拼板與楊木單板的膠合強(qiáng)度合格。典型開裂情況如圖7。

圖7 膠層有微小開裂Fig.7 Tiny cracking occurred on cementation planes

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以得出結(jié)論，被測竹木復(fù)合材作為Ⅰ類人造板其膠合強(qiáng)度不合格，作為Ⅱ類人造板竹拼板與楊木單板的膠合強(qiáng)度合格，但竹拼板間的膠合強(qiáng)度不合格。由于竹拼板間的膠合強(qiáng)度不夠，在浸漬時(shí)開裂，這種情況對于竹拼板與楊木單板的膠合強(qiáng)度是有影響，使竹拼板與楊木單板間的膠層完全開裂。因此，采用該工藝制備的竹木復(fù)合層積材應(yīng)避免在濕度和溫度過高的環(huán)境中使用，最好用做室內(nèi)構(gòu)件。

3 結(jié) 論

1）采用楊木單板為橫紋的組坯方式生產(chǎn)出的竹木復(fù)合材的膠合強(qiáng)度要好于順紋的組坯方式生產(chǎn)的竹木復(fù)合材。

2）在浸漬剝離試驗(yàn)中作為Ⅰ類人造板其膠合強(qiáng)度不合格，作為Ⅱ類人造板竹拼板與楊木單板的膠合強(qiáng)度合格。

[1] 李曉華,郭偉峰,孫正軍.竹木復(fù)合材料膠合強(qiáng)度與破壞模式[J].木柴加工與機(jī)械,2012,23(6)∶12-15.

[2] 馬紅霞.毛竹/楊木復(fù)合材料界面膠合性能及其影響因素研究[D].北京∶中國林業(yè)科學(xué)研究院,2009.

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[9]Japan Plywood Ιnspection Corporation. Japanese Agricultural Standard SE-90∶ Japanese Agricultural Standard for Structural Glued Laminated Timber[M]. Tokyo, Japan∶ Japan Plywood Ιnspection Corporation, 2000.

Effects of assemble patterns on shear strength of bamboo-wood laminated composite

CHEN Guo-ning1,2, SUN Zheng-jun1, CHEN Gui-hua2, LΙU Huan-rong1, CUΙ Le2
(1. Ιnternational Centre for Bamboo and Rattan, Beijing 100102, China;2. Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

Bamboo and wood are anisotropic materials, theirs texture have important affection on their surface properties and bond performance. By using the two-incision tensile test method and impregnated peel test method, the gluing properties and failure modes of the bamboo-wood laminated composite were analyzed with comparative method, which were made up by assemble patterns of parallel texture and vertical texture, and were made up of bamboo laminated plates and poplar wood veneer. This study aimed to produce a kind of high strength, good dimensional stability of bamboo-wood composite, and to provide the theoretical basis for making structural bamboo-wood laminated composite. The results show that in the test, the main failure mode of composite (made by assemble pattern of parallel texture) was destruction of material, the tested material’s bonding strength was better than that assemble pattern of vertical texture; due to poor transverse strength of the bamboo puzzle, the composites produced by this process didn’t reach the Ι-class woodbased panels China National Standard, its was only qualif i ed as the e ΙΙ-class wood-based panels of China National Standard.

wood composite material; assemble patterns; bonding strength; dual incision tensile test; dipping peel test

S781.65

A

1673-923X(2013)12-0166-04

2013-04-11

國際竹藤中心基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金強(qiáng)韌性竹基復(fù)合材料制備技術(shù)與性能評價(jià)（項(xiàng)目編號(hào)：1632011001）

陳國寧（1988-），男，四川成都人，碩士研究生，主要從事膠合竹層板的制備及力學(xué)性能評價(jià)方面的研究；

E-mail：Diablosave110@aliyun.com

[本文編校：文鳳鳴]