圓榫與稻秸稈板的接合性能分析

朱 云 ，黃瓊濤 ，申黎明 ，孫宏南 ，周 毅 ，于 娜

（1.南京林業(yè)大學(xué) 家具與工業(yè)設(shè)計學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.廣東石油化工學(xué)院，廣東 茂名 525000；3.梅州市匯勝木制品有限公司，廣東 梅州 514600）

圓榫與稻秸稈板的接合性能分析

朱 云1，2，黃瓊濤3，申黎明1，孫宏南3，周 毅1，于 娜1

（1.南京林業(yè)大學(xué) 家具與工業(yè)設(shè)計學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.廣東石油化工學(xué)院，廣東 茂名 525000；3.梅州市匯勝木制品有限公司，廣東 梅州 514600）

稻秸稈板是一種新型綠色家具板材，同圓榫的接合參數(shù)與中密度纖維板和刨花板存在較大的差異。從板材的結(jié)構(gòu)、密度、內(nèi)結(jié)合強度及靜曲強度出發(fā)，分析了刨花板與3種稻秸稈板在不同預(yù)導(dǎo)孔配合參數(shù)下對接合強度的影響，得出了不同板材的最佳配合參數(shù)。試驗還發(fā)現(xiàn)，稻秸稈板密度越大對極限抗拔力越有利；在白乳膠的輔助作用下，基材顆粒的特性對極限抗拔力影響也非常明顯。

刨花板；稻秸稈刨花板；圓榫；接合性能

稻秸稈刨花板（也稱稻秸稈板）是一種新型板材，它以稻草為主要原材料，以異氰酸酯為膠粘劑，參照木質(zhì)刨花板的生產(chǎn)工藝而制成，兼具木質(zhì)刨花板與中密度纖維板的優(yōu)勢，無游離甲醛釋放。稻秸稈板理化性能優(yōu)越，不僅強度高、剛性好，而且還具有良好的保溫、隔熱、防火等性能，是一種良好的木質(zhì)人造板的替代品。稻秸稈板應(yīng)用家具生產(chǎn)時，不僅可以對其板面和板邊進(jìn)行型面加工，還能對其進(jìn)行各種飾面與封邊處理（漆、釘、膠處理）[1-3]。

圓榫，是家具最常用的連接件，除了解決家具板件定位問題外，還能增強板件與板件之間的接合強度，尤其是在綜合類實木家具和板木家具中，可以代替整體榫結(jié)構(gòu)和金屬連接件，在保證家具整體剛度的同時還能提高生產(chǎn)效率，節(jié)約成本。稻秸稈板家具如稻秸稈板木家具中，經(jīng)常需要利用圓榫和稻秸稈板構(gòu)造家具部件，如抽屜、旁板等，因此二者的接合性能至關(guān)重要，它不僅關(guān)系到稻秸稈板家具力學(xué)的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的合理性，同時還影響著稻秸稈板家具的生產(chǎn)效益。筆者從圓榫和稻秸稈板的接合特性出發(fā)，借助配合孔徑參數(shù)，研究了圓榫與稻秸稈板板面、板邊的接合強度規(guī)律，比較了稻秸稈板與刨花板在其抗拔性能上的差異，同時還分析了稻秸稈板結(jié)構(gòu)、密度等因素與抗拔強度之間的關(guān)系，以便為稻秸稈板家具制造提供科學(xué)的圓榫工藝接合數(shù)據(jù)[4-6]。

1 試驗材料與方法

1.1 試 材

試驗基材有刨花板（PB）、稻秸稈板Ⅰ（RSPⅠ）、稻秸稈板Ⅱ（RSPⅡ）和稻秸稈板Ⅲ（RSPⅢ）等4種。公稱厚度均為18 mm，按照（GB-T 17657-1999）人造板及飾面人造板理化性能試驗方法，測得PB的密度為0.75 g/cm3，內(nèi)結(jié)合強度為0.40 MPa，含水率為8.8%，靜曲強度為12.57 MPa；RSPⅠ的密度為0.72 g/cm3，內(nèi)結(jié)合強度為0.52 MP，含水率為8.4%，靜曲強度為22.01 MPa；RSPⅡ的密度為0.81 g/cm3，內(nèi)結(jié)合強度為0.76 MPa，含水率為7.5%，靜曲強度為29.80 MPa；RSPⅢ的密度為0.84 g/cm3，內(nèi)結(jié)合強度為0.43 MPa，含水率為8.3%，靜曲強度為21.67 MPa。試驗采用樺木斜紋圓榫，長度為40 mm，名義直徑為8 mm，含水率為8%；試驗采用環(huán)保型白乳膠，固化含量為35%，粘度為30 000（MPa·s）

1.2 抗拔性能測試方法

有研究表明，基材導(dǎo)孔直徑與圓榫直徑的配合關(guān)系直接影響圓榫與基材間的接合強度[7]。在圓榫埋入深度不變的情況下，尋求接點的最佳接合參數(shù)，并比較不同板材接合性能之間的差異?，F(xiàn)采用過盈配合，考慮到圓榫的脹縮特性，為保證試驗精度，本試驗設(shè)定預(yù)導(dǎo)孔直徑為4個等級：8.0、7.9、7.8、7.7 mm，試驗主要參照握螺釘力的加載方法（GB-T 17657-1999）和馬耀馭等[8]的試驗方法進(jìn)行。在進(jìn)行圓榫板面試驗時，直接將基材鋸解成50 mm×50 mm大小尺寸，然后在其板面中心鉆15 mm深的預(yù)導(dǎo)孔。進(jìn)行板邊試驗，需先將基材進(jìn)行三層冷壓拼厚，然后將基材鋸解成50 mm×50 mm大小尺寸，最后在其板邊幾何中心鉆預(yù)導(dǎo)孔，孔深15 mm。試件裝配時，先在圓榫一端均勻地涂刷一層乳白膠，厚度約為1 mm，涂刷長度約為15 mm，然后將其垂直安裝在基材預(yù)導(dǎo)孔內(nèi)。

在4種基材和4種配合參數(shù)的條件下，進(jìn)行試件裝配，每組試件取6個樣本，并將所有的組裝試件靜置一周。圓榫與不同基材的極限抗拔力測定在CMT6104型電子萬能力學(xué)試驗機進(jìn)行，記錄每次測試的最大抗拔力，加載速度設(shè)定為10 mm/min，數(shù)據(jù)采集精度為0.0l N。

2 結(jié)果與分析

2.1 試件破壞形式分析

2.1.1 圓榫在秸稈板板面的破壞形式分析

4種基材的剖面結(jié)構(gòu)都為3層結(jié)構(gòu)，芯層相對蓬松，密度低；上下表層緊密，密度高。圓榫插入預(yù)導(dǎo)孔后，膠料能夠很好地與孔壁形成膠合層，尤其是板材芯層部位，相對蓬松的結(jié)構(gòu)有助于增強圓榫與基材的接合性能。但由于基材的密度、內(nèi)結(jié)合強度以及刨花間的緊密度存在較大差異，因而表現(xiàn)出來的破壞形式有很大不同。

RSPⅠ的板面預(yù)導(dǎo)孔為7.7～8.0 mm時，圓榫都能夠拔出，并發(fā)現(xiàn)預(yù)導(dǎo)孔周邊部位發(fā)生輕度破壞，尤其是基材的表層出現(xiàn)向外隆起和蓬松的效果，沿預(yù)導(dǎo)孔中心線剖開，可以看到孔壁有劇烈的凹凸效果。這是因為圓榫插入預(yù)導(dǎo)孔后，膠料與孔壁形成良好膠結(jié)，但受內(nèi)結(jié)合強度低和持續(xù)外力的影響，致使膠料粘接纖維與基材纖維發(fā)生脫離，圓榫得以拔出。預(yù)導(dǎo)孔為7.8 mm時，RSPⅠ最大抗拔力均值達(dá)到1.18 kN。

而RSPⅡ試件的破壞形式卻存在三種不同的情況，第一種情況是圓榫能夠從基材中拔出，在基材預(yù)導(dǎo)孔周邊部位，表層產(chǎn)生隆起效果，并有少量的刨花顆粒被帶出。第二種情況是圓榫直接被拉斷，但基材外觀沒有發(fā)生絲毫變化。第三種情況是力學(xué)試驗機夾具與圓榫發(fā)生相對滑動，圓榫未拔出。查看試驗記錄可知，當(dāng)RSPⅡ預(yù)導(dǎo)孔孔徑為8.0 、7.7 mm時，第一種情況集中發(fā)生；而RSPⅡ預(yù)導(dǎo)孔孔徑為7.8 mm和7.9 mm時，則表現(xiàn)為第二、第三種情況，并且當(dāng)預(yù)導(dǎo)孔為7.8 mm時，RSPⅡ達(dá)到最大抗拔力，其均值為1.44 kN。RSPⅢ與RSPⅡ的破壞形式有點近似。它的破壞形式存在2種情況，圓榫被拔斷或圓榫發(fā)生相對滑動，圓榫未拔出，并且當(dāng)預(yù)導(dǎo)孔直徑為7.9 mm時，RSPⅢ最大抗拔力均值達(dá)到1.55 kN。在RSPⅠ、RSPⅡ、RSPⅢ3種基材中，RSPⅢ與圓榫的接合性能要優(yōu)于前二者。可見，稻秸稈板密度越大，其板材的結(jié)構(gòu)越致密，在受到外力時板材越不易被破壞[1]，從而提高了抗拔力。

刨花板試件試驗后的破壞形式與稻秸稈板稍有不同，它主要有兩種情況：第一種情況是圓榫能夠拔出。基材預(yù)導(dǎo)孔周邊部位被嚴(yán)重破壞，刨花顆粒隨圓榫而被拉出，甚至使刨花板表層發(fā)生顯著剝離現(xiàn)象；第二種情況是夾具與圓榫發(fā)生相對滑動，圓榫未拔出。與稻秸稈板不同的是，當(dāng)基材預(yù)導(dǎo)孔為7.7、7.8和8.0 mm時只能產(chǎn)生第一種現(xiàn)象。而當(dāng)刨花板基材預(yù)導(dǎo)孔為7.9 mm時，第二種情況才會發(fā)生，并且最大抗拔力均值高達(dá)1.56 kN?？赡苁且驗榕倩ò寤牡呐倩w粒粗而硬，刨花間留有的間隙較多，膠料能夠極大限度地充斥其中，容易形成“倒刺”效應(yīng)。雖然刨花板的密度和內(nèi)結(jié)合強度較低，但面對圓榫與膠料的“整體倒刺結(jié)構(gòu)”，能夠很好地增大受力面積，提高極限抗拔力。

2.1.2 圓榫在稻秸稈板板邊的破壞形式分析

圓榫安裝于預(yù)導(dǎo)孔7.7 mm的試件板邊時，4種基材的破壞形式相差較大。刨花板和RSPⅠ試件會直接裂開，比例達(dá)到40%，余下的試件板邊則存在不同程度的裂痕；而RSPⅡ試件會出現(xiàn)裂痕，比例約30%；RSPⅢ試件則完好?？梢奝B、RSPⅠ、RSPⅡ的板邊過盈配合超過0.3 mm時，基材均會出現(xiàn)損壞，尤其是PB和RSPⅠ試件，其破壞程度比較嚴(yán)重?？赡苁嵌呙芏群蛢?nèi)結(jié)合強度較低，板邊受到膨脹外力時試件容易出現(xiàn)開裂和裂痕等現(xiàn)象。為便于統(tǒng)計分析，本試驗將忽略7.7mm預(yù)導(dǎo)孔的試驗結(jié)果。

預(yù)導(dǎo)孔介于7.8 mm至8.0 mm時，PB、RSPⅠ、RSPⅡ基材破壞形式較近似，主要存在兩種破壞形式：圓榫能夠拔出，帶出少量刨花；或者夾具與圓榫發(fā)生相對滑動，圓榫未拔出。并且當(dāng)預(yù)導(dǎo)孔為7.8 mm時，第二種情況的幾率明顯增多。RSPⅢ與它們稍有不同，預(yù)導(dǎo)孔介于7.8 mm至8.0 mm時，圓榫均不能被拔出，并且其抗拔力相對高些，分別為1.47、1.56 和1.13 kN?？赡苁且驗镽SPⅢ的密度較大，刨花間的緊密度較高，受到拉力時，能夠產(chǎn)生較大的摩擦力，加上膠料的作用，使其抗拔力保持在較高水平。

2.2 不同基材條件下的圓榫極限抗拔力

2.2.1 不同基材條件下的圓榫板面極限抗拔力

試驗在不同基材條件下采用單因素隨機試驗，試驗因素預(yù)導(dǎo)孔直徑有4個水平，每水平重復(fù)6次。利用單因素方差分析法，對4個預(yù)導(dǎo)孔直徑進(jìn)行F值檢驗，4種基材的F值均大于F0.05(3,20)=3.10，因而也就說明預(yù)導(dǎo)孔因素的變化對最大載荷的影響顯著?，F(xiàn)進(jìn)行多重比較顯著性水平分析，結(jié)果見表1。

結(jié)合多重比較分析表，4種基材的最佳預(yù)導(dǎo)孔相差較大。若要取得最大抗拔力，PB和RSPⅢ基材的預(yù)導(dǎo)孔直徑約為7.9 mm；RSPⅠ的預(yù)導(dǎo)孔介于7.7～7.8 mm之間；而RSPⅡ的預(yù)導(dǎo)孔在7.8～7.9 mm之間。

表1 不同預(yù)導(dǎo)孔直徑與圓榫極限抗拔力的多重對比分析Table 1 Multiple contrast analyses on round tenon’s ultimate drawing strength of substrate particles with different guiding-hole diameter

2.2.2 不同基材條件下的圓榫板邊極限抗拔力

稻秸稈板板邊圓榫極限抗拔力試驗同樣采用單因素隨機試驗，試驗因素預(yù)導(dǎo)孔直徑有3個水平，每水平重復(fù)6次。利用單因素方差分析法，對3個預(yù)導(dǎo)孔直徑進(jìn)行F值檢驗，其中RSPⅡ的F值為6.136，RSPⅢ的F值為6.848，二者均大于F0.05(2,15)=3.68，說明預(yù)導(dǎo)孔因素的變化對RSPⅡ和RSPⅢ的最大載荷影響顯著。而PB和RSPⅠ的F值均小于3.68，這意味著在7.8 mm到8.0 mm區(qū)間內(nèi)，二者的預(yù)導(dǎo)孔變化對最大載荷影響不顯著。現(xiàn)進(jìn)行多重比較顯著性水平分析，結(jié)果見表2。

結(jié)合多重比較分析表，4種基材板邊的最佳預(yù)導(dǎo)孔相差較大。若要取得最大抗拔力，PB和RSPⅠ基材的預(yù)導(dǎo)孔直徑位于7.8～8.0 mm區(qū)間；而RSPⅡ和RSPⅢ的預(yù)導(dǎo)孔介于7.8～7.9 mm之間。

2.3 不同預(yù)導(dǎo)孔直徑對極限抗拔力的影響

2.3.1 板面不同預(yù)導(dǎo)孔直徑對極限抗拔力的影響

4種基材的不同板面預(yù)導(dǎo)孔直徑對極限抗拔力的影響如圖1所示。4種基材的極限抗拔力都是先隨著預(yù)導(dǎo)孔的增大而增大，當(dāng)達(dá)到某一最大值時，極限抗拔力就隨著預(yù)導(dǎo)孔的增大而降低。4種基材中PB和RSPⅢ的極限抗拔力表現(xiàn)比較突出，二者的抗拔力明顯優(yōu)于RSPⅠ和RSPⅡ基材。當(dāng)預(yù)導(dǎo)孔為7.9 mm時，PB和RSPⅢ達(dá)到相近的最大抗拔力，分別為1.54、1.55 kN。并且在預(yù)導(dǎo)孔為7.7 mm和8.0 mm時，PB的最大抗拔力均要高于RSPⅢ，這可能與試件基材的結(jié)構(gòu)、靜曲強度有關(guān)。PB芯層不僅刨花間隙大，吸收膠料能力強，而且靜曲強度小，剛性大。預(yù)導(dǎo)孔為7.7 mm時，PB基材雖然膠料吸收量小，但剛性大，刨花顆粒硬，摩擦力卻大大增加，導(dǎo)致其最大抗拔力高于RSPⅢ。而當(dāng)預(yù)導(dǎo)孔為8.0 mm時，白乳膠能夠充分滲入預(yù)導(dǎo)孔內(nèi)壁區(qū)域的縫隙，使刨花顆粒與圓榫能夠緊密地膠粘在一起，受到拉力時，它們可以起到“整體倒刺”作用，從而又大大提高了極限抗拔力。因此在施膠條件下，基材結(jié)構(gòu)特性對極限抗拔力有重要的影響。

表2 不同預(yù)導(dǎo)孔直徑與圓榫極限抗拔力的多重對比分析Table 2 Multiple contrast analyses on round tenon’s ultimate drawing strength with different guiding-hole diameters

圖1 圓榫極限抗拔力與預(yù)導(dǎo)孔直徑的關(guān)系Fig.1 Relation between round tenon’s ultimate drawing strength and guiding-hole diameter

RSPⅡ的極限抗拔力明顯要優(yōu)于RSPⅠ，并且當(dāng)預(yù)導(dǎo)孔為7.8 mm時，二者都能達(dá)到最大的極限抗拔力，二者極限抗拔力均值分別為1.44、1.18 kN。從板材特性來看，RSPⅡ的密度和內(nèi)結(jié)合強度均要大于RSPⅠ，因而其結(jié)構(gòu)緊密性也要優(yōu)于RSPⅠ。圓榫插入秸稈板時，在同等預(yù)導(dǎo)孔條件下，摩擦力和膠合力也相應(yīng)地要大些。在整個測試區(qū)間，RSPⅡ的極限抗拔力比RSPⅠ平均高出23.4%，而RSPⅢ的極限抗拔力則平均高出29.3%。

2.3.2 板邊不同預(yù)導(dǎo)孔直徑對極限抗拔力的影響

4種基材的不同板邊預(yù)導(dǎo)孔直徑對極限抗拔力的影響如圖2所示。RSPⅠ抗拔力趨勢與其他三者存在很大的差別，其抗拔力都是隨著預(yù)導(dǎo)孔的增大而減少，最大抗拔力出現(xiàn)在預(yù)導(dǎo)孔為7.8 mm時。查看試驗記錄發(fā)現(xiàn)，當(dāng)預(yù)導(dǎo)孔為7.7 mm時，40%到60%的RSPⅠ試件又會出現(xiàn)一定程度的損壞，因而這就說明7.8 mm 是RSPⅠ預(yù)導(dǎo)孔的臨界值，在家具制造時必須要注意。

圖2 圓榫極限抗拔力與預(yù)導(dǎo)孔直徑的關(guān)系Fig.2 Relation between round tenon’s ultimate drawing strength and guiding-hole diameter

PB、RSPⅡ和RSPⅢ3種基材的極限抗拔力趨勢則比較相似，先隨著預(yù)導(dǎo)孔的增大而增大，當(dāng)達(dá)到某一最大值時，極限抗拔力就隨著預(yù)導(dǎo)孔的增大而降低，并且最大抗拔力均值都出現(xiàn)在7.9 mm時。整體來看，RSPⅢ的極限抗拔力要優(yōu)于PB和 RSPⅡ，而PB又要優(yōu)于RSPⅡ?？赡苓€是密度和板材結(jié)構(gòu)對圓榫抗拔力起著關(guān)鍵作用。密度越大，板材芯層越致密，受到膨脹外力時越不易被破壞，并且還有利于增加圓榫與預(yù)導(dǎo)孔內(nèi)壁的摩擦力。同時，PB和秸稈板相比，在膠料作用下，刨花越堅硬，間隙越多，有利于增加圓榫與預(yù)導(dǎo)孔內(nèi)壁的摩擦力和膠料滲入量，最終導(dǎo)致抗拔力的增大。因而可以推斷，圓榫安裝于稻秸稈板板邊時，在施膠條件下，密度的影響效果要大于內(nèi)結(jié)合強度。

3 結(jié) 論

（1）刨花板、稻秸稈板Ⅰ、稻秸稈板Ⅱ和稻秸稈板Ⅲ4種基材的極限抗拔力與預(yù)導(dǎo)孔直徑存在著相似的關(guān)系，即極限抗拔力都是先隨著預(yù)導(dǎo)孔的增大而增大，當(dāng)達(dá)到某一個最大值后極限抗拔力就隨著預(yù)導(dǎo)孔的增大而降低（稻秸稈板Ⅰ的板邊圓榫同樣適合該規(guī)律）。當(dāng)圓榫安裝基材板面時，若要取得最大抗拔力，PB和RSPⅢ基材的預(yù)導(dǎo)孔直徑約為7.9 mm，RSPⅠ的預(yù)導(dǎo)孔介于7.7～7.8 mm之間，而RSPⅡ的預(yù)導(dǎo)孔在7.8～7.9 mm之間。而當(dāng)圓榫安裝基材板邊時，PB和RSPⅠ基材的預(yù)導(dǎo)孔直徑應(yīng)該選擇7.8～8.0 mm的區(qū)間值；而RSPⅡ和RSPⅢ的預(yù)導(dǎo)孔則介于7.8～7.9 mm之間。

（2）圓榫安裝于基材板面和板邊時，4種基材的極限抗拔力以RSPⅢ最優(yōu)，PB次之，RSPⅡ較好，RSPⅠ最低。并且當(dāng)預(yù)導(dǎo)孔為7.9 mm時，RSPⅢ、PB 和RSPⅡ均能獲得最大的極限抗拔力均值；而當(dāng)預(yù)導(dǎo)孔為7.8 mm時，RSPⅠ則可以得到最大的極限抗拔力均值。

（3）基材密度和內(nèi)結(jié)合強度對極限抗拔力的影響非常大，同等公稱厚度，密度越高，相應(yīng)地內(nèi)結(jié)合強度和極限抗拔力越高，接合性能也越好[1]。并且，當(dāng)圓榫與稻秸稈板接合時，基材靜曲強度越小，相應(yīng)地摩擦力越大，則越有利于增加極限抗拔力。試驗證明，對于稻秸稈板基材，在施膠條件下，圓榫與RSPⅢ的極限抗拔力要優(yōu)于 RSPⅡ和RSPⅠ基材。

（4）板材結(jié)構(gòu)對抗拔力有重要影響，刨花顆粒越硬，越能增加圓榫與基材之間的摩擦力；刨花間隙越大，膠料的滲入量越充分，圓榫與刨花間的整體倒刺效應(yīng)越明顯，則抗拔力也越大。

致謝：本論文得到梅州市匯勝木制品有限公司的財政資助。

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Drawing strength of round tenon jointed to rice-straw panel

ZHU Yun1,2, HUANG Qiong-tao3, SHEN Li-ming1, SUN Hong-nan3, ZHOU Yi1,YU Na1
(1. College of Furniture and Industrial Design, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, Jiangsu, China;2. Guangdong University of Petrochemical Technology ,Maoming 525000, Guangdong, China;3. Meizhou City Huisheng Wood Products Co., Ltd., Meizhou 514600, Guangdong, China)

Rice-straw panel (RSP) is a new green furniture plate, its bonding property parameters to round tenon had great differences with medium-density fiberboard and flake-board. Considering the board’s structure, density, internal bond strength and modulus of rupture, the effects of three kinds of rice straw board and a flake-board with different pre-sprocket holes combining parameters(diameter) on the boards’ drawing strength were analyzed and compared, thus obtaining the optimum fi t parameters of different plates.It was also found that the heavier density of rice-straw particleboard the better to the ultimate drawing strength; by using white latex, the properties of the substrate particles had very signif i cant impact on the ultimate drawing strength.

fl ake-board；rice-straw particleboard；round tenon; bonding performance

S781.21

A

1673-923X(2014)09-0123-05

2014-01-12

國家林業(yè)局林業(yè)科學(xué)技術(shù)推廣項目“環(huán)境友好型秸稈板家具制造技術(shù)推廣”（編號2012-53）

朱 云（1982-），男，湖南株洲人，講師，博士生，研究方向為家具設(shè)計及室內(nèi)設(shè)計；E-mail：zhuyun0911@163.com

申黎明（1960-），男,上海人，教授，博士,研究方向為家具設(shè)計、室內(nèi)設(shè)計及人體工程學(xué)；

E-mail：shenlimingda@hotmail .com

[本文編校：謝榮秀]