竹束去青程度對竹束單板層積材物理力學(xué)性能的影響1)

鄧健超 張 丹 陳復(fù)明 王 戈 林上祿

(國際竹藤中心，北京，100102) (福建和其昌竹業(yè)有限公司)

責(zé)任編輯:戴芳天。

作為一種生物材料，竹子具有生長速度快、環(huán)境友好、強度高、表面硬度大等特點，是良好的代木材料［1］。隨著木結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展，竹材也被廣泛用作工程用結(jié)構(gòu)材，服務(wù)于橋梁、房屋房頂、腳手架等的制造［2－4］。

竹束單板層積材(BLVL)是將竹子加工成一定長度的竹片后，帚化疏解成由竹束纖維組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的纖維化單板，再經(jīng)干燥、浸膠、二次干燥、順紋組坯、熱壓而成的結(jié)構(gòu)用竹材人造板［5］。它是在傳統(tǒng)重組竹基礎(chǔ)上通過工藝改進而制造的一類新型竹基復(fù)合材料，能更好地滿足于作為工程結(jié)構(gòu)材料的使用要求。張文福［6］分析了帚化次數(shù)對竹束單板層積材物理力學(xué)性能的影響，并研究發(fā)現(xiàn)采用63℃水浸泡處理法和28h循環(huán)水煮處理法檢測板材的耐水性能更科學(xué);于雪斐［7］等對不同疏解次數(shù)后的慈竹纖維化竹單板進行了吸水性、吸膠率和吸附性能的測試;余養(yǎng)倫［8］等對不去竹青與竹黃的竹基復(fù)合集裝箱地板的尺寸穩(wěn)定性及相關(guān)力學(xué)性能進行了分析討論;于子絢［9］等研究了竹束單板層積材在不同溫濕度環(huán)境下的吸濕特性及濕熱過程中彎曲和壓縮性能變化;也有學(xué)者對其他竹材人造板在溫度濕度作用下的物理力學(xué)性能變化進行了相關(guān)研究［10－11］。由于竹青的存在對膠合產(chǎn)生不良影響，因此，研究竹束去青程度對竹束單板層積材物理力學(xué)性能影響的具有積極意義。

本研究擬以梁山慈竹(Neosinocalamus affinis)為原料，酚醛樹脂為膠黏劑，利用帚化疏解且整張化處理得到的竹束纖維單板，壓制28 mm厚的竹束單板層積材。通過工藝控制及試驗設(shè)計，重點探討不同竹束去青程度對竹束單板層積材物理力學(xué)性能的影響，并將其28 h循環(huán)水煮處理前后的力學(xué)性能進行對比分析，以期為竹束單板層積材的工業(yè)化生產(chǎn)及其在結(jié)構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域的利用提供借鑒和參考。

1 材料與方法

1．1 材料

梁山慈竹(Neosinocalamusaffinis):產(chǎn)自四川長寧，竹齡3～4 a，胸徑40～100 mm，竹壁厚度5～10 mm;

棉線:購于市場，線密度230 g/km，拉伸載荷55～70 N;

水溶性酚醛樹脂(PF)膠:福建和其昌竹業(yè)有限公司提供，固體質(zhì)量分數(shù)47%，pH值為11～12。

1．2 設(shè)備

自主研制的竹材帚化機、自主研制的竹束單板整張化(縫紉)設(shè)備、熱壓機、萬能力學(xué)試驗機、電熱恒溫干燥箱(型號101－1，上海葉拓儀器儀表有限公司生產(chǎn))、電子恒溫水浴鍋(型號HHS－6S，上海宜昌儀器紗篩廠生產(chǎn))、接觸角測試儀(OCA20)、分光測色儀(CR400，日本柯尼卡美能達)、電子數(shù)顯卡尺、天平等。

1．3 竹束單板層積材(BLVL)的制備

1．3．1 帚化、整張化及干燥

將慈竹加工成長度為500 mm的竹條，并沿縱向送入帚化機。在帚化機展平輥、鋼刷和帚化齒的作用下，使竹片展開，竹束纖維縱向疏解和橫向分離，且竹青竹黃面上影響膠合的蠟質(zhì)層被刷去或脫落，進而得到縱向基本保持竹纖維強度、橫向松散連接，且具有一定幅寬及厚度的竹束;采用棉線對竹束進行橫向多點連接，形成整張化的竹束單板;將竹束單板置于干燥窯(101±2)℃中干燥至含水率為5%～6%。

通過調(diào)節(jié)竹材帚化機去青裝置參數(shù)，得到不同去青程度的竹束，編號為A、B、C、D4組(A:完全去青的竹束，B:去青程度較高的竹束，C:去青程度較低的竹束，D:沒有去青的竹束)，如圖1所示。

圖1 不同去青程度的竹束實物圖

1．3．2 浸膠、干燥

配置固體質(zhì)量分數(shù)為30%的酚醛樹脂膠液，并將整張化處理后的竹束單板置于其中浸漬8 min，取出至表面膠黏劑不再滴落，將其送入隧道窯(溫度為50℃～60℃)中干燥至含水率為11%～12%。

1．3．3 組坯、熱壓

按照目標密度為1．0 g/cm3，采用順紋層積組坯(13層，竹青面向外，即組坯時上面6層均為竹青面向上，下面7層均為竹青面向下)，采用“冷進冷出”熱壓工藝制備竹束及竹束單板層積材(BLVL)，熱壓溫度150℃，熱壓時間40 min;板材的規(guī)格為500 mm×400 mm×28 mm。

1．4 竹束及竹束單板層積材(BLVL)的性能測試

1．4．1 竹束的顏色分析

按照國際照明委員會CIE(L*a*b*)標準色度學(xué)理論，采用分光測色儀，對不同去青程度的竹束A、B、C、D的材色進行定量表征，每個試件靠近竹青端的平面，取3個測點，試樣重復(fù)數(shù)為3個。測試主要物理參數(shù):明度(L*)、紅綠軸色度指數(shù)(a*)、黃藍軸色度指數(shù)(b*)。L*、a*、b*均有正負值之分。其中，L+表示偏白，L－表示偏黑;a+表示偏紅，a－表示偏綠;b+表示偏黃，b－表示偏藍。通過式(1)計算出去青竹束與未去青竹束的色差(ΔE*)［12］，用以量化區(qū)分竹束去青的程度。

式中:ΔL*、Δa*、Δb*分別表示竹束去青前后的L*、a*、b*差值。

1．4．2 竹束接觸角測試

利用接觸角測試儀(液滴為固體質(zhì)量分數(shù)為30%的酚醛樹脂膠)對不同去青程度的竹束A、B、C、D進行表面接觸角測試，用以區(qū)分不同表面對PF膠的浸潤性，每個試件靠近竹青端的平面，取3個測點。試樣重復(fù)數(shù)量為3個。

1．4．3 竹束單板層積材的物理性能測試

結(jié)構(gòu)用竹束單板層積材在使用過程中環(huán)境變化比較復(fù)雜，尺寸穩(wěn)定性是衡量其性能優(yōu)劣的重要指標。本研究采用規(guī)格為75 mm×75 mm×28 mm的試件，對其進行28 h循環(huán)水煮處理，測量并計算各試件通過時間節(jié)點(4、24、28 h)的吸水厚度膨脹率。28 h循環(huán)水煮處理操作如下:將試件浸入(100±2)℃沸水中煮4 h，取出后將試件分開平放在(63±3)℃的鼓風(fēng)干燥箱中干燥20 h，再浸入(100±2)℃沸水中煮4 h。試件經(jīng)歷每個階段取出后，均擦去其表面附著的水，并在室溫下冷卻10 min后，進行厚度的測量，并對相應(yīng)的吸水厚度膨脹率進行計算(式2)。試樣重復(fù)數(shù)為5塊。

式中:W為板材的吸水厚度膨脹率(%);Ht為試件經(jīng)過任意一個處理階段后的厚度(mm);H0為試件未處理時的厚度(mm)。

1．4．4 竹束單板層積材的力學(xué)性能測試

按規(guī)格460 mm×50 mm×28 mm鋸制試件，參照GB/T 17657—1999《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》，對28 h循環(huán)水煮處理前后的試件進行靜曲強度和彈性模量的測定;參照GB/T 20241—2006《單板層積材》鋸取試件，對28 h循環(huán)水煮處理前后的試件進行水平剪切強度(垂直加載與平行加載)的測定。

2 結(jié)果與分析

2．1 不同去青程度的竹束的材色

不同去青程度的慈竹竹束材色參數(shù)L*、a*、b*如表1所示。可以看出，隨著竹束去青程度的增大，其明度L*呈上升的趨勢，在視覺上表現(xiàn)為竹束顏色變亮;紅綠軸色度指數(shù)a*逐漸增加，說明竹束表面的顏色向綠色反方向變化;黃藍軸色度指數(shù)b*逐漸增加，說明竹束表面的顏色向黃色正方向變化。

去青竹束與未去青竹束的總體色差隨著去青程度的提高而增大。在帚化工序中，鋼刷被調(diào)至4個不同的高度，呈綠色的竹青部分被不同程度地刮去。隨著鋼刷端部與竹材竹青面的間距縮小，被刮去的竹青量加大，逐漸顯露出竹肉部分，在視覺上表現(xiàn)為竹束顏色由綠變黃綠再變黃。

表1 竹束的材色

2．2 竹束單板層積材的尺寸穩(wěn)定性

表2為不同去青程度的竹束制得的竹束單板層積材分別經(jīng)過28 h循環(huán)水煮處理過程中3個階段的吸水厚度膨脹率?？梢钥闯觯袷デ喑潭仍礁?，其制得的板材尺寸穩(wěn)定性更優(yōu)。經(jīng)過4 h的水煮處理后，吸水厚度膨脹率從小到大依次為A、B、C、D，因為去青程度從大到小依次為A、B、C、D，而竹青中含有為數(shù)不少的蠟質(zhì)(主要成分為高級脂肪酸)和SiO2，對竹材的潤濕性及膠合影響較大［13］。竹青越多，界面結(jié)合越不良，水更容易進入板材內(nèi)部，產(chǎn)生膨脹。

經(jīng)試驗測得，A、B、C、D四組竹束的靜態(tài)接觸角分別為46．50°±7．88°、73．72°±2．34°、80．28°±8．44°、87．28°±3．73°。竹束去青程度越高，其靜態(tài)接觸角越小(均小于90°)，說明酚醛膠對竹束表面的潤濕性越好，在材料表面的附著越均勻致密，在熱壓成板過程中形成更好的膠合。因此，A組板材的內(nèi)部竹束單板間膠合效果更好，尺寸變形較小。經(jīng)過4 h沸水煮后，吸水厚度膨脹率僅為4．75%，即使經(jīng)過28 h循環(huán)水煮處理，吸水厚度膨脹率在6%以內(nèi)，與4 h水煮的吸水厚度膨脹率相比，增幅在1%以內(nèi);經(jīng)過(63±3)℃干燥處理后，殘余變形在1%以內(nèi)。

表2 竹束單板層積材的吸水厚度膨脹率

從表2中還可以看到，28 h的吸水厚度膨脹率大于4 h的吸水厚度膨脹率，這可能是因為板材經(jīng)歷了濕脹與干縮，內(nèi)部應(yīng)力得到一定的釋放，容水空間增多，吸水量增大。本試驗范圍內(nèi)，A、B組竹束單板層積材經(jīng)過28 h循環(huán)處理后的厚度膨脹率分別為5．66%和6．30%，比文獻［6］中試驗得到的值7．77%小。這是由于本試驗A、B組板材含竹青的量較文獻中小，而竹青的存在導(dǎo)致膠黏劑附著情況不佳，竹青越多，界面結(jié)合越不良，水更易進入板材內(nèi)部，產(chǎn)生膨脹，尺寸變化較大。

2．3 竹束單板層積材的力學(xué)性能

2．3．1 靜曲強度與彈性模量

對不同去青程度的竹束制得的竹束單板層積材試件進行靜曲強度和彈性模量檢測，結(jié)果如表3所示?？芍?8 h循環(huán)處理前，板材的靜曲強度從大到小依次為C、A(B)、D，彈性模量從大到小依次為C、A(B、D)。這可能是因為C組竹束去青程度較低，保留的竹青較多，因此破壞載荷較大;D組保留的竹青最多，但由于本實驗采取的是L=15H(L為跨距，H為板材厚度)，D組試樣膠層剪切強度低，短梁剪切效應(yīng)產(chǎn)生了附加影響，更加降低了強度。

在測試過程中，發(fā)現(xiàn)A、B組從加載至試件破壞，時間較長，破壞方式多為纖維拉斷及膠層開裂，屬于延性破壞;C、D組從加載至試件破壞，時間較短，破壞方式多為膠層貫穿式開裂，屬于脆性破壞。

表3 28 h循環(huán)處理前后竹束單板層積材的靜曲強度與彈性模量

從表3還可以看出，28 h循環(huán)處理后，板材的靜曲強度與彈性模量值均有一定程度的削減。經(jīng)過水循環(huán)處理后，板材發(fā)生濕脹形變與干縮形變的交替作用，部分膠層發(fā)生一定程度的剝離，板材已經(jīng)不作為一個整體在受力，因而靜曲強度與彈性模量值有所減小。C、D組板材的竹束單元去青程度較低，酚醛膠對竹束的潤濕效果較差，導(dǎo)致C、D竹束單板層積材組經(jīng)過循環(huán)處理后，膠層發(fā)生嚴重剝離，表現(xiàn)為靜曲強度與彈性模量值的較大削減。其中，處理前后的靜曲強度與彈性模量值均為D組最低，彈性模量為17．25 GPa，但其變異系數(shù)較大，說明大量竹青的存在對板材性能影響很大。

2．3．2 水平剪切強度

表4為不同去青程度竹束制得的竹束單板層積材試件的水平剪切強度測試結(jié)果?？芍?8 h循環(huán)處理前A、B、C、D 4組的干態(tài)水平剪切強度值差別不大，D組略大于其他組，這說明此時的測得值主要體現(xiàn)的是竹材本身的材料強度。

28 h循環(huán)處理后，D組板材的水平剪切強度最小，即D組發(fā)生了最大程度的強度衰減，衰減率達31．39%～46．79%。在溫度與水分的共同作用下，板材內(nèi)部發(fā)生較為復(fù)雜的形變行為。隨著竹束單元的收縮與膨脹，膠層受到相應(yīng)的拉伸與壓縮，應(yīng)力得到釋放，膠層對板材整體所起的"膠合效應(yīng)"得到逐步擴大。此時膠層的效應(yīng)強于材料本身屬性所起的效應(yīng)，因而測得的水平剪切強度值主要反映的是板材的膠合性能。

竹青的存在對板材的水平剪切強度影響很大。隨著去青程度的降低，板材的干態(tài)水平剪切強度稍稍增大，但相應(yīng)的處理后的板材強度值表現(xiàn)出更高的削減率;不去青對竹束單板層積材強度降低的影響是最大的。

表4 28 h循環(huán)處理前后竹束單板層積材的水平剪切強度

28 h循環(huán)處理前后，4組板材的水平剪切強度均有一定程度的削減，且削減率為A、B組小于C、D組。這表明A、B組板材膠合性能較好，在溫濕度變化環(huán)境中具備較好的適應(yīng)性與穩(wěn)定性。對照GB/T 20241—2006《單板層積材》中關(guān)于“結(jié)構(gòu)用單板層積材水平剪切強度”的規(guī)定，A、B、C、D組均能達到最高水平剪切強度級別65V—55H，這是因為該標準主要針對的是木質(zhì)單板層積材，而本試驗制得的竹束單板層積材密度較大，為1．0 g/cm3，因此水平剪切強度較標準規(guī)定值高;對照《重組竹》(報批稿，由中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所等單位起草)中關(guān)于“室外用重組竹水平剪切強度”的規(guī)定，A、B、C組均符合標準要求，達到9V—12H級別，而D組不符合標準要求，這再次說明不去青對竹束單板層積材強度降低的影響是最大的。

3 結(jié)論

利用分光測色儀測得的竹束材色參數(shù)L*、a*、b*可以量化判定去青的程度，對相應(yīng)的竹束單板層積材性能的預(yù)測具有一定指導(dǎo)意義。

竹束去青程度越高，竹束表面的靜態(tài)接觸角越小，酚醛膠對竹束表面的潤濕性越好，竹束—膠黏劑—竹束結(jié)合越好，其制得的竹束單板層積材的尺寸穩(wěn)定性越好。

竹青的存在對竹束單板層積材的強度影響很大。隨著去青程度的提高，板材的干態(tài)靜曲強度、彈性模量和水平剪切強度變化不大或稍有減小，但相應(yīng)的處理后板材均表現(xiàn)出更小的強度削減率;不去青對竹束單板層積材強度降低的影響是最大的。試驗范圍內(nèi)，A、B組去青程度的竹束制得的竹束單板層積材在溫濕度變化環(huán)境中具有較好的穩(wěn)定性和適應(yīng)性。

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