家具用馬尾松單板層積材力學(xué)性能的研究

饒 鑫，衛(wèi)佩行＊，張 悅，竇延光

（1.江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 句容212400；2.陜西省林業(yè)工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站，陜西 西安710082）

松木家具在西歐、北美、日本、新加坡及日本等地區(qū)均有很大的市場，特別是以松木制作的廚房、室外野餐配套家具更是倍受歡迎［1-3］。馬尾松是我國特有的速生樹種，分布廣、生長快、質(zhì)量高［4］，且木材花紋漂亮。然而馬尾松的開發(fā)利用尚處于低附加值的初級階段。由于馬尾松富含松脂，在加工利用過程中松脂溢出會污染材面，影響膠合和油漆，因此一般情況下，馬尾松板材在使用前應(yīng)進(jìn)行脫脂處理［5-7］。根據(jù)前人研究，馬尾松單板脫脂后力學(xué)性能下降，而采用酚醛樹脂膠粘劑可以使未脫脂馬尾松膠合板實(shí)現(xiàn)完美膠合［8］。另外，膠粘劑的用量對單板層積材的物理力學(xué)性能影響甚?。?］。正因?yàn)槿绱?，若將馬尾松制成單板層積材，可大大提高木材利用率，同時又不增加太多成本，用于家具制造則不失為新型優(yōu)質(zhì)家具材料。鑒于此，本文嘗試采用未脫脂馬尾松單板和酚醛樹脂膠粘劑制造單板層積材，采用隨機(jī)激勵功率譜法測量單板層積材的動態(tài)彈性模量和三點(diǎn)靜態(tài)彎曲試驗(yàn)測試單板層積材的靜態(tài)彈性模量、靜曲強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度以檢驗(yàn)材料性能，以期為家具制造提供1種新材料。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

材料：馬尾松單板取自安徽六安某膠合板廠，尺寸為600mm×600mm×1.9mm，初始含水率為12%左右。在使用前，將單板置于熱壓機(jī)100℃壓板溫度下進(jìn)行干燥，使之含水率低于5%；酚醛樹脂來自南京某化工企業(yè)，固含量為45%。

設(shè)備：XLB型平板硫化機(jī)，中國青島亞東橡機(jī)有限公司；恒溫恒濕箱，無錫伯樂達(dá)試驗(yàn)設(shè)備有限公司；萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，深圳新三思有限公司；安正振動及動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)包括加速度計(jì)，南京安正軟件有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)前文研究［10］，單板單面涂膠，涂膠量為120 g·m-2。15張涂膠單板按照順紋組坯成1張單板層積材板坯，共壓制12張單板層積材，4張為1組，分3組。板坯放置在熱壓機(jī)中進(jìn)行熱壓，熱壓參數(shù)為：熱壓溫度140℃，熱壓時間30min，熱壓壓力1.2MPa。板坯熱壓后放置冷卻24h后，按圖1所示將其中1組的2張板子鋸切成彈性模量和靜曲強(qiáng)度測試所需尺寸（垂直加載試件：600mm×40mm×25mm；平行加載試件：600mm×25mm×25mm）。如圖2所示將組中另外2張板子鋸切成水平剪切強(qiáng)度測試所需尺寸（垂直加載試件：150mm×40mm×25mm；平行加載試件：150mm×25mm×25mm）。其余2組作為重復(fù)試驗(yàn)，試件制取方法同上。

圖1 單板層積材彈性模量和靜曲強(qiáng)度測試試件的制取Fig.1 LVL specimens＇preparation for modulus of elasticity（MOE）and modulus of rupture（MOR）

圖2 單板層積材水平剪切強(qiáng)度測試試件的制取Fig.2 LVL specimens'preparation for horizontal shear strength

1.2.1 馬尾松單板層積材動態(tài)彈性模量測試 試件制取完成后，放入恒溫恒濕箱中，在溫度為20℃±2℃、相對濕度為65%條件下平衡至含水率為12%，然后進(jìn)行動態(tài)彈性模量測試。測試過程（圖3）：將1只加速度計(jì)安裝于單板層積材懸臂梁的自由端，通過數(shù)據(jù)采集箱和計(jì)算機(jī)，運(yùn)行振動及動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)軟件，利用頻譜分析來測定單板層積材的第1階固有頻率f1，并根據(jù)公式（1）計(jì)算出Ed值［11］。

式中，M是加速度計(jì)的質(zhì)量（g），m是梁的質(zhì)量（g），f1是基頻（Hz），l是梁的長度（mm），b是梁的寬度（mm），I是梁的高度（mm）。

圖3 試件動態(tài)彈性模量測試試驗(yàn)Fig.3 Test diagram of LVL beam dynamic modulus of elasticity（MOE）

1.2.2 馬尾松單板層積材靜態(tài)力學(xué)性能測試 試件動態(tài)彈性模量測試完成后，再用萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行馬尾松單板層積材靜態(tài)力學(xué)性能測試（圖4、圖5）。

圖4 單板層積材彈性模量和靜曲強(qiáng)度的測試（三點(diǎn)彎曲）Fig.4 Test of LVL MOE and MOR （three-points bending）

圖5 單板層積材水平剪切強(qiáng)度的測試（三點(diǎn)彎曲）Fig.5 Test of LVL horizontal shear strength（three-points bending）

2 結(jié)果與分析

2.1 馬尾松單板層積材動態(tài)彈性模量測試

圖6為實(shí)測的某一馬尾松單板層積材試材頻譜。頻譜中，其橫坐標(biāo)表示頻率（Hz），縱坐標(biāo)為功率量（dB）。將測得的數(shù)據(jù)帶入式（1），并將計(jì)算結(jié)果取平均值得：Ed=6 354MPa（502MPa）（括號內(nèi)為標(biāo)準(zhǔn)偏差）。

圖6 頻譜圖Fig.6 Frequency spectrum

2.2 馬尾松單板層積材靜態(tài)力學(xué)性能測試

2.2.1 馬尾松單板層積材靜態(tài)彈性模量和靜曲強(qiáng)度的測試 對馬尾松單板層積材試件按照上述方法進(jìn)行靜態(tài)彈性模量和靜曲強(qiáng)度測試（圖7、圖8）。

圖7 馬尾松單板層積材靜態(tài)彈性模量測試結(jié)果Fig.7 Static MOE of P.massoniana LVL

從圖7和圖8可以看出，馬尾松單板層積材靜態(tài)彈性模量和靜曲強(qiáng)度的變異性非常大，這是由于馬尾松材性變異大所決定的；盡管在不同加載（垂直加載和平行加載）條件下，測得的馬尾松單板層積材彈性模量和靜曲強(qiáng)度有數(shù)值上的差異，但是根據(jù)t檢驗(yàn)（給定顯著性水平α=0.05），加載方式對馬尾松單板層積材的縱向力學(xué)性能無顯著性影響；馬尾松單板層積材平均靜態(tài)彈性模量6 231MPa，最小靜態(tài)彈性模量為5 017MPa；靜曲強(qiáng)度45.5MPa，最小靜曲強(qiáng)度為34MPa，滿足家具用材要求。

另外，比較單板層積材動態(tài)彈性模量（6 231 MPa）和靜態(tài)彈性模量（6 354MPa），可以發(fā)現(xiàn)動態(tài)彈性模量和靜態(tài)彈性模量基本吻合。

圖8 馬尾松單板層積材靜曲強(qiáng)度測試結(jié)果Fig.8 MOR of P.massoniana LVL

2.2.2 馬尾松單板層積材水平剪切強(qiáng)度 對馬尾松單板層積材試件按照上述方法進(jìn)行水平剪切強(qiáng)度測試［12］（表1）。

從表1可以看出，馬尾松單板層積材平行加載下的水平剪切強(qiáng)度大于垂直加載條件下的水平剪切強(qiáng)度。這是因?yàn)槟静募羟袕?qiáng)度大于膠層剪切強(qiáng)度，平行加載時單板層積材的剪切破壞主要是木材剪切順紋破壞導(dǎo)致，而垂直加載時單板層積材的剪切破壞主要是膠層剪切破壞導(dǎo)致。

表1 馬尾松單板層積材水平剪切強(qiáng)度Table 1 Horizontal shear strength of P.massoniana LVL

3 結(jié)論與討論

馬尾松單板層積材的力學(xué)性能盡管變異性大，但馬尾松單板層積材平均彈性模量6 231MPa，靜曲強(qiáng)度45.5MPa，能滿足家具用材的需要；

根據(jù)FPL的結(jié)論，三點(diǎn)靜態(tài)彎曲條件下，跨高比越大，剪切效應(yīng)越低［13］。本文中試件跨高比超過20，根據(jù)歐拉-伯努利假設(shè)，可以忽略剪切效應(yīng)。在懸臂梁自由端方式下，采用隨機(jī)激勵功率譜法測量馬尾松單板層積材的動態(tài)彈性模量Ed［11］。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨機(jī)激勵功率譜法測定的馬尾松單板層積材動態(tài)彈性模量和三點(diǎn)彎曲測定的靜態(tài)彈性模量基本吻合。從試驗(yàn)上佐證了以下推論：一是三點(diǎn)彎曲在跨高比較大的情況下，可以代替四點(diǎn)彎曲測試材料的靜態(tài)彈性模量；二是試驗(yàn)精度允許的情況下，采用隨機(jī)激勵功率譜法測定的材料動態(tài)彈性模量可以反映材料的靜態(tài)彈性模量。

根據(jù)復(fù)合材料力學(xué)，串聯(lián)模型和并聯(lián)模型沿纖維方向的宏觀縱向拉伸彈性模量表達(dá)式一致［15］，另外梁的彎曲模量和縱向拉伸彈性模量近似相等［15］。因此，可推導(dǎo)出垂直加載和平行加載條件下的彈性模量相同。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，馬尾松單板層積材垂直加載和平行加載條件下的彈性模量基本相同。說明理論推導(dǎo)和試驗(yàn)結(jié)果相吻合。

馬尾松單板層積材平行加載下的水平剪切強(qiáng)度大于垂直加載條件下的水平剪切強(qiáng)度。由于木材剪切強(qiáng)度大于膠層剪切強(qiáng)度，馬尾松單板層積材平行加載下的水平剪切強(qiáng)度大于垂直加載條件下的水平剪切強(qiáng)度。

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