竹束單板層積材連續(xù)成板預(yù)壓密實(shí)化的工藝及性能1)

李海棟 陳復(fù)明 王戈

(國際竹藤中心，北京，100102)

竹束單板層積材(BLVL)是纖維化竹束單板經(jīng)整張化、浸漬膠黏劑、干燥、順紋組坯等工藝后，通過冷壓熱固化或熱壓固化而成的新型竹基復(fù)合材料，具有力學(xué)強(qiáng)度高、尺寸穩(wěn)定性好及竹材利用率高等優(yōu)點(diǎn)［1-3］。隨著經(jīng)濟(jì)生活水平的提高，大尺寸、大規(guī)格的竹制工程材料越來越受到人們的青睞，但目前我國生產(chǎn)竹人造板產(chǎn)品的壓機(jī)幅面一般為1．22 m×2．44 m，加工大規(guī)格產(chǎn)品生產(chǎn)能力不足，主要以冷壓拼長和接寬膠合為主［4］。連續(xù)壓機(jī)的投資較大，且適用于竹基復(fù)合材料連續(xù)化生產(chǎn)的設(shè)備有待研發(fā)。針對如何利用我國現(xiàn)有的普通幅面熱壓機(jī)制備大尺寸的竹質(zhì)工程材料，本研究提出采用酚醛樹脂膠(PF)和聚醋酸乙烯乳液膠(PVAc)混配膠液浸漬纖維化竹束單板工藝來增加板坯的初黏性和預(yù)壓性能，同時(shí)為更好地利用預(yù)壓—間歇式熱壓工藝制備連續(xù)長度竹束單板層積材提供新思路［5-8］。

預(yù)壓是間歇式熱壓工藝制造連續(xù)長度BLVL 前期的關(guān)鍵步驟之一，預(yù)壓性能的好壞亦直接關(guān)系到間歇式熱壓及后續(xù)工藝過程能否順利進(jìn)行。通過預(yù)壓可排除各層竹束單板間的大量空氣，保證板坯具有一定的密實(shí)度和初始結(jié)合強(qiáng)度，防止其在運(yùn)輸過程中發(fā)生塌散，同時(shí)為間歇熱壓制造連續(xù)長度BLVL 奠定基礎(chǔ)［9-10］。

酚醛樹脂膠(PF)是BLVL 生產(chǎn)中的常用膠黏劑，具膠合強(qiáng)度高、耐水性能好等優(yōu)點(diǎn)，但作為熱固性膠黏劑，初黏性較差。在竹束單板預(yù)壓過程中，有研究表明90 ℃以上溫度才能使其密實(shí)成坯，但由此制得板材的力學(xué)性能會(huì)由于膠黏劑的預(yù)固化而發(fā)生明顯的降低［3，9］。聚醋酸乙烯乳液膠(俗稱白乳膠，PVAc)，是一種具有良好初始粘結(jié)強(qiáng)度、可在室溫固化的環(huán)保型熱塑性膠黏劑［11］?；谏鲜鰞煞N膠黏劑的特性，本研究將竹束單板浸漬于PVAc 與PF 不同配比的混合膠液中，研究不同m(PF)∶ m(PVAc)、預(yù)壓時(shí)間和預(yù)壓溫度對預(yù)壓板坯性能的影響，并研究不同m(PF)∶m(PVAc)對BLVL 力學(xué)性能的影響，以期為連續(xù)成板工藝和大跨度BLVL的制備提供依據(jù)和工藝參考。

1 材料和方法

1．1 材料

纖維化竹束單板:梁山慈竹(Dendrocalamus farinosus)取自四川省長寧縣，竹齡3～5 a，竹壁厚度2～5 mm，纖維化竹束單板的疏解工藝同文獻(xiàn)［1］，氣干至含水率(MC)為:10%～12%。膠黏劑:水溶性酚醛樹脂膠(PF)，北京太爾化工有限公司，固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45．40%;聚醋酸乙烯乳液膠黏劑(PVAc)，上海漢高黏合劑有限公司，固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為27%。

1．2 預(yù)壓竹束板坯的制備

將PF 和PVAc 分別稀釋至固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)17%，然后按m(PF)∶m(PVAc)=2 ∶1、4 ∶1、6 ∶1、8 ∶1、10 ∶1 混合備用。加工好的竹束單板分別浸漬于不同混合膠液中，7 min 后取出干燥，含水率控制在14%左右［5］，待用。

將6 層浸膠干燥后的竹束單板順紋組坯后預(yù)壓，預(yù)壓壓力為3 MPa，預(yù)壓溫度包括以下兩種:①常溫預(yù)壓，預(yù)壓時(shí)間設(shè)定為:30、60、90 min(30 min 預(yù)壓板坯易散坯，故舍去);②加溫預(yù)壓，預(yù)壓溫度設(shè)定為40、50、60 ℃(預(yù)壓時(shí)間30 min)，時(shí)間設(shè)定為5、10、15、30 min(預(yù)壓溫度50 ℃)。利用單因素分析方法探究預(yù)壓時(shí)間、m(PF)∶m(PVAc)、預(yù)壓溫度對板坯預(yù)壓性能的影響。

1．3 竹束單板層積材的制備

利用較優(yōu)的預(yù)壓工藝(預(yù)壓溫度50 ℃，預(yù)壓時(shí)間15 min)對板坯進(jìn)行預(yù)壓密實(shí)化后，對不同m(PF)∶m(PVAc)的預(yù)壓板坯進(jìn)行坯熱壓，以純PF膠液作為對照樣。熱壓壓力3 MPa，熱壓溫度150℃，熱壓時(shí)間1 mm/min，目標(biāo)密度為1．0 g/cm3，尺寸300 mm×140 mm×12．5 mm。

1．4 物理力學(xué)性能測試

厚度回彈測試:采用數(shù)顯百分表對預(yù)壓后板坯中心位置的厚度回彈量進(jìn)行測試，測試時(shí)間為2 h，各個(gè)時(shí)間點(diǎn)間隔為10 s。在不同處理?xiàng)l件下，每組重復(fù)樣為6 個(gè)。

力學(xué)性能:參照GB/T 20241—2006《單板層積材》和GB/T 17657—1999《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對預(yù)壓板材及竹束單板層積材水平剪切強(qiáng)度、彈性模量和靜曲強(qiáng)度進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與分析

2．1 m(PF)∶m(PVAc)對板坯厚度膨脹率和水平剪切強(qiáng)度的影響

圖1 為不同m(PF)∶m(PVAc)下預(yù)壓板坯厚度膨脹率與時(shí)間的關(guān)系曲線?？芍?隨時(shí)間的延長和m(PF)∶m(PVAc)的增大，預(yù)壓板坯厚度膨脹率增加;50 ℃條件下預(yù)壓板坯的厚度膨脹率顯著低于20 ℃時(shí)的，這表明加溫預(yù)壓能顯著提高預(yù)壓板坯的尺寸穩(wěn)定性。竹材屬于黏彈性材料，受壓縮作用力后，成板板坯的內(nèi)應(yīng)力會(huì)釋放，引起板坯的回彈和尺寸穩(wěn)定性變化。白乳膠是熱塑性膠黏劑，在壓力和熱作用下樹脂分子通過物理及化學(xué)鍵等作用和竹材纖維分子相互結(jié)合。壓力作用時(shí)樹脂分子鏈呈卷曲狀，卸壓后由于大分子鏈的熱運(yùn)動(dòng)使其恢復(fù)伸長，從而表現(xiàn)出回彈［12］。溫度越高，熱塑性樹脂分子鏈部分發(fā)生塑性變形越明顯，在溫度降低后得以固定程度越穩(wěn)定，回彈量降低，故加溫使得預(yù)壓板坯尺寸穩(wěn)定性提高。

圖1 不同m(PF)∶m(PVAc)預(yù)壓板坯厚度膨脹率與時(shí)間關(guān)系曲線

在20 ℃和50 ℃條件下，預(yù)壓板坯的厚度膨脹量均隨m(PF)∶m(PVAc)的增大而增加，表明增加PVAc 可以改善預(yù)壓板坯的尺寸穩(wěn)定性。由于PVAc 為常溫固化型膠黏劑，在相同浸漬時(shí)間內(nèi)，m(PF)∶m(PVAc)越小(PVAc 膠量比例越高)，竹束單板吸收PVAc 量越大，使板材在預(yù)壓過程中能夠較好結(jié)合，即宏觀表現(xiàn)為預(yù)壓板坯的厚度膨脹率較小，尺寸穩(wěn)定性越好。

在50 ℃預(yù)壓條件下，厚度膨脹率增加量均低于2．0%，明顯低于室溫預(yù)壓板坯的厚度膨脹率;m(PF)∶m(PVAc)= 6 ∶1 時(shí)，板坯的厚度膨脹率呈現(xiàn)跳躍式微量增加;在120 min 時(shí)板坯的厚度膨脹率僅為0．18%，與m(PF)∶m(PVAc)為8 ∶1 和10 ∶1 時(shí)相比，大幅降低。由于PVAc 膠黏劑的固化速率與溫度有一定關(guān)系，在一定范圍內(nèi)溫度越高，固化速率越快;另一方面PVAc 為熱塑性膠，軟化點(diǎn)一般為45 ～90 ℃，從而使得一些在竹束單板干燥過程中發(fā)生預(yù)固化的膠黏劑在50 ℃時(shí)塑化后重新固化，提高預(yù)壓板坯的結(jié)合強(qiáng)度［13］。

由表1 可知，預(yù)壓板坯的水平剪切強(qiáng)度隨m(PF)∶m(PVAc)的增大而減小，且變化趨勢符合指數(shù)模型(這是這個(gè)模型的具體表達(dá)形式，容易引起誤解故刪除)y=A1×exp(-x/t)+y1的規(guī)律，擬合方程分別為:20 ℃預(yù)壓60 min 為y=-0．002 3exp(x/1．62)+2．52，R2=0．999;20 ℃預(yù)壓60 min 為y=-0．51exp(x/7．86)+3．52，R2=0．941;50 ℃預(yù)壓30 min為y=5．46exp(-x/3．06)+4．46，R2=0．997。m(PF)∶m(PVAc)從2 ∶1 增大到10 ∶1，常溫預(yù)壓時(shí)(20℃)，延長預(yù)壓時(shí)間對提高板材的水平剪切強(qiáng)度影響較小，而加溫預(yù)壓能顯著提高板材的水平剪切強(qiáng)度。當(dāng)m(PF)∶m(PVAc)＜6 ∶1 時(shí)，常溫預(yù)壓90 min 板坯的水平剪切強(qiáng)度比預(yù)壓60 min 的略有提高，m(PF)∶m(PVAc)＞6 ∶1 時(shí)與預(yù)壓60 min 基本一致。在50 ℃、m(PF)∶m(PVAc)≤6 ∶1 時(shí)，預(yù)壓板坯的水平剪切強(qiáng)度大幅提高。以上分析表明:m(PF)∶m(PVAc)≤6 ∶1 時(shí)，預(yù)壓板坯的結(jié)合強(qiáng)度較好。

表1 不同m(PF)∶m(PVAc)、溫度和預(yù)壓時(shí)間下預(yù)壓板坯的水平剪切強(qiáng)度

2．2 加溫預(yù)壓對板坯水平剪切強(qiáng)度的影響

加溫預(yù)壓法能明顯改善預(yù)壓板坯的物理力學(xué)性能，當(dāng)m(PF)∶m(PVAc)＜等于6 ∶1 時(shí)，預(yù)壓板坯的回彈率較小，水平剪切強(qiáng)度亦有較大程度提高;在后續(xù)試驗(yàn)中選取m(PF)∶m(PVAc)= 6 ∶1，在不同加溫條件下對板坯預(yù)壓性能進(jìn)行研究。

表2 為加溫條件下預(yù)壓溫度和預(yù)壓時(shí)間對板坯預(yù)壓性能的影響。可以看出，在一定范圍內(nèi)預(yù)壓板坯的水平剪切強(qiáng)度隨預(yù)壓溫度增加而提高。但預(yù)壓溫度不宜過高，因?yàn)轭A(yù)壓溫度過高會(huì)導(dǎo)致酚醛樹脂預(yù)固化程度增加，從而降低熱壓板材的膠合性能;另一方面造成能源浪費(fèi)，影響板材最終成本。因此建議板材的預(yù)壓溫度為50～60 ℃。

表2 預(yù)壓工藝對板坯水平剪切強(qiáng)度的影響

一定時(shí)間范圍內(nèi)，預(yù)壓時(shí)間的延長能提高預(yù)壓板坯的水平剪切強(qiáng)度。當(dāng)預(yù)壓時(shí)間由5 min 提高到10、15 和30 min 時(shí)，預(yù)壓板坯的水平剪切強(qiáng)度分別增加了2．69%、22．64%和41．30%。可見，預(yù)壓時(shí)間設(shè)置在15 min 以上時(shí)，預(yù)壓板坯的水平剪切強(qiáng)度明顯增大，但過長的預(yù)壓時(shí)間會(huì)影響生產(chǎn)效率、增加PF 膠的預(yù)固化程度，故建議預(yù)壓時(shí)間為15 ～30 min。

2．3 m(PF)∶m(PVAc)對竹束單板層積材力學(xué)性能的影響

采用預(yù)壓—熱壓法工藝，制備了不同m(PF)∶m(PVAc)的BLVL，板材彎曲性能如表3 所示。方差分析表明，不同m(PF)∶m(PVAc)的BLVL 均表現(xiàn)出較高的抗彎性能，即彈性模量和靜曲強(qiáng)度均與對照之間無顯著差異(p＞0．05)。這表明適量加入PVAc 對BLVL 彎曲性能無顯著影響。不同m(PF)∶m(PVAc)板材的密度基本相同且均勻性較好，試件的破壞形態(tài)均為受拉側(cè)纖維拉斷破壞，沒有出現(xiàn)膠層處破壞，這表明竹束纖維的抗拉性能得以充分發(fā)揮。

表3 不同m(PF)∶m(PVAc)的竹束單板層積材主要物理力學(xué)性能

水平剪切強(qiáng)度是表征竹束單板各層之間膠合性能的指標(biāo)，不同m(PF)∶m(PVAc)制備的BLVL 水平剪切強(qiáng)度性能如表3 所示。多重比較可知:m(PF)∶m(PVAc)= 2 ∶1、4 ∶1 時(shí)制備的BLVL 的水平剪切強(qiáng)度與m(PF)∶m(PVAc)= 6 ∶1、8 ∶1、10 ∶1 及對照樣的水平剪切強(qiáng)度在0．05 水平下有顯著差異;采用m(PF)∶m(PVAc)= 6 ∶1、8 ∶1、10 ∶1制備的BLVL 水平剪切強(qiáng)度與對照樣之間無顯著差異，而m(PF)∶m(PVAc)= 2 ∶1、4 ∶1 制備的BLVL 水平剪切強(qiáng)度顯著低于對照樣。PVAc 為熱塑性膠黏劑，PVAc 的比例增加到一定程度時(shí)，會(huì)對竹束單板層積材膠合界面產(chǎn)生不利影響［14］。而當(dāng)m(PF)∶m(PVAc)≥6 ∶1 時(shí)，竹束單板層積材的水平剪切強(qiáng)度與對照樣接近一致，即板材具有較好的膠合性能。

3 結(jié)論

為了加工大尺寸竹質(zhì)工程材料，利用預(yù)壓—間歇式熱壓連續(xù)成板工藝，結(jié)合PF/PVAc 混配膠液浸漬工藝，通過加溫預(yù)壓法制備的預(yù)壓板坯具有良好的尺寸穩(wěn)定性和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度。

竹束單板層積材較優(yōu)的預(yù)壓密實(shí)化工藝條件為:m(PF)∶m(PVAc)= 6 ∶1，預(yù)壓時(shí)間15 ～30 min，預(yù)壓溫度50～60 ℃。此條件下壓制的BLVL 力學(xué)性能與對照樣接近一致，其彈性模量、靜曲強(qiáng)度和水平剪切強(qiáng)度分別為:25．47 GPa、255．62 MPa 和18．22 MPa。

預(yù)壓板材的水平剪切強(qiáng)度與m(PF)∶ m(PVAc)符合指數(shù)模型;在一定范圍內(nèi)，預(yù)壓板材的水平剪切強(qiáng)度隨預(yù)壓溫度、預(yù)壓時(shí)間的增加而提高。m(PF)∶m(PVAc)對竹束單板層積材熱壓板材的彎曲性能影響不顯著，而對熱壓板材的水平剪切強(qiáng)度有一定影響。

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