竹束形狀對重組竹吸水性能的影響

李景鵬，吳再興，何 盛，黃成建，陳玉和*

（1. 國家林業(yè)局竹子研究開發(fā)中心，浙江 杭州 310012；2. 浙江省竹子高效加工重點實驗室，浙江 杭州 310012）

竹束形狀對重組竹吸水性能的影響

李景鵬1,2，吳再興1,2，何 盛1,2，黃成建1,2，陳玉和1,2*

（1. 國家林業(yè)局竹子研究開發(fā)中心，浙江 杭州 310012；2. 浙江省竹子高效加工重點實驗室，浙江 杭州 310012）

用粗、細2種竹束分別制備重組竹，測試不同竹束形狀對重組竹吸水率、吸水厚度膨脹率、吸水寬度膨脹率以及重組竹水平剪切強度的影響。實驗結(jié)果表明，在10 min浸膠時間下，細竹束的上膠量約為粗竹束上膠量的142.3%；在相同的時間下，粗竹束重組竹的吸水率、吸水厚度膨脹率以及吸水寬度膨脹率為細竹束重組竹的114.0%，131.1%和115.0%；粗竹束制備的重組竹的水平剪切強度小于細竹束重組竹。試驗顯示，竹束細化后，浸膠更加均勻，越容易壓密實，改善了重組竹的膠合性能。

重組竹；竹束；上膠量；水平剪切強度；吸水性能

重組竹是借鑒重組木的制造工藝原理，以竹束為構(gòu)成單元，按順紋組坯、膠合壓制而成的板材或方材，其力學性能優(yōu)異，物理性能變化較大，既可應(yīng)用于地板、家俱、建筑等普通領(lǐng)域，又可在橋梁等高強度材料領(lǐng)域應(yīng)用[1~8]。經(jīng)歷了10余a的發(fā)展，重組竹的制造工藝取得了突破性的進展，已成為我國竹產(chǎn)業(yè)的主流產(chǎn)品之一。然而，重組竹在制造過程中，存在許多問題，最突出就是由竹條碾壓而成的網(wǎng)狀竹束，粗細不均勻，寬、厚度差異較大，影響竹束的浸膠和板坯的鋪裝過程，采用該種竹束壓制成的重組竹，內(nèi)部產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，當外界的溫度、濕度發(fā)生交替變化時，被壓縮的竹束，由于形狀記憶而部分恢復(fù)，尺寸穩(wěn)定性變差，導致產(chǎn)品存在嚴重的跳絲、開裂、變形等現(xiàn)象[1,9~13]。目前，國內(nèi)外很多學者對重組竹的制備單元竹束進行了研究，然而，竹束形狀對重組竹的吸水性能研究還不夠全面。

研究竹束形狀對其上膠量以及重組竹的物理力學性能的影響，采用粗、細2種不同形狀竹束作為制備單元，研究2種竹束制備的重組竹在24 h水煮后的各項性能，通過數(shù)據(jù)分析以及微觀觀察，從根本上解釋竹束形狀對重組竹吸水性能的影響，這對優(yōu)化重組竹的制備工藝、提高產(chǎn)品性能的穩(wěn)定性具有重要意義，同時也為企業(yè)重組竹生產(chǎn)提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料

竹束：4年生毛竹本色竹束，購于浙江省永裕竹業(yè)股份有限公司，規(guī)格為長350 mm，寬20~33 mm，厚度8~11 mm。本試驗中采用粗細2種竹束，其中，竹束中竹束單元的平均斷面尺寸為3.1 mm × 4.8 mm （寬度×厚度），稱為粗竹束；平均斷面尺寸為2.2 mm × 3.5 mm（寬度×厚度），稱為細竹束。含水率均為10%~12%。

浸漬用低分子質(zhì)量酚醛樹脂(PF)膠：南京太爾化工有限公司生產(chǎn)，固含量（固體質(zhì)量分數(shù)）57.1%，黏度77.5 mPa?s (25℃)，pH 9.67。調(diào)制成濃度為28%待用。

1.2 重組竹的制備工藝

將粗、細2種竹束的含水率調(diào)節(jié)至8%；采用浸漬法，通過調(diào)節(jié)浸膠時間和瀝膠時間，將上述2種竹束的上膠量控制在11%左右；將浸膠后的竹束在50℃的鼓風干燥箱內(nèi)干燥至含水率為12%；采用“熱進冷出”熱壓工藝，按照設(shè)定的密度稱取干燥后的竹束，將其均勻的鋪裝在帶有側(cè)向擋板的墊板上，熱壓時間42 min，壓力5.5 MPa，熱壓結(jié)束后，熱壓板降溫至50℃后卸壓，得到的重組竹放在室內(nèi)平衡一周，即可進行后續(xù)加工、測試分析。板材設(shè)定密度為1.0 g?cm-3，幅面為350 mm × 170 mm，板厚21 mm。

1.3 性能測試

按照GB/T 30364-2013《重組竹地板》中的室內(nèi)用竹地板吸水率、吸水寬度膨脹率、吸水厚度膨脹率測試方法，將試件浸于pH值為7±1，溫度為（63±3）℃的恒溫水浴鍋中。試件表面垂直于水平面。試件之間以及試件與水浴鍋底部和四周之間至少相距15 mm，試件上端低于水平面（25±5）mm，使其可自由膨脹。試件每浸泡1 h，從水中取出，擦去試件表面附著的水，在原測量點測量其寬度、厚度，精確至0.01 mm。共測量24次（24h）。

按照GB/T 30364-2013《重組竹地板》標準，測試重組竹的密度、水平剪切強度。

通過體視顯微鏡分析24 h水煮后端面情況。

圖1 竹束形狀對上膠量的影響Figure 1 Effect of bamboo bundle diameter on its glue loading

2 結(jié)果與分析

2.1 竹束形狀對上膠量的影響

竹束形態(tài)對重組竹材浸膠工藝有一定的影響。在其他浸膠工藝條件不變的情況下，采用粗、細兩種不同竹束進行試驗，當浸膠時間為10 min時，對上膠量的影響如圖1所示。從圖1可以看出，細竹束的上膠量明顯高于粗竹束的上膠量。由前文可知，粗竹束中的竹束單元平均斷面尺寸為3.1 mm × 4.8 mm，而細竹束中的竹束單元平均斷面尺寸為2.2 mm × 3.5 mm，粗竹束中竹束單元平均斷面尺寸明顯比細竹束中的斷面尺寸要大很多，粗竹束中竹束單元差異較大，疏解較粗糙不均勻，而細竹束中的竹束單元較細，疏解效果好。細竹束經(jīng)過精細疏解之后，竹束單元平均斷面尺寸較小，增加了竹束的比表面積，使得在浸膠過程中竹束與膠液的接觸面積增大，具有較大的吸膠空間，從而增大了對膠液的負載量。因此，試驗中為了使2種竹束的上膠量相同，對粗竹束進行了補膠處理。

2.2 竹束形狀對重組竹24 h吸水率的影響

圖2 竹束形狀對重組竹吸水率、吸水厚度膨脹率和吸水寬度膨脹率的影響Figure 2 Effect of bamboo bundle diameter on water absorption(a), thickness swelling(b) and width swelling (c)of bamboo scrimber

不同粗細竹束制備的重組竹，經(jīng)過24 h水煮試驗之后，試件的吸水率見圖2（a）。從圖2（a）可以看出，2種竹束制備的重組竹，在相同的浸泡時間內(nèi)，由細竹束制得重組竹的吸水率小于粗竹束制得重組竹的吸水率，后者為前者的114.0%?？梢姡袷旨殞χ亟M竹的吸水性能有很大影響。這主要是由于隨著竹單板疏解次數(shù)的增加，將竹片分解成了細小的竹束，從而竹束的比表面積不斷增加，疏松間隙度增加，在浸膠過程中，酚醛樹脂均勻的吸附在竹束的表面，固化后，這些膠黏劑在竹束表面形成了一層均勻的膠膜，由于固化后的酚醛樹脂具有良好的耐水性，因此，要想得到尺寸穩(wěn)定性好的重組竹，應(yīng)選擇細竹束。

2.3 竹束形狀對重組竹吸水厚度膨脹率和吸水寬度膨脹率的影響

從圖2（b）可知，隨著水煮時間的推移，由粗竹束和細竹束制備的重組竹的吸水厚度膨脹率均逐漸增大，而由粗竹束制備的重組竹的吸水厚度膨脹率大于細竹束制備的重組竹的吸水厚度膨脹率，且隨著時間的推移,差距越來越大。經(jīng)過24 h水熱老化后，粗竹束制備的重組竹的吸水厚度膨脹率為細竹束的131.1%。同樣，如圖2（c）所示，隨著水熱老化時間的推移，由粗竹束制備的重組竹的吸水寬度膨脹率大于細竹束制備的重組竹的吸水寬度膨脹率，前者為后者的115.0%。因而若要想得到尺寸穩(wěn)定性好的重組竹，應(yīng)選擇細竹束作為單元壓制板材。

從圖2（b，c）可知，疏解成細竹束對改善重組竹的尺寸穩(wěn)定性具有明顯的作用。重組竹是竹束在濕熱-高壓的作用下壓縮、密實膠合而成的，竹材中的導管和基本組織等薄壁細胞均受到不同程度的壓縮，如果沒有膠黏劑的固定，在溫濕度環(huán)境改變時，壓縮的導管和基本組織有恢復(fù)原有狀態(tài)的趨勢，嚴重的甚至會出現(xiàn)跳絲和開裂等缺陷。粗竹束制備的重組竹吸水寬度膨脹率和吸水厚度膨脹率大的原因有2個。一方面，在水煮階段，水可以通過維管束進入重組竹內(nèi)部，隨著吸水量的增加，使得酚醛樹脂和竹材細胞壁中的微纖絲發(fā)生溶脹，產(chǎn)生溶脹應(yīng)力，由于竹材的溶脹率大于酚醛樹脂，當達到一定界限時，竹束與酚醛樹脂的界面發(fā)生破壞，由于粗竹束中竹束單元較粗，壓縮率大于細竹束，因此由粗竹束制備的重組竹的膨脹率更高；另一方面，由于粗竹束中的竹束單元較粗，浸膠不均勻，部分被壓縮或者壓潰的較粗的竹束，由于沒有膠黏劑的固定，水煮時，被壓縮的細胞腔發(fā)生反彈，孔隙率增加，因此也導致水的存儲空間增加，使得膨脹率增大[12,14~15]，該結(jié)果與圖2（a）中給出吸水率結(jié)果一致。另外，在相同的熱壓工藝下，竹束中竹束單元越細，越容易壓密實，減少了孔隙率，從而提高了重組竹的耐水性。

2.4 竹束形狀對重組竹水平剪切強度的影響

表2 重組竹的力學性能Table 2 Mechanical properties of bamboo scrimbers

水平剪切強度主要是反映材料在短梁剪切力作用下的抗剪性能，試件的破壞類型主要包括層間剪切力破壞、拉伸面拉伸斷裂破壞以及二者均存在的綜合破壞3種形式[14]。對粗、細兩種竹束制備的重組竹的水平剪切強度進行了對比研究，由于竹束上膠量以及重組竹密度對力學性能有較大影響，在相同的制備工藝下，控制了竹束的上膠量及重組竹的密度，然后對其進行了力學測試，結(jié)果見表2。

由表2可以看出，粗竹束制備的重組竹的水平剪切強度小于細竹束重組竹，為細竹束重組竹的93.4%。這可能與浸膠均勻性有關(guān)，疏解成細竹束后，竹束細化，浸膠更加均勻，同時竹束越細越容易壓密實，減少了空隙，從而在一定程度上改善了重組竹的膠合性能，提高了重組竹的水平剪切強度。

3 結(jié)論與討論

（1）竹束形狀直接影響竹束上膠量，在10 min浸膠時間下，細竹束的上膠量約為粗竹束上膠量的142.3%。這是因為細竹束經(jīng)過精細疏解之后，竹束單元平均斷面尺寸較小，增大了竹束的比表面積，具有較大的吸膠空間，從而增大了對膠液的負載量。

（2）竹束形狀對重組竹的吸水率、吸水厚度膨脹率以及吸水寬度膨脹率有明顯影響，在相同的時間下，粗竹束重組竹的吸水率、吸水厚度膨脹率以及吸水寬度膨脹率均大于細竹束重組竹，前者分別為后者的114.0%，131.1%和115.0%。這說明竹束細化在一定程度上能夠提高重組竹的尺寸穩(wěn)定性。

（3）竹束形狀對重組竹的力學性能有不同程度的影響，由粗竹束制備的重組竹的水平剪切強度小于細竹束重組竹。由于竹束細化后，浸膠更加均勻，同時竹束細化越容易壓密實，在一定程度上改善了重組竹的膠和性能。

試驗表明，疏解成細竹束，對改善重組竹的耐水性和尺寸穩(wěn)定性具有較好的作用。

[1] 余養(yǎng)倫. 高性能竹基纖維復(fù)合材料制造技術(shù)及機理研究[D]. 北京：中國林業(yè)科學研究院，2014.

[2] 杜春貴，魏金光，金春德. 重組竹阻燃處理工藝[J]. 林業(yè)工程學報，2016，1（1）：51－54.

[3] 于文吉. 我國重組竹產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢分析[J]. 木材工業(yè)，2012，26（1）：11－14.

[4] 于文吉. 我國高性能竹基纖維復(fù)合材料的研發(fā)進展[J]. 木材工業(yè)，2011，25（1）：6－8.

[5] 李琴，華錫奇，戚連忠. 重組竹發(fā)展前景展望[J]. 竹子研究匯刊，2001，20（1）：76－80.

[6] 張建，李琴，袁少飛，等. 重組竹材用酚醛樹脂滲透性能研究[J]. 林業(yè)機械與木工設(shè)備，2015，43（2）：22－25.

[7] 于文吉，余養(yǎng)倫. 結(jié)構(gòu)用竹基復(fù)合材料制造關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用[J]. 建設(shè)科技，2012，3：55－57.

[8] 余養(yǎng)倫，于文吉. 高性能竹基纖維復(fù)合材料制造技術(shù)[J]. 世界竹藤通訊，2013，11（3）：6－10.

[9] 鄒怡佳，陳玉和，吳再興,等. 竹材防開裂研究進展[J]. 浙江林業(yè)科技，2012，32（5）：85－88.

[10] 鄒怡佳，陳玉和，吳再興，等. 改性三聚氰胺樹脂對重組竹表面開裂的影響[J]. 林產(chǎn)工業(yè)，2013，5：26－29.

[11] 鄒怡佳，陳玉和，吳再興，等. 浸漬樹脂處理對降低竹制品表面開裂性能的研究[J]. 中南林業(yè)科技大學學報，2013，33（6）：136－139.

[12] 杜春貴，魏金光，于紅衛(wèi)，等. 竹束形狀對重組竹制備工藝與性能的影響[J]. 林業(yè)科技，2015，4：44－47.

[13] 張亞慧，任丁華，朱勇，等. 低吸水厚度膨脹率纖維板基材制造工藝技術(shù)[J]. 中國人造板，2015，22（9）：12－15.

[14] 吳秉嶺，余養(yǎng)倫，齊錦秋，等. 竹束精細疏解與炭化處理對重組竹性能的影響[J]. 南京林業(yè)大學學報(自然科學版)，2014，38（6）：115－120.

[15] Abdullah C K, Jawaid M, Khalil H A, et al. Oil palm trunk polymer composite: morphology, water absorption, and thickness swelling behaviours [J]. BioResources，2012，7（3）：2948－2959.

Effect of Bundle Diameter on Water Absorption Properties of Bamboo Scrimber

LI Jing-peng1,2，WU Zai-xing1,2，HE Sheng1,2，HUANG Cheng-jian1,2，CHEN Yu-he1,2*
（1．China National Bamboo Research Center, Hangzhou 310012, China; 2. Key Laboratory for High Efficient Processing of Bamboo of Zhejiang Province, Hangzhou 310012, China）

Bamboo scrimbers were prepared with thick and thin bamboo bundles as raw materials. Determinations were conducted on water absorption, thickness swelling rate, width swelling rate and horizontal shearing strength of scrimbers. The results showed that glue loading of thin bamboo bundles was 142.3% of thick ones 10 minutes after dipping glue. Water absorption, thickness swelling rate, and width swelling rate of bamboo scrimber made by thin bundles was 114.0%, 131.1% and 115.0% of that by thick ones. The horizontal shear strength of the scrimber made by thick bamboo bundles was less than that by thin ones. The experiment resulted that thinner bundles had even gluing, denser pressed and better properties of scrimber.

bamboo scrimber; bamboo bundle; glue loading quantity; horizontal shearing strength; water absorption property

S782.33

A

1001-3776（2016）06-0067-04

2016-06-27；

2016-10-31

浙江省省院合作林業(yè)科技項目（2013SY06）;浙江省竹子高效加工重點實驗室項目（2014F10047）

李景鵬（1989－），男，山東安丘人，從事竹材功能性改良研究；*通訊作者。