重組竹制備工藝對力學性能的影響

左迎峰 吳義強 肖俊華 李賢軍 龍柯全

（中南林業(yè)科技大學材料科學與工程學院，湖南長沙410004）

重組竹制備工藝對力學性能的影響

左迎峰 吳義強 肖俊華 李賢軍 龍柯全

（中南林業(yè)科技大學材料科學與工程學院，湖南長沙410004）

采用自制的中溫固化酚醛樹脂膠黏劑為粘結劑制備重組竹材，探索重組竹密度、竹束疏解次數、膠液固體含量、熱壓溫度和熱壓時間對重組竹力學性能的影響。結果表明：重組竹密度為0.95 g/cm3，竹束疏解3次，膠液固體含量為25%，熱壓溫度為125℃，熱壓時間為1.1 min/mm時，重組竹物理力學性能最優(yōu)。

酚醛樹脂膠黏劑；重組竹；制備工藝；力學性能

根據2014年發(fā)布的第八次全國森林資源清查顯示，我國森林的面積約2.08億hm2，占世界的4.5%，列第5位；但人均擁有的森林儲蓄量卻不到世界平均水平的1/4，約9.42 m3，世界排名第122位。森林的覆蓋率約21.63%，占世界的3.2%，列第6位；但人均水平卻僅相當于世界平均水平的61%，世界排名第130位［1］。隨著我國經濟的飛速發(fā)展和人們生活品質的提高，對木材的需求量越來越大。近年來，隨著國家天然林保護工程的實施，國內木材的供應遠低于需求，這使得木材的供需矛盾愈發(fā)明顯。因此急需尋找一種能替代木材資源且生長周期短的生物資源。

竹子具有資源豐富，繁殖、再生能力強，生長周期短，材質性能優(yōu)良等特性，因此竹子的商業(yè)和工業(yè)價值非常明顯［2-3］。竹子具有較好的加工性能，可以通過機械加工或化學處理等方法生產出不同的竹材制品。為緩解日益嚴重的木材供需矛盾，可以通過以竹代木的方式有效地減少木材消耗量［4-5］。具有眾多優(yōu)良特性的竹材也不可避免地存在一定的缺陷。如受潮易霉變、遇蟲蛀易斷裂等［6］；而且受形體限制傳統竹材往往呈管狀或條狀，很難加工成板型竹材，對實際應用產生較大影響。這些缺陷使得原竹利用率不高，制約了竹材產業(yè)的發(fā)展［7］。

為了提高竹材的利用率，可以將竹材加工成長條狀竹篾、竹絲或碾碎成竹絲束，經干燥浸膠，鋪放在模具中經高溫高壓熱固化制成重組竹［8］。竹材的重組不僅優(yōu)化了結構，提高了竹材利用率，且重組竹更利于生產加工，具有更好的市場適應能力［9-10］。

鑒于重組竹的眾多優(yōu)點，為獲得物理力學性能優(yōu)良的竹材人造板，本研究以自主研制的中溫快速固化酚醛樹脂為膠黏劑，以重組竹的制備工藝為因素進行試驗。旨在獲得制備重組竹的優(yōu)化工藝，并為提高竹材加工利用水平提供一定的理論和實踐指導。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

竹材：選取3～4年生毛竹（Phyllostachys pubescens），直徑8～10 cm，來源湖南省桃花江實業(yè)有限公司；膠黏劑：自行研制的中溫快速固化酚醛樹脂膠黏劑，固含量54.63%，黏度3 012mPa·s。

1.2 重組竹制備

將新鮮毛竹截斷成1.4m長，再進行剖分（小口徑剖分為4片，大口徑剖分為8片）。將剖分的竹材送至竹材碾壓剖分機碾平并去青去黃，從竹片的弦向將其一分為二；將碾平后的竹片通過竹材疏解機加工處理得到不同疏解程度的竹束；將疏解的竹束烘干至含水率為7%～10%。干燥好的竹束分別在不同固體含量的膠黏劑中常壓浸膠7min，陳放12 h；浸膠陳放后的竹束烘干至含水率7%～8%；按照試驗設定的密度將竹束縱向組坯，長×寬×厚分別為400mm×400mm×15mm；將板坯送入模具中按照試驗設定的熱壓溫度和時間進行熱壓，熱壓壓力為4～6MPa。

1.3 性能測試

對竹束的浸膠量進行檢測，參照GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》檢測重組竹材的靜曲強度（MOR）、彈性模量（MOE）和內結合強度（IB），對比不同工藝條件下的重組竹材的力學性能。

2 結果與分析

2.1 重組竹密度對性能的影響

密度是重組竹的重要參數之一，也是重組竹材的各項性能指標的主要影響因素之一［11］。因此，分別設計制備0.85、0.90、0.95、1.00、1.05 g/cm35種密度的重組竹材，探討密度對重組竹物理力學性能的影響，結果見圖1。

從圖1可以看出，重組竹的各項力學性能隨著密度增大而逐漸增大。其中MOR從0.85 g/cm3時的81.91 MPa增加到了1.05 g/cm3時的160.69 MPa，增幅96.18%；MOE從0.85 g/cm3時的970 6.6 MPa增加到了1.05 g/cm3時的14 540 MPa，增幅49.79%；而IB從0.85 g/cm3時的1.23 MPa增加到了1.05 g/cm3時的2.54MPa，增幅106.50%。重組竹的力學性能隨密度增大逐漸提高，表明提高密度在一定程度上可改善產品的性能。但密度過大時，一方面單位體積內竹材的質量增加，會增大原材料成本；另一方面，隨著密度增大，中心層的板坯在熱壓快速升溫階段的升溫速率減小，而使緩慢升溫階段時間增長。密度較大時熱壓工藝較難控制，板坯內水分很難在卸壓前充分排除，從而易產生鼓泡等缺陷，影響產品質量，這就需要延長冷卻時間，也就延長了產品的生產周期，同時大幅增加了能耗。此外，圖1中還可以看出，密度超過0.95 g/cm3后，MOR的增幅僅為10.17%，MOE的增幅為0.65%，IB增幅為8.55%，即各項力學性能的增幅較小。因此，在重組竹物理力學性能達標的前提下，為減少生產成本，密度控制為0.95 g/cm3時性價比最高。

2.2 竹束疏解程度對性能的影響

竹束的疏解程度與疏解設備的疏解輥設計相關，本試驗中采用的疏解輥為錯位的環(huán)狀疏解輪，竹片上形成的裂紋是通過錯位疏解輪產生的擠壓和剪切力產生［12］。竹束疏解次數對重組竹材浸膠量和物理力學性能均有影響，在其他工藝條件不變的情況下，分別采用竹束疏解次數為1次、2次、3次、4次和5次5個水平進行試驗，結果見圖2。

從圖2可以看出，隨著疏解次數的增加，竹束的浸膠量有增大的趨勢。當竹束疏解次數為1次時，浸膠量為16.52%；疏解2次時，浸膠量為21.43%，提高較明顯。但疏解次數繼續(xù)增加，浸膠量的增幅有減緩的趨勢，疏解3次時浸膠量為24.25%，疏解4次時浸膠量為24.49%。這是因為疏解次數較少時，竹束疏解較粗糙不均勻，竹纖維束較粗，從而影響竹束的浸膠量；隨著疏解次數增加，竹束的疏解化程度增加，這大大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，從而增加了竹束的浸膠量［13］；且疏解程度高的竹束比表面積較大，對膠黏劑的吸附增加，浸膠也更加均勻。

圖2中，重組竹材的各項力學性能隨著疏解程度增大而逐漸增大，當疏解程度為3次時達到最大值，繼續(xù)增大疏解次數力學性能反而降低。這是由于當竹束疏解1次時，竹束疏解并不十分均勻，竹束比表面積較小，浸膠量較少，竹束與竹束之間的結合力較小，從而影響了竹材的力學性能。當疏解次數達到3次時，竹束的疏解層度顯著增大，浸膠量也有所增加，雖然有部分竹纖維在疏解過程中被切斷，但通過重組膠合可以使其愈合，不會影響板材的強度。疏解次數繼續(xù)增加，竹材的纖維切斷率增高，即使通過膠黏劑的膠合，也不能達到竹束自身的結合強度，反而使重組竹的力學強度降低。通過疏解化次數對竹束浸膠量以及重組竹力學性能影響的分析，得出竹束在去青去黃后通過疏解機3次疏解為最佳工藝參數。

2.3 膠黏劑固體含量對性能的影響

竹束浸泡在具有不同固體含量的酚醛樹脂膠黏劑中，竹束膠液吸收量（竹束的干增質量）不同，即膠黏劑的固體含量是竹束浸膠工藝中的影響因素之一，因此也會對重組竹性能產生影響。本試驗分別調制固含量為10%、15%、20%、25%、30%的膠液對竹束進行浸漬，探討膠黏劑固體含量對重組竹性能的影響，結果見圖3。

膠黏劑進行固含量調制時，以質量為基準，計算公式為：

M1L1=M2L2

式中：M1為稀釋前膠液的質量（kg）；L1為稀釋前膠液的固含量（%）；M2為稀釋后膠液的質量（kg）；L2為稀釋后膠液的固含量（%）。

從圖3中可以看到，當膠黏劑固含量為10%時，竹束浸膠量為17.60%，隨著膠黏劑固含量的增加，竹束浸膠量逐漸增大；當膠液固體含量達到25%時，竹束浸膠量達到最大值30%。這是因為單位體積內的膠黏劑含量增加，使膠液吸收量增加。但是當膠液固體含量增大到30%時，竹束浸膠量有所下降，為28.71%。這是由于膠黏劑的固體含量較高時，單位體積中的樹脂分子密度大，分子之間的距離小，相互作用很強，其外觀表現就是膠黏劑的黏度高，不利于膠黏劑在竹束中的滲透，導致了其膠液吸收量的降低。

隨著膠黏劑固體含量的上升，重組竹材的物理力學性能亦呈上升趨勢，固體含量為25%時，各項力學性能指標均達到最大值。這主要是由于重組竹的力學性能與其浸膠量呈線性關系，重組竹材力學性能的改變，主要是由于膠黏劑固體含量改變使浸膠量改變所致。但固體含量對各項力學性能指標的影響程度不同。當膠黏劑固體含量從10%上升到25%時，重組竹材的IB上升了311.49%，MOR上升了76.22%，MOE上升了38.52%，這主要與測試各力學性能時，試件的破壞方式有關。在測試IB時，膠層所受的力是直接作用在試件上的拉應力；而在測試MOR和MOE時，膠層所承受的是作用在試件上的壓應力所產生的剪應力。對于MOR和MOE而言，二者所測試范圍不同，MOR是要求持續(xù)加載至材料破壞，而MOE則是在材料彈性極限內的度量，所體現的是原料本身的剛度。因此，膠黏劑固體含量的變化對重組竹IB的影響較顯著，而對MOE的影響相對較?。?4］。

2.4 熱壓溫度對性能的影響

熱壓溫度的主要作用是使酚醛樹脂膠黏劑迅速固化。熱壓溫度越高，膠黏劑的固化速度越快，板坯由外層向內層的傳熱速度也會更快，芯層溫度的快速升高，提高了芯層的固化率，改善了重組竹的膠合性能。因此，試驗探討了熱壓溫度對重組竹力學性能的影響，設計熱壓溫度為95、110、125、140、155℃5個水平進行，結果見圖4。

從圖4中可以看出，重組竹材的各項力學性能隨著熱壓溫度的增高有較大幅度的提高。其中MOR從95℃的111.91 MPa增加到了155℃的141.36MPa，增大26.32%；MOE從95℃的11 370 MPa增加到了140℃的138 06 MPa，增大21.42%；而IB從95℃的1.82 MPa增加到了140℃的2.34MPa，增大28.57%。從95℃到125℃，重組竹的物理力學性能增長幅度較大，說明95℃時膠黏劑在規(guī)定的熱壓時間內并沒有得到充分固化，致使重組竹材的力學性能偏低；當溫度達到125℃之后，重組竹的各項力學性能增長速率減緩，隨著熱壓溫度的繼續(xù)升高，重組竹的力學性能增長幅度不大。熱壓溫度高可以縮短熱壓時間，提高生產效率，但溫度極限以不使竹材熱解和脆化為度。同時，熱壓溫度高不僅可以加速膠黏劑固化，也可以使板坯中的水分快速排除，但如果板坯層數較多，板坯越厚，所需壓力就越大，使得板坯內的水分較難徹底排除。因此，根據實際情況，選擇的熱壓溫度為125℃，高于中溫固化酚醛樹脂的固化溫度，有利于板材的傳熱，相對于普通酚醛樹脂140～150℃固化溫度而言，既降低了能耗，又提高了生產效率。

2.5 熱壓時間對性能的影響

熱壓時間的長短直接影響竹纖維束的軟化程度及酚醛樹脂膠的固化程度，隨著熱壓時間的延長，壓力的傳遞和熱量的傳導逐漸到位，竹纖維束逐漸被軟化，酚醛樹脂膠也逐漸固化。因此，試驗探討了熱壓時間對重組竹性能的影響，設計0.9、1.0、1.1、1.2、1.3 mm/min 5個水平進行，結果見圖5。

由圖5可見，熱壓時間對重組竹MOR、MOE和IB的影響相對于熱壓溫度要小，在試驗范圍內，重組竹MOR、MOE和IB的性能指標隨熱壓時間的延長均有所增大，但是增長幅度較小，熱壓時間從0.9mm/min增加到1.3 mm/min，MOR增長了21.52%，MOE增長了9.31%，IB增長了5.02%。但是熱壓時間的延長，酚醛樹脂膠固化速度加快，竹重組板材表面易形成硬殼，不利于壓力的傳導；而且酚醛樹脂的過分固化還會導致竹重組板材變脆，從而降低竹重組板材MOR、MOE和IB等性能指標?？s短熱壓時間能有效的降低生產成本，同時增加生產效率。因此，在保證重組竹性能的同時，應選擇較短的熱壓時間；且熱壓時間達到1.1 mm/min后，重組竹的各項力學性能指標趨于穩(wěn)定。因此，根據實際情況，選擇熱壓時間為1.1 mm/min較合適。

3 結論

以3～4年生毛竹為原料，采用自制的中溫固化酚醛樹脂膠黏劑制備重組竹材，通過單因素試驗探索了重組竹密度、竹束疏解程度、膠液固體含量、熱壓溫度和熱壓時間對重組竹性能的影響規(guī)律，得出重組竹密度為0.95 g/cm3，竹束疏解3次，膠液固體含量為25%，熱壓溫度為125℃，熱壓時間為1.1 min/mm時，重組竹物理力學性能最優(yōu)。

致謝：感謝中南林業(yè)科技大學木材科學與技術國家重點學科、林業(yè)工程湖南省重點學科、湖南省竹木加工工程技術研究中心、竹業(yè)湖南省工程研究中心和湖南省普通高等學校生物質復合材料重點實驗室提供平臺支持。

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（責任編輯 曹 龍）

Effect of Preparation Technology on Mechanical Properties of Reconstituted Bamboo

Zuo Yingfeng，Wu Yiqiang，Xiao Junhua，Li Xianjun，Long Kequan
（College of Material Science＆Engineering，Central South University of Forestry＆Technology，Changsha Hunan 410004，China）

Reconstituted bamboo was prepared with the independent research and development of moderate temperature curing phenol-formaldehyde resin adhesive as binder.The effect of density of reconstituted bamboo，crushing times of bamboo beam，solid content of adhesive，hot pressing temperature and time on the mechanical properties of reconstituted bamboo was studied.The research results showed thatunder the conditions of this study，when the density of recombinantbamboowas0.95 g/cm3，crushing times ofbamboo beam was3 times，solid content of adhesive was 25%，hot pressing temperature was125°C and hot pressing time was 1.1 min/mm，reconstituted bamboo had the optimalmechanical properties.

phenol-formaldehyde resin adhesive；reconstituted bamboo；preparation technology；mechanical properties

S781.9

A

2095-1914（2016）02-0132-05

10.11929/j.issn.2095-1914.2016.02.022

2015-09-13

湖南省重大科技專項（2011FJ1006）資助；中國博士后科學面上基金項目（2015M572276）資助；中南林業(yè)科技大學青年基金項目（101-0z37）資助；中南林業(yè)科技大學人才引進科研啟動基金項目（104-0345）資助。

第1作者：左迎峰（1986—），博士，講師。研究方向：膠黏劑及竹材工業(yè)化利用研究。Email：zuoyf1986@163.com。

吳義強（1967—），教授，博士生導師。研究方向：木材科學、竹材工業(yè)化利用與生物質材料研究。Email：wuyq0506@126.com。