竹筒展平板接長方式及層壓后對其性能的影響

崔 簫，劉文芳，李文珠，張文標(biāo)

（浙江農(nóng)林大學(xué) 工程學(xué)院，浙江 杭州311300）

中國竹資源豐富，在竹加工技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)品創(chuàng)新方面，中國整體處于世界先進水平，并提出“以竹代木，以竹代鋼”的理論。竹材生長速度快，工業(yè)性能優(yōu)，并且竹材作為一種綠色材料廣泛應(yīng)用于地板［1］、家具［2］、竹炭［3］、纖維［4］及建筑行業(yè)［5］等。

竹材展平是提高竹材利用率的最有效方法，近年來許多專家和學(xué)者在竹片展平技術(shù)上進行了大量探索，主要有介質(zhì)加熱軟化展平法，竹材去青、去黃軟化展平法，柔性加壓展平法等工藝。陳崇正［6］將竹段破成端頭5、8或10 cm的竹片，去除竹材的內(nèi)節(jié)與外節(jié)后再在其內(nèi)壁開設(shè)淺斜線槽，此方法可降低竹材展平過程中的應(yīng)力集中現(xiàn)象，中斷裂隙的發(fā)展趨勢，提高竹材展平質(zhì)量。謝力生［7］采用半竹筒展平的方法將剖成兩半的竹塊去除節(jié)隔、竹青和竹黃，并使其厚度及外表面的周長為定值，再將竹塊加熱加壓展平成平板狀。黃河浪與薛麗丹［8］又提出正反2個方向的展平和2次整平的方法，對20～25 mm寬的竹片依次進行漸變展平、第一次平面展平、反向展平和第二次平面展平，可以使竹片的展開裂隙小，表面僅有細小的龜狀花紋，甚至達到表面無裂縫展平。

以往的竹材展平大多是將圓竹截斷后剖成片狀后展平，展平幅面小、成本高、生產(chǎn)效率低、應(yīng)用領(lǐng)域窄。錢?。?］將竹材劈分成一定圓周弧度的竹片，竹片軟化后將其放入170℃的載熱體預(yù)熱1.5 min，再夾緊逐漸展平。費本華［10］設(shè)計了一種竹展平板室內(nèi)隔斷，包括由外至內(nèi)依次對稱設(shè)置的竹展平板層、隔音板層，和位于中心的功能材料層。將整段竹筒展平并產(chǎn)業(yè)化的研究是近幾年才開始的［11－13］，即竹筒展平板是通過高溫軟化蒸煮、快速展平、等量去青定厚去黃和后期干燥定形等一系列工序處理，可獲得幅面長度為1 000 mm以內(nèi)，寬度為250～500 mm（竹材直徑?jīng)Q定），厚度為3～7 mm（竹材壁厚決定）的無裂紋展平竹材料，該技術(shù)從根本上解決了竹材加工行業(yè)竹資源的有效利用問題，竹材加工出材率低，生產(chǎn)過程中存在化學(xué)污染及產(chǎn)品不環(huán)保問題、難于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的行業(yè)關(guān)鍵共性技術(shù)問題［14］。

目前竹筒展平板的一次展平長度在1 m以內(nèi)，導(dǎo)致幅面較小，限制在砧板領(lǐng)域應(yīng)用［15－16］，為了拓寬室內(nèi)裝飾、家具板材、竹地板、結(jié)構(gòu)材等領(lǐng)域應(yīng)用必須對其進行接長處理。

對于竹材板材的接長還未見報道，木材加工領(lǐng)域板材縱向接長的常用方法主要有對接、斜接、榫接等方法［17］，由于接長后的展平板為單板，還需層壓或者復(fù)合使用，所以本文通過探究展平接長方式和組坯方式對其接長板材性能的研究，以期為展平板的后續(xù)加工利用提供理論數(shù)據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

竹筒展平板：取自浙江德長竹木業(yè)有限公司生產(chǎn)的素板，由圓竹竹梢部竹段經(jīng)軟化展平，其規(guī)格尺寸為：長度350 mm×寬度240 mm×厚度6 mm，密度介于0.85～0.95 g·cm3，含水率介于10%～12.0%。

脲醛樹脂膠黏劑（UF）：德華兔寶寶裝飾新材股份有限公司，摩爾比1.0∶1.5，固含量550 g·kg－1；固化劑：氯化銨，用量0.1%。

1.2 試驗設(shè)備

MX3515梳齒機；INSTRON5967萬能力學(xué)試驗機；AT3311B雕刻機，浙江奧特工具有限公司；24寸木工燕尾榫機；MJ6113圓鋸機，上海森林木機設(shè)備有限公司；XL8壓力成型機，浙江湖州東方機械有限公司。

1.3 實驗設(shè)計

材料縱向接長的方式主要有對接、斜接、榫接。對接雖然生產(chǎn)工藝簡單且成本低，但是加長后的性能較差；斜接是把斷面加工成斜面，斜面越大，膠合強度越大，雖然其性能強度較優(yōu)，但是對材料損失也大［17］；本文選用的4種接長方式包括直接、直角接、燕尾接、搭接都屬于榫接。

節(jié)間的長度多為10～30 cm，在毛竹軟化展平過程中不可避免會有竹節(jié)，竹間的纖維排列整齊沿著縱向通直貫穿，到達竹節(jié)時，其走向發(fā)生了縱橫交錯。有些由內(nèi)側(cè)拐向了外側(cè)后繼續(xù)縱向延伸，而有些則由外側(cè)拐向內(nèi)側(cè)后繼續(xù)縱向延伸或者直接進入竹節(jié)的節(jié)隔部分，而且竹節(jié)上的維管束有一定的增粗現(xiàn)象。竹材竹節(jié)與竹間的特征差異可能會對接長后的展平板產(chǎn)生影響［18－19］，因此本實驗選取了3個開榫位置，分別為在竹節(jié)處，離節(jié)子50 mm和離節(jié)子150 mm。

由于接長為單板接長，在實際應(yīng)用中還需將單板層壓或者與其他材料復(fù)合成竹材人造板。一般竹材層壓板至少為3層層壓，因此本文將接長后的展平單板進行3層層壓，采用竹青－竹黃面膠合組坯，并研究其力學(xué)性能。

單板及層壓板實驗流程圖如圖1。

圖1 實驗流程圖Fig.1 Flow chart of experiment

1.4 試驗方法

1.4.1 開榫方法 本實驗采用指接、直角接、燕尾接和搭接等4種不同的開榫方式，其拼接示意圖如圖2。

竹板材指接：由于工廠的梳齒機最多能加工寬60 mm的展平板，因此先將寬240 mm的展平板鋸成幾條寬60 mm的竹條，再選用齒長12 mm的刀具，在竹材端而開垂直型（V型）指榫，制備指接接長竹材。

竹板材直角接：用1／2×1／2直刀配合1／2的全透模板，開出的榫頭寬12.7 mm、高12 mm、厚6 mm。

竹板材燕尾接：用1／4×9／16×17.6的銑刀開榫配合9／16的半透模板，開出的榫頭寬17.6 mm、高11.5 mm、厚6 mm。

竹板材搭接：為了方便開槽，先將寬240 mm的展平板鋸成幾條寬60 mm的竹條。用圓鋸機在展平板距離縱向邊5 mm處鋸一條深3 mm的槽，再用小鐵鏟在縱邊的端面水平中心軸向里推將多余的這部分去掉，得到的榫頭長5 mm、寬24 mm、厚3 mm。

1.4.2 熱壓方法 熱壓工藝參數(shù)為：熱壓壓力1.5 MPa、熱壓溫度為140℃、熱壓時間為1 min·mm－1。各種拼接板材的工藝參數(shù)為：環(huán)境溫度23℃、相對濕度60%，將竹片采用刷涂的方式均勻涂膠，涂膠量為180 g·m－2（雙面）。涂好后用3層青－黃組胚的方法手工組坯，然后送入壓機，采用熱進－熱出的方法，接長后放置3 d再進行力學(xué)實驗。

圖2 開榫拼接示意圖Fig.2 The schematic diagram of tenoning and splicing

1.4.3 力學(xué)性能檢測 由于目前沒有竹筒展平板的國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，所以根據(jù)GB／T 17657－2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》測試接長單板的靜曲強度、彈性模量、順紋抗拉強度和順紋抗壓強度，測試層壓板的靜曲強度和彈性模量。另每種開榫方式在竹節(jié)、離竹節(jié)5 mm、離竹節(jié)15 mm 3個情況下各測6個試件。其中接長單板的靜曲強度采用3點彎曲的方法，在2點支撐的試件中部（接長處）施加恒速載荷進行測定，作用在竹青面，試材尺寸170 mm×50 mm×6 mm，支撐點跨距120 mm。接長單板的抗拉強度和抗壓強度將試件固定在拉力試驗機兩夾頭中間，試件中心通過試驗機活動夾具的軸線，試材尺寸160 mm×20 mm×6 mm。層壓板的靜曲強度采用3點彎曲的方法，在2點支撐的試件中部（接長處）施加恒速載荷進行測定，作用在竹青面，試材尺寸410 mm×50 mm×18 mm，支撐點跨距360 mm。

按式（1）計算試件的靜曲強度σb，精確至0.1 MPa：

σb—試件的靜曲強度，單位為兆帕（MPa）；Fmax—試件破壞時的最大載荷，單位為牛頓（N）；l1—兩支座間距離，單位為毫米（mm）；b—試件寬度，單位為毫米（mm）；t—試件厚度，單位為毫米（mm）。

按式（2）計算試件的彈性模量Eb，精確至10 MPa：

Eb—試件的彈性模量，單位為兆帕（MPa）；l1—兩支座間距離，單位為毫米（mm）；b—試件寬度，單位為毫米（mm）；t—試件厚度，單位為毫米（mm）；F2－F1—F1約為最大載荷的10%，F(xiàn)2約為最大載荷的40%，單位為牛頓（N）；a2－a1—試件中部變形的增加量，即在力F1～F2區(qū)間試件變形量，單位為毫米（mm）。按式（3）計算試件的抗拉強度σt，精確至0.1 MPa：

σt—膠層剪切強度，單位為兆帕（MPa）；Fmax—試件破壞時的最大載荷，單位為牛頓（N）；b—試件拉斷面寬度平均值，單位為毫米（mm）；t—試件拉斷面厚度平均值剪切面長度，單位為毫米（mm）。

按式（4）計算試件的抗拉強度σc，精確至0.1 MPa：

σc—順紋抗壓強度，單位為兆帕（MPa）；Fmax—試件破壞時的最大載荷，單位為牛頓（N）；b—試件寬度，單位為毫米（mm）；t—試件厚度，單位為毫米（mm）。

2 結(jié)果與分析

在不同的開榫方式和在距離竹節(jié)不同距離條件下，接長及層壓后展平板的力學(xué)性能測試結(jié)果列于表1。

表1 展平板力學(xué)性能測試結(jié)果Tab.1 The physico-mechanical properties of the flattened bamboo board

由表1數(shù)據(jù)可以看出端面接長使展平板的靜曲強度、彈性模量、抗拉強度和抗壓強度降低，其中抗拉強度對板材的缺陷更為敏感，說明鋸斷后再接長對板材力學(xué)性能有不可逆的影響［20］。同未拼接板相比，接長后的單板竹展平板靜曲強度下降了60%～90%，彈性模量下降了20%～60%，抗拉強度下降了80%～97%，抗壓強度下降了50%～70%；層壓板靜曲強度下降了60%～90%，彈性模量下降了30%～70%；未拼接竹展平板的力學(xué)性能與相關(guān)的竹集成材和重組竹相似。

距離竹節(jié)多長位置開榫對竹展平板單板接長后性能的影響不明顯，對單板接長后的層壓板的力學(xué)性能亦不明顯；不同的開榫接長方式對接長后的單板和層壓板的力學(xué)性能影響較為顯著，在4種接長方式中，指接單板的抗彎強度、抗拉強度和彈性模量均為最優(yōu)，分別是最差接長方式的5倍、8倍、2倍；層壓后的展平板靜曲強度依舊是指接最優(yōu)，指接層壓板的靜曲強度是燕尾接的1.5倍、是直角接的3倍、是搭接的5倍。

2.1 不同接長方式對靜曲強度的影響

由圖3可看出指接的靜曲強度遠大于其他3種接長方式，一方面由于膠合面積越大，膠合強度越大，抗彎強度越大［21］，不同的開榫方式有不同的膠合面積，相同寬度的展平板，指接榫的施膠面積是其他3種榫的2倍；另一方面由于相同寬度的板材，與其他3種接長方式相比指接榫榫頭較多，能夠起到相互約束擠壓作用。

不同接長方式下的層壓板的抗彎強度約是單板的1.5倍，這主要是由于單板層壓后厚度增加，承受載荷能力相比單板有所加強。

接長后的板材與未接長竹板相比，指接靜曲強度最大約為未接長的板材的40%，搭接抗彎強度最小約未為接長的板材的10%。這是由于2塊梳齒后的展平板粘接面會變得粗糙，嵌插并不能完全契合，施膠后膠黏劑不能很順利的完全滲透到維管束來起到連接兩端面的作用。當(dāng)然膠黏劑的種類、用量及施膠方法均會對力學(xué)性能造成影響。

圖3 不同接長方式對靜曲強度的影響Fig.3 The influrence of connection way on the modulus of rupture

無論是接長后的單板，還是是接長后的單板層壓成的層壓板，從抗彎性能及彈性模量來看，大體為搭接＜直角接＜燕尾接＜指接＜未拼接對比板。

2.2 不同接長方式對抗拉強度的影響

圖4表明，燕尾接、直角接、搭接的拉伸強度相差不大且均小于指接。同時，只占指接拉伸強度的10%～30%。斜面破壞主要靠拉伸時膠合界面的剪力，面積越大，剪切力越大，指接試件的斜面膠合面積大于其他3種方式的斜面膠合面積。

2.3 不同接長方式對抗壓強度的影響

由圖5可以看出直角接和燕尾接的抗壓強度是指接的2倍，這主要是由于指接榫頭為齒形，與直角榫和燕尾榫相比較尖銳，應(yīng)力較集中，當(dāng)順紋兩側(cè)受力時，榫頭容易破壞。與未拼接板相比，接長后板材的抗壓強度有所降低，幾種接長方式中，直角接的抗壓強度最優(yōu)。

圖4 不同接長方式對抗拉強度的影響Fig.4 The influrence of connection way on tensile strength

圖5 不同接長方式對抗壓強度的影響Fig.5 The influrence of connection way on compressive strength

3 結(jié)論

接長是高效利用展平板的一種方式，綜合3個力學(xué)性能數(shù)據(jù)，在離竹節(jié)多遠距離開榫對接長后的力學(xué)性能影響不大。不同的單板接長方式下，指接的靜曲強度、彈性模量和抗拉強度均最佳，直角接的抗壓強度最佳。由于靜曲強度和彈性模量這兩個性能特征對展平板的加工利用較為重要。因此，綜合各力學(xué)性能，可以選用指接接長進行生產(chǎn)應(yīng)用。將接長后的單板層壓，指接方式下的層壓板靜曲強度最優(yōu)，且層壓板靜曲強度是單板的1.5倍。為拓展展平板利用范圍等，后續(xù)實驗將對指接后展平板的不同層數(shù)平面和曲面膠壓的性能開展進一步研究。