不同因素對(duì)竹/楊復(fù)合規(guī)格材性能影響?

柴 源 孫德林 劉文金 孫正軍 劉煥榮

（1.國(guó)際竹藤中心，國(guó)家林業(yè)和草原局/北京市共建竹藤科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100102； 2.中南林業(yè)科技大學(xué)，長(zhǎng)沙 410000)

竹木復(fù)合材料是指竹材與木材以相同或不同的結(jié)構(gòu)單元形式組合及膠接而成的復(fù)合板材或方材[1]。竹材具有強(qiáng)度高、硬度大、韌性好、耐磨等特點(diǎn)，不足之處在于徑級(jí)小、出材率低、加工效率低等；人工速生材具有加工容易，生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)存在機(jī)械強(qiáng)度差，表面硬度低,殘余應(yīng)力大等缺點(diǎn)，因此，科學(xué)確定組合形式和膠合工藝，既能充分發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)可為降低我國(guó)竹材制備成本、充分利用小徑級(jí)速生材、提高生產(chǎn)效率等開辟新途徑[2-4]。

竹木單元形式、板坯結(jié)構(gòu)、膠黏劑、制備工藝是竹木復(fù)合材料研究的重要內(nèi)容。張齊生[5]等以竹席和馬尾松單板采用合理的結(jié)構(gòu)和工藝制造的竹木復(fù)合板，可替代普通膠合板應(yīng)用于集裝箱底板。江澤慧等[6-8]對(duì)竹材的潤(rùn)濕性研究表明：竹青的潤(rùn)濕性最差，其次是竹黃，竹肉最好[9]；隨著毛竹表面劣化程度增大和粗糙度的增加，潤(rùn)濕性變差；同時(shí)發(fā)現(xiàn)聚異氰酸酯膠(PMDI)在竹材表面的潤(rùn)濕性優(yōu)于酚醛樹脂膠(PF)和脲醛樹脂膠(UF)。孫豐文等[10-12]研究了不同層積復(fù)合形式對(duì)竹木復(fù)合層積材靜曲強(qiáng)度和彈性模量的影響，結(jié)果表明：隨著竹材在層積復(fù)合材料中比例的增加，復(fù)合材料的靜曲強(qiáng)度和彈性模量增高，但強(qiáng)重比變化和層間剪切強(qiáng)度隨復(fù)合形式的不同而有所差別。與傳統(tǒng)的熱壓工藝不同，李曉華[13]等采用冷壓熱固化方法制備了結(jié)構(gòu)用大尺寸竹楊復(fù)合集成材。目前，對(duì)應(yīng)竹木復(fù)合材料研究的竹材單元均為尺寸單元較小的由竹篾編織成的竹席或竹簾，由于竹材本身結(jié)構(gòu)和加工不合理，竹利用率較低，綜合利用率僅為30%～40%左右[1,14],利用新型竹材單元，提高竹材利用率成為竹材加工領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。

本研究以一定尺寸規(guī)格的無(wú)刻痕竹展平板和楊木單板為研究對(duì)象，采用展平竹-楊木-展平竹三層組坯結(jié)構(gòu)制備尺寸規(guī)格化的竹/楊復(fù)合規(guī)格材，重點(diǎn)分析竹材膠合界面、膠黏劑和楊木單板厚度對(duì)竹/楊木復(fù)合規(guī)格材力學(xué)性能的影響，得到優(yōu)化工藝參數(shù)，為新型竹/木復(fù)合集成材制備奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

1)無(wú)刻痕竹展平板（Non scored bamboo flat），竹種為毛竹（Phyllostachys pubescens），取自浙江大展竹科技有限公司。平均含水率為8.3%，干燥后裁剪成760 mm（長(zhǎng)）×60 mm（寬）×7.5 mm（厚）的竹展平規(guī)格材。

2)楊木單板，意楊（Populus spp.），購(gòu)自山東省菏澤市楊木板材生產(chǎn)基地，平均含水率為8.6%，裁剪后尺寸360 mm×60 mm，厚度分別為0、1、1.5 mm及2 mm。

3)膠黏劑，三種膠黏劑分別為脲醛樹脂膠黏劑(UF, urea-formaldehyde resins)，龍泉市辰龍膠水有限公司產(chǎn)品，固體含量≥46%，涂4 杯黏度≥18 s，pH值7～9.5，主劑與固化劑配比為100:0.8；雙組份異氰酸酯乳液型膠黏劑（EPI，Emulsion Polymer Isocynate），上海真牛化工有限公司產(chǎn)品，固體含量≥50%，黏度≥8 500 mPa.s，pH值5～7；主劑與固化劑配比為100:10，室溫固化；日本愛克高頻拼板膠（KR-8000），日本光洋產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社產(chǎn)品，主要成分為異氰酸酯，主劑與固化劑配比為100:15。

1.2 設(shè)備

萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)（INSTRON 5582)，壓機(jī)（美國(guó)carver小型壓機(jī)），電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海一恒科學(xué)儀器有限公司），電熱恒溫水浴鍋（北京長(zhǎng)風(fēng)儀器儀表公司），恒溫恒濕箱（寧波海曙賽福試驗(yàn)儀器廠）、游標(biāo)卡尺（日本三豐等）。

1.3 試件制備

竹展平板制備工藝：圓竹→去內(nèi)節(jié)→開縫→開槽軟化→展平→干燥→無(wú)刻痕竹展平板。

竹/楊復(fù)合規(guī)格材制備工藝流程：展平竹、楊木單板→干燥→裁剪→涂膠→組坯→加壓→陳放→試件鋸制→性能檢測(cè)。

其中，UF膠熱壓工藝為：涂膠量210 g/m2，熱壓時(shí)間10 min，熱壓壓力2 MPa，熱壓溫度110 ℃；EPI膠冷壓工藝為涂膠量180 g/m2，加壓時(shí)間45 min，加壓壓力1.5 MPa；KR膠熱壓工藝為涂膠量210 g/m2，高頻熱壓時(shí)間3 min，熱壓溫度45 ℃。竹材為梯度材料，依據(jù)纖維含量不同，根據(jù)不同膠合界面的竹材位置（注：青表示竹青；黃表示竹黃），設(shè)置3 種膠合組坯方式，如表1 所示。

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用單因素試驗(yàn)方法，分別討論不同復(fù)合方式、膠黏劑以及楊木單板厚度三個(gè)因素對(duì)竹/楊復(fù)合規(guī)格材力學(xué)性能的影響，因素水平如表2 所示。

表2 因素水平表Tab.2 Test factors and levels

1.5 性能測(cè)試

參照GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》和GB/T 9846—2015《普通膠合板》測(cè)試不同方式制備的無(wú)痕竹展平板/楊木單板復(fù)合層積材的彈性模量、靜曲強(qiáng)度和膠合強(qiáng)度；濕膠合強(qiáng)度參照GB/T 17657—2013 測(cè)定，即在水溫不低于17℃時(shí)浸漬24 h，然后迅速測(cè)試并統(tǒng)計(jì)木破率，干態(tài)試件不作任何處理。以上每種工藝重復(fù)5 次。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同膠合界面方式對(duì)竹/楊復(fù)合規(guī)格材力學(xué)性能的影響

采用UF膠黏劑，楊木單板厚度2 mm，在固定的熱壓工藝條件下，分析三種膠合界面方式制備的竹/楊復(fù)合規(guī)格材的力學(xué)性能，結(jié)果如圖1 所示。從圖1a可以看出，不同膠合界面方式的竹/楊復(fù)合規(guī)格材的膠合強(qiáng)度差異不大，干態(tài)條件下的膠合強(qiáng)度平均為7.31MPa，濕態(tài)的膠合強(qiáng)度與干態(tài)相比略有下降，平均為6.27 MPa，比干態(tài)平均降低了14.23%；兩種條件下的竹/楊復(fù)合規(guī)格材平均木破率分別為75%和66.43%，由此可見，三種膠合方式條件下的竹/楊復(fù)合規(guī)格材拉伸機(jī)剪切的破壞位置主要在楊木單板處，膠合界面強(qiáng)度大于楊木單板，因此不同方式條件下的膠合強(qiáng)度差異不大。浸水24 h后，由圖1b所示，組坯方式3（QYQ）膠合界面形式的吸水厚度膨脹率最大，達(dá)到1.83%，其他兩種方式分別為1.1%和1.25%，由于竹材是由纖維和薄壁組織組成，在竹壁方向上纖維含量從竹黃到竹青梯度增加[15]，竹黃的吸水性和吸水膨脹率較大，因此膠合界面為青-楊-青的組坯方式3 的24 h吸水厚度膨脹率(TS)最大。

竹材的力學(xué)性能與纖維含量呈正相關(guān)關(guān)系[16]，竹展平板竹青側(cè)基本保留了原有致密分布的維管束，因此竹青部分強(qiáng)度遠(yuǎn)大于竹黃，在膠合強(qiáng)度較好的情況下，不同膠合界面形式的竹/楊復(fù)合規(guī)格材的彈性模量和靜曲強(qiáng)度主要與竹材的受力面相關(guān)[17]，由圖1c、d可得，竹青在外側(cè)的竹/楊復(fù)合規(guī)格材的靜曲強(qiáng)度和彈性模量較好（組坯方式1），竹黃在外側(cè)的組坯方式3 最低，因此，竹/楊復(fù)合規(guī)格材以采用膠合界面為黃-楊-黃（HYH）的組坯膠合形式制備為宜。

2.2 膠黏劑對(duì)竹/楊復(fù)合規(guī)格材力學(xué)性能的影響

在采用組坯方式1（HYH）、楊木單板厚度為2 mm條件下，探討了三種常用膠黏劑對(duì)竹/楊復(fù)合規(guī)格材的性能影響，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 膠黏劑對(duì)竹/楊復(fù)合規(guī)格材物理力學(xué)性能的影響Fig.2 Effects of adhesives on the physical and mechanical properties of bamboo/poplar composite materials

由圖2a、b可見，在組坯方式一定條件下，采用不同膠黏劑制備的竹/楊復(fù)合規(guī)格材靜曲強(qiáng)度和彈性模量變化不大，再次證實(shí)該材料的性能主要與竹材的受力面相關(guān)。然而，三種膠黏劑在相應(yīng)的壓制工藝條件下制備的竹/楊復(fù)合規(guī)格材24 h吸水厚度膨脹率和膠合強(qiáng)度都有一定的差異。從圖2c可知，不管是干態(tài)還是濕態(tài)條件下，兩種熱壓膠黏劑制備的竹/楊復(fù)合規(guī)格材膠合強(qiáng)度均優(yōu)于EPI冷壓條件；在干態(tài)條件下，UF膠黏劑的膠合強(qiáng)度略高于KR膠黏劑；浸水后，三種膠黏劑制備的竹/楊復(fù)合規(guī)格材膠合強(qiáng)度都有明顯下降，其中EPI膠竹/楊復(fù)合規(guī)格材膠合強(qiáng)度降低最多，下降了52.86%，KR膠合強(qiáng)度下降了41.55%，而UF膠僅下降了15.67%，這與圖2d顯示的三種膠黏劑的竹/楊復(fù)合規(guī)格材24 h吸水厚度膨脹率也有一定的關(guān)系。

一般而言，膠黏劑在材料表面滲透量越大，其復(fù)合材料的性能越好。EPI膠液粘稠，分子量大，在材料表面不易擴(kuò)散，其膠合機(jī)理是化學(xué)鍵結(jié)合，機(jī)械嵌定作用較小，從而導(dǎo)致竹/楊復(fù)合材料之間粘結(jié)強(qiáng)度低[18-19]，用EPI膠復(fù)合的材料各項(xiàng)力學(xué)性能均較差；相反，UF膠分子量小、滲透好，能快速進(jìn)入材料的細(xì)胞孔隙里使兩材料間形成緊密結(jié)合，因此用UF膠復(fù)合的材料各項(xiàng)力學(xué)性能最佳。分析可知，熱壓膠黏劑制備的竹/楊復(fù)合規(guī)格材膠合強(qiáng)度較好，在膠合強(qiáng)度滿足條件下，三種膠黏劑對(duì)竹/楊復(fù)合材料的靜曲強(qiáng)度和彈性模量影響不明顯。

2.3 楊木單板厚度對(duì)竹/楊復(fù)合規(guī)格材力學(xué)性能的影響

在組坯方式1（HYH）、UF為膠黏劑條件下，選擇1、1.5、2 mm三種楊木單板厚度，并與未加楊木（0 mm厚度）的竹展平規(guī)格材做對(duì)比，分析楊木單板厚度對(duì)竹/楊復(fù)合規(guī)格材性能的影響，結(jié)果如圖3 所示。由圖3a、b可見，在相同組坯方式下，不同單板厚度的竹/楊復(fù)合規(guī)格材的靜曲強(qiáng)度和彈性模量差異不大，但是與對(duì)照樣未加楊木單板的竹展平規(guī)格材相比，竹/楊復(fù)合規(guī)格材的靜曲強(qiáng)度和彈性模量均略小于未加楊木單板復(fù)合材，因此可得出在膠合性能良好的情況下，竹展平規(guī)格材的強(qiáng)度高于竹楊復(fù)合規(guī)格材。

圖3 楊木單板厚度對(duì)竹/楊復(fù)合材各項(xiàng)力學(xué)性能的影響Fig.3 Effects of poplar thickness on the mechanical properties of bamboo/poplar composites

對(duì)比不同單板厚度條件下竹/楊復(fù)合規(guī)格材的膠合強(qiáng)度，如圖3c所示，四種條件下的干態(tài)膠合強(qiáng)度均高于濕態(tài)條件下的膠合強(qiáng)度；竹/楊復(fù)合規(guī)格材的膠合強(qiáng)度隨著單板厚度的增大呈現(xiàn)先略微下降后增強(qiáng)的趨勢(shì)，2 mm楊木單板厚度的膠合性能均最好，干、濕態(tài)膠合強(qiáng)度分別為7.21 MPa和6.08 MPa；但是，竹/楊復(fù)合規(guī)格材的膠合強(qiáng)度均低于未加楊木單板的對(duì)照樣竹展平規(guī)格材，與2 mm厚度的竹/楊復(fù)合規(guī)格材相比，未加楊木的竹展平規(guī)格材干態(tài)與濕態(tài)膠合強(qiáng)度分別增加了9.19%和5.44%；同時(shí)，竹展平規(guī)格材的24 h吸水厚度膨脹率低于竹/楊復(fù)合規(guī)格材。竹木復(fù)合材料中楊木單板的主要作用是減少熱壓時(shí)各種因素可能造成的板材表面不光滑或壓力不均而引起的膠膜表面質(zhì)量缺陷，同時(shí)還可促進(jìn)膠黏劑的滲透[20]，從而增加膠合強(qiáng)度，但是本研究結(jié)果與之相反。因此，可以采用竹黃與竹黃膠合方式來(lái)制備竹集成材或規(guī)格材，或采用2 mm厚度楊木單板來(lái)制備竹/楊復(fù)合規(guī)格材。

3 結(jié)論

本研究以無(wú)刻痕竹展平板和楊木單板為研究對(duì)象，探討不同組坯方式下的膠合界面形式、膠黏劑種類和楊木單板厚度對(duì)竹/楊復(fù)合規(guī)格材性能的影響，得出黃-楊-黃組坯方式條件下竹/楊復(fù)合規(guī)格材的整體力學(xué)性能較好，不同組坯方式對(duì)膠合強(qiáng)度影響不明顯，這與拉伸剪切破壞時(shí)破壞位置主要在楊木單板有關(guān)；三種膠黏劑對(duì)竹/楊復(fù)合材料的靜曲強(qiáng)度和彈性模量影響不明顯，整體來(lái)看，熱壓膠黏劑制備的竹/楊復(fù)合規(guī)格材的性能優(yōu)于冷壓膠黏劑；單板厚度對(duì)竹/楊復(fù)合規(guī)格材力學(xué)性能影響不顯著，但是隨著單板厚度的增加，膠合強(qiáng)度呈現(xiàn)先略微下降后上升趨勢(shì)；無(wú)痕竹展平板竹黃面膠合性能優(yōu)于竹楊復(fù)合。因此，可以無(wú)刻痕竹展平板為基本單元，采用熱壓膠黏劑、竹黃-竹黃膠合界面制備竹展平規(guī)格材或新型竹集成材。