基于高頻熱壓成型的竹集成材制備及力學(xué)性能評價(jià)*

劉延鶴 周建波,2 傅萬四 張 彬,2 常飛虎 何 文

(1. 國家林業(yè)和草原局北京林業(yè)機(jī)械研究所 北京 100029； 2. 中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)新技術(shù)研究所 北京 100091； 3. 南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 南京 210037)

木材是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的戰(zhàn)略資源，在可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)踐中發(fā)揮著重要作用。當(dāng)前，我國木材資源相對匱乏，各種木材和木制品需求越來越大，木材資源供不應(yīng)求的現(xiàn)象越來越明顯，尋找新的木材替代品迫在眉睫。竹子被認(rèn)為是一種可以很好替代木材的 “綠色”原材料。我國竹林面積、竹材蓄積量均居世界首位，同時(shí)竹材強(qiáng)度、硬度、剛度高，生產(chǎn)周期短，作為性質(zhì)優(yōu)良的可再生材料具有廣闊的應(yīng)用前景(江澤慧等， 2005)。

竹集成材(glued laminated bamboo)是一種新型的竹制人造板，是竹材工業(yè)利用的主要方式之一(葉張檸， 2019； 李海濤等， 2016； 常飛虎等， 2018)。現(xiàn)行竹集成材大多采用多層熱壓成型加工(熱壓成型是竹單元或壓坯在高溫下的單軸向壓制，從而激活擴(kuò)散和蠕變現(xiàn)象)，工藝復(fù)雜，生產(chǎn)效率低，耗能高，所需模具數(shù)量多，使用壽命短； 也有少量竹集成材采用間歇冷壓加工(間歇冷壓是竹單元在室溫、一定壓力及器械下壓制成具有一定形狀、尺寸、強(qiáng)度、密度的坯體)，溫度低，加工周期長，耗水量大，磨具損耗快。高頻介質(zhì)加熱是在電磁波輻射下非導(dǎo)電物質(zhì)分子(稱為偶極子)反復(fù)極化振動和摩擦而發(fā)熱，能耗低、加工速度快，是新時(shí)代很有潛力的新型能源之一(劉曉輝， 2018； 常飛虎等， 2018； 詹先旭等， 2018； 李文定等， 2014)。將高頻介質(zhì)加熱技術(shù)引入到竹集成材加工中，將對竹材工業(yè)技術(shù)進(jìn)步具有很大促進(jìn)作用。竹材是一種多孔、低導(dǎo)熱的天然復(fù)合材料，由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素以及少量有機(jī)物和無機(jī)物組成，受外部加熱時(shí)，其內(nèi)部升溫速率較低。同時(shí)，竹材也是一種存在自由離子和束縛離子的介電物質(zhì)，在細(xì)胞壁無定形區(qū)域有多種極性基團(tuán)，如羥基等。此外，竹材還含有大量水分，當(dāng)暴露在高頻電場時(shí)，其中的分子將發(fā)生定向極化，竹材會迅速升溫。竹坯作為加熱介質(zhì)，置于平行金屬板間，當(dāng)高頻發(fā)生器工作時(shí)，正負(fù)板間形成高頻交變電磁場，竹材中的極化分子和水分子會按電場方向被極化排列，隨電場劇烈振動和摩擦而發(fā)熱，用于蒸發(fā)水分并提高溫度，促使膠黏劑快速凝固，縮短加工時(shí)間，提高生產(chǎn)效率(Weietal.， 2020； Xuetal.， 2019； Xuetal.， 2018； Muhammadetal.， 2018)。

熱壓溫度和熱壓壓力對竹集成材力學(xué)性能影響較大，同時(shí)高頻介質(zhì)加熱也受竹材含水率和施膠量的影響。鑒于此，本研究以竹材含水率、熱壓壓力、施膠量和熱壓溫度為試驗(yàn)因子，探索4個參數(shù)變量對高頻熱壓成型竹集成材力學(xué)性能的影響，并優(yōu)化高頻熱壓加工工藝獲得力學(xué)性能較優(yōu)的竹集成材，以期為竹集成材高頻熱壓成型提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

竹條采自湖南省益陽市海利宏竹業(yè)有限公司，原材料為當(dāng)?shù)?～5年生毛竹(Phyllostachysedulis)，經(jīng)定段、破竹、粗銑和干燥等工序后，精銑制成450 mm(長)×20 mm(寬)×5 mm(高)標(biāo)準(zhǔn)竹片。將竹條含水率分別調(diào)整為6%、9%、12%和15%，并按8個(長)×1個(寬)×4個(高)組坯(圖1)，根據(jù)表1所示參數(shù)施膠。選用浙江諸暨光裕竹業(yè)有限公司生產(chǎn)的酚醛樹脂膠黏劑(PF)，其固體含量為50%，酚醛樹脂與面粉配膠時(shí)按10∶1使用。

圖1 竹條及竹坯

表1 竹坯試件及參數(shù)

1.2 熱壓參數(shù)及水平選擇

采用河北省石家莊開發(fā)區(qū)紀(jì)元電氣有限公司的GJ-15-6B-I型射高頻發(fā)生器和GJB-PI-51B-JY型高頻液壓機(jī)(圖2)，高頻熱壓參數(shù)： 陽極電壓Ua=5 kV、陽極電流Ia=2.0～3.0 A、柵級電流Ig=0.4～0.5 A、工作頻率6.78 MHz(阮氏香江等， 2014； Nguyen等， 2015)，組坯完成的試件經(jīng)高頻熱壓加工成竹集成材。本研究考慮竹材含水率、熱壓壓力、施膠量和熱壓溫度4個參數(shù)變量對竹集成材力學(xué)性能的影響，熱壓參數(shù)及水平見表2(Kalawateetal.， 2017； Aydinetal.， 2005； Sharmaetal.， 2015； 王文靜等， 2015)。高頻熱壓成型的竹集成材在寬度方向兩邊各鋸削30 mm，再鋸削加工成2個450 mm(長)×50 mm(寬)×20 mm(高)的試件，按GB/T 17657—2013在CMT-4204萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行抗彎曲和抗剪切試驗(yàn)，測量抗彎強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度。每組試驗(yàn)重復(fù)3次，求平均值。

圖2 GJ-15-6B-I型射高頻發(fā)生器(a)和GJB-PI-51B-JY型高頻液壓機(jī)(b)

表2 熱壓參數(shù)及水平

1.3 研究方法

本研究參數(shù)變量4個，各參數(shù)水平變量4個，正常試驗(yàn)768次(每組試驗(yàn)重復(fù)3次)。為了減少試驗(yàn)次數(shù)并保證足夠的信息，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，選取5列16行的L16正交表。L16正交陣列設(shè)計(jì)試驗(yàn)只需48次(每組試驗(yàn)重復(fù)3次)，如表3所示。

表3 L16正交試驗(yàn)

2 結(jié)果與分析

竹集成材高頻熱壓正交試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，對試驗(yàn)結(jié)果分別進(jìn)行極差分析、主效應(yīng)分析、交互分析、方差分析和數(shù)學(xué)建模(張浩等， 2015； Xiaoetal.， 2017)。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果

2.1 極差分析

由于試驗(yàn)設(shè)計(jì)是正交的，因此可在不同水平上分離出每個參數(shù)對竹集成材力學(xué)性能的影響。平均抗彎強(qiáng)度和平均剪切強(qiáng)度的極差分析表如表5所示，此外還計(jì)算了16次試驗(yàn)的總平均抗彎強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度?？梢?，熱壓壓力和竹材含水率對平均抗彎強(qiáng)度影響特別顯著，熱壓溫度對平均抗彎強(qiáng)度影響次之，最后是施膠量； 施膠量對平均剪切強(qiáng)度影響特別顯著，竹材含水率對平均剪切強(qiáng)度影響次之，熱壓壓力是第3個最顯著的因素，最后是熱壓溫度。平均抗彎強(qiáng)度為103.839 MPa，平均剪切強(qiáng)度為88.046 MPa。

2.2 主效應(yīng)分析

抗彎強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度主效應(yīng)分析結(jié)果如圖3所示。竹材含水率對抗彎強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度影響較大，竹材介質(zhì)損耗因素小于酚醛樹脂，酚醛樹脂介質(zhì)損耗因素遠(yuǎn)小于水(陳勇平等， 2007)。在高頻介質(zhì)加熱時(shí)，竹材含水率過高會優(yōu)先吸收大量熱量蒸發(fā)水分，影響酚醛樹脂固化，繼而影響竹集成材的力學(xué)性能。

當(dāng)竹材含水率從6%增至9%時(shí)，抗彎強(qiáng)度趨于下降顯示最低抗彎強(qiáng)度，剪切強(qiáng)度大幅下降，竹材含水率6%顯示最高剪切強(qiáng)度； 當(dāng)竹材含水率從9%增至12%時(shí)，抗彎強(qiáng)度響應(yīng)值增大，剪切強(qiáng)度響應(yīng)值繼續(xù)下降顯示最低剪切強(qiáng)度； 當(dāng)竹材含水率從12%增至15%時(shí)，抗彎強(qiáng)度繼續(xù)增大得最佳抗彎強(qiáng)度，剪切強(qiáng)度逐漸上升但小于最大剪切強(qiáng)度。

表5 極差分析

當(dāng)熱壓壓力從1 MPa增至2 MPa時(shí)，抗彎強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度均呈先下降后上升趨勢，熱壓壓力1 MPa時(shí)顯示最高抗彎強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度； 當(dāng)熱壓壓力從1 MPa增至1.3 MPa時(shí)，抗彎強(qiáng)度大幅下降，剪切強(qiáng)度略微下降； 當(dāng)熱壓壓力從1.3 MPa增至1.6 MPa時(shí)，抗彎強(qiáng)度略微下降，剪切強(qiáng)度大幅下降得最低抗彎強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度； 當(dāng)熱壓壓力大于1.6 MPa時(shí)，抗彎強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度不斷增大，但熱壓壓力2 MPa時(shí)抗彎強(qiáng)度小于最大抗彎強(qiáng)度。

當(dāng)施膠量從200 g·m-2增至300 g·m-2時(shí)，抗彎強(qiáng)度呈整體下降趨勢， 200 g·m-2施膠量顯示最高抗彎強(qiáng)度； 當(dāng)施膠量從200 g·m-2增至240 g·m-2時(shí)，剪切強(qiáng)度大幅上升，并在施膠量240 g·m-2時(shí)達(dá)到最大值； 當(dāng)施膠量從240 g·m-2增至260 g·m-2時(shí)，抗彎強(qiáng)度略微上升，剪切強(qiáng)度略微下降； 當(dāng)施膠量大于240 g·m-2時(shí)，抗彎強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度均大幅下降，300 g·m-2施膠量顯示最低抗彎強(qiáng)度。

當(dāng)熱壓溫度從115 ℃增至120 ℃時(shí)，抗彎強(qiáng)度趨于下降顯示最低抗彎強(qiáng)度，剪切強(qiáng)度逐漸上升； 當(dāng)熱壓溫度從120 ℃增至125 ℃時(shí)，抗彎強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度逐漸增加至最大，即最佳抗彎強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度； 當(dāng)熱壓溫度大于125 ℃時(shí)，抗彎強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度均大幅下降，130 ℃熱壓溫度顯示最低剪切強(qiáng)度。

綜上分析可知， 4級竹材含水率、1級熱壓壓力、1級施膠量和3級熱壓溫度為最佳抗彎強(qiáng)度的熱壓參數(shù)， 1級竹材含水率、1級熱壓壓力、2級施膠量和3級熱壓溫度為最佳剪切強(qiáng)度的熱壓參數(shù)。

圖3 主效應(yīng)分析

2.3 交互分析

抗彎強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度交互分析結(jié)果如圖4、5所示，具有4個熱壓參數(shù)的交互作用效應(yīng)顯示了所有2個參數(shù)組合的單獨(dú)雙向交互作用效應(yīng)。

圖4第1行3幅圖自左向右顯示4個竹材含水率水平(6%、9%、12%和15%)平均抗彎強(qiáng)度與熱壓壓力、施膠量、熱壓溫度的交互作用效應(yīng)，第2行2幅圖自左向右顯示4個熱壓壓力水平(1.0、1.3、1.6和2.0 MPa)平均抗彎強(qiáng)度與施膠量、熱壓溫度的交互作用效應(yīng)，第3行1幅圖顯示4個施膠量水平(200、240、260和300 g·m-2)平均抗彎強(qiáng)度與熱壓溫度的交互作用效應(yīng)?？梢?，所有交互作用效應(yīng)都顯示非平行線，表明所有參數(shù)間均存在交互作用。剪切強(qiáng)度交互分析結(jié)果與抗彎強(qiáng)度相似，所有交互作用效應(yīng)都顯示非平行線，表明所有參數(shù)間均存在交互作用。

圖4 抗彎強(qiáng)度交互分析

2.4 方差分析

抗彎強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度方差分析結(jié)果如表6所示,通常F越大，表示參數(shù)變化對性能特性的影響越顯著。

由表6可知，影響竹集成材抗彎強(qiáng)度的最重要因素是貢獻(xiàn)率25.821%的熱壓壓力，其次是貢獻(xiàn)率18.524%的竹材含水率，施膠量和熱壓溫度的貢獻(xiàn)率分別為1.978%和3.677%，誤差貢獻(xiàn)率為50%。熱壓壓力和竹材含水率顯著影響竹集成材抗彎強(qiáng)度，施膠量和熱壓溫度變化對抗彎強(qiáng)度的影響較顯著。

影響竹集成材剪切強(qiáng)度的最重要因素是貢獻(xiàn)率22.618%的施膠量，其次是貢獻(xiàn)率15.221%的竹材含水率，熱壓壓力和熱壓溫度的貢獻(xiàn)率分別為8.874%和3.286%，誤差貢獻(xiàn)率為50%。施膠量和竹材含水率顯著影響竹集成材抗彎強(qiáng)度，熱壓壓力和熱壓溫度變化對抗彎強(qiáng)度的影響較顯著。

圖5 剪切強(qiáng)度交互分析

表6 抗彎強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度方差分析

2.5 數(shù)學(xué)建模

利用SPSS 22.0軟件建立數(shù)學(xué)模型(朱紅兵等， 2013)，分析各熱壓參數(shù)對竹材集成力學(xué)性能的影響。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立抗彎強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度回歸方程，將一階線性模型擬合成公式如下：

y=β0+β1x1+β2x2+β3x3+β4x4。

(1)

式中：y為竹集成材的力學(xué)性能；x1、x2、x3、x4為熱壓參數(shù)；β為回歸系數(shù)。

一階線性模型可表示為熱壓參數(shù)(竹材含水率、熱壓壓力、施膠量和熱壓溫度)與竹集成材力學(xué)性能的函數(shù)。根據(jù)式(1)，用于預(yù)測竹集成材力學(xué)性能與熱壓參數(shù)間的關(guān)系表示為：

y=β0+β1MC+β2P+β3V+β4T。

(2)

將試驗(yàn)結(jié)果代入式(2)，建立抗彎強(qiáng)度(σ)和剪切強(qiáng)度(σc)與熱壓參數(shù)間的數(shù)學(xué)模型：

σ=36+2.35MC-7P-0.109V+0.66T；(3-1)

σc=119.1-0.78MC-5.2P+0.025V-0.176T。(3-2)

測定系數(shù)(R2)是對模型解釋平均值變化量的度量，抗彎強(qiáng)度R2=22.02%，剪切強(qiáng)度R2=5.98%，表明一階線性回歸模型結(jié)果不理想，還需進(jìn)一步改進(jìn)。

圖6所示為竹集成材抗彎強(qiáng)度概率，解釋了近80%的抗彎強(qiáng)度低于120 MPa，平均抗彎強(qiáng)度為103.8 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為21.75?？箯潖?qiáng)度數(shù)據(jù)點(diǎn)大致沿著直線，P>0.05，且AD統(tǒng)計(jì)值較低，因此可以推斷數(shù)據(jù)處于正態(tài)分布。

圖7所示為竹集成材剪切強(qiáng)度概率，解釋了近80%的抗彎強(qiáng)度低于100 MPa，平均剪切強(qiáng)度為88.05 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為14.84。剪切強(qiáng)度數(shù)據(jù)點(diǎn)大致沿著直線，P>0.05，且AD統(tǒng)計(jì)值較低，因此可以推斷數(shù)據(jù)處于正態(tài)分布。

圖6 抗彎強(qiáng)度概率

圖7 剪切強(qiáng)度概率

抗彎強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度數(shù)據(jù)處于正態(tài)分布，因此可用二階模型進(jìn)行擬合(張仲鳳等， 2014)，表示為：

β11x1x4+β12x2x3+β13x2x4+β14x3x4。

(4)

式中：y為竹集成材的力學(xué)性能，x1、x2、x3、x4為熱壓參數(shù)；β為回歸系數(shù)。

二階模型可表示為熱壓參數(shù)(竹材含水率、熱壓壓力、施膠量和熱壓溫度)與竹集成材力學(xué)性能的函數(shù)。根據(jù)式(4)，用于預(yù)測竹集成材力學(xué)性能與熱壓參數(shù)間的關(guān)系表示為：

y=β0+β1MC+β2P+β3V+β4T+

β5MC2+β6P2+β7V2+β8T2+

β9MCP+β10MCV+β11MCT+

β12PV+β13PT+β14VT。

(5)

將試驗(yàn)結(jié)果代入式(5)，建立抗彎強(qiáng)度(σ)和剪切強(qiáng)度(σc)與熱壓參數(shù)間的數(shù)學(xué)模型：

σ=3 416.64+1.266MC-893.804P+0.44V-45.732T+0.142MC2+116.99P2-0.003 6V2+0.156T2+3.669MC·P+0.036 2MC·V-0.136MC·T-0.346PV+4.817PT+0.011 8VT；

(6-1)

σc=6 907.42+35.448MC-2 045.468P+9.553V-109.304T-2.995MC2+16.682P2-0.020 1V2+0.318T2+3.319MC·P+0.094 1MC·V-0.033MC·T-1.584PV+19.383PT+0.015 8VT。

(6-2)

由于誤差列的自由度為0，故刪除1個或多個交互項(xiàng)，并重新擬合模型。根據(jù)式(6-1)，相互作用項(xiàng)系數(shù)VT的絕對值等于0.011 8，遠(yuǎn)小于其他各相互作用項(xiàng)系數(shù)，因此刪除VT項(xiàng)，并重新擬合抗彎強(qiáng)度數(shù)學(xué)模型； 根據(jù)式(6-2)，相互作用項(xiàng)系數(shù)VT的絕對值等于0.015 8，遠(yuǎn)小于其他相互作用項(xiàng)系數(shù)，因此刪除VT項(xiàng)，并重新擬合剪切強(qiáng)度數(shù)學(xué)模型。

修正模型表示為：

σ=2 101.23-2.579MC-895.434P+1.283V-25.662T+0.335MC2+124.976P2-0.003 1V2+0.09T2+3.71MCP+0.034 MC·V-0.129MC·T-0.092PV+4.108PT；

(7-1)

σc=5 146.898+30.305MC-2 047.89P+10.684V-82.446T-2.736MC2+27.382P2-0.019V2+0.229T2+3.374MC·P+0.091MC·V-0.024MC·T-1.244PV+18.437PT。

(7-2)

抗彎強(qiáng)度修正模型R2=93.2%，剪切強(qiáng)度修正模型R2=97.1%，均接近于1，表明重新擬合的數(shù)學(xué)模型能夠很好擬合實(shí)際數(shù)據(jù)，所得數(shù)學(xué)模型可靠。

3 討論

竹集成材力學(xué)性能是衡量其質(zhì)量的重要指標(biāo)，抗彎強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度與所建數(shù)學(xué)模型最大值對應(yīng)時(shí)，可考慮為最佳結(jié)果，即最優(yōu)力學(xué)性能。利用Matlab 2010軟件，表7列出了基于修正模型(7-1)和(7-2)的最佳熱壓參數(shù)組合： 竹材含水率15%、熱壓壓力2.0 MPa、施膠量260 g·m-2、熱壓溫度130 ℃為抗彎強(qiáng)度最優(yōu)解(168.51 MPa)； 竹材含水率10.2%、熱壓壓力2.0 MPa、施膠量240 g·m-2、熱壓溫度130 ℃為剪切強(qiáng)度最優(yōu)解(263.26 MPa)。高頻熱壓成型竹集成材的力學(xué)性能較優(yōu)，為竹集成材高頻熱壓成型大規(guī)模推廣提供了理論依據(jù)。在后續(xù)研究中，可增加高頻熱壓試驗(yàn)參數(shù)和水平，豐富試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步深入探索竹集成材高頻熱壓成型機(jī)制。

表7 力學(xué)性能優(yōu)解

4 結(jié)論

竹材含水率、熱壓壓力、施膠量和熱壓溫度4個參數(shù)變量對高頻熱壓成型竹集成材力學(xué)性能均有影響，熱壓壓力對竹集成材抗彎強(qiáng)度影響較顯著，施膠量對竹集成材剪切強(qiáng)度影響較顯著。本研究在此基礎(chǔ)上提出了一個熱壓參數(shù)對竹集成材抗彎強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度影響的數(shù)學(xué)模型，并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合驗(yàn)證，結(jié)果表明，該模型可有效反映熱壓參數(shù)與竹集成材力學(xué)性能間的關(guān)系，優(yōu)化高頻熱壓工藝生產(chǎn)的竹集成材，其力學(xué)性能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和使用要求，可為竹集成材高頻熱壓成型提供技術(shù)參考。