竹展平板拉伸剪切膠合性能

劉煥榮，楊曉夢,2，張秀標(biāo)，蘇勤，張方達(dá)，費(fèi)本華*

(1. 國際竹藤中心，國家林業(yè)和草原局/北京市共建竹藤科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100102；2. 寧波大學(xué)潘天壽建筑與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，浙江 寧波 315211)

竹材是以纖維為增強(qiáng)相、薄壁組織為基質(zhì)相的天然梯度復(fù)合材料[1]。在竹壁徑向從竹青到竹黃，纖維含量呈指數(shù)梯度減少，纖維含量達(dá)80%的竹青部位竹材的拉伸強(qiáng)度是竹黃(纖維含量15%)的5倍多，而纖維含量決定竹材的力學(xué)特性[2-3]。張巧玲[4]和朱益萍等[5]研究表明，水、脲醛樹脂膠黏劑(urea-formaldehyde resin，UF)和酚醛樹脂膠黏劑在竹青側(cè)弦切面的濕潤性均比竹黃側(cè)差。改性酚醛樹脂在碳化竹材膠合界面中的滲透深度優(yōu)于漂白竹材[6]，其中，4～6年生的竹材膠合性能較好，且竹青與竹黃的組坯方式適宜實(shí)際生產(chǎn)[7]。馬紅霞[8]研究了UF膠合竹木復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)膠合性能由高到低依次為漂白竹材>碳化竹材>碳化竹材/楊木單板復(fù)合材料。于文吉等[7]和江澤慧等[9]采用掃描電鏡觀察了UF與竹材的膠合界面，發(fā)現(xiàn)膠黏劑主要分布在加工過程中破損的細(xì)胞腔中，其滲透深度與竹材表面細(xì)胞腔直徑相關(guān)。因此，纖維含量對竹材表面的浸潤性和膠合性能也有重要影響。

竹展平板是竹筒經(jīng)軟化、展開、定型而成的片狀材料，是圓形竹筒板材化利用的一種方式，其寬度可達(dá)300 mm以上，厚度可達(dá)10 mm以上[10]。在竹展平板厚度方向上，纖維含量也呈梯度變化，竹青面的纖維含量顯著高于竹黃面。筆者以無刻痕竹展平板為研究對象，通過雙切口拉伸剪切測試方法探討不同纖維含量的竹展平板在濕態(tài)和干態(tài)條件下的膠合性能，并分析拉伸剪切力學(xué)行為和破壞方式，同時(shí)也分析了不同熱壓壓力和施膠量條件下膠合面結(jié)合和膠層形成情況對膠合性能的影響，以期對研發(fā)新型竹集成材和拓寬竹展平板應(yīng)用領(lǐng)域提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

4年生毛竹(Phyllostachsedulis)采自浙江省新昌縣，竹高大于10 m，胸高處直徑10～14 cm。根據(jù)文獻(xiàn)[11]中的竹展平裝置，按照圖1所示的工藝流程在展平裝置上完成剖分后弧形竹片的定弧定厚整形、竹青竹黃刨切和展開定型等工序。竹展平板平衡含水率為8%～10%，尺寸為1.2 m×80 mm×9 mm(長×寬×厚)。為消除材料本身的差異性，挑選密度相近的竹展平板作為試驗(yàn)材料。

圖1 弧形竹材展平工藝流程圖Fig. 1 Flow chart of arc bamboo flattening process

脲醛樹脂膠黏劑購自龍泉市辰龍膠水有限公司，固含量≥46%，涂-4杯黏度≥18 s，pH 7.0～9.5，主劑與固化劑質(zhì)量比為100∶0.8。

1.2 試驗(yàn)方法

采用單因素試驗(yàn)方法研究組坯方式、施膠量和熱壓壓力3個(gè)因素對不同纖維含量的竹展平板膠合性能的影響，試驗(yàn)因素水平見表1。

表1 試驗(yàn)因素水平Table 1 Experimental factors and levels

以拉伸剪切強(qiáng)度作為膠合性能的衡量指標(biāo)進(jìn)行對比，其中，對不同組坯方式下的膠合性能進(jìn)行了干態(tài)剪切強(qiáng)度和水煮后剩余剪切強(qiáng)度的對比，其余因素下的膠合性能都在干態(tài)條件下進(jìn)行拉伸剪切試驗(yàn)。拉伸剪切強(qiáng)度試件制備和測試參照GB/T 33333—2016《木材膠黏劑拉伸剪切強(qiáng)度的試驗(yàn)方法》中的雙層剪切試驗(yàn)進(jìn)行。

濕態(tài)剪切強(qiáng)度參照GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測試。首先將試件置于沸水中煮4 h，之后在(63±3)℃的電熱鼓風(fēng)干燥箱中干燥16～20 h；再水煮4 h后，置于室溫水中冷卻0.5～1 h。每種工藝重復(fù)4塊試件，每種測試重復(fù)4次，剪切破壞后記錄試件木破率。

拉伸剪切強(qiáng)度計(jì)算公式為τ=Pmax/bl。式中：τ為剪切強(qiáng)度，MPa；Pmax為最大破壞載荷，N；b為試件剪切面寬度，mm；l為試件剪切面高度，mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 拉伸剪切強(qiáng)度與破壞模式

在不同組坯方式下，3種竹展平板的干態(tài)和濕態(tài)拉伸剪切強(qiáng)度如圖2所示。從圖2中可以看出，竹青-竹青組坯方式下的干態(tài)膠合性能較好，相比竹黃-竹黃組坯方式增加了37.29%。與干態(tài)拉伸剪切強(qiáng)度相比，3種竹展平板水煮后的濕態(tài)拉伸剪切強(qiáng)度均大幅下降，保留率均低于50%(圖3)，其中，竹青-竹黃組坯方式下的濕態(tài)拉伸剪切強(qiáng)度降幅最大。

3種不同組坯方式下的干態(tài)剪切位移-荷載曲線見圖4。由圖4可知，竹青-竹青和竹青-竹黃組坯方式下的曲線基本呈直線狀，荷載穩(wěn)定增大到最大后陡然下降，而竹黃-竹黃組坯方式下位移-荷載曲線則出現(xiàn)直線上升、緩慢上升和陡然下降三階段，這與性能相對較低的竹黃面在緩慢上升段發(fā)生塑性變形相關(guān)。3組曲線在達(dá)到最大荷載后陡然下降，表明竹展平板膠層均為正常的剪切破壞。不同組坯方式下的剪切破壞形式見圖5，竹青-竹青組坯時(shí)的剪切破壞為一側(cè)竹青纖維的拉伸破壞，其表面較平整；竹青-竹黃和竹黃-竹黃組坯時(shí)均為竹黃面的竹材破壞，在斷面可以看到薄壁細(xì)胞的剪切破壞，且斷面較粗糙。

圖2 不同組坯方式下的拉伸剪切強(qiáng)度Fig. 2 Tensile shear strength under differentassemble patterns

圖3 不同組坯方式下的濕態(tài)拉伸剪切強(qiáng)度保留率Fig. 3 Retention rate of green tensile shear strengthunder different assemble patterns

圖5 不同組坯方式下竹展平板干態(tài)剪切破壞形式Fig. 5 Dry shear failure types of flattened bamboo sheet in different assemble patterns

圖4 不同組坯方式下的干態(tài)剪切荷載-位移曲線Fig. 4 Dry shear loading-displacement curves under different assemble patterns

基于竹材纖維含量的徑向梯度變異，不同組坯方式對膠合性能有重要影響。竹青面纖維含量高、材性好，但不利于膠黏劑的滲透；竹黃面纖維含量少，薄壁細(xì)胞多，利于膠黏劑的滲透，但膠合面性能相對較差。在熱壓時(shí)間10 min、熱壓溫度110 ℃、熱壓壓力1.5 MPa條件下，竹展平板的膠合性能主要由基材性能決定。同理，由于竹青、竹黃面的纖維含量不同，在水煮過程中，不同纖維含量的膠合面基材發(fā)生干縮濕脹的程度不同，產(chǎn)生的膠層內(nèi)應(yīng)力也會降低膠合剪切強(qiáng)度，導(dǎo)致竹青-竹黃組坯方式下的濕態(tài)拉伸剪切強(qiáng)度降幅高于另外兩組。因此，竹材性能的徑向梯度變異不僅影響其干態(tài)拉伸剪切強(qiáng)度，也對其濕態(tài)膠合性能有重要影響。

2.2 熱壓壓力對膠合性能的影響

在施膠量210 g/m2、熱壓時(shí)間10 min、熱壓溫度110 ℃的條件下，3種組坯方式下的竹展平材在1.0，1.5和2.0 MPa 3種熱壓壓力下的拉伸剪切強(qiáng)度如圖6所示。從圖6中可以看出，不同組坯方式下熱壓壓力對膠合性能的影響情況不同，竹青-竹青和竹青-竹黃組坯時(shí)的膠合性能均在熱壓壓力為1.5 MPa時(shí)較優(yōu)，而竹黃-竹黃組坯時(shí)在熱壓壓力為2.0 MPa時(shí)較優(yōu)。隨著熱壓壓力的增大，竹青-竹青和竹青-竹黃組坯時(shí)的剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。這是因?yàn)楫?dāng)熱壓壓力較小時(shí)，界面上容易形成厚度不均的膠膜，由于竹青面纖維含量較多，表面致密、光滑，脲醛樹脂膠黏劑在竹青面的潤濕性較差[8,12]；而當(dāng)熱壓壓力過大時(shí)，膠黏劑尚未充分潤濕竹青面就會被擠出，形成缺膠現(xiàn)象，從而影響竹材的膠合性能。竹黃-竹黃組坯時(shí)的膠合性能則隨著熱壓壓力的增大而逐漸增加。竹黃面與竹青面相比，維管束稀疏，導(dǎo)管直徑大，由于薄壁組織較多，膠黏劑的浸潤性相對較好，膠合面處的基材容易在熱壓條件下發(fā)生壓縮變形。壓力較小時(shí)膠合面不能實(shí)現(xiàn)充分接觸，隨著壓力的增大，基材發(fā)生壓縮且膠合面充分接觸，從而使膠合性能有所提高。因此，在竹展平板膠合過程中，熱壓壓力主要起促進(jìn)膠合面充分接觸的作用。

由圖6可知，在熱壓壓力相同的條件下，不同組坯方式下的膠合性能也各不相同，拉伸剪切強(qiáng)度由大到小依次為竹青-竹青組坯>竹青-竹黃組坯>竹黃-竹黃組坯。因此，該熱壓工藝條件下竹展平板的竹青-竹青面膠合強(qiáng)度較好，這與不同組坯方式下得出的基材決定竹展平板膠合性能的結(jié)果相關(guān)。

圖6 不同熱壓壓力下的拉伸剪切強(qiáng)度Fig. 6 Tensile shear strength under different hot-pressing pressures

2.3 施膠量對膠合性能的影響

在一定熱壓條件下，施膠量分別為150，180和210 g/m2時(shí)3種竹展平板的干態(tài)剪切強(qiáng)度變化趨勢見表2。從表2中可以看出，竹黃-竹黃組坯時(shí)的干態(tài)剪切強(qiáng)度隨施膠量的增加而增大。這是因?yàn)槔w維含量少的竹黃潤濕性較好，有利于膠黏劑的鋪展和滲透，隨著施膠量的增大，更容易形成均勻連續(xù)的膠膜，從而提高板材的膠合性能[7,9]。竹青-竹青組坯時(shí)的干態(tài)剪切強(qiáng)度在施膠量從150 g/m2增加到180 g/m2時(shí)略有增加，此后出現(xiàn)下降。這是因?yàn)橹袂嗬w維含量多，組織致密，表面光滑，膠黏劑的滲透性相對較差[12-15]，當(dāng)施膠量較大時(shí)膠黏劑會在加壓過程中被擠出，不能形成均勻的膠膜，還會增加膠層的內(nèi)應(yīng)力，降低膠合性能。竹青-竹黃組坯時(shí)的干態(tài)剪切強(qiáng)度在不同施膠量下變化不明顯，這是因?yàn)橹袂嗪椭顸S的性質(zhì)差異較大，竹黃面的基材性能決定了該組坯方式下的干態(tài)剪切強(qiáng)度。此外，表2顯示竹黃-竹黃和竹青-竹青組坯時(shí)干態(tài)剪切強(qiáng)度的變異系數(shù)小于竹青-竹黃組坯時(shí)，這表明基材性質(zhì)相同或相近時(shí)膠合性能較穩(wěn)定。因此，竹材纖維含量的梯度變異會影響膠黏劑在竹展平板膠合面中的滲透和膠層的均勻性，從而對膠合性能產(chǎn)生重要影響。

表2 不同施膠量下的拉伸剪切強(qiáng)度Table 2 Tensile shear strength under different resin contents

3 結(jié) 論

基于纖維含量在竹壁徑向的梯度變異，研究了竹展平板不同組坯方式下的膠合性能，得到以下結(jié)論：

1)熱壓膠合的竹展平板膠合性能主要由基材性能決定，膠合面纖維含量較高的竹青-竹青組坯時(shí)的拉伸剪切強(qiáng)度高于其他兩種組坯方式。基于不同纖維含量的基材干縮濕脹不一致，纖維含量較高的竹青面與纖維含量較低的竹黃面組坯時(shí)濕態(tài)膠合性能保留率最低，而纖維含量相近的竹黃-竹黃和竹青-竹青組坯方式下的拉伸剪切強(qiáng)度變異系數(shù)較小。

2)不同纖維含量的膠合面膠合性能變化趨勢隨熱壓壓力的增大而有所不同。竹青-竹青和竹青-竹黃組坯時(shí)的拉伸剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，竹黃-竹黃組坯時(shí)則呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。

3)施膠量對不同纖維含量膠合面的膠合性能影響不同，纖維含量較少的竹黃-竹黃組坯時(shí)干態(tài)剪切強(qiáng)度隨施膠量的增加而逐漸增大，纖維含量較高的竹青-竹青組坯時(shí)則呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，而竹青-竹黃組坯時(shí)干態(tài)剪切強(qiáng)度隨施膠量的增加變化不明顯。