響應(yīng)曲面法優(yōu)化制備高性能竹基熱固性復(fù)合板材的研究

覃 斌梁 哨李 權(quán)王 翔林 輝

（1.凱里學(xué)院，貴州 凱里 556011；2.寧德師范學(xué)院化學(xué)與材料學(xué)院，福建 寧德 352100；3.福建省特色生物化工材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 寧德 352100）

竹材與木材均為天然生長(zhǎng)的生物材料，同屬于非均質(zhì)和各向異性材料。竹材和木材相比，具有紋理通直、強(qiáng)度高、韌性大、剛性好、易加工、用途廣、生物量大、成材周期短等特點(diǎn)。我國(guó)竹子種類豐富，竹林面積居世界第2位，產(chǎn)量居世界第1位，是世界主要產(chǎn)竹國(guó)之一[1-3]。貴州省黔東南州竹子資源十分豐富，竹林已成為州內(nèi)森林資源的重要組成部分，是竹類資源最為豐富的地區(qū)之一。竹子具有適應(yīng)性強(qiáng)、生長(zhǎng)快、產(chǎn)量高、用途廣，兼具良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益。2015年以來(lái)尤其是在貴州省實(shí)施現(xiàn)代竹業(yè)開發(fā)以來(lái)，竹產(chǎn)業(yè)得到貴州省委、省政府的高度重視，已把竹產(chǎn)業(yè)列為十大發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，竹子在加速貴州山區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，促進(jìn)農(nóng)村脫貧致富，調(diào)整山區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，吸收農(nóng)村剩余勞動(dòng)力，改善生態(tài)環(huán)境等諸多方面，具有十分重要的作用。因此，開發(fā)新型的機(jī)械性能優(yōu)良、尺寸穩(wěn)定性好的高性能竹基熱固性復(fù)合板材[4-5]，將對(duì)貴州竹產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生新的技術(shù)變革，有利于突破竹材復(fù)合材料的技術(shù)瓶頸，對(duì)保護(hù)生態(tài)環(huán)境，發(fā)展高附加值的竹木材加工業(yè)也具有十分重要的意義。本研究開發(fā)的高性能竹基熱固性復(fù)合板材是一種新型結(jié)構(gòu)板材。竹子生長(zhǎng)速度快，4～6 a即可砍伐利用，而且是只要經(jīng)營(yíng)合理每年可以砍伐，生生不息，永續(xù)利用，竹材紋理通直、強(qiáng)度高、韌性大、剛性好、易加工、用途廣、生物量大、成材周期短等優(yōu)良力學(xué)性特點(diǎn)能，是良好的工程材料。開發(fā)生產(chǎn)高性能竹基熱固性復(fù)合板材，旨在提高人造板的力學(xué)性能，延長(zhǎng)其使用壽命，并大幅提高其應(yīng)用質(zhì)量和竹材的綜合利用率，最終使該產(chǎn)品在木結(jié)構(gòu)建筑中取代優(yōu)良實(shí)木應(yīng)用于結(jié)構(gòu)材中。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

竹席、厚芯簾為6～8年生毛竹（Phyllostachys heterocycla），經(jīng)剖篾機(jī)弦向剖篾編織加工而成。厚芯簾篾片寬度為10～20 mm，厚度為2.0～2.5 mm，篾片用粗棉線編織成簾。薄芯簾篾片寬度為10～20 mm，厚度為1.0～1.2 mm，篾片用細(xì)棉線編織成簾。竹席的篾片寬度為10～20 mm，厚度為0.5～0.7 mm，采用機(jī)械編織，篾片表面平整均勻、無(wú)霉變、編織緊密，干燥后竹簾（席）含水率約為9%。楊木單板（厚度1.2 mm，將其含水率烘干至8%）購(gòu)自林產(chǎn)品市場(chǎng)。

自制酚醛樹脂膠，固含量為55%，黏度為5 700～5 800 cps，pH為6，游離醛含量≤0.2%，外觀為紅褐色的膠黏劑。LB?D1.00MN 熱壓機(jī)（青島亞華公司，中國(guó)）。WDW?100 萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)（濟(jì)南恒思大儀器有限公司，中國(guó)）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 組坯

毛竹經(jīng)過(guò)截?cái)?、剖開、去除竹青和竹黃、弦向剖篾、編簾等工序編成厚（?。┬鹃L(zhǎng)簾和短簾、竹席，經(jīng)涼曬和干燥窯干燥至含水率約9%，將厚芯竹簾、竹席分別放入固含量為55%酚醛樹脂膠黏劑的膠槽內(nèi)浸膠7 min，使施膠量達(dá)到9%左右。浸膠后，要將厚芯竹簾和竹席進(jìn)行瀝膠，使竹簾和竹席表面的膠液流干后與不浸膠的厚短簾、楊木單板在組坯臺(tái)上，組合成多個(gè)單體板坯重疊的板坯落。

1.2.2 工藝流程

組坯時(shí)的竹席、厚（?。┲窈煛钅締伟宓劝凑諏?duì)稱原則、奇數(shù)原則和厚度原則，按層與層之間縱橫交錯(cuò)進(jìn)行組坯。將組坯后的約18.5 mm厚的板坯送入熱壓機(jī)熱壓得到厚度15 mm的產(chǎn)品后陳放。板材芯層的全薄簾結(jié)構(gòu)型采用了厚薄簾搭配，竹木復(fù)合結(jié)構(gòu)[6-7]。組坯結(jié)構(gòu)形式是相鄰層竹簾用厚簾與薄簾的互相垂直結(jié)構(gòu)，使其具有薄簾板與厚簾板兩者的優(yōu)點(diǎn)。

1.2.3 單因素試驗(yàn)

分別以熱壓溫度（A）、熱壓時(shí)間（B）、熱壓壓力（C）等3個(gè)因素為變量，以產(chǎn)品彈性模量（MOE）為評(píng)價(jià)指標(biāo)，單因素試驗(yàn)水平見表1所示。

表 1 單因素水平表Table 1 Factors and levels in single factor experiment

1.2.4 響應(yīng)面分析試驗(yàn)

依據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，采用17次運(yùn)行的Box?Behnken設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)品MOE進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)優(yōu)化[8]，并考慮了A、B、C對(duì)產(chǎn)品MOE的影響。以?1、0、1分別代表自變量的低、中、高水平，試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素與水平見表2。

表 2 響應(yīng)面設(shè)計(jì)因素與水平Table 2 Factors and levels in response surface design

1.2.5 檢測(cè)方法

按照GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》[9]對(duì)產(chǎn)品的 MOE、靜曲強(qiáng)度（MOR）、吸水厚度膨脹率、膠合強(qiáng)度、密度等進(jìn)行檢測(cè)。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 熱壓溫度對(duì)產(chǎn)品MOE的影響

由圖1可知，熱壓溫度對(duì)酚醛樹脂膠黏劑的固化速度影響較大。溫度過(guò)低時(shí)，要保證板材的性能符合要求，需要足夠的熱壓時(shí)間。提高熱壓溫度，有利于提高竹材的塑性，加快膠黏劑的固化，使得竹蔑之間接觸更加緊密，從而提高板材強(qiáng)度。在適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)，溫度越高，酚醛樹脂膠黏劑固化越快，熱壓時(shí)間越短，膠合強(qiáng)度越好，但溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致酚醛樹脂降解變脆[10]。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，熱壓溫度控制在135 ℃左右較為適宜。

圖 1 不同熱壓溫度條件下板材的MOEFig.1 Mean value of MOE in different hot-pressing temperature

2.1.2 熱壓時(shí)間對(duì)產(chǎn)品MOE的影響

由圖2可知，在適當(dāng)?shù)臒釅簤毫蜏囟葪l件下膠黏劑完全固化，完成板材膠合需要一定的時(shí)間，它包括膠黏劑固化時(shí)間和板內(nèi)水分蒸發(fā)時(shí)間。若熱壓期間板坯含水率過(guò)高，會(huì)引起板材的鼓泡分層。若熱壓時(shí)間過(guò)短，膠黏劑固化率低，使膠合強(qiáng)度達(dá)不到質(zhì)量要求。保壓時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)使板材和膠層變脆，甚至炭化[11]。在保壓過(guò)程中，通常膠黏劑固化率要達(dá)到90%以上才能保證竹基熱固性復(fù)合板材的膠合強(qiáng)度，本試驗(yàn)選取的熱壓時(shí)間在90 s/mm比較適合。

圖 2 不同熱壓時(shí)間條件下板材的MOEFig.2 Mean value of MOE in different hot-pressing time

2.1.3 熱壓壓力對(duì)產(chǎn)品MOE性能的影響

由圖3可知，熱壓壓力與板的密度和原材料消耗成正相關(guān)關(guān)系。熱壓壓力控制得當(dāng)，有利于竹基熱固性復(fù)合板材板坯的密實(shí)化，減少膠層空隙，增加膠層分子的內(nèi)聚力，提高板材的力學(xué)性能的使用壽命。如果壓力過(guò)低，會(huì)導(dǎo)致板材各層相對(duì)表面產(chǎn)生缺膠或積膠現(xiàn)象，不利于膠合[12]。同時(shí)壓力過(guò)高，板的密度增大，雖會(huì)使模板的力學(xué)性能增大，但造成單位產(chǎn)品原材料消耗多，吸水厚度膨脹率增大等問(wèn)題，導(dǎo)致生產(chǎn)成本的增加?？紤]到各方面影響因素，單因素試驗(yàn)條件下的熱壓壓力確定為2.4 MPa較適宜。

圖 3 不同熱壓壓力壓制板材的MOEFig.3 Mean value of MOE in different hot-pressing pressure

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 響應(yīng)面設(shè)計(jì)結(jié)果

以熱壓溫度、熱壓時(shí)間、熱壓壓力為影響因子探討高性能竹基熱固性復(fù)合板材的熱壓工藝參數(shù)，試驗(yàn)安排和結(jié)果如表3所示。

表 3 Box?Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 3 Box?Behnken experiment design and results

2.2.2 回歸模型分析

利用軟件對(duì)表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項(xiàng)回歸擬合，通過(guò)響應(yīng)面回歸過(guò)程進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，建立二次響應(yīng)面回歸模型，并尋求最優(yōu)相應(yīng)因子水平，得到回歸方程（如公式（1））[13]。

式中：Y為彈性模量。

由表4可知，系數(shù)A、B、AC、BC和C2極顯著（P＜0.01），C，A2和B2顯著（P＜0.05），而AB系數(shù)不顯著。另外，模型的驗(yàn)證是通過(guò)失擬項(xiàng)測(cè)試來(lái)衡量的。

系數(shù)（R2）定義為平方和與總平方之比的回歸，證明了所獲得模型的充分性。R2=0.942 4，表明方程模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有0.942 4的符合度，調(diào)整后的確定系數(shù)（R2adj）和預(yù)測(cè)確定系數(shù)（R2Pred）也說(shuō)明了該模型是否充分?jǐn)M合了數(shù)據(jù)。R2adj和R2Pred接近于1，表明方程模型有很高的可信度。此外，變異系數(shù)的低值也表明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有很高的精確度和可靠性。以上結(jié)果表明，所獲得的模型已充分反映了板材彈性模量與自變量（熱壓溫度、熱壓時(shí)間和熱壓壓力）之間的真實(shí)關(guān)系。此外，三維相應(yīng)曲面圖和二維等高線圖顯示了熱壓3個(gè)要素與產(chǎn)品彈性模量之間的關(guān)系。

表 4 回歸模型的方差分析Table 4 Variance analysis of regression model

2.2.3 響應(yīng)面交互作用分析

由圖4～5可知，MOE先是隨A和B的增加而增加，當(dāng)A和B分別達(dá)到139.14 ℃和92.61 s/mm時(shí)隨 C 的增加而下降。

由圖6～7可知，熱壓溫度和熱壓壓力對(duì)產(chǎn)品彈性模量隨時(shí)間（在90 s/mm條件下）影響的響應(yīng)面圖，圓形等高線圖表明熱壓溫度和熱壓壓力的相互作用是明顯的。

由圖8～9可知，溫度固定在135 ℃時(shí)熱壓壓力和時(shí)間對(duì)產(chǎn)量的影響。隨著熱壓壓力和時(shí)間的增加MOE增加，但當(dāng)壓力超過(guò)2.54 MPa，時(shí)間超過(guò)92.61 s/mm時(shí)，MOE下降。與其他有關(guān)人造板工藝優(yōu)化的研究相比，響應(yīng)面方法減少了為節(jié)省時(shí)間而進(jìn)行的必要實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)的次數(shù)，并評(píng)估了多個(gè)參數(shù)之間的相互作用，而這種高效的設(shè)計(jì)可以更有效地安排和解釋熱壓實(shí)驗(yàn)。圖 6 熱壓溫度和熱壓壓力交互作用的響應(yīng)曲面

圖 4 熱壓溫度和熱壓時(shí)間交互作用的響應(yīng)曲面Fig.4 Response surface of the effects of temperature and time

圖 5 熱壓溫度和熱壓時(shí)間交互作用的響應(yīng)曲面等高線圖Fig.5 Contours of the effects of temperature and time

Fig.6 Response surface of the effects of temperature and pressure

圖 7 熱壓溫度和熱壓壓力交互作用的等高線圖Fig.7 Contours of the effects of temperature and pressure

圖 8 熱壓時(shí)間和熱壓壓力交互作用的響應(yīng)曲面Fig.8 Response surface of the effects of extraction time and particle size

圖 9 熱壓時(shí)間和熱壓壓力交互作用的等高線圖Fig.9 Contours of the effects of extraction time and particle size

2.2.4 最佳條件的驗(yàn)證

從模型中確定竹基熱固性復(fù)合板材優(yōu)化的熱壓工藝的最佳參數(shù)為，熱壓溫度139.14 ℃、熱壓壓力2.54 MPa、熱壓時(shí)間92.61 s/mm?？紤]到實(shí)際應(yīng)用中的可操作性，對(duì)條件進(jìn)行了如下修改，熱壓溫度為140 ℃，熱壓時(shí)間為92 s/mm，熱壓壓力為2.5 MPa。在最佳熱壓條件下進(jìn)行的平行試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，檢測(cè)結(jié)果為，MOE為8.74 GPa，MOR為98.2 MPa，吸水厚度膨脹率4.8%，膠合強(qiáng)度0.91 MPa，密度0.89 g/cm3。由于板材表面使用了楊木單板，使得其表面相對(duì)竹膠合板模板要更為平整，加上板材內(nèi)部使用了竹席和厚（?。┲窈?，其MOE、MOR、吸水厚度膨脹率、膠合強(qiáng)度和密度等均超過(guò)JG/T 156—2004標(biāo)準(zhǔn)的要求[14]。其中檢測(cè)得到的MOE為8.74 GPa，接近預(yù)期的8.25 GPa。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)值之間的良好相關(guān)性證實(shí)，所獲得的模型可以在不同條件下使用以熱壓溫度、熱壓時(shí)間、熱壓壓力等3個(gè)因素為變量可預(yù)測(cè)產(chǎn)品的MOE。

3 結(jié)論與討論

采用創(chuàng)新技術(shù)工藝生產(chǎn)的高性能竹基熱固性復(fù)合板材具有良好的 MOE、靜曲強(qiáng)度、膠合性能等優(yōu)點(diǎn)。采用的浸膠竹簾、竹席免干工藝與板坯組合體熱壓膠合工藝的低碳效益，減少了板材的用膠量和竹簾的浸膠工作量，不僅提高了生產(chǎn)效率，還節(jié)約了生產(chǎn)成本。

實(shí)驗(yàn)證明響應(yīng)面方法對(duì)高性能竹基熱固性復(fù)合板材熱壓工藝優(yōu)化的有效性，Box?Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)建立了熱壓三要素影響產(chǎn)品MOE的二次多項(xiàng)數(shù)學(xué)模型，并利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)該模型進(jìn)行了顯著性檢驗(yàn)，優(yōu)化了內(nèi)在因素水平，找出最佳值。在優(yōu)化條件下經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，產(chǎn)品MOE實(shí)際值與理論預(yù)測(cè)值較接近。