竹展平板/杉木板復(fù)合材料性能研究?

薩如拉 趙雪梅 陳建興 棚橋光彥

（1.赤峰學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000；2.日本岐阜大學(xué)應(yīng)用生物科學(xué)部，岐阜縣岐阜市 501-1193）

隨著森林資源的日益緊缺，對可再生、速生、分布廣、強度高、韌性大的竹材資源進行全方位、高效加工利用的重要性凸顯[1-2]。但竹材木質(zhì)層較薄呈空心圓筒狀，圓筒直徑和木質(zhì)層在不同個體之間的差異給竹材的利用帶來了諸多困難[3-4]。隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，竹材加工利用工藝技術(shù)也不斷革新。目前竹材加工產(chǎn)品主要有竹家具、竹地板、竹材人造板、竹裝飾品、竹纖維制品、竹工藝品、竹漿造紙、竹炭、竹醋液等[5-8]。針對竹材傳統(tǒng)加工方式工序繁瑣，出材率低，利用率一般在50%以下等問題[9]，本研究團隊利用高壓水蒸氣壓縮成型技術(shù)進行圓竹的平板化研究，確立了竹展平板技術(shù)體系[10-11]，并對竹展平板的形狀固定處理條件和物理性能進行了探索研究[12]。展平竹板的出現(xiàn)將竹材加工單元由竹片和竹束單元等轉(zhuǎn)變?yōu)橹癜?，可有效提高竹材利用率。在前期研究中發(fā)現(xiàn)，竹展平板存在形狀不穩(wěn)定，纖維垂直方向易斷裂、厚度不等且較薄等問題[10-12]。因此，開發(fā)高利用率、高環(huán)保型和高附加值的竹木復(fù)合材料，是今后竹材利用研究的重要方向[13-16]。竹木復(fù)合板為結(jié)構(gòu)材料，對其物理性能要求較高，本研究以竹展平板為復(fù)合板材上層，杉木板為底層制備了竹/杉復(fù)合板，并考察了固定處理竹展平板、未固定處理竹展平板、竹面載荷、杉面載荷對竹/杉復(fù)合板性能的影響，旨在為拓展竹木復(fù)合板材的制作應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

壓縮率為14%～19%、厚度為5～6 mm的自制毛竹竹展平板[10-11]（采用3～5 年生毛竹，取自于日本岐阜縣長良川），對其中的一半板材進行了160 ℃水蒸氣16 min固定處理[12]，另一半未進行固定處理；杉木板（簡稱杉板，購買于日本岐阜縣建材商城），厚14 mm，寬210 mm；黏合劑：間苯二酚（C6H6O2），日本三菱化學(xué)藥品生產(chǎn)；熔點109～112 ℃；環(huán)氧樹脂，日本三菱化學(xué)藥品生產(chǎn)。

1.2 設(shè)備

電鋸，日本藤沢制作所；磨砂機，日本藤沢制作所；HTP40/58 高壓水蒸氣成型設(shè)備，日本日阪制造；FH300 貫流蒸汽鍋爐，日本三浦鍋爐生產(chǎn)；AGS-J10kN萬能試驗機，日本島津制造。

1.3 試驗方法

1.3.1 復(fù)合板制作

將固定竹展平板、未固定竹展平板各鋸取210 mm ×210 mm，用磨砂機除去難粘合的內(nèi)皮光滑面并磨平，與14 mm × 210 mm × 210 mm杉板粘合。竹展平板內(nèi)面與杉板一面均勻涂布間苯二酚，單面涂膠量為250 g/m2，竹板鋪于上層，杉板鋪于下層，按照順纖維和垂直纖維兩種方向粘合，并放入高壓水蒸汽壓縮成型設(shè)備加熱至160 ℃，熱壓壓力為0.8 MPa，保壓24 h后自然冷卻備用[17-20]。下文順纖維方向的固定竹展平板/杉板復(fù)合板簡稱順固定竹復(fù)合板，順纖維方向的未固定竹展平板/杉板復(fù)合板簡稱順未固定竹復(fù)合板；垂直纖維方向的固定竹展平板/杉板復(fù)合板簡稱垂直固定竹復(fù)合板，垂直纖維方向的未固定竹展平板/杉板復(fù)合板簡稱垂直未固定竹復(fù)合板。

1.3.2 復(fù)合板剝離試驗[17]

以制備48 h后的順纖維復(fù)合板為試材，鋸取5 個 50 mm × 50 mm 試件用于剝離試驗。在試件上下兩面均勻涂布環(huán)氧樹脂，其上粘接不銹鋼塊，把不銹鋼塊連接在萬能力學(xué)試驗機的載荷附件上，向垂直于試件粘接面方向施加拉伸載荷，拉伸速度為2 mm/min，并根據(jù)式（1）計算木破率。膠合處不剝離，杉板或竹板因破壞而剝離的視為木破，木破率（%）越高膠合性能越強。

式中：W為杉板或竹板被破壞的試件數(shù)，個；W0為全部試件數(shù)，個。

1.3.3 復(fù)合板尺寸穩(wěn)定性試驗[17]

在順纖維固定竹復(fù)合板、順纖維未固定竹復(fù)合板兩種材料中各鋸取5個長度為纖維垂直方向的20 mm × 100 mm試件；同時在垂直纖維固定竹復(fù)合板、垂直纖維未固定竹復(fù)合板兩種材料中各鋸取5個長度為竹板纖維方向的20 mm × 100 mm試件、再各鋸取5個長度為竹板纖維垂直方向的20 mm × 100 mm試件，作為尺寸穩(wěn)定性試件。將全部試件放入105 ℃恒溫箱中烘干24 h，取出冷卻至室溫后分別測量試件竹側(cè)、杉側(cè)長度及矢高，然后放入相對濕度100%的真空箱中，24 h后取出并測量竹杉側(cè)長度及矢高，再烘干24 h，測量竹杉側(cè)長度及矢高。吸濕和烘干重復(fù)3次后，將試件放入水中浸泡24 h，取出擦干表面水分，測量竹杉側(cè)長度及矢高，再烘干24 h再測量。浸泡和烘干重復(fù)3次后，將試件水煮沸30 min，取出擦干水分測量竹杉側(cè)長度及矢高，再烘干24 h，冷卻至室溫，測量竹杉側(cè)長度及矢高，并根據(jù)式（2）計算恢復(fù)率（%）[18-20]（纖維垂直方向上壓縮率為14%～19%的竹板，吸水后伸展，伸展的長短下文用恢復(fù)率表示，恢復(fù)率越小形狀越穩(wěn)定）。

式中：A為恢復(fù)處理后試件尺寸，mm；A0為基準(zhǔn)狀態(tài)試件尺寸，mm。

1.3.4 復(fù)合板三點彎曲試驗[17]

以順固定竹復(fù)合板、順未固定竹復(fù)合板、垂直固定竹復(fù)合板、垂直未固定竹復(fù)合板為試材，每種材料各鋸取10個長度為竹板纖維方向的15 mm × 200 mm試件，再鋸取10個長度為竹板纖維垂直方向的15 mm ×200 mm試件，將每種復(fù)合板試件分成2份（5個平行試驗），其中一份以杉面載荷，另一份以竹面載荷，進行三點彎曲試驗；從杉板試材，鋸取5個長度為纖維方向的15 mm × 200 mm試件、再鋸取5個長度為垂直纖維方向的15 mm × 200 mm試件。將試件放入溫度為25℃、相對濕度為65%的真空箱中靜置7 d。取出后，將試件固定在萬能力學(xué)試驗機上，測定載荷及撓度，跨距為180 mm，試驗速度為50 mm/min[20-25]。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合板剝離分析

剝離試驗中，制備的復(fù)合板材在膠合處未出現(xiàn)剝離現(xiàn)象，被破壞剝離部分為杉板，杉板木破率為100%，說明本試驗制備的竹/杉復(fù)合板，其膠合性能達到了單板層積材標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 復(fù)合板尺寸穩(wěn)定性分析

2.2.1 順纖維復(fù)合板尺寸穩(wěn)定性

順固定竹復(fù)合板、順未固定竹復(fù)合板的竹側(cè)恢復(fù)率隨時間的變化如圖1所示。圖中所示分別為每種板材5個試樣的試驗平均值，由圖可知，吸濕和烘干交替重復(fù)試驗中兩種復(fù)合板的竹側(cè)長度變化不明顯，在浸泡烘干交替重復(fù)試驗和煮沸烘干試驗中，順未固定竹復(fù)合板的竹側(cè)長度變化較大，但最終回復(fù)率為4.5%，理論上可以恢復(fù)至14%?；謴?fù)率低的原因在于：1）平板化和復(fù)合過程需要高溫處理，此過程中竹板被輕微固定，恢復(fù)能力隨之下降；2）平板展開時維管束密度大的竹外皮被進一步壓縮，有些組織因被破壞而失去恢復(fù)應(yīng)力；3）杉板的吸水膨脹、干燥收縮性質(zhì)抑制了竹板的恢復(fù)。固定竹單板的恢復(fù)率約為1%[10]，順固定竹復(fù)合板竹側(cè)的最終恢復(fù)率只有0.45%，杉板的干燥收縮性質(zhì)進一步抑制了竹板的恢復(fù)，因此制得的復(fù)合板尺寸較穩(wěn)定。

圖1 順固定竹復(fù)合板、順未固定竹復(fù)合板竹側(cè)恢復(fù)率Fig.1 Bamboo-side recovery rate of along-fiber fixed composite panel and along-fiber unfixed bamboo-fir composite panel

順固定竹復(fù)合板、順未固定竹復(fù)合板的杉側(cè)恢復(fù)率隨時間的變化如圖2 所示。圖中所示分別為每種板材5 個試樣的試驗平均值，從圖中可以看出，吸濕烘干交替重復(fù)試驗中兩種復(fù)合板的杉側(cè)長度變化較小。在浸泡烘干交替重復(fù)試驗和煮沸烘干試驗中順未固定竹復(fù)合板杉側(cè)的長度有縮短的傾向，最終恢復(fù)率為-1.58%。出現(xiàn)收縮現(xiàn)象的原因在于：1）壓縮率為14%～19%的未固定竹板，在吸水過程中會因恢復(fù)原來的圓筒形狀而向內(nèi)側(cè)彎曲，從而杉板被壓縮縮短；2）浸泡時杉板的半纖維素分解導(dǎo)致干燥杉板收縮。順固定竹復(fù)合板杉側(cè)最終恢復(fù)率為0.37%,其原因在于：1）順固定竹復(fù)合板的杉板因半纖維素的分解有收縮傾向； 2）雖然固定處理竹單板有較高的尺寸穩(wěn)定性[10]，而且通過復(fù)合方式增強了竹板的穩(wěn)定性，但如圖1 所示，竹側(cè)也有0.45%恢復(fù)率；因竹板的伸張傾向與杉板的收縮傾向共同作用的結(jié)果杉側(cè)最終恢復(fù)率為0.37%。

圖2 順固定竹復(fù)合板、順未固定竹復(fù)合板杉側(cè)恢復(fù)率Fig.2 Fir-side recovery rate of along-fiber fixed composite panel and along-fiber unfixed composite panel

順固定竹復(fù)合板、順未固定竹復(fù)合板的矢高變化如圖3 所示。圖中所示分別為每種板材5 個試樣的試驗平均值，由圖可知，吸濕烘干交替重復(fù)試驗中復(fù)合板的矢高變化較小，浸泡烘干交替重復(fù)試驗及煮沸烘干試驗中順未固定竹復(fù)合板竹板向內(nèi)側(cè)彎曲，杉板收縮，其最終矢高變化為2.7 mm。順固定竹復(fù)合板的竹板尺寸較穩(wěn)定，抑制杉板的收縮，最終矢高變化為0.3 mm，獲得了尺寸較穩(wěn)定的竹/杉復(fù)合板。

圖3 順固定竹復(fù)合板、順未固竹定復(fù)合板矢高變化Fig.3 Vector height change of along-fiber fixed composite panel and along-fiber unfixed composite panel

2.2.2 垂直纖維復(fù)合板尺寸穩(wěn)定性分析

垂直纖維復(fù)合板吸濕烘干交替重復(fù)試驗中尺寸穩(wěn)定，浸水烘干交替重復(fù)試驗中出現(xiàn)了多處裂痕。長度為竹板纖維方向試件的杉板和長度為杉板纖維方向的試件竹板多處出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象。原因為竹板、杉板纖維方向比較穩(wěn)定，因此在浸泡烘干交替環(huán)境中長度不發(fā)生變化，但竹板、杉板在纖維垂直方向上可以吸水伸展，干燥縮短，從而出現(xiàn)裂紋。

2.3 復(fù)合板三點彎曲結(jié)果分析

復(fù)合板三點彎曲試驗中杉面載荷時杉板被壓縮，試件的厚度發(fā)生變化，厚度的變化直接影響MOR、MOE等的計算值。另外，竹板的厚度、壓縮率不一致，影響復(fù)合板的厚度及均質(zhì)，因此本試驗采用實測值評價復(fù)合板彎曲性能。

2.3.1 順復(fù)合板三點彎曲結(jié)果分析

長度為竹板纖維方向的順復(fù)合板三點彎曲試驗代表性試件載荷-撓度曲線見圖4。由圖4 可知，順固定竹復(fù)合板與順未固定竹復(fù)合板竹面載荷時曲線斜率大，說明試件的剛性大，原因為：1）竹板表面剛性大于杉面剛性；2）竹展平板化和制備復(fù)合板時采用的高壓水蒸氣處理促進了竹板纖維素的結(jié)晶化，進一步增加了竹面的剛性。竹面載荷時順未固定竹復(fù)合板最大載荷為1.75 kN，撓度為7.00 mm；順固定竹復(fù)合板最大載荷為1.70 kN，撓度為7.00 mm。竹面載荷時竹面硬度較大隨之最大載荷也高，抗拉面為杉板纖維垂直方向，杉板纖維方向的彈性較低，容易被拉伸破壞，導(dǎo)致?lián)隙鹊?。杉面載荷時順未固定竹復(fù)合板最大載荷為1.03 kN，撓度為23.73 mm；順固定竹復(fù)合板最大載荷為0.96 kN，撓度為23.44 mm。杉面載荷時杉板硬度較低隨之最大載荷也較低，抗拉面的竹板在纖維方向彈性很強因此不易被拉伸破壞。同時，施加載荷時杉板被壓縮, 緩和了竹板的作用力，因此撓度大。杉板的最大破壞載荷為0.74 kN ，撓度為6.51 mm，約為竹面載荷最大載荷的2/5，杉面載荷最大載荷的7/10。順固定竹復(fù)合板的最大載荷均低于順未固竹定復(fù)合板的載荷，說明高溫固定處理影響竹板的強度。

圖4 長度為竹板纖維方向的順復(fù)合板三點彎曲試驗代表性試件載荷-撓度曲線Fig.4 Load-deflection curve of a representative sample from the three-point bending test on the parallel composite panel with the length direction parallel to the bamboo fiber direction

長度為竹板纖維垂直方向的順復(fù)合板三點彎曲試驗代表性試件載荷-撓度曲線見圖5。由圖5 可知，竹面載荷時順未固定竹復(fù)合板最大載荷為0.58 kN，撓度為3.32 mm；順固定竹復(fù)合板最大載荷為0.53 kN，撓度為3.04 mm。竹面載荷時，雖然順固定竹復(fù)合板和順未固定竹復(fù)合板的抗拉面為性質(zhì)相同的杉板，但是順固定竹復(fù)合板的最大載荷及撓度均低于順未固定竹復(fù)合板，說明固定處理影響竹板的強度；竹板與杉板在纖維垂直方向上彎曲能力均較弱，導(dǎo)致順固定和順未固定復(fù)合板的最大載荷與撓度均低。杉面載荷時順未固定竹復(fù)合板最大破壞載荷為0.40 kN ，撓度為3.68 mm；順固定竹復(fù)合板最大載荷為0.35 kN，撓度為2.30 mm；表明固定處理影響了竹板軟組織，更容易被拉伸破壞。順復(fù)合板的最大破壞載荷約是杉單板的2～3 倍，撓度基本相等。

圖5 長度為竹板纖維垂直方向的順復(fù)合板三點彎曲試驗代表性試件載荷-撓度曲線Fig.5 Load-deflection curve of a representative sample from the three-point bending test on the parallel composite panel with the length direction vertical to the bamboo fiber direction

2.3.2 垂直復(fù)合板三點彎曲結(jié)果分析

長度為竹板纖維方向的垂直復(fù)合板三點彎曲試驗代表性試件載荷-撓度曲線見圖6。由圖6 可知，竹面載荷時垂直未固定竹復(fù)合板最大載荷為0.59 kN，撓度為6.25 mm；垂直固定竹復(fù)合板最大載荷為0.51 kN，撓度為5.38 mm。竹面載荷時兩種復(fù)合板的載荷曲線呈先上升、后下降、再上升的趨勢，原因為抗拉面杉板被破壞之前載荷上升，杉板被拉斷后載荷下降，此時竹板還未破壞，載荷再次上升至竹板破壞，此時產(chǎn)生最大破壞載荷。杉面施加載荷時垂直固定竹復(fù)合板的最大載荷為0.80 kN，撓度為20.53 mm；垂直未固定竹復(fù)合板的最大載荷為0.88 kN，撓度為21.00 mm；杉面載荷時垂直固定竹復(fù)合板的最大載荷及撓度略低于垂直未固定竹復(fù)合板。在竹面載荷與杉面載荷試驗中，垂直未固定竹復(fù)合板的撓度與最大破壞載荷均大于垂直固定竹復(fù)合板，說明高溫固定處理影響了竹板的彎曲強度。

圖6 長度為竹板纖維方向的垂直復(fù)合板三點彎曲試驗代表性試件的載荷-撓度曲線Fig.6 Load-deflection curve of a representative sample from the three-point bending test on the vertical composite panel with the length direction along to the bamboo fiber direction

長度為竹板纖維垂直方向的垂直復(fù)合板三點彎曲試驗代表性試件的載荷-撓度曲線見圖7。由圖7 可知，竹面載荷時垂直固定竹復(fù)合板和垂直未固定竹復(fù)合板的最大破壞載荷與撓度約相等，分別為1.66、1.70 kN和6.24、6.40 mm，與圖4 的順固定竹復(fù)合板和順未固定竹復(fù)合板的竹面載荷的試驗結(jié)果基本一致。杉面載荷時垂直固定竹復(fù)合板和垂直未固定竹復(fù)合板的最大破壞載荷與撓度也約相等，分別為0.97、0.96 kN和6.40、6.79 mm。杉面載荷時抗拉面為竹板纖維垂直方向，竹板在纖維垂直方向的彈性很小，且由于竹板較薄，易拉伸破壞，最終抗拉的是杉板，因此約等于杉單板的撓度。垂直固定竹復(fù)合板和垂直未固定竹復(fù)合板的載荷-撓度曲線基本重疊。固定竹板受高溫固定處理的影響，剛性高于未固定竹板，而強度略低于未固定竹板，因此，垂直固定復(fù)合板的斜率略大于垂直未固定竹復(fù)合板，最大破壞載荷略低于垂直未固定竹復(fù)合板。無論竹面載荷或杉面載荷，兩種復(fù)合板最終被破壞的都是杉板，因此，4 條曲線的撓度約相等。

圖7 長度為竹板纖維垂直方向的垂直復(fù)合板三點彎曲試驗代表性試件的載荷-撓度曲線Fig.7 Load-deflection curve of a representative sample from the three-point bending test on the vertical composite panel with the length direction vertical to the bamboo fiber direction

3 結(jié)論

本研究考察了竹展平板/杉木板復(fù)合材料的性能，得出以下結(jié)論：

1）間苯二酚膠合的竹/杉復(fù)合板材性能達到了單板層積材標(biāo)準(zhǔn)要求；

2）順纖維復(fù)合板的尺寸比垂直纖維復(fù)合板的尺寸更穩(wěn)定；

3）竹板纖維方向上順復(fù)合材的最大載荷約為垂直復(fù)合材的3 倍，撓度相當(dāng)；竹板纖維垂直方向上順復(fù)合材的最大載荷約為垂直復(fù)合材的1/2～1/3，撓度約為1/2；垂直復(fù)合板彎曲性能高于順纖維復(fù)合板的彎曲性能；

4）未固定竹復(fù)合板的最大破壞載荷和撓度均大于固定竹復(fù)合板最大破壞載荷和撓度，說明竹展單板的高溫水蒸氣固定處理提高了竹板的剛性，降低了竹板的強度；

5）通過竹/杉復(fù)合方式可不同程度提高竹展平板的尺寸穩(wěn)定性和彎曲性能[10]。

綜上，竹/杉板復(fù)合材料性能優(yōu)越，本研究為有效利用竹展平板提供了理論依據(jù)。