慈竹不同尺度單元對(duì)復(fù)合板材物理力學(xué)性能的影響

呂城龍，尹新順，陳 磊，石江濤，許 斌，王新洲*

(1.南京林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037； 2.南京工大建設(shè)工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211800； 3.杭州新竹文化創(chuàng)意有限公司，浙江 杭州 311203)

竹材具有生長(zhǎng)周期短、產(chǎn)量高、力學(xué)性能卓越以及綠色環(huán)保、可再生等天然特性，被譽(yù)為世界“第二大森林”和21世紀(jì)最有發(fā)展前景的生物質(zhì)材料。我國(guó)竹材資源豐富，竹林分布面積達(dá)700萬hm2，約占世界的1/4。經(jīng)過近40年的發(fā)展，我國(guó)已成為世界上最大的竹材制品生產(chǎn)和出口國(guó)，竹材加工技術(shù)一直位于世界前列。近幾年，隨著竹產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新轉(zhuǎn)型升級(jí)的推進(jìn)，“竹材建材化”理念得到推廣，竹建材的廣泛應(yīng)用必將成為我國(guó)建材領(lǐng)域的一場(chǎng)革命[1]。2021年11月，我國(guó)正式發(fā)布了建設(shè)工程竹材標(biāo)準(zhǔn)T/CECS 10138—2021《工程竹材》，首次明確了工程竹材包括以竹片或竹束為單元膠合而成，且具有明確工程力學(xué)參數(shù)，滿足工程設(shè)計(jì)性能要求的竹質(zhì)復(fù)合材料[2-3]。與圓竹相比，工程竹材的物理性能更加穩(wěn)定，力學(xué)性能顯著提升，耐久性更優(yōu)，能滿足其在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用需求。

在過去近40年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量竹基復(fù)合材料的工藝特性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、理化性能以及產(chǎn)品功能性改良研究，促進(jìn)了復(fù)合材料的產(chǎn)業(yè)化和技術(shù)升級(jí)[4]。我國(guó)已開發(fā)了一系列竹質(zhì)復(fù)合材料產(chǎn)品，如竹膠合板、竹集成材、重組竹等，在車廂底板、建筑用材、裝修裝潢、家具、戶外景觀等傳統(tǒng)領(lǐng)域，甚至風(fēng)力發(fā)電等新領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[5]。然而，目前市場(chǎng)上比較成熟的竹質(zhì)復(fù)合材料產(chǎn)品主要用于普通非承重場(chǎng)合或者輕型建筑結(jié)構(gòu)，其力學(xué)性能要求相對(duì)較低。若想拓展其在承重結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應(yīng)用，如橋梁結(jié)構(gòu)、高層建筑、抗爆營(yíng)房等建設(shè)，有必要開發(fā)高強(qiáng)度且密度相對(duì)較小的竹質(zhì)復(fù)合材料。

梁山慈竹(Dendrocalamusfarinosus)是西南地區(qū)1個(gè)重要的叢生經(jīng)濟(jì)竹種。慈竹竹竿直徑雖小但差異不大，竿型通直，且力學(xué)性能更加優(yōu)越，是制漿造紙的優(yōu)良原料[6]。與毛竹(Phyllostachysedulis)相比，慈竹更易于劈裂和疏解，因此也被用于生產(chǎn)重組竹[7]。然而，所生產(chǎn)重組竹產(chǎn)品主要還是應(yīng)用于地板、家具等與毛竹重組材一樣的民用場(chǎng)合，并沒有充分發(fā)揮慈竹原料的力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)。因此，以慈竹為原料，開發(fā)高強(qiáng)度復(fù)合材料，可豐富產(chǎn)品種類，拓展竹材在工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應(yīng)用，提高其利用價(jià)值。

該文以慈竹為原料，將其加工成不同尺度的單元材料(竹篾片、竹束、維管束纖維)，再按不同原材料組合方式進(jìn)行復(fù)合組坯、施膠、熱壓制備多種板坯結(jié)構(gòu)的復(fù)合板材，通過研究板材的物理力學(xué)性能，探究慈竹用于制備高強(qiáng)度復(fù)合材料的可行性。

1 材料與方法

1.1 材料

慈竹，3～4年生，直徑約為50 mm，壁厚約為5 mm，采自四川洪雅。酚醛樹脂膠粘劑，固含量為58%，粘度為74 cps(25 ℃)，pH=9.7，水溶倍數(shù)為10，游離酚<1%，購(gòu)自南京太爾化工有限公司。

1.2 慈竹復(fù)合板材制備

1.2.1慈竹單元制備 如圖1所示，將慈竹加工成3種單元：

圖1 竹材不同尺度單元制備示意圖Fig.1 Preparation of Dendrocalamus farinosus bamboo units with different scales

(1)竹篾片：慈竹經(jīng)截?cái)?、剖分、去?nèi)節(jié)、去竹黃竹青后，沿弦向剖篾，取靠竹青層部位；竹篾片寬度約為10 mm，厚度約2 mm，氣干密度約為0.75 g·cm-3。

(2)碾壓竹束：參照文獻(xiàn)[8]中的工藝方法，將未去除竹青的竹片經(jīng)多功能疏解機(jī)反復(fù)疏解5遍，制成縱向連續(xù)、橫向交織的纖維化竹束單板。

(3)維管束纖維：參照文獻(xiàn)[9]中的工藝方法，將竹筒經(jīng)180 ℃高溫飽和蒸汽處理后，再經(jīng)機(jī)械碾壓制備細(xì)化的維管束纖維。

1.2.2 復(fù)合板材制備 慈竹單元經(jīng)浸膠、干燥、組坯、熱壓以及后期加工制備尺寸為500 mm×500 mm×10 mm的復(fù)合板材，板材的目標(biāo)密度為1.20 g·cm-3，其主要工藝如下：

(1)浸膠。浸膠前將膠粘劑稀釋至濃度20%；將慈竹單元在膠液中浸漬8 min；取出后瀝膠，再將浸膠后的單元材料置于70 ℃的鼓風(fēng)干燥箱中干燥，并每隔10 min翻轉(zhuǎn)使材料干燥均勻、含水率降至15%以下。采用稱重法測(cè)得的單元材料浸膠量為：竹篾片約為10%，維管束纖維和碾壓竹束約為15%。

(2)組坯。按照以下4種組合方式進(jìn)行組坯：

A. 竹篾層積材——由竹篾片沿順紋方向?qū)臃e組坯；

B. 重組竹——純竹束沿順紋方向組坯；

C. 竹篾片/竹束復(fù)合板——表層為竹篾片簾，芯層為竹束，其中上下表層均鋪裝2層竹篾片簾；

D. 竹束/維管束纖維復(fù)合板——表層為維管束纖維，芯層為竹束(表芯層質(zhì)量比例1∶1)。

將壓制后的板材端面采用200目砂紙打磨，并采集光學(xué)圖像，如圖2所示，可以看出4種不同的板坯結(jié)構(gòu)。

圖2 慈竹復(fù)合板端面結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Cross-section structure of bamboo-based panel

(3)熱壓。板坯熱壓條件：熱壓溫度140 ℃，熱壓壓力4 MPa，熱壓時(shí)間為15 min。

1.3 物理力學(xué)性能測(cè)定

參照GB/T 40247—2021《重組竹》和GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能實(shí)驗(yàn)方法》的相關(guān)規(guī)定指標(biāo)與方法，對(duì)板材的密度、吸水厚度膨脹率、靜曲強(qiáng)度、彈性模量以及順紋抗拉強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定。

1.4 形貌結(jié)構(gòu)分析

將復(fù)合板材的橫切面頂端刨切成四棱錐形，再采用半薄切片機(jī)將錐形端拋光，運(yùn)用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)橫切面的形貌結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，掃描加速電壓為20 kV。

2 結(jié)果與分析

2.1 板材密度

板材的密度對(duì)板材的物理力學(xué)性能有著極其重要的影響，因此，研究慈竹復(fù)合板的密度對(duì)高強(qiáng)度復(fù)合板的制造具有重要意義。由圖3可知，板材的密度均高于1.00 g·cm-3，其中結(jié)構(gòu)A、B、C的板材平均密度為1.15～1.16 g·cm-3，而結(jié)構(gòu)D的板材密度略低，為1.12 g·cm-3。結(jié)構(gòu)A、B、C板材中的竹材單元中均不同程度地含有薄壁細(xì)胞，浸膠過程中部分膠粘劑滲透進(jìn)入細(xì)胞腔內(nèi)熱壓時(shí)薄壁細(xì)胞更易于壓縮且樹脂固化起到很好的固定作用。而結(jié)構(gòu)D板材中維管束纖維基本都為厚壁纖維細(xì)胞，膠粘劑很難進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，熱壓過程中厚壁細(xì)胞難以壓縮，產(chǎn)生較大的熱壓應(yīng)力，因此竹材單元的實(shí)質(zhì)壓縮量要比結(jié)構(gòu)A、B、C低，因此密度相對(duì)略低。

圖3 慈竹復(fù)合板材的密度Fig.3 Density of bamboo-based panel

2.2 吸水厚度膨脹率

在宏觀層面上，慈竹復(fù)合板產(chǎn)生吸水膨脹，將破壞板材原有的密實(shí)結(jié)構(gòu)，影響復(fù)合板的質(zhì)量和使用壽命。因此，測(cè)量慈竹復(fù)合板的吸水厚度膨脹率(TS)以評(píng)價(jià)復(fù)合板的使用性能。由圖4可知，板材的TS值均小于5.00%，達(dá)到了GB/T 40247—2021標(biāo)準(zhǔn)中的T5.0級(jí)。其中結(jié)構(gòu)A和C板材的TS值明顯高于結(jié)構(gòu)B和D。其原因是結(jié)構(gòu)A和C中均含有竹篾片，由于其尺寸較大浸膠量較低，且薄壁細(xì)胞較多，細(xì)胞吸收水分后，會(huì)引起細(xì)胞壁發(fā)生膨脹，受壓的竹材細(xì)胞也會(huì)產(chǎn)生壓縮變形恢復(fù)。結(jié)構(gòu)D板材TS值最低，為3.10%，這是因?yàn)榫S管束纖維中薄壁細(xì)胞較少，且經(jīng)飽和蒸汽處理后單元材料自身的吸濕性較低[10]；另外，熱壓過程中壓縮應(yīng)力也較低，因此吸水后回彈較小。

圖4 慈竹復(fù)合板材的吸水厚度膨脹率Fig.4 Thickness swelling of bamboo-based panel

2.3 彎曲彈性模量和靜曲強(qiáng)度

圖5為4種結(jié)構(gòu)板材的彎曲彈性模量和靜曲強(qiáng)度。由圖5(a)可知，竹材單元細(xì)化有助于提高板材的力學(xué)性能，例如結(jié)構(gòu)A板材的彈性模量為18.4 GPa，而竹束所制得的板材彈性模量達(dá)到25.1 GPa，增長(zhǎng)了36%。竹材組織結(jié)構(gòu)中，厚壁纖維細(xì)胞彈性模量遠(yuǎn)高于薄壁細(xì)胞，而在竹材單元細(xì)化過程中大量薄壁細(xì)胞被去除，因此，竹束單元自身的彈性模量高于篾片。與竹束相比，維管束纖維中薄壁細(xì)胞含量更低，所制得板材的彈性模量也略高于普通的重組竹[11]。板材的靜曲強(qiáng)度值呈現(xiàn)同樣的規(guī)律，除了源于單元材料自身強(qiáng)度的高低，竹材單元細(xì)化后浸膠量增大也是原因之一。但與彈性模量比，板材的靜曲強(qiáng)度差異不顯著，這是因?yàn)榘宀脑趶澢^程中，不僅發(fā)生單元材料的拉伸斷裂，同時(shí)也發(fā)生層間剪切破壞。因此，膠粘劑的自身強(qiáng)度也起到重要作用。結(jié)構(gòu)D板材的彈性模量和靜曲強(qiáng)度達(dá)到了GB/T 40247—2021標(biāo)準(zhǔn)中270Eb優(yōu)等品等級(jí)。

圖5 慈竹復(fù)合板材的彈性模量和靜曲強(qiáng)度Fig.5 MOE and MOR of bamboo-based panel

圖6為4種復(fù)合板材的比彈性模量(彈性模量與密度之比)和比靜曲強(qiáng)度(靜曲強(qiáng)度與密度之比)，反映的是材料的輕質(zhì)高強(qiáng)性能。從圖中可以看出，純維管束纖維所制得的板材(結(jié)構(gòu)D)具有顯著的優(yōu)越性，其比彈性模量和比靜曲強(qiáng)度分別達(dá)到了24.1 GPa和302.3 MPa，高于其他3種結(jié)構(gòu)板材。其比靜曲強(qiáng)度也高于芳綸鋁合金層板(ARALL)和玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金層板(GLALL)，比彈性模量與之相當(dāng)[12]。

圖6 慈竹復(fù)合板材的比彈性模量和比靜曲強(qiáng)度Fig.6 Specific MOE and MOR of bamboo-based panel

2.4 順紋抗拉強(qiáng)度

圖7為4種復(fù)合板材的順紋抗拉強(qiáng)度和比抗拉強(qiáng)度。如圖7(a)所示，與純竹篾片制得的結(jié)構(gòu)A板材比，竹束和維管束纖維抗拉強(qiáng)度均有所提高，其中結(jié)構(gòu)D板材抗拉強(qiáng)度最高，達(dá)到了281.2 MPa。分析其原因主要有：(1)竹材自身抗拉強(qiáng)度較高，約為木材的2倍，但竹節(jié)是其薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)抗拉強(qiáng)度具有顯著影響[13]；竹篾片竹節(jié)分布相對(duì)集中，而竹束和維管束纖維的節(jié)被離散化了，因此在板材中分布比較分散，不易形成薄弱點(diǎn)；(2)順紋抗拉強(qiáng)度還與單元之間膠合狀態(tài)有關(guān)，竹篾片之間易出現(xiàn)層間滑移現(xiàn)象，而竹束和維管束纖維之間互相交織，層間滑移現(xiàn)象相對(duì)較少。據(jù)課題組前期研究，維管束纖維的抗拉強(qiáng)度可達(dá)到600 MPa以上，而復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度不足其1/2，也正說明單元膠合狀態(tài)對(duì)板材抗拉性能具有較大影響[9]。由圖7(b)，可以看出結(jié)構(gòu)D板材的抗拉性能優(yōu)勢(shì)更明顯，其比抗拉強(qiáng)度超過了GLALL，與ARALL接近。

圖7 慈竹復(fù)合板的順紋抗拉強(qiáng)度和比抗拉強(qiáng)度Fig.7 Tensile strength and specific tensile strength of bamboo-based panel

2.5 端面形貌結(jié)構(gòu)分析

為了進(jìn)一步探討不同結(jié)構(gòu)板材物理力學(xué)性能存在差異的原因，該文對(duì)拉伸加載后板材破壞處進(jìn)行采樣，并與加載前板材的端面形貌結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析。圖8(a)—8(d)為加載前復(fù)合板材的端面結(jié)構(gòu)，可以看出：結(jié)構(gòu)A中竹篾片被壓縮了，但仍可以看見較為完整的竹材組織結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)B中已不存在完整的竹材組織結(jié)構(gòu)，薄壁細(xì)胞組織較少；結(jié)構(gòu)C中竹篾片與竹束之間存在較為清晰的膠合界面；結(jié)構(gòu)D中薄壁細(xì)胞組織基本不可見，維管束纖維之間存在一定的膠合裂隙。如圖8(e)—8(h)所示，在拉伸破壞后，結(jié)構(gòu)A中竹篾片單元自身發(fā)生了分層破壞，結(jié)構(gòu)B中維管束之間或與薄壁組織之間發(fā)生明顯的撕裂，結(jié)構(gòu)C中竹束和竹篾片之間發(fā)生明顯的層間滑移破壞，而結(jié)構(gòu)D中維管束纖維之間出現(xiàn)裂痕。通過對(duì)比不同結(jié)構(gòu)板材的端面結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步驗(yàn)證了板材的抗拉強(qiáng)度與竹材單元自身強(qiáng)度有直接關(guān)聯(lián)，同時(shí)單元之間的膠合狀態(tài)也是重要影響因素。選擇優(yōu)質(zhì)的竹種，優(yōu)化好板坯結(jié)構(gòu)、浸膠和熱壓工藝，將是提高復(fù)合板材力學(xué)性能的有效途徑。

3 結(jié)論

(1)由慈竹竹篾、竹束和維管束纖維制備的復(fù)合板材的抗彎性能和抗拉性能均高于GB/T40247—2021標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的180Eb和180Et優(yōu)等品性能；

(2)竹束/維管束纖維復(fù)合板材的力學(xué)性能最優(yōu)，彎曲彈性模量、靜曲強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為27 GPa、338 MPa和281 MPa，達(dá)到了GB/T40247—2021標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的270Eb和270Et優(yōu)等品性能要求；

(3)維管束纖維在制備輕質(zhì)高強(qiáng)竹基復(fù)合材料方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，制得的復(fù)合板材的比模量和比強(qiáng)度高于玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金層板，具備在特殊結(jié)構(gòu)領(lǐng)域應(yīng)用的潛力。