數(shù)字散斑分析技術(shù)在定向刨花板水分吸放循環(huán)中的應(yīng)用

陳超意，李萬(wàn)兆，梅長(zhǎng)彤，黃河浪

（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.山東新港企業(yè)集團(tuán)有限公司, 山東 臨沂 276000）

定向刨花板(oriented strand board, OSB)是以大片木質(zhì)刨花為原料，經(jīng)施膠并定向鋪裝后熱壓而成。OSB是一種生物基材料，水分會(huì)軟化木纖維并影響OSB的力學(xué)強(qiáng)度[1-3]。木纖維的干縮濕脹易造成OSB內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化[4-5]。已有研究[6-7]表明：相較于65%相對(duì)空氣濕度(relative humidity, RH)，85%RH條件下OSB的彈性模量、靜曲強(qiáng)度更低，且變異性增加。通過(guò)開展循環(huán)吸放水實(shí)驗(yàn)，LI等[8]發(fā)現(xiàn)多次吸放水會(huì)導(dǎo)致OSB變形，并降低其彈性模量。HODOUSEK等[9]研究表明：吸水及含水率增加均會(huì)降低OSB的透氣性。提高OSB的耐水性和力學(xué)強(qiáng)度是拓展其應(yīng)用范圍的重要途徑。木材材性在很大程度上決定了OSB的物理力學(xué)性能[10]，疏水化改性木材刨花可以極大提高OSB的耐水性[11]，石蠟等耐水添加劑的使用也能夠改善OSB的尺寸穩(wěn)定性[12]。吸濕影響OSB物理性能的直觀表現(xiàn)是厚度膨脹，尺寸穩(wěn)定性也是衡量OSB耐水性的重要指標(biāo)，厚度方向上的尺寸變化會(huì)直接影響OSB的抗壓強(qiáng)度，理解OSB抗壓強(qiáng)度變化的發(fā)生機(jī)制有助于提高OSB的耐水性。數(shù)字散斑相關(guān)分析技術(shù)是一種動(dòng)態(tài)記錄材料面內(nèi)應(yīng)變分布的可靠手段[13]。該技術(shù)通過(guò)分析由高速相機(jī)捕捉的一系列照片來(lái)獲得材料的表面變形，并進(jìn)一步量化面內(nèi)應(yīng)變分布[14]。數(shù)字散斑相關(guān)分析技術(shù)可以有效記錄載荷作用下木質(zhì)材料的破壞過(guò)程和探索力學(xué)損失的發(fā)生機(jī)制[15-17]。本研究旨在系統(tǒng)探索水分對(duì)OSB抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，并基于應(yīng)變分布分析影響規(guī)律的發(fā)生機(jī)制，研究結(jié)果可以為優(yōu)化OSB加工工藝提供必要的理論支撐。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)方案

2類OSB購(gòu)自加拿大Norbord公司，分別采用楊木Populus euramericana刨花和異氰酸酯膠黏劑為原料生產(chǎn)，氣干條件下厚度和密度分別為 13.0 mm、594.4 kg·m-3和 19.0 mm、605.1 kg·m-3。每種OSB制備36個(gè)截面尺寸為(35.1±0.2) mm×(35.1±0.2) mm的試件，將每種厚度的試件均分為6組，對(duì)應(yīng)不同的水分條件。水分條件包括對(duì)照組，(65±3)%相對(duì)濕度(RH)；A，(83±3)%RH；B，(95±3)%RH；C，1次吸放水循環(huán)；D，2次吸放水循環(huán)；E，8次吸放水循環(huán)。1次吸放水循環(huán)將試件置于(20±1) ℃水中 1 h，后取出放在 40 ℃ 的烘箱中干燥 2 h，之后在 (65±3)%RH 和 (20±1) ℃ 條件下陳放 2 d。這一干燥條件旨在模擬實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下的風(fēng)干條件。每次吸放水循環(huán)前后，采集試件質(zhì)量和厚度信息。將3組試件分別在(20±1) ℃和3種不同空氣濕度條件下陳放4周，采集陳放前后試件質(zhì)量和厚度信息。力學(xué)測(cè)試完成后，記錄所有試件的絕干質(zhì)量。

1.2 含水率和厚度變化測(cè)定

壓縮試驗(yàn)對(duì)試件質(zhì)量的影響忽略不計(jì)，計(jì)算試件含水率:CM=[(m-m0)/m0]×100%。其中：CM是試件的含水率(%)，m是試件的質(zhì)量(g)，m0是試件的絕干質(zhì)量(g)。不同水分條件下試件的厚度變化CT=(TT0)×100%/T0。其中：CT是試件的厚度變化(%)，T是不同水分條件下試件的厚度(mm)，T0是對(duì)照條件下試件的厚度(mm)。試件壓縮強(qiáng)度SC=F/S。其中：SC是試件的壓縮強(qiáng)度(N·mm-2)，F(xiàn)是加載載荷(N)，S是試件的接觸面積(mm2)。

試件沿厚度方向變形時(shí)，應(yīng)變正值和負(fù)值分別表示拉伸應(yīng)變和壓縮應(yīng)變。剪切應(yīng)變是試件發(fā)生傾斜滑移產(chǎn)生的變形，剪切應(yīng)變的正值和負(fù)值分別表示順時(shí)針剪切和逆時(shí)針剪切。試件沿厚度方向每毫米的應(yīng)變分布，根據(jù)計(jì)算獲得。試件沿厚度方向的剪切應(yīng)變分布，根據(jù)計(jì)算得出。其中：S是厚度方向的平均壓縮應(yīng)變，PSi是厚度i和 (i+1) 間的壓縮應(yīng)變，SS是厚度i和(i+1) 間的平均剪切應(yīng)變，PSSi是厚度i和 (i+1) 間的剪切應(yīng)變，n是單位厚度間的應(yīng)變值個(gè)數(shù)。

1.3 利用數(shù)字散斑技術(shù)測(cè)量壓縮強(qiáng)度和應(yīng)變分布

使用細(xì)砂紙輕輕砂光OSB試件一個(gè)側(cè)面，后用0.5 mm黑色中性筆繪制散斑。為防止吸放水過(guò)程影響散斑質(zhì)量，C、D、E組試件的散斑是在吸放水過(guò)程后繪制。A、B組試件的散斑是在陳放前繪制。

本研究聚焦于試件的壓縮強(qiáng)度測(cè)試，使用Instron萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件平面加壓。加載過(guò)程中壓頭以 0.2 mm·min-1勻速位移，每 100 ms記錄 1 次壓頭高度 (±0.001 mm)和載荷 (±0.001 N)。加載流程：手動(dòng)調(diào)整壓頭初始載荷至 980.0 N (0.8 N·mm-2)，之后開始勻速自動(dòng)加載，載荷達(dá)到 8 575.0 N (7.0 N·mm-2)時(shí)加載結(jié)束。自動(dòng)加載過(guò)程中，使用數(shù)字散斑相關(guān)分析技術(shù)同步記錄試件表面應(yīng)變分布。具體為使用高速攝像機(jī)(M2514-MP2)每100 ms拍攝1張?jiān)嚰砻嬲掌⑹褂肅orrelated Solutions軟件計(jì)算散斑位置變化和應(yīng)變分布。

2 結(jié)果與分析

2.1 厚度和含水率變化

如圖1所示：相較于C組試件，E組試件的厚度變化更大，這說(shuō)明多次吸放水會(huì)引起試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化。刨花的干縮濕脹會(huì)釋放固定在OSB內(nèi)部的熱壓應(yīng)力，并使得刨花間孔隙擴(kuò)大[4]。吸放水循環(huán)8次后，E組試件13.0和19.0 mm的含水率分別升高4.38%和3.81%，這歸因于吸濕滯后現(xiàn)象。含水率升高是造成多次吸放水循環(huán)后試件厚度增加的另一重要原因。吸放水循環(huán)會(huì)增加樣品的厚度，循環(huán)次數(shù)與厚度變化正相關(guān)。相較于其他試件，B組試件的含水率最高，厚度變化也最大。

圖1 不同水分條件下試件的厚度變化和含水率Figure 1 Thickness change and moisture content of samples at different water situations

2.2 壓縮強(qiáng)度

表1顯示不同水分條件下試件變形的差異性，試件變形(加壓頭位移)越大代表試件壓縮強(qiáng)度越低。其中，B組試件的變形顯著增加(P＜0.05)，說(shuō)明(95±3)%RH條件下OSB的壓縮強(qiáng)度下降顯著(P＜0.05)。E組試件也發(fā)生顯著變形，說(shuō)明多次吸放水循環(huán)同樣會(huì)明顯降低OSB的壓縮強(qiáng)度。相較于19.0 mm試件，13.0 mm試件更易受環(huán)境濕度和吸放水循環(huán)影響。試件厚度變化比例大是13.0 mm試件位移顯著增加的重要原因。具體表現(xiàn)為(83±3)%RH條件下和1個(gè)吸放水循環(huán)后，位移已經(jīng)有顯著性增加。較大的原始厚度使得19.0 mm試件厚度變化比例較小，因此僅在(95±3)%RH條件下和8個(gè)吸放水循環(huán)后位移會(huì)有顯著性增加。

表1 各組試件在 7 MPa 載荷條件下變形的 t檢驗(yàn)結(jié)果Table 1 T-test results of the displacement at 7 MPa

圖2表明：7 MPa載荷條件下，B組試件的最終厚度最小。這說(shuō)明含水率增加軟化了木材刨花，并造成載荷條件下木材刨花的大幅變形。吸放水循環(huán)后，厚度為13.0 mm試件的最終厚度均比對(duì)照組低。吸濕會(huì)軟化刨花纖維，吸放水循環(huán)可以引起刨花間孔隙放大和擴(kuò)散，這均會(huì)降低OSB試件的壓縮強(qiáng)度[18]。以上理論可以解釋13.0 mm試件的最終厚度結(jié)果，但并不能完全解釋19.0 mm試件的最終厚度變化。與對(duì)照試件相比，吸放水循環(huán)后，載荷條件下試件的最終厚度甚至小幅增加。該現(xiàn)象的原因是吸放水循環(huán)釋放了熱壓時(shí)聚集在試件內(nèi)部的應(yīng)力，這使得試件壓縮變形困難。厚OSB加工成型往往需要更大的壓力，因此吸放水循環(huán)釋放出的內(nèi)部應(yīng)力也更大。

圖2 7 MPa 載荷時(shí)試件的厚度Figure 2 Thickness of samples at 7 MPa compressive strength

以厚度為19.0 mm試件為例，相較于對(duì)照組，B組試件壓縮變形增加約70%，E組試件壓縮變形增加約30%。為進(jìn)一步探索試件壓縮強(qiáng)度的發(fā)生機(jī)制，需要分析試件壓縮強(qiáng)度與厚度方向變形(加壓頭位移)之間的關(guān)系(圖3)。不同水分行為下，試件發(fā)生了內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化和刨花軟化，這會(huì)影響強(qiáng)度與變形關(guān)系曲線。吸放水循環(huán)和高含水率均弱化了曲線的拐點(diǎn)，這說(shuō)明試件的彈性形變區(qū)間變窄，更多變形是由塑性形變?cè)斐?。循環(huán)吸放水使得刨花間孔隙放大，刨花的完整形態(tài)被破壞，刨花在負(fù)載條件下的承載能力隨之降低。高含水率條件下[(95±3)%RH]，B組試件極易發(fā)生變形，變形曲線沒(méi)有明顯拐點(diǎn)，這表明水分使刨花軟化，降低了刨花剛度，使刨花更易于壓縮變形[19]。

圖3 不同水分條件下試件壓縮載荷與變形之間的關(guān)系Figure 3 Relationship between compressive strength and displacement of samples at different water conditions

2.3 應(yīng)變分布

2種厚度試件的應(yīng)變分布相似，以13.0 mm試件為分析對(duì)象。圖4和圖5結(jié)果顯示：壓縮應(yīng)變主要集中在沿試件厚度方向的中心區(qū)域，這歸因于OSB中心區(qū)域低密度和表層區(qū)域高密度[20]。木質(zhì)復(fù)合材料的密度和剛度往往正相關(guān)[21]。因此，應(yīng)變?nèi)菀装l(fā)生在試件沿厚度方向上的中心區(qū)域。吸放水循環(huán)次數(shù)增加，試件內(nèi)應(yīng)變?cè)黾?，但?yīng)變分布變化較小。含水率升高會(huì)使試件內(nèi)應(yīng)變?cè)黾?，同時(shí)改變應(yīng)變分布。木材刨花會(huì)因?yàn)楹噬叨浕?，這會(huì)降低木材剛度。OSB中心區(qū)域密度低，單位體積內(nèi)刨花數(shù)量少，因此含水率對(duì)該區(qū)域應(yīng)變的影響被弱化。此外，膠黏劑分布對(duì)試件內(nèi)的應(yīng)變分布也有重要影響，膠黏劑往往可以改善木材的力學(xué)性能和尺寸穩(wěn)定性[22]。OSB表層施膠量通常比中心層多，因此試件表層區(qū)域力學(xué)性能受吸放水或含水率影響較小，具體體現(xiàn)為B組和E組試件表層區(qū)域的應(yīng)變普遍較小。

圖4 不同壓縮載荷 (1、 3、 5、 7 MPa)下 13.0 mm 試件沿厚度方向的壓縮應(yīng)變分布Figure 4 Compression strain distribution along the thickness direction of the 13.0 mm samples under four compression strengths(CS=1, 3, 5, 7 MPa)

圖5 不同壓縮載荷下 (1、3、 5、 7 MPa)13.0 mm 試件沿厚度方向的剪切應(yīng)變分布Figure 5 Shear strain distribution along the thickness direction of the 13.0 mm samples under four compression strengths (CS=1, 3, 5, 7 MPa)

為進(jìn)一步探索試件內(nèi)應(yīng)變的動(dòng)態(tài)遷移過(guò)程，區(qū)分B組和E組試件的應(yīng)變分布，由圖6和圖7結(jié)果顯示：載荷低于3 MPa時(shí)，2組試件內(nèi)均未出現(xiàn)明顯應(yīng)變，且應(yīng)變均勻分布。載荷增加時(shí)，試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)持續(xù)變化，部分區(qū)域出現(xiàn)明顯的應(yīng)變集中(圖6藍(lán)色區(qū)域）。結(jié)合圖3可知：壓縮應(yīng)變隨壓縮強(qiáng)度的增大而增加，且主要集中在試件的中心區(qū)域。B組試件的應(yīng)變始于中心區(qū)域，但E組試件的應(yīng)變則從下表面開始。自由水易積聚在近OSB試件側(cè)面和上下表面的孔隙中，或者沿著長(zhǎng)刨花向試件內(nèi)部遷移[4]。多次吸放水循環(huán)使得E組試件下表面的結(jié)構(gòu)不再密實(shí)，載荷作用下，這一區(qū)域容易被再次壓縮變形，并產(chǎn)生應(yīng)變集中。該區(qū)域密實(shí)化后，應(yīng)變集中則更多發(fā)生在試件中心區(qū)域。

圖6 不同壓縮載荷下 13.0 mm 試件 B(左列)和 E(右列)的壓縮應(yīng)變分布Figure 6 Compression strain distribution of 13.0 mm sample B (left) and sample E (right) under four compressive strengths

圖7 不同壓縮載荷下 13.0 mm 試件 B(左列)和 E(右列)的剪切應(yīng)變分布Figure 7 Shear strain distribution of 13.0 mm sample B (left) and sample E (right) under different compression strengths

圖7所示：剪切應(yīng)變分布不連續(xù)且主要集中于中心區(qū)域。剪切應(yīng)變往往造成試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，具體表現(xiàn)為木材刨花間相對(duì)位置滑移。多孔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)使刨花在載荷狀態(tài)下易發(fā)生開膠和錯(cuò)位，并產(chǎn)生剪切應(yīng)變。由于MDI膠黏劑的耐水性和穩(wěn)定性，水分吸著很難將膠黏著的木材刨花分離[23]，因此試件上下表面緊湊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和充分的膠黏劑滲透，可以有效避免水分行為對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，這表現(xiàn)為上下表面區(qū)域剪切應(yīng)變較小。

3 結(jié)論

本研究結(jié)果表明：①含水率的升高和吸放水循環(huán)會(huì)使OSB厚度增加和壓縮強(qiáng)度降低。薄OSB的厚度和壓縮強(qiáng)度更容易受含水率和吸放水循環(huán)影響。②含水率增加會(huì)使木材刨花軟化潤(rùn)脹，含水率20%時(shí)，較未吸濕試件，OSB試件壓縮變形增加約70%。含水率增加使試件厚度方向上的應(yīng)變?cè)黾忧覒?yīng)變分布改變，具體表現(xiàn)為試件厚度中心區(qū)域的應(yīng)變集中現(xiàn)象弱化。③較未吸放水試件，8次吸放水后，OSB壓縮變形增加約30%。試件厚度方向上的應(yīng)變?cè)黾?，但?yīng)變分布變化不明顯。④壓縮載荷作用下，壓縮和剪切應(yīng)變均多始于OSB試件厚度方向上的中心區(qū)域。吸放水循環(huán)會(huì)釋放OSB表層內(nèi)應(yīng)力，這引起試件表層區(qū)域結(jié)構(gòu)疏松和載荷作用下表層壓縮應(yīng)變集中。