數字散斑分析技術在定向刨花板水分吸放循環(huán)中的應用

陳超意，李萬兆，梅長彤，黃河浪

（1.南京林業(yè)大學 材料科學與工程學院, 江蘇 南京 210037；2.山東新港企業(yè)集團有限公司, 山東 臨沂 276000）

定向刨花板(oriented strand board, OSB)是以大片木質刨花為原料，經施膠并定向鋪裝后熱壓而成。OSB是一種生物基材料，水分會軟化木纖維并影響OSB的力學強度[1-3]。木纖維的干縮濕脹易造成OSB內部結構變化[4-5]。已有研究[6-7]表明：相較于65%相對空氣濕度(relative humidity, RH)，85%RH條件下OSB的彈性模量、靜曲強度更低，且變異性增加。通過開展循環(huán)吸放水實驗，LI等[8]發(fā)現(xiàn)多次吸放水會導致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降低OSB的透氣性。提高OSB的耐水性和力學強度是拓展其應用范圍的重要途徑。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，厚度方向上的尺寸變化會直接影響OSB的抗壓強度，理解OSB抗壓強度變化的發(fā)生機制有助于提高OSB的耐水性。數字散斑相關分析技術是一種動態(tài)記錄材料面內應變分布的可靠手段[13]。該技術通過分析由高速相機捕捉的一系列照片來獲得材料的表面變形，并進一步量化面內應變分布[14]。數字散斑相關分析技術可以有效記錄載荷作用下木質材料的破壞過程和探索力學損失的發(fā)生機制[15-17]。本研究旨在系統(tǒng)探索水分對OSB抗壓強度的影響規(guī)律，并基于應變分布分析影響規(guī)律的發(fā)生機制，研究結果可以為優(yōu)化OSB加工工藝提供必要的理論支撐。

1 材料與方法

1.1 實驗材料和實驗方案

2類OSB購自加拿大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，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，對應不同的水分條件。水分條件包括對照組，(65±3)%相對濕度(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際應用環(huán)境下的風干條件。每次吸放水循環(huán)前后，采集試件質量和厚度信息。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量和厚度信息。力學測試完成后，記錄所有試件的絕干質量。

1.2 含水率和厚度變化測定

壓縮試驗對試件質量的影響忽略不計，計算試件含水率:CM=[(m-m0)/m0]×100%。其中：CM是試件的含水率(%)，m是試件的質量(g)，m0是試件的絕干質量(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是對照條件下試件的厚度(mm)。試件壓縮強度SC=F/S。其中：SC是試件的壓縮強度(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，應變正值和負值分別表示拉伸應變和壓縮應變。剪切應變是試件發(fā)生傾斜滑移產生的變形，剪切應變的正值和負值分別表示順時針剪切和逆時針剪切。試件沿厚度方向每毫米的應變分布，根據計算獲得。試件沿厚度方向的剪切應變分布，根據計算得出。其中：S是厚度方向的平均壓縮應變，PSi是厚度i和 (i+1) 間的壓縮應變，SS是厚度i和(i+1) 間的平均剪切應變，PSSi是厚度i和 (i+1) 間的剪切應變，n是單位厚度間的應變值個數。

1.3 利用數字散斑技術測量壓縮強度和應變分布

使用細砂紙輕輕砂光OSB試件一個側面，后用0.5 mm黑色中性筆繪制散斑。為防止吸放水過程影響散斑質量，C、D、E組試件的散斑是在吸放水過程后繪制。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度測試，使用Instron萬能力學試驗機對試件平面加壓。加載過程中壓頭以 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：手動調整壓頭初始載荷至 980.0 N (0.8 N·mm-2)，之后開始勻速自動加載，載荷達到 8 575.0 N (7.0 N·mm-2)時加載結束。自動加載過程中，使用數字散斑相關分析技術同步記錄試件表面應變分布。具體為使用高速攝像機(M2514-MP2)每100 ms拍攝1張試件表面照片，并使用Correlated Solutions軟件計算散斑位置變化和應變分布。

2 結果與分析

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，這說明多次吸放水會引起試件內部結構變化。刨花的干縮濕脹會釋放固定在OSB內部的熱壓應力，并使得刨花間孔隙擴大[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)會增加樣品的厚度，循環(huán)次數與厚度變化正相關。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度越低。其中，B組試件的變形顯著增加(P＜0.05)，說明(95±3)%RH條件下OSB的壓縮強度下降顯著(P＜0.05)。E組試件也發(fā)生顯著變形，說明多次吸放水循環(huán)同樣會明顯降低OSB的壓縮強度。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個吸放水循環(huán)后，位移已經有顯著性增加。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個吸放水循環(huán)后位移會有顯著性增加。

表1 各組試件在 7 MPa 載荷條件下變形的 t檢驗結果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照組低。吸濕會軟化刨花纖維，吸放水循環(huán)可以引起刨花間孔隙放大和擴散，這均會降低OSB試件的壓縮強度[18]。以上理論可以解釋13.0 mm試件的最終厚度結果，但并不能完全解釋19.0 mm試件的最終厚度變化。與對照試件相比，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)釋放了熱壓時聚集在試件內部的應力，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)釋放出的內部應力也更大。

圖2 7 MPa 載荷時試件的厚度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%。為進一步探索試件壓縮強度的發(fā)生機制，需要分析試件壓縮強度與厚度方向變形(加壓頭位移)之間的關系(圖3)。不同水分行為下，試件發(fā)生了內部結構變化和刨花軟化，這會影響強度與變形關系曲線。吸放水循環(huán)和高含水率均弱化了曲線的拐點，這說明試件的彈性形變區(qū)間變窄，更多變形是由塑性形變造成。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，變形曲線沒有明顯拐點，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系Figure 3 Relationship between compressive strength and displacement of samples at different water conditions

2.3 應變分布

2種厚度試件的應變分布相似，以13.0 mm試件為分析對象。圖4和圖5結果顯示：壓縮應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]。木質復合材料的密度和剛度往往正相關[21]。因此，應變容易發(fā)生在試件沿厚度方向上的中心區(qū)域。吸放水循環(huán)次數增加，試件內應變增加，但應變分布變化較小。含水率升高會使試件內應變增加，同時改變應變分布。木材刨花會因為含水率升高而軟化，這會降低木材剛度。OSB中心區(qū)域密度低，單位體積內刨花數量少，因此含水率對該區(qū)域應變的影響被弱化。此外，膠黏劑分布對試件內的應變分布也有重要影響，膠黏劑往往可以改善木材的力學性能和尺寸穩(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)

為進一步探索試件內應變的動態(tài)遷移過程，區(qū)分B組和E組試件的應變分布，由圖6和圖7結果顯示：載荷低于3 MPa時，2組試件內均未出現(xiàn)明顯應變，且應變均勻分布。載荷增加時，試件內部結構持續(xù)變化，部分區(qū)域出現(xiàn)明顯的應變集中(圖6藍色區(qū)域）。結合圖3可知：壓縮應變隨壓縮強度的增大而增加，且主要集中在試件的中心區(qū)域。B組試件的應變始于中心區(qū)域，但E組試件的應變則從下表面開始。自由水易積聚在近OSB試件側面和上下表面的孔隙中，或者沿著長刨花向試件內部遷移[4]。多次吸放水循環(huán)使得E組試件下表面的結構不再密實，載荷作用下，這一區(qū)域容易被再次壓縮變形，并產生應變集中。該區(qū)域密實化后，應變集中則更多發(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：剪切應變分布不連續(xù)且主要集中于中心區(qū)域。剪切應變往往造成試件內部結構變化，具體表現(xiàn)為木材刨花間相對位置滑移。多孔的內部結構使刨花在載荷狀態(tài)下易發(fā)生開膠和錯位，并產生剪切應變。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部結構和充分的膠黏劑滲透，可以有效避免水分行為對內部結構的影響，這表現(xiàn)為上下表面區(qū)域剪切應變較小。

3 結論

本研究結果表明：①含水率的升高和吸放水循環(huán)會使OSB厚度增加和壓縮強度降低。薄OSB的厚度和壓縮強度更容易受含水率和吸放水循環(huán)影響。②含水率增加會使木材刨花軟化潤脹，含水率20%時，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變增加且應變分布改變，具體表現(xiàn)為試件厚度中心區(qū)域的應變集中現(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變增加，但應變分布變化不明顯。④壓縮載荷作用下，壓縮和剪切應變均多始于OSB試件厚度方向上的中心區(qū)域。吸放水循環(huán)會釋放OSB表層內應力，這引起試件表層區(qū)域結構疏松和載荷作用下表層壓縮應變集中。