不同竹刨花形態(tài)對竹質(zhì)定向刨花板的物理力學(xué)性能影響?

李 榕 于 娜 嚴(yán)玉濤 魏任重

（1. 南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計學(xué)院，江蘇 南京 210037； 2. 浙江農(nóng)林大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院，浙江杭州 311300； 3. 千年舟新材科技集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 311112）

定向刨花板（Oriented Strand Board，OSB）是由規(guī)定形狀和厚度的木質(zhì)大片刨花施膠后經(jīng)定向鋪裝、熱壓制成的多層結(jié)構(gòu)板，是建筑工程的主要材料之一[1-3]。我國木材資源緊缺，OSB原材主要依賴于進(jìn)口，因此積極尋求替代材料對我國OSB的生產(chǎn)極具價值[4-8]。竹質(zhì)定向刨花板（Bamboo Oriented Strand Board，BOSB）是采用竹質(zhì)刨花制成的多層結(jié)構(gòu)板，可替代木質(zhì)OSB應(yīng)用于建筑、裝潢及車船制造業(yè)等，甚至其性能更為優(yōu)越[9-10]。竹材資源是我國的優(yōu)勢資源，無論是我國的竹子種類，還是竹林面積和蓄積量均居世界第一，開發(fā)利用好竹材資源不僅能創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)價值，而且能緩和木材供需矛盾[11-15]。

竹刨花是BOSB最基本的形態(tài)單元，同時也是最基本的受力單元[16-17]。在普通刨花板中，刨花進(jìn)行層疊后的膠合面積與其膠合強(qiáng)度是板材物理力學(xué)性能的決定性因素[18-22]。當(dāng)刨花產(chǎn)生拉應(yīng)力時，其斷裂既不是全部發(fā)生在刨花本身，也不全是因為刨花之間膠層所產(chǎn)生的剪應(yīng)力而遭到破壞，則可認(rèn)為刨花的形態(tài)是適宜的。王永波等[23]研究了刨花形態(tài)對竹材自生膠合刨花板性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)，在制備板材時主要選擇4～16 目的刨花，同時添加少量16 目以上的碎刨花，可有效提升板材的物理力學(xué)性能。Kim等[24]針對刨花形態(tài)對木塑復(fù)合材料（WPC）性能的影響開展研究，發(fā)現(xiàn)WPC的力學(xué)性能與木材顆粒尺寸和木材顆粒的特性有關(guān)。鄭超等[25]對不同形態(tài)刨花制備的麥秸板進(jìn)行分析，研究表明：長料刨花所壓制的板材性能變化幅度較短料大，將長刨花作為表層原料可提高板材的抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量，將短刨花作為芯層原料則可提高其內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性。陳德優(yōu)[26]研究了刨花長度和麻片比例對水泥刨花板性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)，刨花的形態(tài)對于板材彈性模量的影響更大，刨花越短，麻片越少，水泥刨花板的內(nèi)接合強(qiáng)度性能越好。

本研究采用3 種不同形態(tài)的竹刨花及其不同刨花形態(tài)組合制備BOSB，分析探討竹刨花形態(tài)對板材性能的影響，為BOSB的原料制備及其選取提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

采伐竹齡為4年的安吉毛竹（Phyllostachys edulis），含水率為35%，將其制成厚度為1 mm，寬度為10 mm、長度分別為30～50、200 mm的竹刨花，同時將竹碎刨花進(jìn)行收集。

將規(guī)格為200 mm ×10 mm×1 mm的竹刨花記為A型刨花，規(guī)格為（30～50）mm ×10 mm×1 mm的竹刨花記為B型刨花，將細(xì)碎刨花（4目及以下）記為C型刨花。分別采用A型刨花、B型刨花、C型刨花、A/C（質(zhì)量比2∶1）組合刨花、B/C（質(zhì)量比2∶1）組合刨花制備竹質(zhì)定向刨花板，每組壓制3塊。

圖1 毛竹原料Fig. 1 Moso bamboo materials

膠黏劑采用酚醛樹脂膠黏劑（北京太爾化工有限公司），pH值為10.17，黏度為37 mPa·s ，固體含量為47.78%，比重為1.143，游離醛為0.15%。

1.2 設(shè)備

數(shù)字顯示天平（TXB6201L），山東融港信息科技有限公司；數(shù)字化游標(biāo)卡尺（CD67-S15PM），上海首豐精密儀器有限公司；拌膠機(jī)（MS1H1-55B30CB-A331Z），臨沂興滕機(jī)械有限公司；50t熱壓機(jī)（XLB-Y600），青島匯才機(jī)械制造有限公司；電子水分測定儀（島津MOC-120H），山東融港信息科技有限公司；電子萬能力學(xué)試驗機(jī)（QNZ-YQ-A42），深圳三思縱橫科技股份有限公司。

1.3 竹質(zhì)定向刨花板制備

1）竹刨花含水率測定：將刨花放入烘箱進(jìn)行干燥處理，使其含水率低于10%。干燥結(jié)束后將竹刨花取樣5 組，放置于電子水分測定儀中進(jìn)行含水率測定，取平均值，結(jié)果如表1 所示。

表1 竹刨花含水率測定Tab.1 Determination of moisture content of bamboo oriented strand board

施膠后的含水率W（%）計算公式：

式中：W1為施膠前原料含水率，以9.54%計；P為施膠量，%；K為膠液濃度，本試驗?zāi)z液濃度為47%。

本試驗要求W不超過15%，穩(wěn)定在8%～14%之間。經(jīng)計算當(dāng)P=9.54%時，W=9.68%，即施膠后的竹刨花含水率滿足試驗條件要求。

2） 預(yù)處理階段：采用滾筒拌膠機(jī)對竹刨花進(jìn)行拌膠，酚醛樹脂膠黏劑的添加量為刨花總質(zhì)量（絕干質(zhì)量）的12%，時間為15 min；拌膠結(jié)束后，將刨花定向鋪裝于模具（300 mm ×300 mm×13 mm）中。

3） 熱壓階段：此時板坯的含水率為9.54%，通過手工進(jìn)行定向鋪裝，將細(xì)刨花置于表層，同時輔助填充大刨花的空隙處。鋪裝完畢后放入熱壓機(jī)，通過多段曲線熱壓（加壓—保壓—卸壓），熱壓壓力為6 MPa，熱壓溫度為150 ℃，熱壓時間為15 min，主要工藝流程如圖2所示。

圖2 竹質(zhì)定向刨花板工藝流程圖Fig.2 Process flow chart of bamboo oriented strand board

1.4 力學(xué)性能測試

按照LY/T1580—2010《定向刨花板》測試竹質(zhì)定向刨花板的靜曲強(qiáng)度、彈性模量、吸水厚度膨脹率和密度等物理力學(xué)性能。

2 結(jié)果與分析

2.1 密度

制得的竹質(zhì)定向刨花板物理力學(xué)性能如表2所示。

表2 不同刨花形態(tài)的竹質(zhì)定向刨花板物理力學(xué)性能Tab.2 Physical and mechanical properties of bamboo oriented strand board with different strand board morphology

BOSB的密度主要取決于刨花自身密度和結(jié)合致密度，由圖3可以看出，不同的刨花形態(tài)對板材的密度具有一定影響。刨花形態(tài)尺寸越大，其密度越?。ˋ型大刨花壓制的BOSB密度為0.75 g/cm3）；反之，則越大（C型細(xì)刨花壓制的BOSB密度為0.98 g/cm3）；而A/C、B/C組合型刨花制成的BOSB（密度分別為0.78、0.87 g/cm3），由于C型細(xì)碎刨花的填充，有效地減少了刨花之間的空隙，因而其致密性較A型、B型刨花板材有所提高。

圖3 竹質(zhì)定向刨花板物理力學(xué)性能測試結(jié)果Fig. 3 Test results of physical and mechanical properties of bamboo oriented strand board

2.2 靜曲強(qiáng)度

不同刨花形態(tài)制成的BOSB靜曲強(qiáng)度如圖3所示。由圖可知，B/C型刨花制成的BOSB靜曲強(qiáng)度為最優(yōu)，可達(dá)49.60 MPa，而A型刨花的BOSB最差，為37.26 MPa；兩種不同形態(tài)刨花組合A/C、B/C制成的板材靜曲強(qiáng)度較好，分別達(dá)到了48.47、49.60 MPa，趨于穩(wěn)定。

由表2可以看出，刨花的尺寸與形態(tài)對板材的靜曲強(qiáng)度具有顯著影響，靜曲強(qiáng)度從大到小的次序為：B/C＞A/C＞C＞B＞A。A型刨花在5組刨花中形態(tài)最大，在鋪裝過程中刨花與刨花之間容易產(chǎn)生空隙，導(dǎo)致其刨花的有效接觸面積為最小。相比而言，B型刨花尺寸較小，其有效膠合面積較A型刨花增大，但仍然無法避免出現(xiàn)空隙。C型刨花為竹碎刨花，尺寸最小，故其有效膠合面積為最大，但同時由于刨花較為細(xì)碎，刨花與刨花之間的物理交聯(lián)結(jié)合較差。A/C、B/C中均采用了C型細(xì)刨花作為輔助填充，減少了刨花之間產(chǎn)生的空隙，其有效膠合面積較A型、B型刨花增加。從靜曲強(qiáng)度來看，A/C、B/C組合型刨花最適合用于制備BOSB。

2.3 彈性模量

不同刨花形態(tài)制成的BOSB彈性模量如圖3所示。其中A/C型刨花組合制成的BOSB彈性模量最佳，彈性模量從大到小為：A/C（5 508 MPa）＞B/C（4 548 MPa）＞C（4 029 MPa）＞B（3 812 MPa）＞A（3 039 MPa）。

彈性模量取決于刨花之間結(jié)合的緊密程度和可壓縮性，由于A型刨花尺寸最大，因此刨花與刨花之間易出現(xiàn)空隙，產(chǎn)生“搭橋”現(xiàn)象，故制成的BOSB彈性模量最小，B型亦是如此。C型細(xì)碎刨花由于其形態(tài)尺寸小，受力充分，因此板材具有較優(yōu)的彈性模量。對于組合型刨花A/C和B/C而言，A、B型刨花充分發(fā)揮了刨花的韌性，而C型刨花的填充增大了刨花與刨花之間的有效膠合面積，避免了大刨花之間“搭橋”現(xiàn)象的產(chǎn)生，因此板材的彈性模量較佳。

2.4 吸水厚度膨脹率

吸水厚度膨脹率主要取決于刨花的結(jié)合情況，其中與化學(xué)結(jié)合關(guān)系最大。由表2數(shù)據(jù)和圖3可知，A型刨花制備的BOSB吸水厚度膨脹率最高，C型刨花制備的板材為最低。

由圖3所示可以看出，吸水厚度膨脹率由低到高的順序為：C（1.00%）＜B/C（1.13%）＜A/C（1.21%）＜B（1.41%）＜A（1.60%）。刨花形態(tài)尺寸越大，則刨花與刨花之間易形成“搭橋”現(xiàn)象，從而在板材內(nèi)部產(chǎn)生大量的空隙，刨花之間的交織力對內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度的作用力也越大。試驗發(fā)現(xiàn)，刨花形態(tài)尺寸越大，浸泡后產(chǎn)生的形變就越大。A型刨花制備的BOSB經(jīng)過24 h浸泡后，甚至發(fā)生了解體；而形態(tài)尺寸較小的C型刨花在浸泡后的厚度膨脹率為1%，顯示出較好的尺寸穩(wěn)定性。因此，制備BOSB，除了有良好的膠合性能，形態(tài)尺寸較小的刨花自身所具備的纖維尺寸穩(wěn)定性也很重要。

3 結(jié)論

本研究采用3 種不同形態(tài)的竹刨花及其不同刨花形態(tài)組合制備竹質(zhì)定向刨花板，探討竹刨花形態(tài)對BOSB性能的影響，得出以下結(jié)論：

1）B/C組合型竹刨花制備的BOSB靜曲強(qiáng)度最高，而A/C組合型竹刨花制備的BOSB彈性模量為最佳，單一由C型竹刨花制備的BOSB吸水厚度膨脹率最??；

2）竹刨花形態(tài)對BOSB的各項物理力學(xué)性能有顯著影響，尺寸較大的竹刨花因其本身具有良好的抗彎強(qiáng)度和塑性，制備BOSB時能有效提升板材強(qiáng)度，但刨花之間會因“搭橋”產(chǎn)生空隙；

3）尺寸小、較為細(xì)碎的刨花具有良好的流動性，有效膠合面積較大，因此制得的BOSB穩(wěn)定性好，但韌性較差；

4） 制備BOSB，將形態(tài)尺寸較小的刨花作為輔助填充物添加，能夠改善單一使用大刨花或小刨花時出現(xiàn)的力學(xué)性能不足，最佳比例的確定仍有待進(jìn)一步研究。