表板厚度與組坯方式對展平竹-楊木復(fù)合板性能的影響

黃 純 韓 佳 梁琦淞 楊宇涵 王雪花

(南京林業(yè)大學(xué) 南京 210037)

中國是世界上竹類資源最豐富的國家，其中毛竹利用價值最高，且毛竹林占竹林總面積的72.96%。由于我國對天然林禁伐，人工林產(chǎn)量有限且材種少，木材綜合利用率低[1-2]，充分利用竹材將大大緩解我國木材短缺問題。竹材具有強(qiáng)度高、硬度大、顏色淡雅和紋理獨(dú)特等特點(diǎn)，但也存在直徑小、壁薄中空、結(jié)構(gòu)不均勻等不足；人工速生樹種楊木加工容易、生產(chǎn)效率高，但其材質(zhì)疏松，力學(xué)和機(jī)械強(qiáng)度較低，不宜做工程結(jié)構(gòu)用材[3-5]?；谥癫暮湍静母髯缘奶攸c(diǎn)，科研人員嘗試將竹材和木材進(jìn)行復(fù)合。竹木復(fù)合板是以竹材和木材的不同形態(tài)單元為原料，采用合成樹脂或其他助劑，經(jīng)加壓、膠合等加工工藝制成[6]。竹木復(fù)合可以對竹材和速生木材進(jìn)行有效改性，促進(jìn)竹類資源和速生林資源更加合理、有效地利用，減小對優(yōu)質(zhì)木材需求的壓力[7-8]。

關(guān)于竹木復(fù)合的研究多集中于膠合界面、膠黏劑及楊木厚度[9]和結(jié)構(gòu)[10]對竹楊復(fù)合板的影響以及無機(jī)質(zhì)復(fù)合速生材[11]、小徑木集成材[12]和竹藤纖維[13]的應(yīng)用等方面。在組成竹木復(fù)合材的竹材各種單元形式中，展平竹因有效保留了竹材原有形態(tài)而具有較高的利用效率和良好的表面形態(tài)，但目前關(guān)于展平竹與木材復(fù)合的相關(guān)研究較少。為充分利用展平竹和楊木各自的優(yōu)勢，改善竹材及楊木性能，本文采用展平竹和楊木單板為原料，以展平竹為表板、楊木為芯板，制作“展平竹-楊木-展平竹”3層結(jié)構(gòu)的展平竹-楊木復(fù)合板，分析不同表板厚度和組坯方式對復(fù)合板的抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度、沖擊韌性、膠合強(qiáng)度的影響，為科學(xué)合理利用竹展平-楊木復(fù)合板提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1)展平竹板，由江西奔博竹業(yè)有限公司提供，去青去黃，表面光滑平整，無明顯變形或翹起，無開裂，厚度分別為2、4、6、8 mm。用作展平竹-楊木復(fù)合板的表板。

2)楊木單板，購自南京金橋市場，厚度為4 mm。木板整體完整，四邊平整無明顯的凹凸、裂痕及蟲眼。用作展平竹-楊木復(fù)合板的芯板。

3)膠黏劑，購自新保工業(yè)品專營店。為水溶性酚醛樹脂溶液[14]，紅棕色透明粘稠液體，固含量73%，用于粘合展平竹板和楊木單板。

1.2 設(shè)備

萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，沖擊試驗(yàn)機(jī)，熱壓機(jī)，游標(biāo)卡尺等。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 竹展平-楊木復(fù)合板制作

首先將展平竹板的竹黃面均勻涂布酚醛樹脂溶液，然后以展平竹板為表板、楊木為芯板分別按照順紋和橫紋的方式組坯(圖1)，再進(jìn)行熱壓。熱壓工藝制作具體參數(shù)為：涂膠量210 g/m2，熱壓時間1.1 min/mm，熱壓壓力1.5 MPa，熱壓溫度140 ℃[14]。壓合后使其自然冷卻。之后根據(jù)不同測試指標(biāo)將復(fù)合板鋸切成所需尺寸，要求復(fù)合板為整塊且無裂。

注：a)順紋組坯；b)橫紋組坯。圖1 試件組坯方式Fig.1 Assemble patterns of specimen

1.3.2 復(fù)合板性能測試

測試分析不同表板厚度和組坯方式對復(fù)合板力學(xué)性能的影響。性能指標(biāo)包括抗彎彈性模量、靜曲強(qiáng)度、膠合強(qiáng)度和沖擊韌性4項(xiàng)，測試方法參照《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》(GB/T 17657-2013)[15]、《普通膠合板》(GB/T 9846-2015)[16]等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。參照前述標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)不同測試指標(biāo)將復(fù)合板鋸切成所需尺寸，如表1。其中，不同表板厚度復(fù)合板的各指標(biāo)測試采用順紋組坯板。試件含水率(4.5±0.2)%。

表1 試件尺寸信息Tab.1 Information of test specimen size

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合板抗彎彈性模量

不同表板厚度與組坯方式復(fù)合板的抗彎彈性模量測試分析結(jié)果見圖2。由圖2可知，隨表板厚度增加，復(fù)合板的彈性模量呈現(xiàn)先下降后上升的變化趨勢。表板厚度為4 mm時最小、8 mm時最大，分別為11.75 GPa、12.10 GPa，后者相較前者僅提高了2.98%。在組坯方式方面，橫紋組坯時復(fù)合板抗彎彈性模量更高，較順紋組坯提高9.82%。

圖2 復(fù)合板抗彎彈性模量Fig.2 Elastic modulus of composite board

復(fù)合板的抗彎彈性模量隨厚度的增加呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢，但總體變化較小，這一結(jié)果與何劍球等[17]的研究結(jié)論一致。復(fù)合板抗彎彈性模量的變化主要受熱壓時間的影響，板材越厚，所需熱壓時間越長，隨熱壓時間延長，復(fù)合材的彈性模量先小幅度降低，然后再小幅度增加。橫紋組坯板材的彈性模量比順紋組坯板材的更高，這與張文福等[18]對竹束單板層壓板組坯結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果不同，表明板材種類是影響復(fù)合板性能的重要因素。

2.2 復(fù)合板抗彎強(qiáng)度

不同表板厚度復(fù)合板抗彎載荷位移曲線和抗彎破壞時的狀態(tài)如圖3所示。可以看出，在荷載加載過程中，試件位移隨荷載增加幾乎呈線性變化，大部分試件在達(dá)到最大荷載時即瞬時發(fā)生破壞。破壞形態(tài)為端部楊木與展平竹膠合處開裂的復(fù)合板比例高于中部斷裂，說明大多數(shù)復(fù)合板端部的強(qiáng)度值最低[19]。在橫紋組坯板中，端部開裂的比例更高。這是由于展平竹和楊木復(fù)合板的彎曲位移量大，展平竹順纖維方向拉伸，而楊木芯層承受橫紋拉伸而剪切破壞造成的。

注：a)端部開裂；b)中部斷裂。圖3 不同表板厚度復(fù)合板抗彎載荷位移曲線與破壞形態(tài)Fig.3 Flexural load displacement curve and failure forms of different thickness of composite board

不同表板厚度與組坯方式復(fù)合板抗彎強(qiáng)度的測試分析結(jié)果見圖4?？梢钥闯觯戆搴穸葘?fù)合板抗彎強(qiáng)度影響明顯；隨表板厚度增加，復(fù)合板抗彎強(qiáng)度大幅度降低。與表板為2 mm的復(fù)合板相比，表板為4、6、8 mm的復(fù)合板抗彎強(qiáng)度分別降低35.13%、37.65%和43.75%。組坯方式對抗彎強(qiáng)度影響相對較小。順紋組坯復(fù)合板的抗彎強(qiáng)度為128.65 MPa，橫紋組坯復(fù)合板為145.10 MPa，后者較前者提高了18.67%。

圖4 復(fù)合板抗彎強(qiáng)度Fig.4 Bending strength of composite board

抗彎強(qiáng)度隨表板厚度增加而減少，原因可能為制作較大厚度的復(fù)合板所需的熱壓時間較長。有研究表明，隨熱壓溫度升高與時間延長，會導(dǎo)致竹束纖維素降解從而影響強(qiáng)度，同時酚醛樹脂膠中部分水分蒸發(fā)，膠層變脆，從而使復(fù)合板抗彎強(qiáng)度急劇下降[20]。此外，竹材柔韌性好，易彎曲，變形量大，展平竹在復(fù)合板中所占的比例隨著表層板厚度的增加而增大，復(fù)合板抗彎強(qiáng)度會隨之降低。

順紋組坯復(fù)合板的抗彎強(qiáng)度低于橫紋組坯，這是由于在測試抗彎強(qiáng)度時，復(fù)合板在加載過程中，順紋組坯復(fù)合板沿纖維長度方向易變形，影響了復(fù)合板的抗彎強(qiáng)度；當(dāng)橫紋組坯時，展平竹與楊木沿垂直纖維方向組合，復(fù)合板在垂直方向纖維體積分?jǐn)?shù)分布均勻、平衡，可以共同承擔(dān)載荷，增加了復(fù)合板抵抗彎曲破壞的能力[21]。

2.3 復(fù)合板沖擊韌性

不同表板厚度與組坯方式復(fù)合板的沖擊韌性測試分析結(jié)果見圖5?？梢钥闯?，隨竹展平板表板厚度的增加，復(fù)合板的沖擊韌性逐漸增大，與表板為2 mm的復(fù)合板相比，4、6、8 mm表板組坯復(fù)合板的沖擊韌性分別提高了40.65%、68.80%、389.16%。其中當(dāng)表板厚度由6 mm增加至8 mm時，復(fù)合板的沖擊韌性提升幅度最大，提高了189.79%。表板厚度為8 mm的復(fù)合板沖擊韌性數(shù)值是表板厚度2 mm的4.89倍。原因可能為，隨表板厚度的增加，復(fù)合板中竹材比例增大、纖維含量增大、密度也增大，使得沖擊韌性也增大[22-23]。

圖5 復(fù)合板沖擊韌性Fig.5 Impact toughness of composite board

順紋和橫紋組坯的復(fù)合板的沖擊韌性分別為72.17和73.76 KJ/m2。相較順紋結(jié)構(gòu)，橫紋組坯復(fù)合板的沖擊韌性只提高了2.20%，表明組坯方式對沖擊韌性幾乎沒有影響，這與呂久芳等[24]對楊木的研究結(jié)果類似。這是因?yàn)樵跊_擊載荷作用下，力作用于復(fù)合板寬度方向，在此方式受力下，展平竹和楊木相當(dāng)于并聯(lián)，彼此之間相互獨(dú)立，無牽制作用，從而使橫紋和順紋組坯對復(fù)合板沖擊韌性影響不大。

2.4 復(fù)合板膠合強(qiáng)度

不同表板厚度與組坯方式復(fù)合板的膠合強(qiáng)度測試分析結(jié)果見圖6?？梢钥闯?，表板厚度對復(fù)合板膠合強(qiáng)度的影響較大；隨表板厚度增加，膠合強(qiáng)度呈先升高再降低的變化趨勢；其中，表板為4 mm的復(fù)合板膠合強(qiáng)度最大，達(dá)5.4 MPa，較2 mm表板的復(fù)合板提高了73.23%。組坯方式對復(fù)合板的膠合強(qiáng)度影響明顯，順紋組坯復(fù)合板的膠合強(qiáng)度較高，為5.41 MPa；橫紋組坯復(fù)合板的膠合強(qiáng)度為3.73 MPa，較順紋組坯復(fù)合板降低31.05%。

圖6 復(fù)合板膠合強(qiáng)度Fig.6 Bonding strength of composite board

順紋組坯復(fù)合板的膠合強(qiáng)度較大，是因?yàn)轫樇y組坯時各層板之間沿同一方向排列，被膠合表面纖維之間的阻力較小，制作復(fù)合板時膠粘劑在壓力作用下容易鋪展形成均勻膠層，使層板之間結(jié)合緊密；而采用橫紋組坯時，被膠合表面纖維相互搭接，熱壓時纖維之間阻力較大，膠粘劑不易鋪展，各層板之間形成空隙，膠層連續(xù)性不好。同時層板之間相互搭接發(fā)生彎曲的纖維，使得板材內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，進(jìn)一步降低了復(fù)合板的膠合性能[18]。

3 結(jié)論

1)竹展平板表板厚度和組坯方式對復(fù)合板抗彎彈性模量的影響較小。隨表板厚度增加，抗彎彈性模量先下降后上升，表面厚度為4 mm時復(fù)合板抗彎彈性模量最小。在組坯方式方面，橫紋組坯較順紋組坯復(fù)合板抗彎彈性模量提高9.82%。

2)表板厚度對復(fù)合板抗彎強(qiáng)度影響顯著。隨表板厚度增加，復(fù)合板抗彎強(qiáng)度大幅降低，相鄰表板厚度間的降低幅度皆超過35%。組坯方式對抗彎強(qiáng)度影響相對較小，橫紋組坯較順紋組坯的復(fù)合板提高18.67%。

3)表板厚度對復(fù)合板沖擊韌性影響顯著。隨表板厚度增加，復(fù)合板沖擊韌性提高，其中由6 mm增加至8 mm時復(fù)合板沖擊韌性提升幅度最大，達(dá)189.79%。組坯方式對沖擊韌性影響較小，橫紋組坯復(fù)合板沖擊韌性較順紋組坯高2.20%。

4)表板厚度和組坯方式對復(fù)合板膠合強(qiáng)度影響較大。隨表板厚度增大，復(fù)合板膠合強(qiáng)度先升高再降低，表板為4 mm時復(fù)合板膠合強(qiáng)度最大。組坯方式由順紋改為橫紋后，復(fù)合板膠合強(qiáng)度由5.41 MPa降低為3.73 MPa，降低了31.05%。