尾巨桉與巨龍竹正交復合材的制備及其性能分析

蘇昕龍 楊 雨 呂德貴 韓晨雨 黃慧蓮 徐梓芬 劉生發(fā)陳 穎 楊學文 董春雷 解林坤 杜官本 萬 輝*

（1.西南林業(yè)大學材料科學與工程學院，云南 昆明 650223；2.西南林業(yè)大學園林園藝學院，云南 昆明650223；3.云南永利發(fā)林業(yè)有限公司，云南 昆明 678400）

正交膠合木（Cross Laminated Timber, CLT）是由3層或3層以上實木鋸材或結構用復合板材以一定角度組坯，采用結構用膠黏劑膠合而成的預制工程木產(chǎn)品[1-2]。由于CLT采用交叉層疊方式，因此具有良好的力學性能和尺寸穩(wěn)定性[3]。特別是當CLT中的平行層以竹基材料替換木基材料后，其力學性能得到顯著提升[4]。這種由竹材代替部分木材的正交復合材被稱為正交膠合竹木 (Cross Laminated Bamboo Timber, CLBT)[5]。近年來隨著人造板生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大[6]，已有研究使用近青竹篾與樺木單板[7]、重組竹與云杉[5]、竹束/竹席單板與楊木[8]、展平竹與馬尾松[9]等制備CLBT，產(chǎn)品已廣泛應用于集裝箱底板[10]、梁[11]、家具和裝飾材料[12]、墻板[13]等領域。

由于竹青表面富含脂肪酸和二氧化硅，導致竹青部分在板材中難以直接利用[13]，因此，竹材在制備板材時通常要去除竹青和竹黃。竹青部分的竹纖維含量高于竹黃，而纖維含量又決定了竹材的力學特性，無論是去除竹青還是疏解竹材，均會削弱竹材的力學性能[14-15]。現(xiàn)有CLBT制備的相關研究中，所用竹篾、竹束、竹席、重組竹與展平竹均是對竹材本身加工后獲得，一定程度上破壞了竹材的力學性能，目前對全竹利用制作CLBT的研究鮮有報道。

尾巨桉（E.urophylla×E.grandis）是我國三大速生樹種之一，其生長快、輪伐期短，在云南省普洱市廣泛種植[16]。巨龍竹（Dendrocalamus sinicus）主要分布于云南省西南部，享有“竹王”的美譽，是一種特大型工業(yè)用材竹種[17-18]。

本文以尾巨桉和巨龍竹為原料，使用不同的膠黏劑制備CLBT，對比分析了保留和去除巨龍竹竹青的CLBT及單獨用尾巨桉制備的CLT在抗彎性能、膠合性能、尺寸穩(wěn)定性、強重比等性能上的差異，探究“以竹代木”制造工程材料的可行性，以期為CLBT的全竹利用提供理論依據(jù)，為云南省速生材的高效利用，推進綠色可持續(xù)發(fā)展[19]提供新途徑和方法。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

尾巨桉（E.urophylla×E.grandis），采集于云南省普洱市景谷林場，由云南云景林紙股份有限公司提供。巨龍竹（Dendrocalamus sinicus），采集于云南省德宏傣族景頗族自治州，由云南永利發(fā)林業(yè)有限公司提供。尾巨桉和巨龍竹的物理力學性能見表1。

表1 尾巨桉和巨龍竹的物理力學性能Tab.1 Physical and mechanical properties of E. urophylla×E. grandis and Dendrocalamus sinicus

膠黏劑分別為酚醛樹脂膠黏劑、單組分聚氨酯及混合樹脂膠黏劑，各膠黏劑的特性見表2?；旌蠘渲z黏劑為實驗室自制，其中酚醛樹脂與異氰酸酯（pMDI）的質(zhì)量比為1∶1。單組分聚氨酯冷壓周期為1.5 MPa下60 min，然后用夾緊裝置夾緊24 h。

表2 膠黏劑特性Tab.2 Adhesive properties

1.2 試驗設備

UTM5150型熱壓機，寧波力東機械科技有限公司；HWS-250B型萬能力學試驗機，深圳三思縱橫科技股份有限公司；BY214型恒溫恒濕箱，天津市泰斯特儀器有限公司；Leica 2000R型滑走式切片機，德國徠卡微系統(tǒng)有限公司；Leica DM2000型熒光偏光顯微鏡，德國卡爾·蔡司公司股份公司。

1.3 制備工藝

正交復合材試驗流程如圖1所示。

圖1 正交復合材的制備及其性能分析流程圖Fig.1 Flow chart of orthogonal composite preparation and its performance analysis

尾巨桉方板制備工藝：將氣干好的尾巨桉鋸解成板材，選取無節(jié)子的木板，再鋸解為規(guī)格尾巨桉徑面板，作為竹木和純木CLT的芯層以及純木CLT的表層，尺寸為50 mm×50 mm×5 mm（芯層板材料）和350 mm×50 mm×5 mm（表層板材料）。

巨龍竹含竹青/去竹青竹條制備工藝：將氣干好的巨龍竹鋸解成段劈開，去除竹節(jié)后劈制成一定規(guī)格尺寸的竹條，尺寸為350 mm×5 mm×5 mm ，再取竹條靠近竹青20%的位置順紋方向繼續(xù)劈制，即得到去竹青竹條[20]。

巨龍竹-尾巨桉CLBT以及尾巨桉CLT組坯結構如 表3、圖2和圖3所示。

圖2 CLBT尺寸示意圖（mm）Fig.2 CLBT size schematic diagram

圖3 組坯方式側視示意圖Fig.3 Side view of the combination mode

表3 試件層板設計Tab.3 Design of laminated specimens

巨龍竹-尾巨桉CLBT（EDCLBT1～EDCLBT10，EdCLBT1～EdCLBT10）的制備工藝：將制作好的含竹青/去竹青竹條和小徑尾巨桉板材經(jīng)240目砂紙打磨砂光后組坯膠合。尺寸為350 mm×50 mm×15 mm（圖2）。竹條的順紋方向垂直于芯層桉木方板的順紋方向組坯，表層為竹條，芯層為小徑尾巨桉（圖3）。

分別使用酚醛樹脂膠黏劑、單組份聚氨酯膠黏劑以及混合樹脂膠合巨龍竹竹條徑向面與小徑尾巨桉方板弦向面。竹條與桉木膠合的方式為2種:1）保留竹青，竹條徑切面與桉木弦切面膠合；2）去竹青，竹條徑切面與桉木弦切面膠合。為控制變量，3組層板試件采用統(tǒng)一制作工藝：熱壓溫度180°C，熱壓壓力1.5 MPa，熱壓時間10 min，施膠量為120 g/m2。

對含竹青與去竹青的竹木CLBT進行對比，研究竹青對竹木復合材料的影響。

1.4 性能檢測

抗彎性能測試參照LY/T 3039—2018《正交膠合木》與GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》。結合一般短梁強度試驗的受彎破壞情況[21]，探究不同膠黏劑對含竹青CLBT抗彎強度的影響。膠合性能測試參照GB/T 17657—2013進行。尺寸穩(wěn)定性測試方法參考LY/T 3222—2020《木材及木基材料吸濕尺寸穩(wěn)定性檢測規(guī)范》與GB/T 17657—2013進行。強重比測試參考GB/T 17657—2013，試樣個數(shù)為5個，加載速度為5 mm/min，記錄材料破壞時的最大應力，計算材料的斷裂點強度，并結合材料密度，得到強重比。

1.5 微觀分析

將使用混合樹脂制備的含竹青CLBT試件加工成尺寸為20 mm×20 mm×20 mm 的試樣，確保膠線在試件中央。隨后，將試樣放入濃度為25%的氨水溶液中浸泡約24 h，軟化后取出進行切片，切片厚度為20 μm，再分別用濃度為30%、50%、75%、95%、100%的乙醇溶液進行梯度脫水處理，最后在切片上滴加1～2滴濃度為0.5%的甲苯胺藍溶液進行染色。浸泡15 min后，用蒸餾水清洗，再用中性樹脂膠封片備用。

2 結果與分析

2.1 不同膠黏劑對CLBT的影響

2.1.1 不同膠黏劑對含竹青/去竹青CLBT抗彎性能的影響

含竹青/去竹青CLBT的抗彎強度如圖4所示。由圖可知，采用酚醛樹脂（圖4a）和單組分聚氨酯（圖4c）制備的含竹青CLBT，其抗彎強度分別為112.25 MPa和101.5 MPa，彈性模量分別為14 571.63 MPa和8 972 MPa，均高于同條件下的尾巨桉CLT。與去竹青的CLBT相比，使用酚醛樹脂和單組分聚氨酯制備的含竹青CLBT，其抗彎強度較弱，表明竹青的存在對復合材料的抗彎強度具有負面影響。

圖4 不同膠黏劑對CLBT抗彎強度和彈性模量的影響Fig.4 Effect of different glue types on the flexural strength and elastic modulus of CLBT

使用混合樹脂制備的含竹青CLBT，其抗彎強度達到203.14 MPa，彈性模量達到20 622.54 MPa，顯著高于同等條件下的去竹青CLBT，表明竹青的存在提高了CLBT的抗彎性能。這也說明，使用混合樹脂能夠實現(xiàn)巨龍竹竹青的合理利用，而單獨使用酚醛樹脂或單組分聚氨酯不能使巨龍竹竹青的高強度優(yōu)勢在CLBT中得以發(fā)揮。

用混合樹脂制備的含竹青CLBT抗彎強度優(yōu)于GB/T 2241—2012《單板層積材》中180E級優(yōu)等品的強度要求與LY/T 3039—2018《正交膠合木》中進口材正交膠合木抗彎承載力的E1等級。若將含竹青CLBT用作竹木復合集裝箱底板，其性能也同樣優(yōu)于加工竹材后制備的展平竹/馬尾松、展平竹/楊木、竹簾/馬尾松等復合材料[22]?？箯澇休d最大載荷優(yōu)于竹木復合人造板[23]。

2.1.2 不同膠黏劑對含竹青CLBT膠合性能的影響

由表4可知，在相同的熱壓和施膠量條件下，由酚醛樹脂或單組份聚氨酯制備的含竹青CLBT，其膠合強度均明顯低于由混合樹脂制備的含竹青CLBT。由此可見，含竹青的竹條對膠黏劑的要求更高。

表4 不同膠種對含竹青CLBT膠合強度的影響Tab.4 Effect of different glue types on CLBT adhesive strength

2.2 巨龍竹竹青對CLBT的影響

2.2.1 巨龍竹竹青對CLBT抗彎強度的影響

圖5所示為正交復合材試件出現(xiàn)的3種破壞模式，即層間剪切破壞、滾動剪切破壞及底部受拉破壞[24]。由圖5a，b可知，竹材作為CLBT的表層改善了復合材底部受拉破壞情況。巨龍竹的高抗拉性能（289.59 MPa）使得2種膠黏劑下的CLBT均未產(chǎn)生底部受拉破壞。但CLBT出現(xiàn)了滾動剪切破壞情況，提高芯層材料的抗剪能力或將進一步提高CLBT的抗彎性能。由圖5c可知，使用酚醛樹脂能夠滿足尾巨桉CLT的膠合強度（4.46 MPa），未出現(xiàn)層間剪切破壞，僅是由于表層材料尾巨桉的抗拉強度（107.41 MPa）不足，導致底部出現(xiàn)受拉破壞。綜合圖4、5可知，竹青的存在提高了CLBT的抗彎強度和彈性模量，避免了普通CLT板材常見的底部受拉破壞情況。

圖5 不同復合材料破壞情況Fig.5 Description of different composite material damages

2.2.2 巨龍竹竹青對CLBT尺寸穩(wěn)定性的影響

圖6為各組正交復合材的干縮率變化。由圖可知，含竹青CLBT在寬度方向的干縮率（1.76%）大于尾巨桉CLT（1.47%），而其在長度方向（0.33%）、厚度方向（4.1%）及體積（6.08%）的干縮率均小于尾巨桉CLT（0.66%、11.86%、13.5%）。這可能與竹條在CLBT寬度方向上的排列有關，且竹材自身在徑向的干縮率就較大。

圖6 各組正交復合材干縮率Fig.6 Each group orthogonal composite dry shrinkage rate

含竹青CLBT的體積干縮率均低于含竹青巨龍竹竹條（6.28%），小徑尾巨桉木板（6.36%）和尾巨桉CLT。同時，含竹青CLBT的整體干縮率低于去竹青CLBT，表明竹青的存在提高了CLBT的尺寸穩(wěn)定性。

2.2.3 巨龍竹竹青對CLBT強重比的影響

如表5所示，使用混合樹脂制備的含竹青CLBT，其強重比為0.35 N·m3/kg，比去竹青CLBT的強重比（0.32 N·m3/kg）高7.13%，比尾巨桉CLT的強重比（0.18 N·m3/kg）高94.02%，這表明含竹青CLBT在同等重量下具有更高的強度。

表5 不同復合材料的強重比Tab.5 Heavy-weight ratios of different composites

2.3 含竹青CLBT膠合界面微觀分析

如圖7所示，顯微鏡下膠線清晰可見，竹材和木材2種材料膠線中心為酚醛樹脂，pMDI圍繞于酚醛樹脂兩側并在一定程度上滲入2種材料。圖中左側均為巨龍竹，右側均為尾巨桉。由圖可見，酚醛樹脂大部分固化于竹木膠合界面之間，而pMDI多固化于臨近膠線部分的竹木薄壁細胞以及管孔中。pMDI比酚醛樹脂在CLBT中的分布更廣，說明其在薄壁細胞及管孔中的滲透性更好。此外，在膠線處竹材的基本組織薄壁細胞中，pMDI的滲透深度達到了十幾個薄壁細胞，但在維管束幾乎未觀察到2種樹脂的存在。這可能與維管束鞘中較大纖維組織密度有關，阻礙了樹脂的滲透。同時這也解釋了去竹青的CLBT中，使用酚醛樹脂具有較高的膠合強度，而未去竹青CLBT的膠合強度低[25-34]。

圖7 混合樹脂膠合的含竹青CLBT膠線展示（40 倍放大）Fig.7 Mixed resin glue containing bamboo green CLBT glue line display (40 x magnification)

3 結論

本研究以尾巨桉和巨龍竹為原料，使用不同的膠黏劑制備CLBT，分析竹青對竹木間膠合能力、抗彎強度以及尺寸穩(wěn)定性等性能的影響，主要得出以下結論：

1）與單獨使用酚醛樹脂和單組份聚氨酯相比，使用混合樹脂制備CLBT，可增強含竹青竹條與尾巨桉之間的膠合強度。

2）竹青的存在提高了CLBT的抗彎強度和尺寸穩(wěn)定性。

3）本研究設計的復合正交膠合竹木具有優(yōu)異的強重比，力學性能滿足相關標準要求，為竹青的合理利用提供了理論依據(jù)。