浸膠方式對(duì)竹基纖維復(fù)合材料性能的影響?

張亞慧 馬紅霞 孟凡丹 于文吉

竹基纖維復(fù)合材料（重組竹）作為一種新型的復(fù)合材料，是以竹纖維化單板為構(gòu)成單元，按順紋方向組坯，經(jīng)熱壓（或冷壓熱固化）膠合而成的板材或方材。竹基纖維復(fù)合材料制造關(guān)鍵技術(shù)是我國擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)并已成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化推廣的一項(xiàng)新技術(shù)，即采用浸漬的方式將樹脂可控地、較均勻地導(dǎo)入到竹材的微觀結(jié)構(gòu)中，在濕熱和高壓條件下進(jìn)行壓縮和固化成型，克服了竹材壁薄中空、竹青竹黃表面富含蠟質(zhì)層和硅質(zhì)層難以膠合等缺陷，實(shí)現(xiàn)了竹材的高效及高值化利用。

浸漬工藝是竹基纖維復(fù)合材料制造的關(guān)鍵工藝，目前，主要采用的樹脂為浸漬用酚醛樹脂，在浸漬過程中，樹脂經(jīng)過流動(dòng)、滲透、潤濕在單板的表面包覆了一層均勻的酚醛樹脂膠膜，同時(shí)在疏解和碾壓形成的裂紋以及薄壁細(xì)胞腔中附著、沉積，形成了與基材表面覆蓋的宏觀界面、與裂紋裂隙填充的細(xì)觀界面和與微觀結(jié)構(gòu)交織的微觀界面。單元的浸漬量是通過膠黏劑固含量、浸漬方式（常壓浸膠和加壓浸膠）、浸膠時(shí)間以及單元含水率等協(xié)同調(diào)控來實(shí)現(xiàn)，其中膠黏劑固含量對(duì)浸漬量的影響顯著[1-5]，浸漬量主要影響重組竹的膠合性能，其大小依據(jù)板材性能以及用途的需求設(shè)計(jì)。有效控制與調(diào)節(jié)浸漬量對(duì)于降低產(chǎn)品成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定，具有十分重要的意義。

該研究以南方地區(qū)資源較豐富的慈竹為原料，重點(diǎn)探討了不同浸膠方式對(duì)竹基纖維復(fù)合材料力學(xué)性能和耐水性能的影響，以期為重組竹產(chǎn)品的實(shí)際開發(fā)應(yīng)用提供指導(dǎo)和參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器設(shè)備

主要儀器設(shè)備為25-12H CARVER熱壓機(jī)、DHG-9077A型電熱恒溫干燥箱、三用電熱恒溫水箱、WDW-W10型微機(jī)控制電子式人造板試驗(yàn)機(jī)。

1.2 試驗(yàn)原料

慈竹（Bambusa distegia）：產(chǎn)自四川洪雅，竹齡4～5年，胸徑80～100 mm，竹壁厚7～12 mm。

浸漬用酚醛樹脂（PF）：實(shí)驗(yàn)室自制，外觀為紅色透明液體。其性能指標(biāo)：黏度為25 mPa·s，固含量為44 %～47 %，水溶倍數(shù)5～7 倍，pH值為9～10，貯存期＞30 d。

1.3 制板條件

試驗(yàn)設(shè)定密度為1.05 g/cm3，板坯幅面為30 cm×17 cm，厚度為12 mm。采用普通熱壓，鋪裝方式采用縱向?qū)ΨQ鋪裝。

工藝流程：竹材→剖分→疏解→干燥→浸膠→干燥→組坯→熱壓→鋸解→測試。

具體步驟為：將竹材剖分成竹片，然后通過專用疏解機(jī)疏解成竹纖維化單板，自然干燥至含水率7%～10%。將干燥后的竹纖維化單板采用一次浸漬和二次浸漬兩種方式浸膠，其中：一次浸漬采用在浸膠槽用不同固含量的膠液一次浸膠；二次浸漬采用低固含量膠液和高固含量膠液相結(jié)合的二次浸膠方式，最后將竹纖維化單板自然干燥至含水率為7%～8%。按照上述設(shè)定的板坯密度，采用手工方式鋪裝板坯，將板坯送入模具中熱壓，其中熱壓溫度160 ℃，采用厚度規(guī)控制板材厚度，單位壓力為3.5 MPa，壓板時(shí)間1.5 min / mm。將壓制的竹基纖維復(fù)合材料在自然環(huán)境中放置1 d，按規(guī)定尺寸裁邊，裁鋸試件。

1.4 試驗(yàn)方法

采用單因素試驗(yàn)方法，探討浸膠方式對(duì)板材力學(xué)性能及耐水性能的影響。一次浸膠分別采用7%、12%和20%的固含量的膠液進(jìn)行浸漬。二次浸膠采用7%+30%、7%+35%、7%+40%、12%+30%、12%+35%和12%+40%的方式進(jìn)行浸漬。其中浸膠時(shí)間為3 min，陳放時(shí)間為7 min。以上試驗(yàn)每組平行壓制3張板。

1.5 性能檢測

1）膠黏劑的性能按照GB/T 14074—2006《木材膠粘劑及其樹脂檢驗(yàn)方法》進(jìn)行檢測。

2）浸膠量采用以下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：M——浸膠量，%；

m1——浸膠前竹束質(zhì)量，g；

m2——浸膠后竹束質(zhì)量，g；

ω——膠黏劑固含量，%；

a——浸膠前竹束含水率，%。

3）板材的密度、靜曲強(qiáng)度和彈性模量檢測根據(jù)GB/T 17657—1999《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行。耐水性能主要測試寬度膨脹率（WS）、吸水厚度膨脹率（TS）和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度（IB）三個(gè)指標(biāo)，參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17657—1999，將試件放入沸水中煮4 h，測定其寬度膨脹率和吸水厚度膨脹率，然后將試件在（63±3）℃的空氣對(duì)流干燥箱中干燥20 h，如此循環(huán)3次分別在沸水中煮4 h后測定寬度膨脹率和吸水厚度膨脹率，循環(huán)結(jié)束后測定其內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度。每個(gè)檢測項(xiàng)目各取6個(gè)試件，結(jié)果選取其平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 浸膠方式對(duì)板材靜曲強(qiáng)度和彈性模量的影響

不同浸膠方式對(duì)竹基纖維復(fù)合材料板材的靜曲強(qiáng)度（MOR）和彈性模量（MOE）影響的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

由表1可以看出，采用一次浸漬的方式隨著膠液固含量從7%增加到20%其浸膠量增長了202.72%，板材的靜曲強(qiáng)度和彈性模量分別增長了14.82%和13.55%，隨著浸膠量的增加，纖維化單板表面的樹脂膠膜覆蓋面更大并且均勻性增加，反映在產(chǎn)品性能為膠合性能的增強(qiáng)。采用低固含量和高固含量相結(jié)合二次浸漬的方式，在7%+30%、7%+35%，7%+40%和12%+30%、12%+35%和12%+40%兩種二次浸漬設(shè)計(jì)水平上，靜曲強(qiáng)度和彈性模量整體差別不顯著，其中7%低固含量膠液和高固含量膠液相結(jié)合方式板材的靜曲強(qiáng)度和彈性模量最大平均值和最小平均值分別相差9.67%和2.14%，12%低固含量膠液和高固含量膠液相結(jié)合的板材則相差6.68%和3.59%。材料的抗彎強(qiáng)度主要取決于竹基纖維復(fù)合材料的基材材料、膠黏劑以及其形成的膠合界面，制備密度相同的竹基纖維復(fù)合材料，其組成材料的竹材纖維體含量和浸漬量相同，故抗彎強(qiáng)度差別較小。

表1 不同浸膠方式竹基纖維復(fù)合材料的靜曲強(qiáng)度和彈性模量試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test results for effects of different impregnating methods on MOR and MOE of bamboo-based fiber composites

采用7%低固含量膠液和高固含量膠液相結(jié)合方式的二次浸漬與一次固含量7% 浸膠相比，其浸膠量約增長了28.44%～31.88%，板材的靜曲強(qiáng)度和彈性模量分別增長了14.57%～25.64%和7.83%～10.14%，與一次浸膠20%固含量壓制板材相當(dāng)，但浸膠量減少了56.43%～57.57%。因而，在保證強(qiáng)度的條件下，采用低固含量膠液和高固含量膠液相結(jié)合方式的二次浸漬方式，可以降低膠黏劑的浸漬量，節(jié)省板材壓制成本。

2.2 浸膠方式對(duì)板材耐水性能的影響

從表2可以得知，采用一次浸膠的方式，隨著膠液固含量的增加，纖維化單板表面的浸膠量逐漸增加，板材的寬度膨脹率和吸水厚度膨脹率逐漸下降，內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度呈上升趨勢；隨著循環(huán)次數(shù)的增加，板材的寬度膨脹率和吸水厚度膨脹率呈逐漸上升的趨勢，與4 h水煮相比，52 h水煮循環(huán)后7%、12%和20%的寬度膨脹率分別增長了23.19%、17.56%和21.08%，吸水厚度膨脹率分別增加了21.05%、20.88%和43.05%。材料的耐水性能主要取決于板材的膠合性能，而浸漬量與膠合性能正相關(guān)。采用低固含量和高固含量相結(jié)合二次浸漬的方式，在7%+30%、7%+35%，7%+40%和12%+30%、12%+35%和12%+40%兩種二次浸漬設(shè)計(jì)水平上，隨著第二次浸漬膠液固含量的增加，其耐水性能逐漸增強(qiáng)。其中7%+40%固含量浸膠后壓制板材的耐水性能與20%固含量浸膠壓制的板材相當(dāng)，但內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度遠(yuǎn)大于20%固含量浸膠板材的強(qiáng)度，同時(shí)浸膠量減少了56.85%；12%+40%浸膠量與20%固含量浸膠相比降低34.83%，但壓制的板材性能最佳，28 h寬度膨脹率達(dá)到了1.71%，吸水厚度膨脹率為3.98%，內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度為3.08 MPa，其性能指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出20%固含量浸膠后壓制的板材，達(dá)到了GB/T 30364—2013《重組竹地板》規(guī)定的室外地板優(yōu)等品關(guān)于耐水性寬度膨脹率≤3%，吸水厚度膨脹率≤5%的要求。其主要原因?yàn)?，采用低固含量膠液和高固含量膠液相結(jié)合方式的二次浸漬方式，首先利用低固含量膠液對(duì)竹纖維化單板的內(nèi)部進(jìn)行填充和沉著，然后利用高固含量膠液對(duì)單板表面進(jìn)行覆蓋，增強(qiáng)了板材的膠合性能，實(shí)現(xiàn)了板材的耐水性能增強(qiáng)。

表2 不同浸膠方式竹基纖維復(fù)合材料的耐水性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test results for effects of different impregnating methods on water resistance of bamboo-based fiber composites

3 結(jié)論

1）采用一次浸膠的方式，隨著膠液固含量的增大，竹纖維化單板的浸膠量逐漸增加，從而板材的靜曲強(qiáng)度和彈性模量逐漸增加；采用低固含量和高固含量相結(jié)合二次浸漬的方式，板材的靜曲強(qiáng)度和彈性模量整體差別不顯著。采用7%低固含量膠液和高固含量膠液相結(jié)合方式的二次浸漬壓制板材與一次浸膠20%固含量壓制的板材相比，在相同密度條件下，大幅降低浸膠量的同時(shí)，板材的靜曲強(qiáng)度和彈性模量性能相當(dāng)。

2）采用一次浸膠的方式，其耐水性能和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度隨著浸膠量的增加而增強(qiáng)；采用低固含量和高固含量相結(jié)合二次浸漬的方式，其耐水性能和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度隨著第二次浸膠膠液固含量的增加而增強(qiáng)。其中，在相同密度條件下，7%+40%固含量浸膠后壓制板材的耐水性能與20%固含量浸膠壓制的板材相當(dāng)，內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度優(yōu)于20%固含量浸膠壓制的板材，但浸膠量減少了56.85%；12%+40%浸膠量與20%固含量浸膠相比降低34.83%，但壓制的板材性能最佳，達(dá)到了GB/T 30364—2013規(guī)定的室外地板優(yōu)等品的要求。

3）在保證板材力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，與一次浸膠的方式相比，采用低固含量和高固含量相結(jié)合的二次浸漬實(shí)現(xiàn)了減少浸膠量，提高耐水性能，達(dá)到降低產(chǎn)品成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

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