密度分級規(guī)格竹條制備的竹層板性能1)

刁倩倩 楊利梅 宋光喃 孫正軍 劉煥榮 張秀標(biāo)

(國際竹藤中心，北京，100102)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國竹類植物有35個(gè)屬，將近400個(gè)種，現(xiàn)有竹林面積約720萬hm2，是世界竹類資源第一大國，素有“竹子王國”美譽(yù)。而我國的木材資源相對缺乏，因此科學(xué)合理地開發(fā)竹材資源十分重要[1-4]。

隨著竹材基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究的不斷深入，加工利用技術(shù)的不斷更新，目前已開發(fā)出多種竹人造板材和復(fù)合材料，如竹編膠合板、竹席/簾膠合板、竹車廂底板、竹集成材、重組竹及竹木復(fù)合材料等，廣泛應(yīng)用于家具、家居、建筑及戶外裝飾等[5-7]。竹材作為一種功能梯度變異型復(fù)合材料，具有中空、薄壁、尖削度大及各向異性等特點(diǎn)，導(dǎo)致基本加工單元，如竹篾、竹束、竹條等自身差異大，同時(shí)還受到竹齡、竹種等因素影響，其產(chǎn)品質(zhì)量不均一，性能難以控制。而在木材行業(yè)，工程木材是通過對基本單元分級和生產(chǎn)過程的精細(xì)化控制實(shí)現(xiàn)的，這對竹材的工業(yè)化應(yīng)用具有重要的借鑒意義。

肖巖等[8-9]對結(jié)構(gòu)用膠合竹的力學(xué)性能進(jìn)行了測試研究，結(jié)果表明格魯斑膠合竹能夠滿足建筑結(jié)構(gòu)對材料主要力學(xué)性能的要求。陳緒和[10]首次將竹集成材和竹膠合板應(yīng)用到建筑當(dāng)中，擴(kuò)大了竹材在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。李俊對膠合竹層板的制備和力學(xué)性能進(jìn)行了研究[11]。但是這些研究均沒有對膠合竹的基本單元進(jìn)行嚴(yán)格的分級，因此難以精確地控制產(chǎn)品的強(qiáng)度模量等。孫正軍[12]開展了竹材的分級及應(yīng)用研究，將去竹青和竹黃后的竹蔑分為A、B、C、D 4個(gè)等級，靠近竹青一側(cè)的A、B等級力學(xué)性能較好，C、D等級可用作做高濕環(huán)境下使用的材料。陳國寧[13]開展了竹層板模量分級及應(yīng)用研究。宋光喃等[14]研究了規(guī)格竹條的密度及模量分級以及分級膠合竹層板的設(shè)計(jì)、制造及評價(jià)等，對優(yōu)化竹產(chǎn)品的性能提供了思路。

本研究以密度分級的毛竹(Phyllostachysedulis)規(guī)格竹條為研究對象，將相同密度等級的規(guī)格竹條組坯熱壓制備竹層板，系統(tǒng)研究各密度等級規(guī)格竹條制備竹層板的力學(xué)性能，探討規(guī)格竹條密度分級對竹層板性能的影響，研究結(jié)果為非結(jié)構(gòu)用竹產(chǎn)品的性能調(diào)控提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

規(guī)格竹條：竹種為毛竹，4年生，竹條理論尺寸為2 100 mm(長)×20 mm(寬)×6 mm(厚)，由浙江新昌縣嘉誠竹制品廠訂制，其氣干狀態(tài)時(shí)平均含水率為11.94%。

酚醛樹脂膠黏劑：型號為P4916，固質(zhì)量分?jǐn)?shù)為43.96%，黏度(20 ℃)為52 Pa·s，購自太爾化工(南京)有限公司。

1.2 儀器及設(shè)備

單層熱壓機(jī)(購自青島國森機(jī)械有限公司)、微型臺式圓盤鋸機(jī)、INSTRON 5582萬能力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)(載荷傳感器有10、100 kN)、INSTRON Dynatup 9250 HV落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)(最大落錘重量為65 kg，最大沖擊速度為20 m/s)、自制長跨距彈性模量測試試驗(yàn)機(jī)。

1.3 方法

1.3.1 規(guī)格竹條密度分級

參照宋光喃[15]對規(guī)格竹條密度分級的方法對規(guī)格竹條進(jìn)行測定和分級(見表1)，由于實(shí)際測量過程中D85、D90等級的規(guī)格竹條數(shù)量較少，因此本研究只使用了D50—D80這7個(gè)密度等級的規(guī)格竹條。

表1 規(guī)格竹條密度等級分級方法

1.3.2 竹層板制備

竹層板制備工藝流程如下：相同密度等級規(guī)格竹條→干燥→浸膠→二次干燥→組坯→熱壓→冷卻、陳放。

竹條干燥：將各密度等級規(guī)格竹條標(biāo)記后放入干燥窯中50 ℃干燥，直至規(guī)格竹條的平均含水率降至8%左右。

竹條浸膠：將干燥后的規(guī)格竹條浸沒在浸膠池內(nèi)，浸膠時(shí)間為40 min，平均浸膠量為9.3%。

二次干燥：將浸膠的規(guī)格竹條在室溫條件下氣干至表干狀態(tài)。

竹條組坯：將相同密度等級的規(guī)格竹條在其厚度方向上將浸膠竹條和未浸膠竹條交替排列，竹層板的最外側(cè)為未浸膠竹條，每9根規(guī)格竹條組坯為一組。

熱壓：熱壓溫度135 ℃，正壓壓力1.0 MPa，側(cè)壓壓力1.2 MPa，熱壓時(shí)間20 min。

冷卻陳放：將熱壓好的板材取出，放置于水平臺上冷卻陳放以備用。

1.3.3 竹層板物理力學(xué)性能測試

不同密度等級規(guī)格竹條制備竹層板的含水率和密度、順紋抗拉彈性模量與強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度、抗彎彈性模量與強(qiáng)度、三點(diǎn)彎沖擊韌性參照GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)，長跨距彈性模量參照AITC T116，拉伸剪切強(qiáng)度參照ASTM D906。

2 結(jié)果與分析

2.1 竹層板的密度及含水率

相同工藝條件下，不同密度等級規(guī)格竹條制備的竹層板含水率相差不大，平均含水率約為5.35%，而竹層板的密度與相應(yīng)等級規(guī)格竹條的密度相比下降了0.02～0.05 g/cm3。為了便于對比和統(tǒng)計(jì)，選擇竹層板的密度等級區(qū)間與規(guī)格竹條密度等級區(qū)間一致，結(jié)果見表1?？梢钥闯鲆?guī)格竹條密度分級后，其制備的竹層板密度區(qū)間無重疊，說明規(guī)格竹條密度分級可以有效控制竹層板的密度。這對于非結(jié)構(gòu)用竹產(chǎn)品生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義，即密度分級可以有效控制產(chǎn)品的質(zhì)量。

表2 不同規(guī)格竹條制備不同等級竹層板的氣干密度

2.2 竹層板的順紋抗拉強(qiáng)度及模量

不同密度的竹層板順紋抗拉強(qiáng)度與彈性模量測試及統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。從整體上看，隨著密度等級的增加，竹層板的抗拉彈性模量和強(qiáng)度均值呈現(xiàn)增大的趨勢，在所有密度等級中D75和D80等級的抗拉性能較好。可知，其中D75等級的抗拉強(qiáng)度變異系數(shù)最小為11.31%，D50等級的抗拉強(qiáng)度變異系數(shù)最大為14.33%；D70等級的彈性模量的變異系數(shù)最大為12.81%，D75等級竹層板的彈性模量均值比D70等級稍??；D80等級的竹層板的抗拉強(qiáng)度比D75的小，D70、D75、D80等級的竹層板的抗拉彈性模量值范圍分別為：4.47～6.02、5.09～5.54、5.60～6.61 GPa，其抗拉強(qiáng)度范圍值分別為：53.02～74.79、51.96～69.59、50.94～70.35 MPa。由此可知相鄰兩個(gè)等級之間的抗拉彈性模量和強(qiáng)度范圍存在交叉重合，甚至存在一等級范圍包含另一等級范圍的現(xiàn)象。因此通過規(guī)格竹條密度分級制備竹層板，竹層板的力學(xué)性能并不能得到精確的控制，只是在一定程度上得到了優(yōu)化。

表3 竹層板順紋抗拉彈性模量和強(qiáng)度

2.3 順紋抗壓強(qiáng)度

表4所示的是竹層板抗壓強(qiáng)度結(jié)果統(tǒng)計(jì)，可知竹層板順紋抗壓強(qiáng)度均值與密度等級有一定的正相關(guān)性。不同密度等級的竹層板順紋抗壓強(qiáng)度范圍是27.09～50.89 MPa，且其變異系數(shù)均不大，D70等級變異系數(shù)最大為7.99%，D65最小變異系數(shù)值為4.84%，各個(gè)等級抗壓強(qiáng)度值離散程度低，數(shù)值較集中。D75和D80等級竹層板的順紋抗壓強(qiáng)度均值較大，因此其抗壓性能較好。D65、D70、D75等級的抗壓強(qiáng)度范圍分別為35.31～40.81、34.74～46.36、40.89～49.18 MPa，可見相鄰密度等級竹層板的順紋抗壓強(qiáng)度范圍存在重合區(qū)域。因此在重合區(qū)域內(nèi)的竹層板性能區(qū)分較困難，密度分級規(guī)格竹條制備竹層板的性能并不能完全得到控制。

2.4 抗彎彈性模量與強(qiáng)度

從表5所示的竹層板抗彎試驗(yàn)測試結(jié)果中可知，不同密度等級的竹層板隨著密度等級的增加，其抗彎彈性模量和強(qiáng)度均有增加的趨勢。抗彎強(qiáng)度的變異系數(shù)較彈性模量變異系數(shù)偏大，D50等級抗彎強(qiáng)度變異系數(shù)最大為9.37%，D70等級抗彎強(qiáng)度最小為3.54%。D70等級的抗彎強(qiáng)度均值比D75等級略大，而D65—D80等級抗彎強(qiáng)度區(qū)間大部分重疊，相差不大；D65等級強(qiáng)度區(qū)間126.94～145.25 MPa，D70等級區(qū)間為131.97～146.42 MPa，D75等級區(qū)間127.57～145.71 MPa，D80等級區(qū)間為132.71～158.28 MPa。在GB/T 20240—2006《竹地板》標(biāo)準(zhǔn)中要求厚度>15 mm板材的抗彎強(qiáng)度指標(biāo)值≥75 MPa，從表5中可知只有D50等級部分竹層板的抗彎強(qiáng)度不符合標(biāo)準(zhǔn)，其他等級均符合。因此在竹地板的生產(chǎn)應(yīng)用過程中應(yīng)舍棄低密度等級竹層板，使用高密度或者中密度等級竹層板。

表4 竹層板順紋抗壓強(qiáng)度

表5 竹層板抗彎彈性模量與強(qiáng)度

2.5 長跨距彈性模量

表6為竹層板長跨距彈性模量，可知不同密度等級彈性模量的平均值隨著密度等級的增加而增加，二者具有一定的正相關(guān)性。D70和D75等級的長跨距抗彎彈性模量范圍重疊部分最大，D70等級范圍為11.52～12.92 GPa，D75等級范圍為12.19～12.73 GPa。各密度等級竹層板的長跨距抗彎彈性模量的變異系數(shù)均較小。

2.6 拉伸剪切強(qiáng)度

表7為竹層板拉伸剪切強(qiáng)度試驗(yàn)測試結(jié)果，可知徑向拉伸剪切強(qiáng)度稍大于弦向強(qiáng)度，主要是由于徑向破壞時(shí)需要破壞膠層，因此其強(qiáng)度比弦向強(qiáng)度大。D80等級徑向拉伸剪切強(qiáng)度最大，D75等級弦向拉伸剪切強(qiáng)度最大。弦向拉伸剪切強(qiáng)度變異系數(shù)比徑向變異系數(shù)大，D50等級弦向拉伸剪切強(qiáng)度變異系數(shù)最大為14.48%，D80等級徑向拉伸強(qiáng)度的變異系數(shù)最大為14.68%。各密度等級的徑向拉伸剪切強(qiáng)度平均值隨密度等級的增加有增加的趨勢，而弦向拉伸剪切強(qiáng)度無明顯變化規(guī)律。

表6 竹層板長跨距彈性模量

表7 竹層板拉伸剪切強(qiáng)度

2.7 沖擊韌性

表8為不同密度等級的竹層板沖擊吸收功和沖擊韌性試驗(yàn)測試結(jié)果，可知道隨著密度等級的增加，竹層板的沖擊韌性和沖擊吸收功均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，D70等級的沖擊吸收功和沖擊韌性最大，自D70等級向兩側(cè)等級呈現(xiàn)遞減趨勢。

表8 竹層板沖擊吸收功和沖擊韌性

3 結(jié)論與討論

竹層板氣干密度與相應(yīng)規(guī)格竹條密度具有一致性，說明規(guī)格竹條密度分級可以有效控制竹層板的密度。

不同密度等級竹層板，其順紋抗拉彈性模量與強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度、抗彎彈性模量與強(qiáng)度、徑向拉伸剪切強(qiáng)度均值隨密度等級的增加呈增大的趨勢，弦向拉伸剪切強(qiáng)度變化趨勢不明顯，而三點(diǎn)彎沖擊韌性則呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。不同等級之間竹層板的力學(xué)指標(biāo)有交叉，相同密度竹層板的各力學(xué)性能指標(biāo)變異系數(shù)較大，說明僅僅依靠密度分級實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品力學(xué)性能精確控制還存在一定的困難。

D75和D80密度等級竹層板的力學(xué)性能較優(yōu)異，而D70密度等級的三點(diǎn)彎沖擊吸收功和沖擊韌性最好。因此在生產(chǎn)制備對強(qiáng)度有要求的竹產(chǎn)品時(shí)可以優(yōu)先考慮高密度竹層板。

以規(guī)格竹條為基本單元的竹產(chǎn)品，如對使用強(qiáng)度無要求，可考慮采用密度分級控制產(chǎn)品質(zhì)量，而對使用強(qiáng)度及模量有要求時(shí)，分級方法還需要細(xì)化，包括基于密度的模量分級以及基于模量的密度和強(qiáng)度分級等。

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