竹展平板膠合性能研究?

張秀標 費本華 江澤慧 劉煥榮 柳學強

（1.國際竹藤中心，國家林業(yè)和草原局/北京市共建竹藤科學與技術重點實驗室，北京 100102； 2.國家林業(yè)和草原局林產(chǎn)工業(yè)規(guī)劃設計院，北京 100010)

竹材生長周期短，可再生，具有優(yōu)良的力學性能，是一種僅次于木材的重要生物質材料，其自身所蘊含的巨大經(jīng)濟價值、社會價值、生態(tài)價值受到越來越多的關注[1]。竹材作為一種天然生物質材料，其生長特性，如中空、壁薄且具有尖削度等，使之難以通過鋸或切的方式直接獲得尺寸較大的板材[2]。

近年來，原竹展平技術取得突破性進展。該技術將一定含水率的竹材在裁斷、分選、開縫或剖分等初加工后進行高溫高濕軟化處理，再經(jīng)橫向或縱向輥壓裝置進行展平，最后粗刨及干燥定型，制備出較大尺寸、高出材率且保留竹材天然紋理特征的平整板材。關于竹材展平技術，前期的研究工作主要集中在竹材展平工藝及設備上[3-13]，部分研究者探討了展平前后竹展平板基本物理力學性能，并分析了展平工藝對板材基本物理力學性能的影響[14-19]，研究結果表明竹展平板基本保留了竹材優(yōu)良的力學性能。

竹材和木材同屬各向異性材料，膠黏劑的種類[20]、組坯方式[21]、熱壓工藝參數(shù)[22]等均會對產(chǎn)品的膠合性能產(chǎn)生影響。竹展平板在制備過程中，高溫軟化、刻線輥壓等技術手段勢必對竹青和竹黃的組織結構產(chǎn)生影響，進而影響到竹展平板的膠合性能。本研究以縱向刻線毛竹展平板為研究對象，對比分析了毛竹展平板以竹青與竹青、竹青與竹黃、竹黃與竹黃三種界面膠合時膠合板的拉伸剪切強度及浸漬剝離性能，研究結果將為竹材展平技術改進、推廣以及展平竹新產(chǎn)品開發(fā)提供一定的理論支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

毛竹（Phyllostachys edulis）展平板從福建南平順昌縣竺家竹業(yè)科技有限公司購置。干燥精刨后板材規(guī)格為1 300 mm（長）×130 mm（寬）×5.5 mm（厚），含水率為9%～10%，氣干密度0.73 kg/m3。

酚醛樹脂膠黏劑：型號P4916，固體含量43.96 %，黏度( 20 ℃) 為52 Pa·s，購自太爾化工（南京）有限公司。

1.2 儀器與設備

熱壓機（青島國森機械有限公司），BJC1128G45精密裁板鋸(山東工友集團股份有限公司)，INSTRON 5582 萬能力學試驗機（傳感器10 kN，美國英斯特朗公司），電子天平[梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司]，數(shù)顯測速電動攪拌器（常州越新儀器制造有限公司），M6C手提式簡易涂膠機（佛山市禪城區(qū)先國塑料制品廠）。

1.3 試驗方法

1.3.1 試樣制備

圖1 展平竹膠合板組坯示意圖Fig.1 Assemble patterns of flattening bamboo panels

試驗前先測定毛竹展平板的彎曲模量和強度，選擇彎曲模量為10～10.5 GPa，彎曲強度為120～123 MPa的板材，以降低板材自身性能差異對試驗結果的影響。展平竹膠合板為兩層結構，每塊展平竹膠合板由同一塊毛竹展平板從中間截斷后疊加組坯膠合而成，具體組坯方式為竹青與竹青(O/O)，竹青與竹黃(O/I)以及竹黃與竹黃(I/I)。三種組坯結構熱壓工藝參數(shù)如下：單板施膠量為200 g/m2，熱壓時間為12 min, 熱壓溫度為135 ℃，加壓壓力為1 MPa，板材制備后養(yǎng)護72 h以上。

1.3.2 測試方法

按照GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》標準[23]制備并測試雙端拉伸剪切及浸漬剝離試樣，試樣形狀及尺寸如圖2 所示。膠合強度按照GB/T 9846—2015《普通膠合板》標準[24]Ⅰ類膠合板要求進行，浸漬剝離采用Ⅰ類和Ⅱ類浸漬試驗。

圖2 雙端拉伸剪切及浸漬剝離試樣示意圖Fig2 Schematic diagram of double notch tensile and dip peel test samples

試樣總數(shù)為192 個。其中，雙端拉伸剪切試樣每組重復20 個，干、濕態(tài)剪切試驗各3 組計120 個；浸漬剝離試樣每組重復12 個，Ⅰ、Ⅱ類浸漬條件各3 組計72個。將上述試樣放置在溫度為20 ℃，相對濕度為65%的恒溫恒濕室內養(yǎng)護2 周后進行測試。

2 結果與分析

2.1 展平竹膠合板膠合強度

膠合強度測試結果如表1 所示。O/O型竹膠合板干態(tài)剪切強度最大值為16.73 MPa，最小值為8.98 MPa，平均值為13.99 MPa，濕態(tài)剪切強度平均值為6.81 MPa；O/I型膠合板干態(tài)剪切強度最大值為13.02 MPa，最小值為8.15 MPa，平均值為10.53 MPa，濕態(tài)剪切強度平均值為5.45 MPa；I/I型膠合板干態(tài)剪切強度最大值為10.43 MPa，最小值為7.73 MPa，平均值為9.40 MPa，濕態(tài)剪切強度平均值為3.96 MPa。從表1 可以看出，在相同膠合工藝條件下，干態(tài)和濕態(tài)剪切強度平均值O/O膠合方式最大，O/I膠合方式次之，I/I膠合方式最小。三種展平竹膠合板的剪切強度均滿足GB/T 9846—2015 中Ⅰ類膠合板的強度要求。

表1 膠合強度測試結果Tab.1 Bonding strength test results

O/O型展平竹膠合板木破率平均值為85%，剪切破壞幾乎均發(fā)生在兩側竹青處，破壞面竹纖維撕裂均勻，表面較為平整（圖3a）；O/I型展平竹膠合板木破率平均值為90%，剪切破壞主要發(fā)生在竹黃一側，竹黃部位刻線清晰可見，纖維被撕裂，破壞面粗糙（圖3b）；I/I膠合板木破率平均值90%，剪切破壞幾乎同等的發(fā)生在兩側竹黃處，且刻線越深，破壞面越凸凹不平（圖3c）。

圖3 三種展平竹膠合板拉伸剪切破壞模式Fig.3 Tensile shear failure modes of three kinds of flattening bamboo panels

從木破率統(tǒng)計結果可以看出，不同界面膠合時，膠層不是最弱項，展平竹膠合板的拉伸剪切強度主要取決于竹青部位與竹黃部位的力學性能。竹材是梯度變異材料，其主要承載單元為維管束厚壁細胞，該類厚壁細胞沿竹材生長方向整齊排列，對竹材力學性能貢獻最大，其含量從竹青側到竹黃側逐漸降低，竹材拉伸強度和剪切強度也隨之降低。冼杏娟等[25]系統(tǒng)地研究了毛竹材微觀結構與其力學性能的關系，結果表明：毛竹竹青部位的拉伸強度和剪切強度遠大于竹黃部位。此外，竹材展平過程中會在竹黃部位刻線，切斷或破壞了竹材原本致密的組織結構，在一定程度上影響竹黃部位的縱向拉伸和剪切強度。從O/I和I/I型展平竹膠合板剪切破壞面可以看到與刻線圖形相近的塊狀剪切。

2.2 展平竹膠合板浸漬剝離性能

三種展平竹膠合板的Ⅰ類和Ⅱ類浸漬剝離試驗結果見表2。

表2 展平竹膠合板的浸漬剝離試驗結果Tab.2 Dipping and stripping test results of flattening bamboo panels

圖4 三種展平竹膠合板浸漬剝離破壞模式Fig.4 Dip peel failure modes of three kinds of flattening bamboo panels

從表2 可以看出，在Ⅱ類浸漬試驗條件下，三種展平竹膠合板的膠層均未發(fā)生剝離，測試樣也沒有發(fā)生明顯的變形（圖4a、b、c）。而在Ⅰ類浸漬條件下，O/O型膠合板剝離長度最大值達到75.00 mm，最小值為0.00 mm，剝離長度平均值為36.16 mm，完全剝離（即剝離長度等于75.00 mm）的試樣占試樣總數(shù)的41.67%，且膠層剝離主要發(fā)生在所測試樣的端頭位置（圖4d）；O/I型展平竹膠合板膠層未發(fā)生剝離，但所測試樣自身發(fā)生了不同程度的回彈彎曲變形（圖4e）；I/I型展平竹膠合板剝離長度最大值為75.00 mm，最小值為0.00 mm，剝離長度平均值為60.05 mm，完全剝離（即剝離長度等于75.00 mm）的試樣占試樣總數(shù)的66.67%，且所測同一試樣每條邊膠層都發(fā)生剝離，試樣自身發(fā)生了不同程度的變形和開裂（圖4f）。

在Ⅰ類浸漬試驗條件下，試樣在干縮和濕脹應力的循環(huán)作用下發(fā)生了不同程度的變形、開裂和剝離，表明弧形竹片展平過程中存在內應力。隨著時間和外界環(huán)境溫濕度的變化，內應力會逐漸釋放，加上竹材自身的生長應力和密度梯度差異，這些均會對竹展平板的尺寸穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。竹材軟化、輥壓刻線等在一定程度上破壞了竹黃部位致密連貫的組織結構，竹展平板的干縮濕脹應力主要表現(xiàn)在靠近竹青側。竹青與竹青膠合時，干縮濕脹應力表現(xiàn)為干縮時相互抑制，濕脹時相互剝離，導致所測試樣膠層發(fā)生剝離并伴隨輕微的變形；竹青與竹黃膠合時，干縮濕脹應力釋放具有一致的方向性，即干縮時同時向竹青側彎曲，濕脹時同時向竹黃側卷曲，導致試樣發(fā)生彎曲回彈變形，并導致竹青部位產(chǎn)生多條縱向裂紋；竹黃與竹黃膠合時，干縮濕脹行為與竹青和竹青界面膠合時相反，即干縮時變現(xiàn)為相互剝離，濕脹時相互抑制，導致試樣發(fā)生明顯的變形、開裂和剝離分層。

3 結論

在相同膠合工藝條件下，毛竹展平板以竹青與竹青、竹青與竹黃、竹黃與竹黃三種界面膠合,分別制成展平竹膠合板，三種展平竹膠合板膠合強度均滿足GB/T 9846—2015 中I類膠合板的強度要求，而浸漬剝離性能僅O/I界面膠合時滿足I類膠合板的要求，O/O和I/I界面膠合時均不滿足要求；三種展平竹膠合板的膠合強度及浸漬剝離性能均滿足Ⅱ類膠合板的使用要求。浸漬剝離試驗表明竹展平板的尺寸穩(wěn)定性不佳，毛竹展平板制備過程中竹材輥壓刻線產(chǎn)生的內應力，竹材自身的生長應力及不同部位密度梯度是主要影響因素。為保證竹展平板及其產(chǎn)品的質量，需進一步優(yōu)化竹展平技術并深入開展竹展平板尺寸穩(wěn)定性研究。