曲直形家具構(gòu)件局部增強技術(shù)研究

葉雨靜， 徐 偉， 黃瓊濤

(1.南京林業(yè)大學家居與工業(yè)設計學院，江蘇 南京 210037；2.江南大學圖書館，江蘇 無錫 214000；3.宜華生活科技股份有限公司，廣東 汕頭 515834)

德國著名家具設計師索耐特(Michael Thonet)自1830年起開展對壓力彎曲木片以及木條的研究，使用動物膠作為粘合劑固定彎曲構(gòu)件形狀，制造出第一把以多層木片疊合并加壓彎曲的曲木椅，后來沿用此技術(shù)制造了大量膠合木家具[1-3]。彎曲木構(gòu)件在美式家具設計和制造中使用十分廣泛，使用平直家具構(gòu)件(柜類家具背板、旁板等)的同時常有大量曲線形零部件，如彎曲的桌腿、面板等[4-5]。家具中的彎曲部件按制造方法主要分為鋸制彎曲與加壓彎曲兩大類，薄木膠合彎曲件屬于加壓彎曲件的一種[6-11]。

薄木膠合彎曲相對于實木彎曲來說可進行多維彎曲，形成多曲面的家具形式。此外，由于薄木滿足制造曲率半徑更小構(gòu)件的條件，且不需要軟化處理，干燥狀態(tài)下即可達到彎曲要求，薄木彎曲可制造造型更具動感的家具[12-14]。薄木膠合彎曲技術(shù)能夠提高木材的利用率，與實木彎曲相比穩(wěn)定性更佳。

本文選取某企業(yè)現(xiàn)有家具產(chǎn)品中的彎曲構(gòu)件和平直構(gòu)件為例，以速生小徑柚木單板為原料制造家具用曲直形構(gòu)件。速生小徑柚木相較于熟齡材材性略差，其曲率半徑較常用薄木彎曲相比亦缺乏優(yōu)勢，為解決這一問題，對速生小徑柚木單板層積材開展增強研究。單板層積材復合材料增強通常分為化學處理增強與加入增強材料兩類，加入增強材料復合的增強形式中依據(jù)增強材料大致分為玻璃纖維材料增強、碳纖維布增強、金屬網(wǎng)增強三種[15-18]。其中，玻璃纖維增強材料因成本低、性能好被廣泛應用于此類研究，因此選取絕緣性、耐熱性好且機械強度高的玻璃纖維布作為增強材料制造小徑柚木厚單板層積材[19-22]?；谛借帜締伟鍖臃e材熱壓工藝，探究玻璃纖維布的置入對小徑柚木單板層積曲直構(gòu)件力學強度的影響。本試驗以企業(yè)生產(chǎn)中的平直構(gòu)件以及彎曲構(gòu)件為例，使用小徑柚木單板，分別采用冷壓與熱壓兩種不同方式加入增強材料，研究構(gòu)建前后力學性能的變化。曲形家具構(gòu)件如圖1所示。

圖1 曲形家具構(gòu)件

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

(1)柚木(TectonagrandisL.f)單板，厚度1.7 mm，以采自云南省勐臘縣直徑14～20 cm的小徑柚木為原料，材長2.2 m，樹干通直無開裂翹曲，濕材含水率為102%。

(2)粉狀脲醛樹脂膠(UF)：黃色自由流動粉體，購自東莞榮達化工有限公司，使用冷水進行調(diào)配，以重量比計，粉狀脲醛樹脂膠與水配比為5∶2，用于制作冷壓曲直形試件，無需加熱，常溫即可固化。

(3)脲醛樹脂膠(UF)：白色自由流動液體，固含量49%，用于熱壓。

(4)E-Glass無堿玻璃纖維布(已脫蠟)：購于昆山久力美電子材料有限公司，厚度0.1 mm。

(5)KH550硅烷偶聯(lián)劑，購于昆山久力美電子材料有限公司，質(zhì)量分數(shù)大于97%。

1.2 試驗儀器與設備

桂林廣隆數(shù)字測控有限公司電子數(shù)顯卡尺；臺灣嘉隆KL-1300PK砂光機；上海一恒科學儀器有限公司DHG-9245A電熱鼓風干燥箱；常州天之平儀器設備有限公司EL-3KJ型電子天平；冷壓機；SANS微機控制電子萬能力學試驗機，型號CMT6104；島津萬能力學試驗機。

1.3 試驗方法

1.3.1 增強材料處理

玻璃纖維由熔融狀態(tài)下的玻璃經(jīng)高速離心力或外力控制噴吹形成[23]，屬于無機非金屬材料的一種。偶聯(lián)劑處理法作為一種操作方便、價格低廉的化學處理法被廣泛使用。采取圖2所示表面預處理法對玻璃纖維布進行處理，依據(jù)設定濃度配置偶聯(lián)劑水溶液，將玻璃纖維增強材料放入偶聯(lián)劑水溶液中浸漬，取出晾干后置于干燥箱中干燥備用。玻璃纖維增強材料處理工藝如下：將玻璃纖維布裁切至與單板同樣大小，使用質(zhì)量分數(shù)為2%的KH550硅烷偶聯(lián)劑浸漬玻璃纖維布15 min后，將其置入120 ℃的干燥箱中干燥15 min后備用。

圖2 玻璃纖維增強材料處理工藝

1.3.2 增強型單板層積材結(jié)構(gòu)設計

為對比增強型單板層積材與現(xiàn)有單板層積材物理力學性能的差異，選取1.7 mm厚的小徑柚木單板，9層順紋組坯。將單板層積材按組坯結(jié)構(gòu)的不同分為四類，結(jié)構(gòu)設計見表1。

表1 增強型單板層積材結(jié)構(gòu)設計

(1)方式A：由于小徑柚木幼齡材存在心邊材差異大、易翹曲變形的缺點，因此存在許多具有較小缺陷的單板，為提高木材利用率、降低用材成本，選取具有微小缺陷的單板作為單板層積材芯層用材，優(yōu)質(zhì)單板作為單板層積材表層用材的組坯方式進行對照試驗?？拷韺拥纳舷氯龔垎伟暹x用無缺陷的優(yōu)質(zhì)單板，中心3層選取具有微小外觀缺陷但符合非結(jié)構(gòu)用單板層積材用材的合格單板。膠合組坯為方式A的單板層積材示意圖如圖3所示。

(2)方式B：經(jīng)實地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，單板層積材制造企業(yè)對于此類缺陷較小的單板采取修補的方式，將原有缺陷修整干凈，去除腐朽、蟲洞、死節(jié)后，使用木粉與膠黏劑混合修補破損處，最后將單板修補處砂光平整。組坯結(jié)構(gòu)方式B的單板層積材示意圖如圖4所示，靠近表層的上下三張單板選用無缺陷的優(yōu)質(zhì)單板，中心3層選取具有微小外觀缺陷但經(jīng)過修補的單板。

圖3 組坯結(jié)構(gòu)方式A示意圖

圖4 組坯結(jié)構(gòu)方式B示意圖

(3)方式C：玻璃纖維增強材料鋪放位置對于復合后的單板層積材力學性能影響顯著，大量研究表明，玻璃纖維增強材料越靠近表層鋪放增強的效果越好。本研究選取2層玻璃纖維增強材料對稱鋪放在最靠近表層的單板間，中心3層選取具有微小外觀缺陷但經(jīng)過修補的單板。膠合組坯結(jié)構(gòu)方式C的單板層積材示意圖如圖5所示。

(4)方式D：全部選用優(yōu)質(zhì)單板組成單板層積材作為空白對照組，如圖6所示。

圖5 組坯結(jié)構(gòu)方式C示意圖

圖6 組坯結(jié)構(gòu)方式D示意圖

1.4 制造工藝

1.4.1 熱壓制板工藝

本試驗在其他影響因素同一水平條件下，研究熱壓時玻璃纖維布鋪放位置對單板層積材力學性能的影響。熱壓工藝參數(shù)見表2。

表2 增強型單板層積材熱壓工藝參數(shù)

1.4.2 冷壓制板工藝

本試驗在其他影響因素同一水平條件下，研究冷壓時玻璃纖維布鋪放位置對單板層積材力學性能的影響。冷壓工藝參數(shù)見表3。

表3 增強型單板層積材冷壓工藝參數(shù)

1.5 性能檢測

1.5.1 靜曲強度、彈性模量

按照GB/T 17657《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》中的三點彎曲法檢測柚木單板層積材的靜曲強度、彈性模量。每種厚度每組指標均取8個試件，去除無效數(shù)據(jù)后檢測結(jié)果取其平均值。

1.5.2 彎曲構(gòu)件最大破壞載荷

將彎曲構(gòu)件中間圓弧部分截取為弦長300 mm的試件，測試單板層積材的最大破壞載荷，試件置于微電子萬能力學試驗機上檢測其最大破壞載荷，選用直徑為30 mm的支承輥，彎曲構(gòu)件加載試驗如圖7所示。兩支座間距設定為270 mm，研究彎曲構(gòu)件受力時膠層的破壞情況[24]。

圖7 彎曲構(gòu)件加載試驗

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 組坯結(jié)構(gòu)對直形構(gòu)件力學強度的影響

2.1.1 冷壓工藝對不同結(jié)構(gòu)直形構(gòu)件力學強度的影響

直形構(gòu)件冷壓測試其彈性模量與靜曲強度兩個指標，變化趨勢如表4及圖8、圖9所示。

表4 不同組坯結(jié)構(gòu)直形構(gòu)件冷壓力學強度

圖8 直形構(gòu)件冷壓靜曲強度

由圖8、圖9可看出四種組坯結(jié)構(gòu)靜曲強度及彈性模量的增加幅度，可得出置入玻璃纖維增強材料的方式C相較于其他3種組坯結(jié)構(gòu)靜曲強度及彈性模量增強顯著。其他組坯方式與方式D相比靜曲強度及彈性模量無顯著差異。置入玻璃纖維布的組坯結(jié)構(gòu)C靜曲強度及彈性模量值最大，與使用優(yōu)質(zhì)單板和缺陷單板組坯的方式A相比靜曲強度和彈性模量分別提高11.5%和11.4%。方式B的組坯結(jié)構(gòu)靜曲強度和彈性模量較方式A靜曲強度與彈性模量分別提高2.8%和1.4%。方式D由全優(yōu)質(zhì)單板組坯而成，相較于方式A靜曲強度與彈性模量分別提高2.9%與1.7%，與方式B相比差異較小。

圖9 直形構(gòu)件冷壓彈性模量

2.1.2 熱壓工藝對不同結(jié)構(gòu)直形構(gòu)件力學強度的影響

直形構(gòu)件熱壓測試其彈性模量與靜曲強度兩個指標，變化趨勢如表5及圖10、圖11所示。

表5 不同組坯結(jié)構(gòu)直形構(gòu)件熱壓力學強度

圖10 直形構(gòu)件熱壓靜曲強度

由圖10、圖11可看出四種組坯結(jié)構(gòu)靜曲強度及彈性模量的增加幅度，可得出置入玻璃纖維增強材料的結(jié)構(gòu)方式C相較于其他3種組坯結(jié)構(gòu)靜曲強度和彈性模量均有顯著增強。結(jié)構(gòu)方式B和方式D較結(jié)構(gòu)方式A靜曲強度及彈性模量均有小幅度提升，方式D相較于結(jié)構(gòu)方式B靜曲強度及彈性模量無顯著差異。結(jié)構(gòu)方式C靜曲強度以及彈性模量值最大，與方式A相比靜曲強度與彈性模量分別提高25.3%和15.2%。方式B較方式A靜曲強度與彈性模量分別提高1.0%和0.6%。方式D相較于方式A靜曲強度與彈性模量分別提高2.9%與2.4%，與結(jié)構(gòu)方式A和結(jié)構(gòu)方式B相比力學性能差異較小。

圖11 直形構(gòu)件熱壓彈性模量

對試驗結(jié)果的分析表明，單板層積材制板冷壓及熱壓工藝中，使用具有微小缺陷但符合非結(jié)構(gòu)用單板層積材用材的合格單板，相較于全部使用優(yōu)質(zhì)單板組坯膠合的單板層積材，力學強度差異較小；而將缺陷單板修復后其力學強度基本能夠達到與使用全優(yōu)質(zhì)單板組坯結(jié)構(gòu)單板層積材相近的力學性能，結(jié)構(gòu)方式C置入玻璃纖維增強材料對單板層積材力學性能的提高遠高于另外兩種組坯結(jié)構(gòu)。對缺陷單板的修補能夠在一定程度上提升單板層積材的力學性能，在提高木材利用率的同時節(jié)約了生產(chǎn)成本。

2.2 組坯結(jié)構(gòu)對曲形構(gòu)件力學強度的影響

2.2.1 冷壓工藝對不同結(jié)構(gòu)曲形構(gòu)件力學強度的影響

曲形構(gòu)件冷壓測試其彈性模量與靜曲強度兩個指標，變化趨勢如圖12所示。

由圖12能夠得出四種組坯結(jié)構(gòu)破壞載荷大小，置入玻璃纖維增強材料的結(jié)構(gòu)方式C相較于其他三種結(jié)構(gòu)方式的破壞載荷增強顯著。方式B和方式D較方式A破壞載荷存在小幅度提升，方式B相較于方式D其破壞載荷略有提升，無顯著差異。置入玻璃纖維布的組坯結(jié)構(gòu)C破壞載荷最大，達到967.66 N，與使用優(yōu)質(zhì)單板和缺陷單板組坯的方式A相比破壞載荷提高20.8%。結(jié)構(gòu)方式B和結(jié)構(gòu)方式D的破壞載荷相較于方式A分別提升1.4%和0.5%

圖12 曲形構(gòu)件冷壓最大破壞載荷

2.2.2 熱壓工藝對不同結(jié)構(gòu)曲形構(gòu)件力學強度的影響

彎曲構(gòu)件熱壓測試其彈性模量與靜曲強度兩個指標，變化趨勢如圖13所示。

圖13 曲形構(gòu)件熱壓最大破壞載荷

由圖13能夠看出四種組坯結(jié)構(gòu)破壞載荷大小，置入玻璃纖維增強材料的結(jié)構(gòu)方式C相較于其他三種結(jié)構(gòu)方式的破壞載荷增強顯著。方式B和方式D較方式A破壞載荷存在小幅度提升，方式D相較于方式B其破壞載荷略有提升，無顯著差異。置入玻璃纖維布的組坯結(jié)構(gòu)C破壞載荷最大，達到902.66 N，與使用優(yōu)質(zhì)單板和缺陷單板組坯的方式A相比破壞載荷提高19.9%。結(jié)構(gòu)方式B和結(jié)構(gòu)方式D的破壞載荷相較于方式A分別提升0.7%和1.7%。

對試驗結(jié)果的分析表明，無論采用冷壓或熱壓工藝，使用具有微小缺陷但符合非結(jié)構(gòu)用單板層積材用材的合格單板，相較于全部使用優(yōu)質(zhì)單板組坯膠合的單板層積材，力學強度差異較??；而將缺陷單板修復后其力學強度略低于使用全優(yōu)質(zhì)單板組坯結(jié)構(gòu)的單板層積材相同的力學性能，但并無顯著差異。結(jié)構(gòu)方式C置入玻璃纖維增強材料對單板層積材力學性能的提高遠高于另外兩種組坯結(jié)構(gòu)。對缺陷單板的修補能夠在一定程度上提升單板層積材的力學性能，在提高木材利用率的同時節(jié)約了生產(chǎn)成本。

3 結(jié)論

以小徑柚木單板為原料置入玻璃纖維增強材料，基于單板層積材生產(chǎn)工藝制造曲直形家具構(gòu)件用單板層積材，研究結(jié)果表明玻璃纖維增強材料的置入對小徑柚木單板層積材曲直形構(gòu)件力學強度有顯著提升。

(1)單板質(zhì)量等級差異對小徑柚木單板層積材力學強度有一定影響，使用GB/T 20241-2006《單板層積材》國家標準中優(yōu)等品單板標準制造的單板層積材相較于內(nèi)部使用達到國標中合格品要求單板制造的單板層積材，力學性能提升不顯著。置入玻璃纖維增強材料制造單板層積材對其力學性能的提升十分顯著。

(2)對用于家具構(gòu)件曲直形試件的試驗表明，無論采用熱壓工藝或冷壓工藝，置入玻璃纖維增強材料對于單板層積材力學性能均有顯著提升。冷壓工藝制造單板層積材，平直形家具構(gòu)件靜曲強度與彈性模量分別提升11.5%和11.4%，彎曲形家具構(gòu)件破壞載荷提升20.8%；熱壓工藝制造單板層積材，平直形家具構(gòu)件靜曲強度與彈性模量分別提升25.3%和15.2%，彎曲形家具構(gòu)件破壞載荷提升19.9%。采用熱壓工藝制造單板層積材時，置入玻璃纖維增強材料對單板層積材力學強度的提升效果更佳。

(3)對平直構(gòu)件與彎曲構(gòu)件，置入玻璃纖維增強材料制造的平直形家具構(gòu)件依據(jù)制造工藝的不同，對其力學性能的增強程度有所不同，采用冷壓工藝制造的平直形家具構(gòu)件靜曲強度與彈性模量分別提升11.5%和11.4%，熱壓工藝制造單板層積材平直形家具構(gòu)件靜曲強度與彈性模量分別提升25.3%和15.2%。研究表明，冷壓平直形構(gòu)件力學性能的增強程度明顯小于熱壓平直形構(gòu)件力學性能的增強程度。單板層積材制造加壓工藝不同對于彎曲構(gòu)件力學性能增強無顯著影響，采用冷壓和熱壓工藝置入增強材料后，彎曲構(gòu)件力學強度分別提升20.8%和19.9%。