輥壓樹脂定向滲透工藝對(duì)竹束干燥及重組竹性能的影響

張亞梅,祝榮先,余養(yǎng)倫,于文吉

(中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所，北京 100091)

重組竹是在不打亂竹纖維排列方向、保留竹材基本特性的前提下，將竹材疏解成竹束并按順紋組坯重新組合，制造成性能可控、規(guī)格可調(diào)、結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)的高性能竹質(zhì)重組材料[1-2]。重組竹制造技術(shù)于2017年被國家發(fā)改委列入《國家重點(diǎn)推廣節(jié)能低碳技術(shù)推廣目錄》加以重點(diǎn)推廣；2018年被住房城鄉(xiāng)建設(shè)部列入“裝配式建筑技術(shù)”開發(fā)項(xiàng)目予以重點(diǎn)支持；2016和2018年兩度被國家林草局列入年度100項(xiàng)重點(diǎn)推廣技術(shù)目錄；2020年被國家發(fā)改委、科技部、工業(yè)和信息化部、自然資源部四部委列入《綠色技術(shù)推廣目錄(2020)》，具有廣闊的發(fā)展前景。

竹束施膠前后的干燥工藝和施膠工藝是重組竹制備過程中的關(guān)鍵工序[3-4]。目前，企業(yè)主要采用間歇式吊籠施膠工藝，即將竹束放入特制的吊籠中，然后在施膠池中放置一段時(shí)間后吊出膠池，并瀝干多余的膠液后再進(jìn)行干燥，此法操作簡單、投資較小，但是存在以下3個(gè)問題:①施膠量和施膠均勻性難以精準(zhǔn)控制。此工藝中，竹束施膠量的控制主要是通過調(diào)解竹束的疏解度、膠黏劑的固含量，以及控制施膠時(shí)間和瀝膠時(shí)間等來實(shí)現(xiàn)的，是對(duì)大量竹束整體施膠量的控制，無法對(duì)單根竹束進(jìn)行控制。而竹束施膠的均勻性直接影響重組竹產(chǎn)品的質(zhì)量[5]，此施膠工藝會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量的不穩(wěn)定。②干燥能耗高。此工藝是利用竹束與膠液間的含水率梯度將膠液吸附并滲透進(jìn)竹束中[3]，如果竹束的含水率較高，則含水率梯度較小，不利于竹束的施膠，因此要求施膠前竹束的含水率控制在10%以下，而竹束施膠后的含水率控制在15%以下，此過程中需要干燥竹束中50%以上的水分。竹束施膠前和施膠后的干燥能耗占整個(gè)重組竹生產(chǎn)能耗的 30%以上，這大大增加了重組竹的生產(chǎn)成本。③難以連續(xù)化生產(chǎn)。此施膠工藝中，將竹束裝入吊籠和取出吊籠均需要人工操作，而隨著勞動(dòng)力成本的升高和企業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，這種施膠工藝難以滿足重組竹產(chǎn)業(yè)發(fā)展的要求。因此，改進(jìn)竹束的干燥工藝和施膠工藝，對(duì)提高重組竹的生產(chǎn)效率和改善產(chǎn)品質(zhì)量，以及節(jié)省能耗和保護(hù)環(huán)境都具有十分重要的意義[6]。

針對(duì)現(xiàn)有間歇式吊籠浸膠法存在的問題，中國林科院木材所研制了輥壓樹脂定向滲透設(shè)備，并研發(fā)了輥壓樹脂定向滲透技術(shù)。該技術(shù)是將定向竹束置于輥壓樹脂滲透設(shè)備中，通過擠壓輥上線段狀和點(diǎn)狀的凸齒，將膠黏劑定向?qū)胫癫闹校煌瑫r(shí)，通過設(shè)置擠壓輥的間隙，精準(zhǔn)控制膠黏劑的施膠量。輥壓樹脂定向滲透技術(shù)的開發(fā)可以解決間歇式吊籠施膠過程中施膠不均勻、干燥成本高等技術(shù)瓶頸問題，對(duì)降低干燥能耗和提高重組竹質(zhì)量具有重要意義。筆者主要研究了輥壓樹脂定向滲透技術(shù)對(duì)竹束干燥和重組竹物理力學(xué)性能的影響。

1 材料與方法

1.1 試樣制備

毛竹(Phyllostachysedulis)采自浙江杭州，竹齡4～5 a，胸徑80～100 mm，竹壁厚8～10 mm。竹材經(jīng)剖分后，采用疏解機(jī)疏解成竹束(寬度為120～130 mm)，竹束的絕對(duì)含水率為62.39%。

酚醛樹脂(PF)膠黏劑，紅褐色透明液體，固含量為48%，黏度(25 ℃)為40.5 mPa·s，pH為10.55，水溶倍數(shù)為11倍，游離酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)<1%，游離醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%，購于廣東太爾有限公司。

1.2 儀器設(shè)備

疏解機(jī)，自制輥壓樹脂定向滲透設(shè)備，熱壓機(jī)，萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，水浴鍋，烘箱，掃描電子顯微鏡(SEM)，超景深光學(xué)顯微鏡(UTDM)。

1.3 重組竹制備工藝

1.3.1 重組竹制備工藝流程

重組竹的制備工藝流程如圖1所示。將新疏解的竹束分別干燥到絕對(duì)含水率為35%和11%，然后分別采用間歇式吊籠浸膠法和輥壓樹脂定向滲透法施膠，并采用熱壓法制備成密度為1.10 g/cm3的重組竹。熱壓溫度145 ℃，熱壓時(shí)間1 min/mm，熱壓壓力3.0～3.5 MPa，熱壓工藝采用“熱進(jìn)冷出”。重組竹制備成400 mm(長)×160 mm(寬)×20 mm(厚)，每個(gè)條件壓制3塊板。

圖1 重組竹制備工藝流程Fig. 1 The diagram flow of manufacturing process of bamboo scrimbers

1.3.2 竹束施膠工藝

1)間歇式吊籠浸膠法：將疏解的竹束干燥至絕對(duì)含水率為11%，并放置到固含量為20%的PF膠液中浸漬20 min后瀝膠，控制竹束的施膠量為13%～14%。

2)輥壓樹脂定向滲透法：將疏解的竹束干燥至絕對(duì)含水率為35%，并放置到固含量為30%的PF膠液中進(jìn)行輥壓浸膠，通過控制壓輥間隙和輥壓次數(shù)來控制竹束的施膠量為13%～14%。

1.4 輥壓樹脂定向滲透設(shè)備

輥壓樹脂定向滲透設(shè)備(圖2)是由基座、膠槽、驅(qū)動(dòng)器、若干上擠壓輥及下擠壓輥構(gòu)成。膠槽、驅(qū)動(dòng)輥、上擠壓輥和下擠壓輥支撐在基座上；驅(qū)動(dòng)器連接有相對(duì)間隔的上、下擠壓輥；上、下擠壓輥的外緣圓柱面上設(shè)置有凸齒。通過上、下壓輥的間隙調(diào)節(jié)和浸漬樹脂的固含量來控制竹束的施膠量；同時(shí)，通過壓輥上凸齒齒形的設(shè)計(jì)，將膠黏劑定向?qū)胫癫闹小?/p>

1.機(jī)架；2.驅(qū)動(dòng)電機(jī)；3.主動(dòng)壓輥；4.被動(dòng)壓輥；5.配電箱及操作面板；6.壓輥聯(lián)動(dòng)齒輪；7.膠液盒密封裝置；8.出料壓輥；9.膠液盒；10.進(jìn)料壓輥。圖2 輥壓樹脂定向滲透設(shè)備示意圖Fig. 2 The schematic diagram of resin directional penetration by rolling equipment

1.5 性能測(cè)試

按照GB/T 30364—2013《重組竹地板》中規(guī)定的方法，對(duì)重組竹的含水率、密度、靜曲強(qiáng)度(MOR)、彈性模量(MOE)、水平剪切強(qiáng)度(HSS)、吸水厚度膨脹率(TSR)和吸水寬度膨脹率(WSR)進(jìn)行測(cè)試。其中，TSR和WSR試件的處理方法參照室外用重組竹地板。每個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目各取10個(gè)有效試件，結(jié)果取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 竹材含水率對(duì)其干燥時(shí)間的影響

竹材中的水分為自由水與吸著水，其水分存在狀態(tài)如圖3A所示。自由水存在于竹材的細(xì)胞腔中，當(dāng)細(xì)胞腔中的自由水蒸發(fā)殆盡，竹材只含有吸著水時(shí)，竹材的含水率為纖維飽和點(diǎn)，一般為23%～32%[7]。竹材中的吸著水主要存在于細(xì)胞壁中，與細(xì)胞壁中的親水性組分如纖維素、半纖維素等物質(zhì)以氫鍵等方式結(jié)合[7]，竹材中的水分對(duì)竹材加工工藝和利用都有一定影響。

圖3 竹材中水分的存在狀態(tài)(A)及竹束干燥時(shí)間與含水率變化曲線(B)Fig. 3 The water status in bamboo (A) and drying time and moisture content curve of bamboo bundle (B)

竹材干燥是竹材加工過程中的重要工序。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，一般采用85 ℃左右的溫度對(duì)疏解后的竹束進(jìn)行干燥。將4 kg左右的竹束放入85 ℃的烘箱中干燥，竹束干燥時(shí)間與含水率變化曲線見圖3B。由圖3B可知，當(dāng)竹材含水率高于纖維飽和點(diǎn)時(shí)，隨著含水率的降低，干燥時(shí)間呈直線上升；當(dāng)含水率高于10%而低于纖維飽和點(diǎn)時(shí)，干燥時(shí)間與含水率關(guān)系曲線斜率增大；而當(dāng)竹材的含水率低于10%時(shí)，干燥時(shí)間與含水率曲線的斜率顯著增大。這是因?yàn)楫?dāng)竹束的含水率高于纖維飽和點(diǎn)時(shí)，竹束的干燥主要以蒸發(fā)自由水為主，自由水容易從竹材中逸出；當(dāng)竹材含水率低于纖維飽和點(diǎn)時(shí)，主要以蒸發(fā)吸著水為主，干燥時(shí)是以水蒸氣或水、氣混合方式移動(dòng)為主，而吸著水不易從材料中逸出。因此，竹束含水率對(duì)其干燥時(shí)間影響顯著。

2.2 輥壓樹脂定向滲透法對(duì)竹束干燥工藝的影響

2.2.1 輥壓樹脂定向滲透法對(duì)竹束施膠前干燥時(shí)間的影響

疏解后的竹束，必須經(jīng)過干燥后才能進(jìn)入施膠工序。采用間歇式吊籠浸膠法一般要求將竹束的絕對(duì)含水率在施膠前控制在11%以下；在輥壓樹脂定向滲透技術(shù)中，將竹束施膠前的絕對(duì)含水率控制在35%左右。

將4 kg左右的竹束放入85 ℃的烘箱中干燥，竹束的絕對(duì)含水率由62.39%分別干燥至11%和35%所需要的干燥時(shí)間如圖4所示。相對(duì)于間歇式吊籠浸膠法，輥壓樹脂定向滲透技術(shù)中竹束的膠前干燥時(shí)間降低幅度約為65%。這是因?yàn)楫?dāng)竹材的含水率在纖維飽和點(diǎn)以上時(shí)，干燥過程中主要是蒸發(fā)竹材中的自由水；而當(dāng)竹材的含水率為11%時(shí)，不僅要蒸發(fā)竹材中的自由水，還要蒸發(fā)竹材中的吸著水，因此干燥時(shí)間會(huì)顯著增大。

圖4 施膠方法對(duì)竹束膠前干燥和膠后干燥時(shí)間的影響Fig. 4 Effect of glue blending method on the drying time of bamboo bundles before and after dipping process

2.2.2 輥壓樹脂定向滲透法對(duì)竹束膠后干燥時(shí)間的影響

間歇式吊籠浸膠法采用控制膠液固含量、竹束施膠時(shí)間和瀝膠時(shí)間來實(shí)現(xiàn)對(duì)施膠量的控制，并利用膠液本身的質(zhì)量將多余的膠液自然瀝去。本試驗(yàn)過程中，配置PF膠液的固含量為20%，并控制竹束的施膠量為13%～14%，采用干燥法測(cè)定施膠后竹束的絕對(duì)含水率為95.35%。采用輥壓樹脂定向滲透法施膠過程中，配置的PF膠液的固含量為30%，通過調(diào)節(jié)壓輥間隙和輥壓次數(shù)，控制竹束的施膠量為13%～14%，采用干燥法測(cè)定施膠后竹束的絕對(duì)含水率為58.23%。由此可知，采用輥壓樹脂定向滲透法施膠竹束的膠后含水率比采用間歇式吊籠浸膠法施膠竹束的膠后含水率顯著降低，降低幅度為38.93%。

竹束施膠后的干燥是生產(chǎn)重組竹的關(guān)鍵工序。為減少膠液預(yù)固化，一般控制干燥溫度為(65±5)℃[3]。將采用兩種施膠方法施膠后的竹束在65 ℃烘箱中干燥至含水率為11%～12%，所用干燥時(shí)間如圖4所示。在相同干燥條件下，輥壓樹脂定向滲透法施膠后竹束的干燥時(shí)間比間歇式吊籠浸膠法施膠后竹束的干燥時(shí)間縮短幅度為48%。因此，采用輥壓樹脂定向滲透法可顯著降低竹束膠后干燥時(shí)間，從而提高竹束施膠后的干燥效率。

在重組竹制造過程中，提高竹束施膠前的含水率和降低竹束施膠后的含水率，會(huì)顯著縮短竹束的干燥時(shí)間，這對(duì)于提高重組竹制備過程中的干燥效率和降低能耗有重要的意義。

2.3 輥壓樹脂定向滲透法對(duì)竹束形貌和膠液在竹束中滲透的影響

采用輥壓樹脂定向滲透法施膠過程中，通過調(diào)節(jié)壓輥的間隙來控制竹束的施膠量。在此過程中，壓輥的壓力對(duì)竹束的形貌會(huì)產(chǎn)生一定的影響，如圖5所示，竹束在壓輥壓力的作用下向?qū)挾确较蜓诱?，延展率約為20%。采用掃描電鏡觀察竹束的微觀形貌，如圖6A～C所示。由圖6可知，輥壓樹脂定向滲透法使得竹束表面的裂隙增多(圖6C)。這主要是因?yàn)椴捎幂亯簶渲ㄏ驖B透法施膠過程中，壓輥對(duì)竹束的弦切面施壓，而竹材中的導(dǎo)管和薄壁細(xì)胞抗壓能力較差，在壓力的作用下會(huì)產(chǎn)生破壞[8]，導(dǎo)管和薄壁細(xì)胞的破壞增加了膠液在竹束中的滲透通道。

圖5 輥壓樹脂定向滲透法對(duì)竹束形貌的影響Fig. 5 Effects of the resin directional penetration by rolling technology on the morphology of bamboo bundles

將施膠后的竹束放入烘箱中固化后，采用超景深顯微鏡和掃描電鏡觀察膠液在竹束中的分布情況，如圖6D～I(xiàn)所示。采用間歇式吊籠浸膠法施膠，膠液主要分布在竹材疏解產(chǎn)生的裂隙中。而采用輥壓樹脂定向滲透法施膠，由于膠液在竹束中的滲透通道增多，因此膠液在竹束中的分布更加均勻，如圖6E、F所示(圈示為膠液分布位點(diǎn))。通過掃描電鏡觀察可知，采用間歇式吊籠浸膠法施膠，膠液基本附著在細(xì)胞壁的表面，在固化過程中附著在細(xì)胞壁表面的膠液出現(xiàn)明顯的裂紋。而采用輥壓樹脂定向滲透法施膠，膠液在壓輥壓力的作用下向竹材細(xì)胞壁內(nèi)滲透，并在紋孔內(nèi)形成膠釘(圖6I)。因此，采用輥壓樹脂定向滲透法可以提高膠液在竹束中的滲透和膠液分布的均勻性。

2.4 輥壓樹脂定向滲透法對(duì)力學(xué)性能的影響

采用間歇式吊籠浸膠法和輥壓樹脂定向滲透法所制重組竹的力學(xué)性能見表1。對(duì)比可知，采用兩種施膠方法制備的重組竹靜曲強(qiáng)度差異不明顯。這是因?yàn)橹亟M竹的靜曲強(qiáng)度主要是由竹材本身強(qiáng)度決定的，主要依賴于纖維斷裂和界面解離，因此纖維是決定竹材強(qiáng)度和韌性的關(guān)鍵因素[9]。采用輥壓樹脂定向滲透法施膠過程中，竹束徑向的纖維細(xì)胞和薄壁細(xì)胞在壓輥的作用下被壓縮[8]。竹材含水率對(duì)其力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)有顯著影響[10-14]，當(dāng)竹材含水率較高時(shí)，其拉伸強(qiáng)度增大[14]。輥壓樹脂定向滲透法施膠過程中竹束施膠前的絕對(duì)含水率控制在35%，水分作為增塑劑[15]，可以減少壓輥對(duì)竹材纖維細(xì)胞的破壞。因此，輥壓樹脂定向滲透法對(duì)重組竹靜曲強(qiáng)度的影響不大。

相比間歇式吊籠浸膠法制備的重組竹，采用輥壓樹脂定向滲透法制備的重組竹彈性模量和水平剪切強(qiáng)度顯著增大，增幅分別為17.85%和59.25%。這是因?yàn)樵谳亯簶渲ㄏ驖B透法中，壓輥壓力的作用增加了膠黏劑的滲透通道，提高了膠液在竹束中分布的均勻性和在細(xì)胞壁中的滲透性，使得重組竹中的膠合位點(diǎn)增多，從而增大了重組竹的剛度，同時(shí)提高了重組竹的膠合性能。

2.5 輥壓樹脂定向滲透法對(duì)耐水性能的影響

水分的存在與變化是導(dǎo)致重組竹尺寸不穩(wěn)定的主要原因之一[7]。本研究采用28 h循環(huán)處理法模擬測(cè)試重組竹在室外環(huán)境放置后的吸水膨脹率，并以此表征重組竹的尺寸穩(wěn)定性。重組竹經(jīng)28 h循環(huán)處理后，其吸水厚度膨脹率和吸水寬度膨脹率如表2所示。與間歇式吊籠浸膠法相比，采用輥壓樹脂定向滲透法制備的重組竹，其吸水寬度膨脹率和吸水厚度膨脹率都顯著降低，降低幅度分別達(dá)到36.48%和22.67%。這說明采用輥壓樹脂定向滲透法制備的重組竹耐水性顯著提高，尺寸穩(wěn)定性得到改善。這主要是由于輥壓樹脂定向滲透法使得竹束產(chǎn)生更多的裂隙，膠液在竹束中分布更加均勻，同時(shí)膠液在壓力的作用下向細(xì)胞壁內(nèi)滲透，形成了更多的膠合點(diǎn)，從而使得重組竹的耐水性增強(qiáng)，提高了其尺寸穩(wěn)定性。

3 結(jié) 論

研究了輥壓樹脂定向滲透技術(shù)對(duì)竹束干燥工藝和重組竹物理力學(xué)性能的影響，并與間歇式吊籠浸膠法制備重組竹的竹束干燥工藝和重組竹性能進(jìn)行了對(duì)比。

1)采用輥壓樹脂定向滲透技術(shù)，可以將竹束施膠前的絕對(duì)含水率提高至35%，并將竹束施膠后的絕對(duì)含水率降低至55%左右。在相同干燥條件下，采用輥壓樹脂定向滲透技術(shù)時(shí)竹束施膠前、后的干燥時(shí)間比間歇式吊籠浸膠法的干燥時(shí)間縮短幅度分別約為65%和48%。由此可知，輥壓樹脂定向滲透技術(shù)可大大縮短竹束施膠前、后的干燥時(shí)間，提高干燥效率和降低能耗。

2)相對(duì)于間歇式吊籠浸膠法制備的重組竹，輥壓樹脂定向滲透技術(shù)制備重組竹的靜曲強(qiáng)度變化不大，而彈性模量和水平剪切強(qiáng)度顯著增大，增大幅度分別達(dá)到17.85%和59.25%；同時(shí)，重組竹的吸水寬度膨脹率和吸水厚度膨脹率均顯著降低，降低幅度分別達(dá)到36.48%和22.67%。

3)輥壓樹脂定向滲透法施膠過程中，在壓輥壓力的作用下，竹束表面的裂隙增多；同時(shí)膠液在輥壓壓力的作用下向竹材細(xì)胞壁內(nèi)滲透，膠液在竹束中的分布更加均勻。