鄒怡佳，陳玉和，吳再興，劉紅征，李 能，包永潔

（1. 國家林業(yè)局竹子研究開發(fā)中心，浙江 杭州310012；2. 浙江大莊實業(yè)集團有限公司，浙江 杭州311200）

浸漬樹脂處理對降低竹制品表面開裂性能的研究

鄒怡佳1，陳玉和1，吳再興1，劉紅征2，李 能1，包永潔1

（1. 國家林業(yè)局竹子研究開發(fā)中心，浙江 杭州310012；2. 浙江大莊實業(yè)集團有限公司，浙江 杭州311200）

將單層帶青展平竹、重組竹、展平竹板三層復合板經(jīng)過樹脂浸漬處理后再進行水煮干燥加速開裂處理，從而來分析浸漬樹脂處理對三種材料的表面開裂性能的差異性及機理。結(jié)果表明，單層帶青展平竹的浸潤效果最好，表面也幾乎沒有裂紋，但是整體變形較為明顯；重組竹表面會形成較為細小的裂紋，浸漬樹脂處理后的重組竹表面開裂情況明顯降低；展平竹板三層復合板表面開裂最明顯，形成的裂紋較長并沿紋理方向延伸。

竹制品；浸漬處理；表面裂紋

竹子是我國的特產(chǎn)資源[1]，其中毛竹分布面積最大，用途最廣，經(jīng)濟效益最佳，生態(tài)適應(yīng)性較強的竹種[2]。以竹代木，依靠科技創(chuàng)新拓展竹材應(yīng)用領(lǐng)域是緩解森林木材資源貧乏、改善生態(tài)環(huán)境的有效措施[3]。展平竹和重組竹等竹制品最大限度的保留了竹青竹黃面，提高了毛竹利用率，降低了生產(chǎn)成本，增加了竹加工企業(yè)與竹農(nóng)的經(jīng)濟效應(yīng)[4-5]。但是其表面開裂問題至今是困擾企業(yè)和科研的難題，關(guān)于開裂的相關(guān)研究較多：張南南、袁光明等[6]表明經(jīng)改性納米碳酸鈣處理后的杉木具有更高的耐磨性和抗沖擊性；李曉玲、小林功等[7]在日本柳杉高頻真空干燥的研究中發(fā)現(xiàn)，在干燥前進行常壓的蒸汽或者過熱蒸汽的預處理，板材的開裂及程度大大降低；劉彥龍、唐朝發(fā)等[8]用異氰酸酯與多元醇作用形成的預聚體型聚氨酯作為防裂涂料。這種涂料涂覆到木材的端部后，涂料中的-NCO在木材中水分子和羥基的作用下發(fā)生反應(yīng)固著在木材表面上，形成保護層，抑制端部水分的散發(fā)，同時在纖維之間產(chǎn)生牽制作用，有效控制端裂的發(fā)生；陳玉和、James H Muehl 等[9]得出用10%的酚醛樹脂水溶液浸漬泡桐，可以大大提高泡桐壓縮木材尺寸穩(wěn)定性。常德龍,陳玉和等[10]用低分子樹脂透入木材，然后在高溫熱壓過程中，使低分子樹脂之間及木材發(fā)生化學交聯(lián)作用，達到化學試劑固定變形的目的[11-12]，大大提高了木材的尺寸穩(wěn)定性。

本實驗用低分子的三聚氰胺樹脂浸漬處理竹制品，觀測其對樹脂浸潤速度接觸角、增重率，來表征樹脂浸漬到竹材內(nèi)部的指標；測量表面裂紋數(shù)目、寬度、長度等值，更直觀的說明表面開裂的情況，為以后研究表面開裂的表征方法提供一個參考。

1 試驗方法

1.1 試材及試劑

單層展平竹、重組竹，尺寸分別為100 mm ×100 mm，100 m×100 mm；展平竹板三層復合板，上下層展平竹板的竹黃面分別與中層板兩面膠合連接，上下表面均為竹青面，尺寸為150 mm×75 mm；將三種材料依次記為A、B、C，分別編號待用，由大莊實業(yè)集團有限公司提供。

三聚氰胺樹脂：實驗室自制。

1.2 竹制品的浸漬處理及加速表面開裂處理

將3種竹制品分別浸漬到制好的三聚氰胺樹脂中30 min，每種試樣3個重復，選擇表面平整及沒有裂紋的試樣，并且編號。然后取出試樣放置室溫內(nèi)24 h，再放到鼓風干燥箱內(nèi)于150℃干燥30 min，接著于80℃干燥24 h，使樹脂充分地后固化[13]。處理完成后，用100℃沸水煮試件1 h，取出試件再放入鼓風干燥箱內(nèi)80℃干燥24 h，經(jīng)過加速開裂處理后，觀測試件的表面開裂情況。共進行16次樹脂浸漬試驗，把每次得到的結(jié)果求均值，即為該竹制品的表面開裂性能參數(shù)。對照試樣除不進行樹脂浸漬處理外，其它處理皆與處理試樣相同。

1.3 接觸角的測量

每次做好的樹脂編號，放入干凈的針管內(nèi)，用KRüSS DSA100光學接觸角測量儀檢測其對竹制品表面的潤濕性能。從每滴樹脂滴下形成清晰畫面為第1幀，然后分別記錄其后的第10、20、30幀的接觸角，并以第30幀的值為樹脂對竹制品的接觸角。(注：每30幀為1秒)

1.4 增重率測量

用電子天平分別稱量竹制品浸漬前后的質(zhì)量（精確到0.01 g），然后根據(jù)公式計算增重率，公式如下：W=(m1-m0) /m×100%，其中m0為試樣浸漬前的質(zhì)量，m1為試樣浸漬后的質(zhì)量，W為增重率。

1.5 竹制品表面裂紋情況測量

裂紋寬度測定：用讀數(shù)顯微鏡觀測每條裂紋長度中心的寬度，即為這條裂紋的寬度（精確到0.02 mm），將試樣3個重復的所有裂紋寬度求均值，得到的均值即為當次試驗的裂紋寬度。裂紋長度測定：用直尺測量每條裂紋的長度（精確到1 mm），將試樣3個重復的所有裂紋長度求均值，得到的均值即為當次試驗的裂紋長度。共進行16次樹脂浸漬試驗，把每次得到的結(jié)果再求均值，即為該竹制品的表面開裂性能參數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同竹制品的接觸角差異

接觸角的變化狀態(tài)間接反映了液體分子與固體界面分子作用力的大小、作用的速度快慢等，即反映了液體在固體表面的潤濕情況[14]。由圖1可以看出，整體趨勢來看，三種材料中，單層展平竹的接觸角較小，樹脂對其浸潤性好。重組竹由于經(jīng)過樹脂浸漬熱壓后，密度非常大，樹脂很難再進入到竹材內(nèi)，所以接觸角比較大，而有些則接觸角比另外兩種試樣小，可能是由于重組竹的密度不均勻所致。展平竹板三層復合板由于表面是竹青面，竹青組織緊密，質(zhì)地堅韌，表面光滑，所以樹脂很難進入到竹材細胞內(nèi)，接觸角大。表1是同一樹脂下分別對三種材料的接觸角隨時間的變化值，可以看出，在前10幀的差異性最明顯，單層展平竹的接觸角降低了24.06°，重組竹的降低了10.66°，展平竹板三層復合板降低了6.66°；在后面的20幀內(nèi)，接觸角的變化都不是很明顯。

圖1 接觸角的差異Fig. 1 Differences of contact angle

表1 不同竹材接觸角隨時間的變化值Table 1 Changes of contact angle of different bamboo with time

2.2 增重率的差異

用聚合樹脂浸漬竹材試樣，很顯然樹脂固化后會充脹竹材細胞，阻止竹材的收縮，保持尺寸穩(wěn)定，即表面裂紋降低。另一方面，樹脂固化后不溶不熔，充脹細胞腔或者細胞壁，使竹材表面疏水，也能降低由干縮濕脹引起的開裂現(xiàn)象。因此增重率越大，說明樹脂浸漬到竹材內(nèi)部越多，越能有效的降低竹材的開裂缺陷。由圖2可以看出，單層展平竹的增重率最大，展平竹三層復合板的增重率次之，重組竹增重率最小。單層展平竹由于竹黃面組織疏松，和有沿著紋理方向的凹槽，使樹脂更容易浸漬到竹材內(nèi)部，使增重率大于另外兩種材料。而重組竹由于本身比較致密，樹脂很難浸漬到材料內(nèi)部，只會在表面一層浸漬，所以增重率最小。三層展平竹復合板由于上下展平竹板的竹黃與中間層膠合，竹青層位于表面，故增重率較單層展平竹小。有研究表明[15]，經(jīng)過微波處理，材料表面的孔隙會增多，所以若是能將竹材先進行預處理，應(yīng)該會提高浸漬性能。

圖2 增重率的差異Fig. 2 Differences in rate of weight gain

2.3 表面裂紋情況

2.3.1 單層展平竹表面裂紋情況

單層展平竹表面幾乎是沒有裂紋的，原因如下：它是由竹筒沿縱向剖開軟化，再用帶有凸齒的軋輥在竹材內(nèi)壁由少到多逐漸遞增地壓軋出沿縱向的凹槽，使竹材內(nèi)壁的弧長延伸，使竹材變平。由于竹材本身是粘彈（彈塑）性材料，將弧形竹片展平為竹板過程中，不可避免地產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，當經(jīng)過加速開裂處理后，展平竹會發(fā)生應(yīng)力釋放即回彈現(xiàn)象。背部有凹槽，大大降低表面的開裂情況，但是整體會回彈的非常明顯，變形嚴重，本實驗只測定了表面開裂情況，故變形情況有待于進一步的研究。

2.3.2 重組竹表面裂紋情況

重組竹表面形成的是較為細小的裂紋。裂紋較短較細。在碾壓竹絲和鋪裝的過程中，都會使竹材維管束的方向發(fā)生改變，竹絲只是相對的平行，很多維管束會發(fā)生傾斜或者彎曲。當裂紋在沿長度方向變長時，可以阻止裂紋的繼續(xù)變長，故而形成較為細小的裂紋。通過對浸漬重組竹表面裂紋情況進行方差分析，由表2可以看出，通過浸漬樹脂處理后，重組竹的裂紋數(shù)目、裂紋長度及裂紋寬度較對照重組竹都是降低的，其中裂紋寬度上是顯著性的。說明通過浸漬樹脂處理，固化后的樹脂韌性大于重組竹內(nèi)部的殘余應(yīng)力，足以抑制重組竹表面開裂。

表2 重組竹開裂情況的方差分析Table 2 Anova of crcaks of bamboo scrimber

2.3.3 展平竹板三層復合板表面裂紋情況

展平竹板三層復合板表面的裂紋較寬，裂紋長度較長。展平竹板的制作工藝，是將竹筒縱向剖開軟化碾壓成平板的，竹材的弦向干縮率最大，而竹青的弦向干縮率又比竹黃大[16]，所以表面會因干燥后產(chǎn)生應(yīng)力，造成表面開裂，單層的展平竹由于背部有凹槽，當干燥時使干縮應(yīng)力得到釋放，使展平竹板恢復弧形但不產(chǎn)生裂紋。而三層復合板由于竹黃面被中間層膠合，抑制了竹材的恢復弧形，應(yīng)力得不到釋放，而表面樹脂固化后的應(yīng)力小于干燥的殘余應(yīng)力，導致了展平竹板三層復合板表面裂紋的產(chǎn)生。竹材的維管束在竹節(jié)見的排列相當平行而整齊，所以一旦形成裂紋，就會沿著維管束的方向進一步的開裂，使裂紋的長度變長。通過對浸漬三層展平竹板和對照三層展平竹板的方差分析，由表3可以看出，通過浸漬處理表面裂紋情況沒有明顯差異，說明僅僅通過浸漬樹脂處理不能使其表面開裂情況降低。

表3 展平竹板三層復合板開裂情況的方差分析Table 3 Anova of crcaks of bamboo unfolded

3 結(jié) 論

（1）單層帶青展平竹的浸漬效果最好，接觸角較小，浸潤速度也最快，而由于竹黃側(cè)獨特的凹痕構(gòu)造，大大的降低了其表面開裂的缺陷，但其發(fā)生變形是最明顯的，這點有待于進一步的研究。而另外兩種試樣的接觸角較大，浸潤速度也相對慢些。

（2）重組竹的表面產(chǎn)生較細小的裂紋，通過浸漬樹脂處理，浸漬重組竹較對照重組竹的表面開裂情況降低，其中表面裂紋寬度最為顯著。而展平竹板三層復合板表面形成比較明顯的大裂紋，通過浸漬樹脂處理不能有效的降低其表面開裂情況，樹脂固化的膠接強度不足以抑制板材內(nèi)部殘余應(yīng)力的釋放。

（3）三種材料由于加工方式不同，表面開裂情況也截然不同。重組竹經(jīng)過改性處理后表面裂紋會大大降低，有利于工業(yè)化發(fā)展。將竹材軟化碾壓成展平竹，在膠合成復合板，保留了竹材本身的天然紋理和物理力學性能，更加使人們親近大自然，但是板材的性能也最不穩(wěn)定，開裂和變形將是一對矛盾的性能制約著展平竹的發(fā)展，有待于繼續(xù)研究。

[1] 侯曼玲,宋 繽.毛竹的食品加工利用[J].經(jīng)濟林研究，1995,13(1):40-42.

[2] 艾文勝,李典軍.湖南優(yōu)質(zhì)工業(yè)材用毛竹評價指標體系的建立[J].經(jīng)濟林研究,2009，27(1):23-28.

[3] 周 鋼,喻云水.竹粉/高密度聚乙烯復合材料性能研究[J].中南林業(yè)科技大學學報，2012，32(1):113-116.

[4] 傅萬四.竹質(zhì)定向刨花板制造技術(shù)研究[M].北京：中國林業(yè)出版社,2008.

[5] 丁安定，孫曉東.原竹對剖聯(lián)絲展開片材加工與竹木復合層積材制造技術(shù)[J]. 中南林業(yè)科技大學學報,2010,30(8):100-103.

[6] 張南南,袁光明,陳 超.水基納米碳酸鈣表明改性及其對杉木的增強效應(yīng)[J].中南林業(yè)科技大學學報，2012,32(1):79-82.

[7] 李曉玲,小林功.日本柳杉高頻真空干燥及防止開裂的研究[J].林業(yè)科學，2005,41(2):106-111.

[8] 劉彥龍,唐朝發(fā).一種高效木材防裂劑-濕固型聚氨酯預聚體[B].林產(chǎn)工業(yè),2004,31(5):38-39.

[9] 陳玉和,James H Muehl,李 強.泡桐浸漬在泡桐木材壓縮硬化研究初報[J].中南林學院學報，1997,17(1):46-51.

[10] 常德龍,陳玉和.用低分子樹脂進行泡桐木材表面強化的研究[J].林產(chǎn)工業(yè),1997,24(6):7-10.

[11] 井上雅文,尾形重行,西川昌信. Dimensional Stability Mechanical Properties and Color Changes of a Low Molecular Weight Melamine-formaldehyde Resin Impregnated Wood[J]. Mokugai Gakkaishi, 1993,39(2):181-189.

[12] Lnoue M, Norimoto M, Rowell R M. Steam or heat fixation of compressed Wood [J].Wood and Fiber Science,1993,25(3): 404-410.

[13] Gindl W. Using a Water-Soluble Melamine-Formaldehyde Resin to Improve the Hardness of Norway Spruce Wood[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2004, 93,1900-1907.

[14] 任一萍，王 正.偶聯(lián)劑對竹材表面潤濕性及膠合強度的影響[J].粘接，2011,(7):50-53.

[15] 李安平,謝碧霞.毛竹筍干微波干燥工藝的研究[J].經(jīng)濟林研究,2004,22(2):14-16.

[16] 向仕龍,蔣遠舟.非木材植物人造板[M].北京：中國林業(yè)出版社,2008.8.

Inhibition of surface cracking of bamboo ware by impregnating resin processing

ZOU Yi-jia1, CHEN Yu-he1, WU Zai-xing1, LIU Hong-zheng2, LI Neng1, BAO Yong-jie1
(1. Chinese Bamboo Research Center, Hangzhou 310012, Zhejiang, China; 2. Zhejiang Dazhuang Industry Group Co. Ltd.,Hangzhou 311200, Zhejiang, China)

Single layer surf green flattened bamboo, scrimber and three-layer composite plates of flattened bamboo respectively were impregnated with the resin to investigate the differences and mechanism of the resin modification for the surface crack of the three kinds of composite boards. The results show that the performance of single layer flattened bamboo was better than others and there was no crack almost, but it was distorted significantly; the cracks on the bamboo scrimber were decreased with the impregnation of resin; the crack of the treated flattened bamboo board was severe and the length of the crack along the veins was longer than that of others.

bamboo products; impregnation treatment; surface crack

S784

A

1673-923X(2013)06-0136-04

2013-02-27

竹質(zhì)建筑裝飾材料研究團隊建設(shè)（2012F20001）；2012年浙江省省屬科研院所專項計劃項目

鄒怡佳（1985-），女，河北磁縣人，碩士研究生，主要從事三聚氰胺樹脂的制備和防止竹材表面開裂的研究

陳玉和（1963-），男，河南羅山人，研究員，博士，主要從事木（竹）材漂白和染色、竹材加工與人造板工藝、竹質(zhì)活性炭制備工藝等技術(shù)的研究

[本文編校：歐陽欽]