于雪斐 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)

纖維化竹單板的制備，是采用物理和機(jī)械的方法對剖分后的原竹進(jìn)行疏解展平，使之形成縱向不斷裂，橫向松散的竹纖維片狀單板。筆者使用慈竹為試驗(yàn)材料，利用纖維化單板制造技術(shù)［1-4］，通過多級疏解使得竹材的基本維管束組織得以纖維化分離，增加了單位體積內(nèi)竹材的比表面積，使得浸漬增強(qiáng)樹脂單元均勻滲透分布。疏解后破壞了竹青竹黃表面的致密光滑層，使膠合理論中的膠釘理論在纖維化竹單板表面適用。本試驗(yàn)選取疏解不同次數(shù)的纖維化竹單板，對其吸水性能、吸膠性能、吸附性能進(jìn)行評價(jià)，并直觀地描述了單板局部微創(chuàng)的三維形貌，為對纖維化竹單板的疏解程度進(jìn)行綜合評定，以及將其應(yīng)用于竹層積材的制造提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

竹材：慈竹(Bambusa distegia)，產(chǎn)自四川大邑，竹齡4～5 a，胸徑50～80 mm，竹壁厚度2～3 mm。

酚醛樹脂膠：北京太爾公司產(chǎn)，黏度41 mPa·s(25℃)，固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)46.1%，水溶8倍(23℃)，貯 存期90 d(20～25℃)，pH值10.53，游離醛0.10%，游離酚＜1%。

設(shè)備及儀器：疏解機(jī)、F-Sorb 3400比表面積及孔徑分析儀、VHX-600超景深三維立體顯微鏡、鋸切機(jī)等。

1.2 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)總路線圖為：竹材原竹→分段→剖分→去竹隔→疏解→鋸切→分別取疏解3～8遍的纖維化竹單板進(jìn)行吸水、吸膠、吸附性能和測試破壞形貌圖片。

具體試驗(yàn)步驟如下：

①選取竹齡4～5 a，胸徑50～80 mm慈竹，鋸切原竹;

②將竹材鋸截成2.5 m的竹筒，經(jīng)手工剖成2個(gè)半圓竹筒;

③將剖分好的半圓竹筒送入疏解機(jī)，經(jīng)過疏解機(jī)疏解，疏解原理見文獻(xiàn)［5］，展平至規(guī)定次數(shù)(即分別疏解3～8遍)后形成梯狀的纖維化竹單板;

④將每種疏解次數(shù)的纖維化竹單板若干，經(jīng)砂光機(jī)處理，去除竹青竹黃，去竹黃10.51%，去竹青12.23%，去青黃總量 22.74%;

⑤將處理好的纖維化竹單板截成五段長度均為500 mm的竹單板段。

1.3 試驗(yàn)方法

吸水率試驗(yàn)：將疏解3～8次的6種試驗(yàn)樣品各200 g，在水槽中充分浸泡5 min，取出后將竹單板上多余水分自然瀝干，電子天平上秤質(zhì)量，記錄數(shù)據(jù)。對每種試樣測量3次，取平均值，計(jì)算吸水率，其公式如下：W=(m1-m2)×100%/m1。式中：W為吸水率(%);m1為浸水前試件質(zhì)量(g);m2為浸水后試件質(zhì)量(g)。

吸膠率試驗(yàn)：將疏解3～8次的6種試驗(yàn)樣品各200 g，在固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%酚醛樹脂膠中充分浸泡5 min，取出后將竹單板上多余膠液瀝5 min，電子天平上秤質(zhì)量，記錄數(shù)據(jù)。對每種試樣測量3次，取平均值，計(jì)算吸膠率，其公式如下：P=(m3-m4)×100%/m3。其中：P為吸膠率(%);m3為浸膠前試件質(zhì)量(g);m4為浸膠后試件質(zhì)量(g)。

吸附性能試驗(yàn)：本試驗(yàn)使用F-Sorb 3400比表面積及孔徑分析儀，測試偏差在0.5%～2%，對于比表面積越大的樣品(如催化劑、分子篩等多孔材料)，測試偏差越小，一般保持在0.5%。將疏解3～8次的6種試驗(yàn)樣品分別做吸附性能測試，測量孔容、孔徑、體表面積等性能指標(biāo)。工作原理為等溫物理吸附的靜態(tài)容量法，測試方法為多點(diǎn)BET，分析氣體為 N2、O2、Ar、Kr、CO2、CH4等非腐蝕性氣體，測量范圍為比表面分析大于0.000 5 m2/g(Kr測量)，環(huán)境溫度25℃，樣品預(yù)處理110℃，真空加熱2 h。

超景深顯微成像：試驗(yàn)儀器為超景深三維立體顯微鏡(3D Super Depth Digital Microscope)，其工作原理為實(shí)時(shí)深度合成3D圖像，包括表面不均勻的目標(biāo)，獲得高清晰圖像;透鏡焦距200倍，軸向記錄間隔40μm，紫色半導(dǎo)體激光為可視光極限的408 nm短波形，范圍為放大倍數(shù)200～18 000倍，平面像素2 048×1 536，透鏡焦距200倍，Z軸分辨率1 nm。

2 結(jié)果與分析

2.1 纖維化竹單板的吸水性能

疏解3～8次的纖維化竹單板經(jīng)吸水率試驗(yàn)測試后的結(jié)果見表1。可以看出，和未處理的原材相比，疏解明顯改善了竹材的吸水性能。纖維化竹單板的吸水率隨著疏解次數(shù)的增加而提高，提高的速率呈先增加后減緩，疏解8次的纖維化竹單板比疏解3次的纖維化竹單板的吸水率高出110.29%。竹材的水分疏導(dǎo)系統(tǒng)為順竹竿方向，水分在橫向很難滲透。當(dāng)竹材充分浸泡在水中時(shí)，水分通過縱向維管束緩慢滲入竹材內(nèi)部，在沒有橫向薄壁細(xì)胞協(xié)助移動(dòng)水分的情況下，水分進(jìn)入到竹材細(xì)胞壁中顯得尤為困難。將竹材疏解成縱向不斷裂的纖維化竹單板，處理前后在短時(shí)間內(nèi)水分滲透入細(xì)胞，形成結(jié)合水的量幾乎可以忽略不計(jì)。所以可以近似認(rèn)為竹材在水中短時(shí)間浸漬后的水分增加量是由竹材表面的附著水引起的。竹材疏解程度越強(qiáng)，其附著水相對越多，吸水率越高。

表1 纖維化竹單板吸水率

2.2 纖維化竹單板的吸膠性能

疏解3～8次的纖維化竹單板吸膠率試驗(yàn)測試后的結(jié)果見表2。和未處理的原材相比，疏解明顯改善了竹材的吸膠性能。不同疏解次數(shù)的纖維化竹單板的吸膠率隨著疏解次數(shù)的增加而增加。疏解3～8次的纖維化竹單板的吸膠率由36.64%遞增至75.56%，增加了106.22%。增加的幅度在疏解6次后有所減緩。纖維化竹單板在疏解過程中，在竹材表面形成許多點(diǎn)狀或線段狀的裂紋，增加了膠黏劑的滲透路徑，疏解的程度越大越充分，膠黏劑潤濕、擴(kuò)散、滲透的能力就越強(qiáng)。疏解程度好的纖維化竹單板，纖維裂解程度高，在短時(shí)間內(nèi)就能使膠黏劑裹滿纖維束表面，導(dǎo)致吸膠量增加。另外，膠液黏度大于水黏度，膠黏劑分子大于水分子，所以在規(guī)定時(shí)間內(nèi)膠黏劑浸潤纖維化竹單板的程度略低于水浸潤的程度，造成同樣疏解次數(shù)的纖維化竹單板的吸膠率略低于吸水率。

表2 纖維化竹單板吸膠率

2.3 纖維化竹單板的吸附性能

使用物理吸附儀測試6種疏解次數(shù)的纖維化竹單板的孔徑、孔容和比表面積的測試結(jié)果見表3。1g固體所占有的總表面積為該物質(zhì)的比表面積S(m2/g)。多孔性物質(zhì)表面積的測定較困難，它們不僅具有不規(guī)則的外表面，還有復(fù)雜的內(nèi)表面。比表面積的測量，無論在科研還是工業(yè)生產(chǎn)中都具有十分重要的意義。一般比表面積大、活性大的多孔物，吸附能力強(qiáng)。從表3可以清晰地看出，和未處理的原材相比，疏解明顯改善了竹材的吸附性能。隨著疏解次數(shù)的增加，纖維化竹單板的比表面積也隨之增加，在疏解8次的時(shí)候，比表面積增加的幅度最大，為98.68%。纖維化竹單板為多孔生物質(zhì)材料，內(nèi)部布滿管狀細(xì)胞，對其進(jìn)行比表面積測定，可以直觀地衡量纖維化竹單板的吸附能力。表面積大的材料，活性大，吸附能力強(qiáng)，進(jìn)而反映出對膠液的滲透力更強(qiáng)。纖維化竹單板的孔徑和孔容也隨著疏解次數(shù)的增加而遞增。孔徑的分布和吸附物體的吸附能力有關(guān)，孔容是單位質(zhì)量多孔物體具有細(xì)孔的總?cè)莘e?？讖?、孔容和比表面積，都是衡量多孔物體吸附能力的特征值，可以得出，纖維化竹單板的吸附能力隨著疏解次數(shù)的增加而遞增。

表3 纖維化竹單板吸附性能

2.4 纖維化竹單板微創(chuàng)三維圖像

使用超景深三維立體顯微鏡，對疏解后的纖維化竹單板進(jìn)行測試，觀察局部微創(chuàng)破壞形貌，測試結(jié)果于圖1所示。

圖1 纖維化竹單板微創(chuàng)處理后的三維圖像

竹材的竹青部分含有蠟質(zhì)所形成的薄膜層，該層的存在使得竹材無法采用常規(guī)的膠黏劑膠合。因此，必須在加工過程中通過各種方式予以去除，這樣降低了生產(chǎn)效率和資源利用率，提高了生產(chǎn)成本。疏解的過程可以在展平原竹的同時(shí)，破壞竹青。從圖1中可知，竹青表面受到明顯的破壞。圖象處理顯示，在1 mm2的面積內(nèi)，竹青表面的損傷深度在284μm(竹青層厚度100～300μm)，可以達(dá)到去除竹青表面臘質(zhì)層的目的。經(jīng)過多次纖維分離后，形成的竹纖維單板的形態(tài)，裂隙寬度在30～300μm。并且竹青表面的比表面積增加，粗糙度增強(qiáng)，有利于膠黏劑的滲透和濕潤，并在固化時(shí)形成膠釘。

3 結(jié)論

和未處理的原材相比，疏解明顯改善了竹材的吸水、吸膠和吸附性能。纖維化竹單板的吸水率和吸膠率在試驗(yàn)中最高分別達(dá)到87.08%和75.56%，另外，纖維化竹單板的孔徑、孔容和比表面積，最高分別達(dá)到 467.298 nm、0.000 172 cm3/g 和 0.015 1 m2/g。纖維化竹單板的吸水率、吸膠率和吸附能力，隨著疏解次數(shù)的增加而增加。

超景深三維立體顯微鏡對疏解后的纖維化竹單板觀察后，圖象顯示，在1 mm2的面積內(nèi)，竹青表面的損傷深度在284μm(竹青層厚度100～300μm)，可以達(dá)到去除竹青表面臘質(zhì)層的目的。經(jīng)過多次纖維分離后，形成的竹纖維單板的形態(tài)，裂隙寬度在30～300μm。疏解的過程，對竹青起到破壞作用，使得纖維化竹單板比表面積增加，粗糙程度增加，有利于膠黏劑的滲透。

［1］于文吉.我國高性能竹基纖維復(fù)合材料的研發(fā)進(jìn)展［J］.木材工業(yè)，2011，25(1)：6-8，29.

［2］孟凡丹，余養(yǎng)倫，祝榮先，等.浸膠量對纖維化竹單板層積材物理力學(xué)性能的影響［J］.木材工業(yè)，2011，25(2)：1-3，7.

［3］祝榮先，周月，任丁華，等.制造工藝對竹基纖維復(fù)合材料性能的影響［J］.木材工業(yè)，2011，25(3)：1-3.

［4］于雪斐，孫華林，于文吉.結(jié)構(gòu)用慈竹單板層積材的制備工藝與性能［J］.木材工業(yè)，2011，25(4)：1-3.

［5］余養(yǎng)倫，于文吉，蘇志英.竹纖維增強(qiáng)復(fù)合材料及其制造方法［M］.北京：中華人民共和國國家知識產(chǎn)權(quán)局，2009.