楊 瑩 馮 磊 鄧玉和 王新洲 王向歌 董葛平 陳明及，2 張 健，3 吳金絨

(1.南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.越南西北農(nóng)林高等學(xué)校，越南 涼山;3.江蘇沿江地區(qū)農(nóng)科所，江蘇 如皋 226541)

單板層積材(laminated veneer lumber，LVL)是一種高性能、高附加值的木質(zhì)材料，由旋切單板經(jīng)多層順紋組坯膠合壓制而成。它不僅保留了木材理想的天然特性，還具有許多實(shí)木鋸材所沒有的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，如強(qiáng)度性能高、尺寸穩(wěn)定性好以及抗震減震性強(qiáng)等[1-2]。由于LVL獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)，在國(guó)外已廣泛應(yīng)用于建筑、家具、裝飾等領(lǐng)域，具有極好的市場(chǎng)前景。

我國(guó)自實(shí)施天然林保護(hù)工程以來，各地相繼采取了封山育林措施，天然林采伐量大幅度降低，木材供需矛盾更加突出。木材資源正經(jīng)歷著從主要來自天然林到主要來自人工林的重大轉(zhuǎn)變，合理地利用人工林資源是林業(yè)研究的重要課題。利用小徑木和人工速生材制造LVL代替大規(guī)格結(jié)構(gòu)用成材，以滿足我國(guó)用材的需求，是人工林資源合理利用的有效途徑[3-4]。

竹柳(Salixdiscolor)是我國(guó)新培育出的速生樹種，生產(chǎn)周期短、出材率高、適應(yīng)性廣、材質(zhì)好，是制造膠合板和紙張的上等材料和高效新能源樹種[5]。此外，竹柳還具有抗寒、抗旱、抗淹、抗鹽堿、移栽成活率高等特性，適種地區(qū)幾乎涵蓋全國(guó)，通過推廣，已在我國(guó)廣泛種植。應(yīng)用竹柳木材制造LVL，不僅可以拓寬生產(chǎn)LVL的原料來源，開辟速生竹柳小徑材的高效利用途徑，還可以緩解我國(guó)木材供求矛盾。本項(xiàng)研究利用脲醛樹脂膠制造耐鹽竹柳LVL，分析熱壓溫度、熱壓時(shí)間和涂膠量對(duì)其物理力學(xué)性能的影響，探討其制造工藝的可行性，以期為竹柳的開發(fā)利用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1) 竹柳單板：耐鹽竹柳，由江蘇森茂生態(tài)科技有限公司提供，在實(shí)驗(yàn)室采用無卡旋切機(jī)旋切制成單板。竹柳單板氣干密度為0.377 g/cm3，厚度2.0 mm，裁剪成450 mm×300 mm幅面?zhèn)溆谩?/p>

2) 脲醛樹脂膠黏劑：購(gòu)于東佳木業(yè)有限公司，固含量53%±2%，pH為7.63～7.64。

3) 其他：面粉，市售；固化劑，工業(yè)用NH4Cl，購(gòu)于南京化學(xué)試劑有限公司，添加量為1%。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì) 本研究LVL的目標(biāo)厚度為18 mm，采用單因素試驗(yàn)，選擇熱壓溫度、熱壓時(shí)間和涂膠量為考察因子，根據(jù)前期的探索性研究試驗(yàn)，采用工藝參數(shù)如下。

1) 熱壓溫度：取105、120、135、150 ℃ 4個(gè)水平；熱壓壓力2.0 MPa；熱壓時(shí)間1.0 min/mm；單面涂膠量240 g/m2。

2) 熱壓時(shí)間：取0.8、1.0、1.2、1.4 min/mm 4個(gè)水平；熱壓壓力2.0 MPa；熱壓溫度135 ℃；單面涂膠量240 g/m2。

3) 涂膠量：取200、240、280、320 g/m24個(gè)水平；熱壓壓力2.0 MPa；熱壓溫度135 ℃；熱壓時(shí)間1.0 min/mm。

1.2.3性能檢測(cè) 參照GB/T 17657—1999《人造板及飾面人造板性能測(cè)試方法》和GB/T 20241—2006《單板層積材》中的相關(guān)要求對(duì)竹柳LVL進(jìn)行物理力學(xué)性能檢測(cè)，測(cè)試項(xiàng)目包括密度、垂直加載的彈性模量(MOE⊥)和靜曲強(qiáng)度(MOR⊥)、平行加載的彈性模量(MOE∥)和靜曲強(qiáng)度(MOR∥)、浸漬剝離率以及24 h吸水厚度膨脹率(TS)。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱壓溫度對(duì)層積材物理力學(xué)性能的影響

采用105、120、135、150 ℃ 4個(gè)不同的熱壓溫度壓制竹柳LVL，熱壓后得到的LVL密度分別為0.538、0.539、0.512、0.513 g/cm3，實(shí)測(cè)厚度分別為17.61、17.41、17.72、17.76 mm。物理力學(xué)性能測(cè)定結(jié)果見圖1～3。

由圖1～2可以看出，竹柳LVL的彈性模量(MOE)和靜曲強(qiáng)度(MOR)在垂直加載和水平加載條件下均隨著熱壓溫度的升高而增加，在溫度達(dá)到150 ℃時(shí)有所降低。垂直加載條件下，當(dāng)熱壓溫度為135 ℃時(shí)，MOE⊥和MOR⊥達(dá)到最大值，分別為 5 135.13 MPa和69.94 MPa，與105 ℃時(shí)相比，分別增加了31.3%和19.6%；而當(dāng)熱壓溫度超過135 ℃時(shí)，MOE⊥和MOR⊥減小，熱壓溫度為105 ℃時(shí)，MOE⊥和MOR⊥分別為 3 910.46 MPa和58.50 MPa，比135 ℃時(shí)分別下降了9.5%和5.3%。水平加載時(shí)，MOE∥和MOR∥的變化趨勢(shì)則與垂直加載時(shí)的變化趨勢(shì)相似，MOE∥和MOR∥隨著溫度的增加而增大，在熱壓溫度為135 ℃時(shí)達(dá)到最大值，分別為 5 759.57 MPa和69.54 MPa，熱壓溫度超過135 ℃時(shí)，MOE∥和MOR∥呈下降趨勢(shì)。

熱壓溫度是保證膠黏劑固化的重要因素，主要作用是促進(jìn)膠黏劑固化，塑化木材單板便于板坯壓緊，同時(shí)蒸發(fā)板坯中的水分[6]。熱壓溫度較低時(shí)，板坯之間熱傳遞效率低，芯層板溫度達(dá)不到脲醛樹脂固化溫度或達(dá)到固化溫度所需時(shí)間較長(zhǎng)，固化不完全，影響板材的力學(xué)性能。脲醛樹脂固化需要的溫度較高，一般在100 ℃以上，在一定的溫度范圍內(nèi)，溫度升高板坯表芯層溫度梯度增大，熱量由板坯表層向芯層的傳導(dǎo)速度增快，芯層溫度升高加快，樹脂固化程度好，有益于提高膠合強(qiáng)度。此外在持續(xù)的溫度和壓力作用下，木材會(huì)發(fā)生彈塑性變形，使表面單板密實(shí)化，表層單板力學(xué)性能提高，從而增強(qiáng)板材物理力學(xué)性能[4]。因此，適當(dāng)?shù)脑黾訜釅簻囟?，可以提高板材性能。圖1～2顯示，熱壓溫度從105 ℃增加到135 ℃，板材的MOE和MOR隨之增大。但是溫度過高，板內(nèi)的蒸汽壓力會(huì)越大，單板阻礙水分的遷移，水汽集中在膠層處，以過熱蒸汽的形式存在，使得產(chǎn)品易產(chǎn)生鼓泡、膠層熱分解等工藝缺陷。通過觀察試驗(yàn)過程，在壓制板材的過程中，當(dāng)溫度超過135 ℃時(shí)，板材較易鼓泡。同時(shí)，溫度過高還可能會(huì)使木材中部分纖維素發(fā)生熱解從而影響板材性能。故溫度超過135 ℃時(shí)，LVL強(qiáng)度下降。因此，生產(chǎn)竹柳LVL建議采用中低溫?zé)釅悍绞?。在本試?yàn)條件下，熱壓溫度選取135 ℃比較理想。試驗(yàn)中所有試件浸漬剝離率均為0，未出現(xiàn)明顯的膠層分離，膠合性能良好。

從圖3可以看出，伴隨著熱壓溫度的升高，24 h吸水厚度膨脹率有所增加，但增加幅度不大，變化范圍在5.05%～5.92%。人造板浸泡于水中產(chǎn)生厚度膨脹主要是由被壓縮后的木材應(yīng)力釋放回彈和木材本身受濕時(shí)的膨脹導(dǎo)致，而熱壓溫度對(duì)木材的應(yīng)力-應(yīng)變具有顯著的影響，會(huì)使木材中的木素等有機(jī)物從玻璃態(tài)向高彈態(tài)轉(zhuǎn)變，使木材細(xì)胞結(jié)構(gòu)發(fā)生變化和物理力學(xué)性能包括密度和尺寸穩(wěn)定性發(fā)生改變[7-8]。根據(jù)顧繼友等[9]對(duì)吸水厚度膨脹率的研究，提高熱壓溫度將增加粘彈性變形和粘性變形的變形量，然而增加粘彈性變形對(duì)板的尺寸穩(wěn)定性不利，最終它將釋放出來，產(chǎn)生較大的不可逆厚度膨脹率。此外Panshin A J和C De Zeeuw的研究也顯示，隨著熱壓溫度的增加，在持續(xù)的壓力作用下，木材具有松動(dòng)流化趨勢(shì)和在卸載后會(huì)永久變形增大[10]。因此，溫度提高，不可逆厚度膨脹率呈增大趨勢(shì)，即吸水厚度膨脹率增大。

2.2 熱壓時(shí)間對(duì)層積材物理力學(xué)性能的影響

考察不同熱壓時(shí)間對(duì)竹柳LVL物理力學(xué)性能的影響，測(cè)得在0.8、1.0、1.2、1.4 min/mm 4個(gè)不同熱壓時(shí)間下制造的LVL密度和實(shí)際厚度分別為0.514、0.512、0.510、0.513 g/cm3和17.78、17.72、17.83、17.74 mm。物理力學(xué)性能見圖4～6。

從圖4～5可以看出，熱壓時(shí)間在1.0 min/mm時(shí)，竹柳LVL的MOE⊥、MOR⊥和MOE∥、MOR∥均達(dá)到最大值。其中垂直加載條件下的MOE⊥和MOR⊥，比熱壓時(shí)間為0.8 min/mm時(shí)分別增大了8.1%和6.4%；熱壓時(shí)間超過1.0 min/mm，MOE⊥和MOR⊥開始減??；熱壓時(shí)間為1.2 min/mm時(shí)的MOE⊥和MOR⊥分別為 4 591.86 MPa和66.43 MPa，比1.0 min/mm時(shí)下降了10.6%和5.0%；熱壓時(shí)間為1.4 min/mm時(shí)，MOE⊥和MOR⊥分別為 5 472.92 MPa和62.84 MPa，比1.2 min/mm時(shí)分別下降5.6%和6.2%。水平加載條件下，MOE∥、MOR∥的變化趨勢(shì)與MOE⊥、MOR⊥相似，亦在熱壓時(shí)間為1.0 min/mm時(shí)達(dá)到最大值，比熱壓時(shí)間為0.8 min/mm時(shí)分別增大了10.2%、9.3%，當(dāng)熱壓時(shí)間超過1.0 min/mm，MOE∥和MOR∥隨之降低。

合理的熱壓時(shí)間是板坯內(nèi)膠黏劑充分固化的保證，它直接影響膠黏劑的固化率、板材的塑性密度及厚度等。單板層積材層數(shù)較多，板坯較厚，芯層升溫需要一定的時(shí)間，若熱壓時(shí)間較短，芯層板溫度達(dá)到脲醛樹脂固化溫度的時(shí)間不足，固化不完全，板材厚度方向上各部分密度不同，將無法保證板材的膠合強(qiáng)度及其他性能；熱壓時(shí)間延長(zhǎng)，整個(gè)板坯達(dá)到樹脂固化溫度后，膠黏劑能更加充分的固化，單板間膠合強(qiáng)度更好，有利于板材力學(xué)性能的增大，同時(shí)還能有效地避免鼓泡[11]。圖4～5顯示，熱壓時(shí)間從0.8 min/mm增加到1.0 min/mm，MOE、MOR相應(yīng)的增大，且在1.0 min/mm時(shí)達(dá)到最大，此時(shí)膠層得以充分固化，木材與膠黏劑分子之間產(chǎn)生極強(qiáng)的結(jié)合力。若熱壓時(shí)間過長(zhǎng)，高溫作用下會(huì)引起板材表面膠黏劑的熱分解和木材纖維素大分子降解，從而降低板材的性能，并且還可能會(huì)導(dǎo)致膠黏劑的過度固化，影響膠合強(qiáng)度。故試驗(yàn)中在熱壓時(shí)間增大到1.0 min/mm之后，MOE、MOR反而減小。因此，根據(jù)研究結(jié)果，生產(chǎn)目標(biāo)厚度為18 mm的竹柳LVL時(shí)，建議熱壓時(shí)間為1.0 min/mm(板厚)為佳。同樣在不同熱壓時(shí)間條件下，試驗(yàn)中所有試件浸漬剝離率均為0，未出現(xiàn)明顯的膠層分離，膠合性能良好。

圖6顯示，隨著熱壓時(shí)間的延長(zhǎng)，試件的24 h吸水厚度膨脹率在4.81%～5.79%范圍內(nèi)，其變化幅度不大，總體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。根據(jù)高聚物的時(shí)溫等效性原理可知，熱壓時(shí)間越長(zhǎng)，其不可逆厚度膨脹率越大，故熱壓時(shí)間由0.8 min/mm增大到1.0 min/mm時(shí)，24 h吸水厚度膨脹率隨之增大；熱壓時(shí)間超過1.0 min/mm時(shí)，24 h吸水厚度膨脹率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這可能是由于板坯在更長(zhǎng)的熱壓時(shí)間作用下，使較多的粘彈性變形轉(zhuǎn)化為粘性變形，且因時(shí)間的延長(zhǎng)，水分作用明顯，使得體系發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)變形而影響不可逆厚度膨脹率；還可能是由于膠黏劑固化后，再延長(zhǎng)熱壓時(shí)間，起到二次壓制的作用，使內(nèi)應(yīng)力得以適當(dāng)?shù)尼尫?，從而降低不可逆厚度膨脹率[9]。因此，為了降低不可逆厚度膨脹率，熱壓時(shí)間在滿足熱壓要求的前提下應(yīng)盡量縮短。

2.3 涂膠量對(duì)層積材物理力學(xué)性能的影響

對(duì)涂膠量進(jìn)行單因素試驗(yàn)，選用200、240、280和320 g/m24個(gè)水平對(duì)竹柳LVL的性能進(jìn)行分析，測(cè)得4種情況下竹柳LVL的密度為0.499、0.512、0.521和0.532 g/cm3，實(shí)際厚度為17.89、17.72、17.69和17.64 mm。物理力學(xué)性能見圖7～9。

如圖7～8所示，垂直加載條件下，涂膠量從200 g/m2增加到280 g/m2時(shí)，MOE⊥和MOR⊥隨之增大，當(dāng)涂膠量為280 g/m2時(shí)，MOE⊥和MOR⊥達(dá)到最大，分別為 5 384.79 MPa和74.21 MPa，相較于200 g/m2時(shí)增大了11.1%和18.6%；涂膠量繼續(xù)增加，MOE⊥和MOR⊥開始減?。煌磕z量為320 g/m2時(shí)，MOE⊥和MOR⊥分別為 5 211.78 MPa和72.81 MPa。水平加載條件下，涂膠量為240 g/m2時(shí)，MOE∥和MOR∥達(dá)到最大，相較于200 g/m2時(shí)分別增大17.6%和14.6%，涂膠量繼續(xù)增加，MOE∥和MOR∥隨之降低。

涂膠量是影響板材膠合強(qiáng)度的一個(gè)重要因素。涂膠量較少時(shí)，難以形成連續(xù)的膠層，也不利于膠液浸潤(rùn)，不容易使膠黏劑從一張單板表面向另一張單板表面轉(zhuǎn)移，從而產(chǎn)生膠合不良的現(xiàn)象。隨著涂膠量的增加，膠層的涂布均勻性增加，單位面積的單板與更多的膠黏劑結(jié)合，同時(shí)使膠合面形成連續(xù)的膠層，單板間結(jié)合更加牢固。但是，涂膠量過大，相應(yīng)地會(huì)增大板坯的含水率，在熱壓溫度和時(shí)間不變情況下，熱壓結(jié)束時(shí)，板坯中還保留著來不及蒸發(fā)掉的水分而使膠層得不到充分固化，且含水率增加也增大了出現(xiàn)鼓泡等產(chǎn)品缺陷的可能性，同時(shí)直接增大了生產(chǎn)成本[12]。此外，膠層過厚時(shí)應(yīng)力增大還會(huì)引起膠合強(qiáng)度下降。因此，從降低成本和保證膠合強(qiáng)度考慮，生產(chǎn)竹柳LVL的涂膠量應(yīng)設(shè)定為240～280 g/m2。涂膠量對(duì)LVL膠合性能的影響不明顯，試驗(yàn)中所有試件均未出現(xiàn)膠層的分離。

從圖9可知，24 h吸水厚度膨脹率隨著涂膠量的增加變化并不明顯，總的趨勢(shì)是先減小再增大，變化范圍在5.79%～6.29%。涂較量為200 g/m2時(shí)的24 h吸水厚度膨脹率為6.29%，大于涂膠量為240、280 g/m2和320 g/m2，這可能是由于涂膠量不足，板材沒有充分膠合，空隙較大，回彈率大，吸水后易膨脹，尺寸不穩(wěn)定；當(dāng)涂膠量為240 g/m2時(shí)，24 h吸水厚度膨脹率最小，為5.79%，說明此時(shí)的產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定性最好，涂膠量增大，單板表面膠黏劑充足，可以增加單位面積中膠黏劑與單板的交接點(diǎn)，形成更多有效的膠釘結(jié)構(gòu)，承受更大的內(nèi)應(yīng)力，提高產(chǎn)品的尺寸穩(wěn)定性；當(dāng)涂膠量繼續(xù)增加，24 h吸水厚度膨脹率隨之穩(wěn)步增大，持續(xù)增大涂膠量，會(huì)使板材中的水分增加，膠合不牢固，從而導(dǎo)致尺寸穩(wěn)定性下降。結(jié)合不同涂膠量對(duì)竹柳LVL的MOE、MOR及24 h吸水厚度膨脹率的影響結(jié)果，綜合考慮，生產(chǎn)竹柳LVL涂膠量選取240 g/m2較佳。

3 結(jié) 論

1) 以速生耐鹽竹柳為原料在實(shí)驗(yàn)室條件下制造LVL是可行的。

2) 在105～135 ℃熱壓溫度范圍內(nèi)，竹柳LVL的MOE⊥、MOR⊥和MOE∥、MOR∥均呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但溫度達(dá)到150 ℃時(shí)板的部分性能有所下降；24 h吸水厚度膨脹率的變化趨勢(shì)則是隨著熱壓溫度的增高而增加，其增加幅度不大，變化范圍在5.05%～5.92%。

3) 當(dāng)熱壓時(shí)間為1.0 min/mm，LVL板材的MOE⊥、MOR⊥和MOE∥、MOR∥值達(dá)到最大；24 h吸水厚度膨脹率隨著熱壓時(shí)間的延長(zhǎng)在4.81%～5.79%范圍內(nèi)變動(dòng)，變化幅度不大，總體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

4) 隨著涂膠量的增加，竹柳LVL的MOE⊥、MOR⊥和MOE∥、MOR∥均有不同程度的提高，在涂膠量為280 g/m2時(shí)，MOE⊥和MOR⊥達(dá)到最大，而MOE∥和MOR∥則在涂膠量為240 g/m2時(shí)達(dá)到最大；24 h吸水厚度膨脹率當(dāng)涂膠量為240 g/m2時(shí)，其值取得最小。

綜上所述，以涂膠方式制造18 mm厚的竹柳LVL時(shí)建議采用中低溫短時(shí)間方法，較好的工藝條件為：熱壓溫度135 ℃，熱壓時(shí)間1.0 min/mm，涂膠量240 g/m2。

[1] 黃松軍，李黎，劉君良. 國(guó)際市場(chǎng)單板層積材的發(fā)展[J].國(guó)際木業(yè)，2008(5)：30-31.

[2] 陳雷，徐詠蘭.人工林杉木單板層積材制造工藝的研究[J].木材工業(yè)，2000，14(6)：3-5.

[3] 王星，曹金珍，崔福通.DPAB對(duì)中密度纖維板性能的影響[J].西南林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，33(1)：76-80.

[4] 余養(yǎng)倫，于文吉，王戈.桉樹單板層積材的制造工藝和主要性能[J].林業(yè)科學(xué)，2007，43(8)：154-158.

[5] 房洪才.美國(guó)竹柳及其扦插技術(shù)[J].新農(nóng)村，2010(10)：16.

[6] 張曉春，蔣身學(xué)，張齊生.熱壓溫度及板材密度對(duì)竹柳復(fù)合層積材順紋抗壓強(qiáng)度的影響[J].林業(yè)科技開發(fā)，2011，25(2)：45-47.

[7] Bodig J，Jayne B A. Mechanics of Wood and Wood Composites [M]. New York ：Van Bostrand Reinhold Co Inc，1982：712-718.

[8] Hillis W E. High temperature and chemical effects on wood stability-Part I. General consideration [J]. Wood Sci & Tech，1984，18(3)：281-293.

[9] 顧繼友，高振華，譚海彥.制造工藝因素對(duì)刨花板吸水厚度膨脹率的影響[J].林業(yè)科學(xué)，2003，30(1)：132-139.

[10] Panshin A J， C De Zeeuw. Textbook of Wood Technologu[M]. 4thed . New York ：McGraw-Hill Inc,1980:365.

[11] 楊逸，楊光.大豆蛋白粉膠合板熱壓工藝的研究[J].應(yīng)用化學(xué)，2012，41(1)：44-48.

[12] 劉曉輝，宋孝金，吳遠(yuǎn)彬.杉木膠合板熱壓工藝研究[J].福建林業(yè)科技，2010，37(3)：70-73.