李海棟 陳復明 王戈

(國際竹藤中心，北京，100102)

竹束單板層積材(BLVL)是纖維化竹束單板經(jīng)整張化、浸漬膠黏劑、干燥、順紋組坯等工藝后，通過冷壓熱固化或熱壓固化而成的新型竹基復合材料，具有力學強度高、尺寸穩(wěn)定性好及竹材利用率高等優(yōu)點［1-3］。隨著經(jīng)濟生活水平的提高，大尺寸、大規(guī)格的竹制工程材料越來越受到人們的青睞，但目前我國生產(chǎn)竹人造板產(chǎn)品的壓機幅面一般為1．22 m×2．44 m，加工大規(guī)格產(chǎn)品生產(chǎn)能力不足，主要以冷壓拼長和接寬膠合為主［4］。連續(xù)壓機的投資較大，且適用于竹基復合材料連續(xù)化生產(chǎn)的設備有待研發(fā)。針對如何利用我國現(xiàn)有的普通幅面熱壓機制備大尺寸的竹質(zhì)工程材料，本研究提出采用酚醛樹脂膠(PF)和聚醋酸乙烯乳液膠(PVAc)混配膠液浸漬纖維化竹束單板工藝來增加板坯的初黏性和預壓性能，同時為更好地利用預壓—間歇式熱壓工藝制備連續(xù)長度竹束單板層積材提供新思路［5-8］。

預壓是間歇式熱壓工藝制造連續(xù)長度BLVL 前期的關鍵步驟之一，預壓性能的好壞亦直接關系到間歇式熱壓及后續(xù)工藝過程能否順利進行。通過預壓可排除各層竹束單板間的大量空氣，保證板坯具有一定的密實度和初始結合強度，防止其在運輸過程中發(fā)生塌散，同時為間歇熱壓制造連續(xù)長度BLVL 奠定基礎［9-10］。

酚醛樹脂膠(PF)是BLVL 生產(chǎn)中的常用膠黏劑，具膠合強度高、耐水性能好等優(yōu)點，但作為熱固性膠黏劑，初黏性較差。在竹束單板預壓過程中，有研究表明90 ℃以上溫度才能使其密實成坯，但由此制得板材的力學性能會由于膠黏劑的預固化而發(fā)生明顯的降低［3，9］。聚醋酸乙烯乳液膠(俗稱白乳膠，PVAc)，是一種具有良好初始粘結強度、可在室溫固化的環(huán)保型熱塑性膠黏劑［11］?；谏鲜鰞煞N膠黏劑的特性，本研究將竹束單板浸漬于PVAc 與PF 不同配比的混合膠液中，研究不同m(PF)∶ m(PVAc)、預壓時間和預壓溫度對預壓板坯性能的影響，并研究不同m(PF)∶m(PVAc)對BLVL 力學性能的影響，以期為連續(xù)成板工藝和大跨度BLVL的制備提供依據(jù)和工藝參考。

1 材料和方法

1．1 材料

纖維化竹束單板:梁山慈竹(Dendrocalamus farinosus)取自四川省長寧縣，竹齡3～5 a，竹壁厚度2～5 mm，纖維化竹束單板的疏解工藝同文獻［1］，氣干至含水率(MC)為:10%～12%。膠黏劑:水溶性酚醛樹脂膠(PF)，北京太爾化工有限公司，固體質(zhì)量分數(shù)為45．40%;聚醋酸乙烯乳液膠黏劑(PVAc)，上海漢高黏合劑有限公司，固體質(zhì)量分數(shù)為27%。

1．2 預壓竹束板坯的制備

將PF 和PVAc 分別稀釋至固體質(zhì)量分數(shù)17%，然后按m(PF)∶m(PVAc)=2 ∶1、4 ∶1、6 ∶1、8 ∶1、10 ∶1 混合備用。加工好的竹束單板分別浸漬于不同混合膠液中，7 min 后取出干燥，含水率控制在14%左右［5］，待用。

將6 層浸膠干燥后的竹束單板順紋組坯后預壓，預壓壓力為3 MPa，預壓溫度包括以下兩種:①常溫預壓，預壓時間設定為:30、60、90 min(30 min 預壓板坯易散坯，故舍去);②加溫預壓，預壓溫度設定為40、50、60 ℃(預壓時間30 min)，時間設定為5、10、15、30 min(預壓溫度50 ℃)。利用單因素分析方法探究預壓時間、m(PF)∶m(PVAc)、預壓溫度對板坯預壓性能的影響。

1．3 竹束單板層積材的制備

利用較優(yōu)的預壓工藝(預壓溫度50 ℃，預壓時間15 min)對板坯進行預壓密實化后，對不同m(PF)∶m(PVAc)的預壓板坯進行坯熱壓，以純PF膠液作為對照樣。熱壓壓力3 MPa，熱壓溫度150℃，熱壓時間1 mm/min，目標密度為1．0 g/cm3，尺寸300 mm×140 mm×12．5 mm。

1．4 物理力學性能測試

厚度回彈測試:采用數(shù)顯百分表對預壓后板坯中心位置的厚度回彈量進行測試，測試時間為2 h，各個時間點間隔為10 s。在不同處理條件下，每組重復樣為6 個。

力學性能:參照GB/T 20241—2006《單板層積材》和GB/T 17657—1999《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》等相關標準，對預壓板材及竹束單板層積材水平剪切強度、彈性模量和靜曲強度進行測試。

2 結果與分析

2．1 m(PF)∶m(PVAc)對板坯厚度膨脹率和水平剪切強度的影響

圖1 為不同m(PF)∶m(PVAc)下預壓板坯厚度膨脹率與時間的關系曲線。可知:隨時間的延長和m(PF)∶m(PVAc)的增大，預壓板坯厚度膨脹率增加;50 ℃條件下預壓板坯的厚度膨脹率顯著低于20 ℃時的，這表明加溫預壓能顯著提高預壓板坯的尺寸穩(wěn)定性。竹材屬于黏彈性材料，受壓縮作用力后，成板板坯的內(nèi)應力會釋放，引起板坯的回彈和尺寸穩(wěn)定性變化。白乳膠是熱塑性膠黏劑，在壓力和熱作用下樹脂分子通過物理及化學鍵等作用和竹材纖維分子相互結合。壓力作用時樹脂分子鏈呈卷曲狀，卸壓后由于大分子鏈的熱運動使其恢復伸長，從而表現(xiàn)出回彈［12］。溫度越高，熱塑性樹脂分子鏈部分發(fā)生塑性變形越明顯，在溫度降低后得以固定程度越穩(wěn)定，回彈量降低，故加溫使得預壓板坯尺寸穩(wěn)定性提高。

圖1 不同m(PF)∶m(PVAc)預壓板坯厚度膨脹率與時間關系曲線

在20 ℃和50 ℃條件下，預壓板坯的厚度膨脹量均隨m(PF)∶m(PVAc)的增大而增加，表明增加PVAc 可以改善預壓板坯的尺寸穩(wěn)定性。由于PVAc 為常溫固化型膠黏劑，在相同浸漬時間內(nèi)，m(PF)∶m(PVAc)越小(PVAc 膠量比例越高)，竹束單板吸收PVAc 量越大，使板材在預壓過程中能夠較好結合，即宏觀表現(xiàn)為預壓板坯的厚度膨脹率較小，尺寸穩(wěn)定性越好。

在50 ℃預壓條件下，厚度膨脹率增加量均低于2．0%，明顯低于室溫預壓板坯的厚度膨脹率;m(PF)∶m(PVAc)= 6 ∶1 時，板坯的厚度膨脹率呈現(xiàn)跳躍式微量增加;在120 min 時板坯的厚度膨脹率僅為0．18%，與m(PF)∶m(PVAc)為8 ∶1 和10 ∶1 時相比，大幅降低。由于PVAc 膠黏劑的固化速率與溫度有一定關系，在一定范圍內(nèi)溫度越高，固化速率越快;另一方面PVAc 為熱塑性膠，軟化點一般為45 ～90 ℃，從而使得一些在竹束單板干燥過程中發(fā)生預固化的膠黏劑在50 ℃時塑化后重新固化，提高預壓板坯的結合強度［13］。

由表1 可知，預壓板坯的水平剪切強度隨m(PF)∶m(PVAc)的增大而減小，且變化趨勢符合指數(shù)模型(這是這個模型的具體表達形式，容易引起誤解故刪除)y=A1×exp(-x/t)+y1的規(guī)律，擬合方程分別為:20 ℃預壓60 min 為y=-0．002 3exp(x/1．62)+2．52，R2=0．999;20 ℃預壓60 min 為y=-0．51exp(x/7．86)+3．52，R2=0．941;50 ℃預壓30 min為y=5．46exp(-x/3．06)+4．46，R2=0．997。m(PF)∶m(PVAc)從2 ∶1 增大到10 ∶1，常溫預壓時(20℃)，延長預壓時間對提高板材的水平剪切強度影響較小，而加溫預壓能顯著提高板材的水平剪切強度。當m(PF)∶m(PVAc)＜6 ∶1 時，常溫預壓90 min 板坯的水平剪切強度比預壓60 min 的略有提高，m(PF)∶m(PVAc)＞6 ∶1 時與預壓60 min 基本一致。在50 ℃、m(PF)∶m(PVAc)≤6 ∶1 時，預壓板坯的水平剪切強度大幅提高。以上分析表明:m(PF)∶m(PVAc)≤6 ∶1 時，預壓板坯的結合強度較好。

表1 不同m(PF)∶m(PVAc)、溫度和預壓時間下預壓板坯的水平剪切強度

2．2 加溫預壓對板坯水平剪切強度的影響

加溫預壓法能明顯改善預壓板坯的物理力學性能，當m(PF)∶m(PVAc)＜等于6 ∶1 時，預壓板坯的回彈率較小，水平剪切強度亦有較大程度提高;在后續(xù)試驗中選取m(PF)∶m(PVAc)= 6 ∶1，在不同加溫條件下對板坯預壓性能進行研究。

表2 為加溫條件下預壓溫度和預壓時間對板坯預壓性能的影響?？梢钥闯?，在一定范圍內(nèi)預壓板坯的水平剪切強度隨預壓溫度增加而提高。但預壓溫度不宜過高，因為預壓溫度過高會導致酚醛樹脂預固化程度增加，從而降低熱壓板材的膠合性能;另一方面造成能源浪費，影響板材最終成本。因此建議板材的預壓溫度為50～60 ℃。

表2 預壓工藝對板坯水平剪切強度的影響

一定時間范圍內(nèi)，預壓時間的延長能提高預壓板坯的水平剪切強度。當預壓時間由5 min 提高到10、15 和30 min 時，預壓板坯的水平剪切強度分別增加了2．69%、22．64%和41．30%?？梢?，預壓時間設置在15 min 以上時，預壓板坯的水平剪切強度明顯增大，但過長的預壓時間會影響生產(chǎn)效率、增加PF 膠的預固化程度，故建議預壓時間為15 ～30 min。

2．3 m(PF)∶m(PVAc)對竹束單板層積材力學性能的影響

采用預壓—熱壓法工藝，制備了不同m(PF)∶m(PVAc)的BLVL，板材彎曲性能如表3 所示。方差分析表明，不同m(PF)∶m(PVAc)的BLVL 均表現(xiàn)出較高的抗彎性能，即彈性模量和靜曲強度均與對照之間無顯著差異(p＞0．05)。這表明適量加入PVAc 對BLVL 彎曲性能無顯著影響。不同m(PF)∶m(PVAc)板材的密度基本相同且均勻性較好，試件的破壞形態(tài)均為受拉側纖維拉斷破壞，沒有出現(xiàn)膠層處破壞，這表明竹束纖維的抗拉性能得以充分發(fā)揮。

表3 不同m(PF)∶m(PVAc)的竹束單板層積材主要物理力學性能

水平剪切強度是表征竹束單板各層之間膠合性能的指標，不同m(PF)∶m(PVAc)制備的BLVL 水平剪切強度性能如表3 所示。多重比較可知:m(PF)∶m(PVAc)= 2 ∶1、4 ∶1 時制備的BLVL 的水平剪切強度與m(PF)∶m(PVAc)= 6 ∶1、8 ∶1、10 ∶1 及對照樣的水平剪切強度在0．05 水平下有顯著差異;采用m(PF)∶m(PVAc)= 6 ∶1、8 ∶1、10 ∶1制備的BLVL 水平剪切強度與對照樣之間無顯著差異，而m(PF)∶m(PVAc)= 2 ∶1、4 ∶1 制備的BLVL 水平剪切強度顯著低于對照樣。PVAc 為熱塑性膠黏劑，PVAc 的比例增加到一定程度時，會對竹束單板層積材膠合界面產(chǎn)生不利影響［14］。而當m(PF)∶m(PVAc)≥6 ∶1 時，竹束單板層積材的水平剪切強度與對照樣接近一致，即板材具有較好的膠合性能。

3 結論

為了加工大尺寸竹質(zhì)工程材料，利用預壓—間歇式熱壓連續(xù)成板工藝，結合PF/PVAc 混配膠液浸漬工藝，通過加溫預壓法制備的預壓板坯具有良好的尺寸穩(wěn)定性和內(nèi)結合強度。

竹束單板層積材較優(yōu)的預壓密實化工藝條件為:m(PF)∶m(PVAc)= 6 ∶1，預壓時間15 ～30 min，預壓溫度50～60 ℃。此條件下壓制的BLVL 力學性能與對照樣接近一致，其彈性模量、靜曲強度和水平剪切強度分別為:25．47 GPa、255．62 MPa 和18．22 MPa。

預壓板材的水平剪切強度與m(PF)∶ m(PVAc)符合指數(shù)模型;在一定范圍內(nèi)，預壓板材的水平剪切強度隨預壓溫度、預壓時間的增加而提高。m(PF)∶m(PVAc)對竹束單板層積材熱壓板材的彎曲性能影響不顯著，而對熱壓板材的水平剪切強度有一定影響。

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