毛燕清 侯倫燈

（1 福建農(nóng)林大學(xué)材料工程學(xué)院 福建福州350002;2 福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 福建南平353000）

作為竹材人造板，竹重組材料將竹材疏解為疏松網(wǎng)狀纖維束，再通過干燥、施膠、組坯成型、熱壓而成。由于在加工過程中沒有打亂竹材的纖維排列方向，竹重組材料很好地保留了竹材的優(yōu)良性能。竹重組材料對于小徑竹材資源的開發(fā)和利用，提高竹材的利用率，解決人造板行業(yè)原料不足，促進(jìn)竹產(chǎn)業(yè)健康持續(xù)發(fā)展大有幫助。竹重組材料生產(chǎn)過程中熱壓對產(chǎn)品的質(zhì)量起到關(guān)鍵性作用。當(dāng)前企業(yè)生產(chǎn)中采用的熱壓成型法，與冷壓熱固化法相比較，大幅度縮短熱壓時間，提高生產(chǎn)效率[1,2]，但板材容易產(chǎn)生鼓泡、扭曲等板材質(zhì)量缺陷。

通過對竹重組材料的熱壓壓力、熱壓溫度、熱壓時間等復(fù)合工藝因素的研究，分析不同工藝因素對產(chǎn)品的靜曲強度、彈性模量、吸水厚度膨脹率等性能指標(biāo)的影響，探討板坯厚度對熱壓時間的影響，以獲得各工藝因素之間最佳的協(xié)調(diào)性關(guān)系，達(dá)到縮短熱壓周期、提高生產(chǎn)效率的目的。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

竹片與酚醛樹脂膠粘劑取自福建和其昌竹業(yè)有限公司。竹片經(jīng)輾壓撕裂成形狀較規(guī)整的絲狀竹束，竹束規(guī)格約為500mm×25mm×5mm，酚醛樹脂pH 值約為9～10、固含量48±2%、粘度150～160 mPa·s，使用時酚醛樹脂膠粘劑稀釋到濃度18%～22%，竹束浸漬膠粘劑后低溫干燥至含水率12～15%，竹束含膠量14～16%。

1.2 儀器與設(shè)備

萬能試驗壓機（BY302×2/15型，蘇州新協(xié)力機器制造有限公司）、寬帶砂光機（TIMESAVER 型 ，荷蘭砂霸INTERNATIONAL.B.V）、框鋸機（SYG型，臺灣勝源機械股份有限公司）、電熱恒溫干燥箱（GZX-GF101-2-B型，上海賀德實驗設(shè)備有限公司）、電子天平（MP500和MP5002型，上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司）、熱電偶（WRN-230NM，江蘇美安特自動化儀表有限公司）。

1.3 試驗方法

試驗對原竹進(jìn)行蒸煮炭化處理，生產(chǎn)工藝流程為：原竹→截斷、開條→去青去黃、輾絲→一次干燥→浸膠→二次干燥→熱壓→養(yǎng)生→性能檢測。主要工藝參數(shù)：蒸煮：壓力0.20～0.30 MPa、時間1～3 h；一次干燥：溫度70～90 ℃，控制竹束含水率6%～8%；浸膠：酚醛樹脂經(jīng)4～5 倍水稀釋、竹束浸膠量6%～10%；二次干燥：溫度40～60 ℃，控制竹束含水率10%～12%；進(jìn)板與出板溫度50℃；養(yǎng)生：時間24h 以上。板材尺寸為400 mm×400 mm×28 mm，設(shè)計密度1.2 g.cm-3，用厚度規(guī)控制厚度，采用熱電偶記錄板材中心溫度變化。

檢測竹重組材料的靜曲強度、彈性模量檢測試件規(guī)格（20 h+50）×10 mm，吸水厚度膨脹率檢測試件規(guī)格為50 mm×50 mm。

1.4 試驗設(shè)計

采用熱壓壓力、熱壓時間、熱壓溫度、表層含水率4 個因素進(jìn)行3 個水平的L9（34）的正交試驗，每組試驗重復(fù)3 次，取平均值，見表1。

表1 正交試驗因素與水平

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果

將壓制出來竹重組材料，按照GB/T 17657-1999 人造板及飾面人造板理化性能試驗方法檢測含水率、密度、靜曲強度、彈性模量、吸水厚度膨脹率等，檢測結(jié)果見表2。

表2 竹重組材料性能檢測結(jié)果

2.2 工藝因素對竹重組材料性能影響的極差與方差分析

對竹重組材料靜曲強度、彈性模量及24 h吸水厚度膨脹率與工藝因素進(jìn)行極差分析，結(jié)果見表3、表4、表5。

表3 各因素對竹重組材料靜曲強度影響的極差分析

表4 各因素對竹重組材料彈性模量影響的極差分析

表5 各因素對竹重組材料吸水厚度膨脹率影響的極差分析

從表3、4、5 可知，熱壓過程各因素對竹重組材料靜曲強度、彈性模量、吸水厚度膨脹率影響強弱依次為熱壓壓力＞熱壓時間＞表層含水率＞熱壓溫度。

對竹重組材料多項性能指標(biāo)與工藝因素進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表6。

表6 各因素對竹重組材料性能影響的方差分析

當(dāng)F＜F0.1時，認(rèn)為因素對指標(biāo)影響不顯著；當(dāng)F0.1＜F＜F0.05時，認(rèn)為因素對指標(biāo)影響一般顯著，用“▲”表示；當(dāng)F＞F0.05時，認(rèn)為因素對指標(biāo)影響比較顯著，用“﹡”表示。

由表6可知，熱壓壓力與熱壓時間對板材的靜曲強度影響比較顯著；熱壓壓力對板材的彈性模量的影響比較顯著，熱壓時間的影響一般顯著；熱壓壓力和時間對板材的吸水厚度膨脹率影響比較顯著，其他因素影響都不顯著。

2.3 各工藝因素對竹重組材料性能的影響分析

竹重組材料的熱壓壓力從3.5 MPa 提高到4.5 MPa 時，板材的靜曲強度、彈性模量上升，吸水厚度膨脹率下降；壓力從4.5 MPa 提高到5.5 MPa 時，靜曲強度、彈性模量下降，吸水厚度膨脹率反而提高。說明熱壓壓力為4.5 MPa 時竹重組材料的靜曲強度、彈性模量、吸水厚度膨脹率性能最好。原因是竹重組材料復(fù)合過程隨著壓力增大，單位體積內(nèi)的竹束纖維及酚醛樹脂膠粘劑含量相應(yīng)增加，膠粘劑作用下，竹束細(xì)胞腔內(nèi)空隙變小，板材密度增加，板材抗彎能力大幅度提高，板材結(jié)構(gòu)較為致密，不易吸水，吸水厚度膨脹率較小。壓力過大，竹纖維細(xì)胞易被壓潰，細(xì)胞自身強度下降甚至被破壞，靜曲強度、彈性模量下降[3-5]，水分容易進(jìn)入細(xì)胞，吸水厚度膨脹率提高。

竹重組材料的熱壓時間從1.3 min·mm-1提高到1.5 min·mm-1 時，板材的靜曲強度、彈性模量上升，吸水厚度膨脹率下降；熱壓時間從1.5 min·mm-1 提高到1.7 min·mm-1 時，靜曲強度、彈性模量下降，吸水厚度膨脹率反而提高。說明熱壓時間為1.5 min·mm-1 時，竹重組材料靜曲強度、彈性模量、吸水厚度膨脹率性能最好。原因是隨著熱壓時間延長，壓力的傳遞和熱量的傳導(dǎo)逐漸到位，竹束纖維開始被軟化，酚醛樹脂膠逐漸固化，靜曲強度、彈性模量逐漸增強，耐水性能也提高，吸水厚度膨脹率指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。時間繼續(xù)延長，膠粘劑容易脆化，竹束本身的化學(xué)組分將熱解加劇，靜曲強度、彈性模量降低，吸水厚度膨脹率逐漸提高。

竹重組材料的熱壓溫度從135 ℃提高到155 ℃時，板材的靜曲強度提高了1.8%，彈性模量提高了4.3%，吸水厚度膨脹率降低了12.5%。原因是隨著熱壓溫度升高，加快了熱量由表層向芯層傳遞的速度，竹束纖維逐漸被軟化，竹纖維化學(xué)組分得到一定程度的降解，竹纖維彈塑性變形提高，纖維活性增加，在膠粘劑作用下，竹纖維緊密結(jié)合。此外，伴隨著竹束的壓縮變形，板坯表芯層溫度梯度逐漸加大，熱傳導(dǎo)加快，竹束內(nèi)部酚醛樹脂膠液流動性增強，較為均勻分布于竹纖維之間，并逐步完成固化反應(yīng)的進(jìn)程[6]。但熱壓溫度過高會使竹纖維本身被熱解，強度受到破壞，膠層也易脆化，影響板材的性能。從酚醛樹脂膠粘劑固化反應(yīng)機理分析，當(dāng)溫度到達(dá)146 ℃時固化效果最好，因此選擇熱壓溫度155 ℃時，板坯上下表層膠粘劑固化較理想，板坯芯層由于保溫時間較長，也有利于膠粘劑固化。

竹重組材料的表層含水率從14%升至18%時，靜曲強度、彈性模量逐漸上升，吸水厚度膨脹率逐漸下降；表層含水率從18%升至22%時，靜曲強度、彈性模量反而下降，吸水厚度膨脹率提高。原因是竹重組材料為竹束、水分和空氣的復(fù)合物，熱壓過程中，水分是主要的傳熱介質(zhì)，水分汽化后可起到對流傳熱的效果，對流傳熱是板坯內(nèi)部熱量快速移動的主要原因。當(dāng)板坯表面與高溫?zé)釅喊褰佑|后，表面區(qū)域溫度上升，水分汽化，在板坯表面和芯部形成溫度梯度和壓力梯度，其中含水率控制溫度梯度變化的速率。在溫度梯度和壓力梯度的共同作用下，熱量向芯部區(qū)域擴(kuò)散、遷移，板材獲得足夠熱量，表層含水率適當(dāng)提高將加速進(jìn)程，膠粘劑得到充分固化，板材性能提升[7]。但是，當(dāng)表層含水率過高，由于水分吸收蒸發(fā)熱量，溫度的傳導(dǎo)速度將會減慢，板坯內(nèi)積累的蒸汽壓使得板材內(nèi)應(yīng)力增加，這在熱壓結(jié)束卸壓過程中，板坯內(nèi)部需排出的水蒸氣也將大量增加，容易造成分層鼓泡等板材質(zhì)量缺陷[8]。

2.4 熱壓過程板坯芯層溫度變化分析

酚醛樹脂膠粘劑固化程度不足時板坯內(nèi)部很容易出現(xiàn)變形、開裂等質(zhì)量問題。熱壓過程中，熱量的傳遞、壓力的控制、含水率的變化直接影響膠粘劑的固化及板材的膠合強度。了解竹重組材料板坯內(nèi)部芯層溫度變化，有助于板材的質(zhì)量控制。為此，在板坯芯層預(yù)置熱電偶，檢測芯層溫度變化。在最佳復(fù)合工藝條件的基礎(chǔ)上，選擇熱壓壓力4.5MPa、熱壓時間1.5 min·mm-1、熱壓溫度155℃、表層含水率為18%，進(jìn)行18 mm、28 mm 厚度的板材板坯芯層溫度變化測試，壓制3 組板材，讀取每組板材的芯層溫度，取平均值，其結(jié)果見表7。

表7 不同厚度下板坯芯層溫度變化

從表7可知，18mm厚度與28mm厚度的板坯芯層升溫速度不同，18 mm厚度的板坯在20 min時便已達(dá)到120℃，28 mm厚度的板坯要在25 min左右才達(dá)到120℃。受厚度影響，在0～10 min時，28mm厚度板坯的芯層上升較緩慢；在10～25min時，28 mm厚度板坯的芯層溫度迅速上升；25min時，芯層溫度達(dá)到120℃，板坯內(nèi)部水分汽化，膠粘劑縮聚反應(yīng)進(jìn)程加??；30～40min時，芯層溫度平衡在135℃左右，熱量主要被用于水分汽化的潛熱，膠粘劑均勻又充分地快速固化。45～60min時，熱壓時間結(jié)束，開始降溫，板坯溫度達(dá)到60℃時開始降壓，水分能夠大量排出。在熱壓板閉合后，表層竹束的溫度快速上升，芯層溫度還沒起變化，內(nèi)外之間形成了溫度差。熱壓過程中板坯芯層溫度的變化分為快速升溫階段、水分發(fā)生汽化的恒溫階段和快速降溫階段[9,10]。熱量以熱傳導(dǎo)和對流傳熱兩種方式逐漸向芯層傳遞。隨著板坯厚度增加，壓板表面到板坯芯層的垂直距離成正比例增加，熱阻增加，單位時間傳遞的熱量減少，傳熱時間也隨之延長。隨著板坯厚度增加，水蒸汽向芯層遷移的路徑也變長，水蒸氣流動阻力增大，會從板坯的邊部逸出，到達(dá)芯層的高溫水蒸汽數(shù)量也減少，導(dǎo)致板坯升溫速度隨著厚度的增加而明顯降低，要使厚度更大的板坯芯層升到相同溫度的時間就越長[11]。

3 結(jié)論

竹重組材料的熱壓壓力、熱壓時間、熱壓溫度和表層含水率這四個指標(biāo)對板材的靜曲強度、彈性模量、吸水厚度膨脹率有著不同程度的影響。影響靜曲強度、彈性模量和吸水厚度膨脹率的最主要因素是熱壓壓力，熱壓時間影響第二，表層含水率影響第三，熱壓溫度影響最小。靜曲強度和彈性模量隨著壓力增大、時間延長、表層含水率增加先增強后下降，吸水厚度膨脹率先下降后提高。竹重組材料熱壓的最佳工藝條件為熱壓壓力4.5 MPa、熱壓時間1.5 min·mm-1、熱壓溫度155 ℃、表層含水率18%。竹重組材料熱壓過程中，板坯厚度直接影響傳熱效果，板坯越薄，傳熱速度越快。板坯厚度增大,則板的芯表層溫差也較大，所需升溫時間也較長。

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