左迎峰 吳義強(qiáng) 肖俊華 李賢軍 龍柯全

（中南林業(yè)科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410004）

重組竹制備工藝對(duì)力學(xué)性能的影響

左迎峰 吳義強(qiáng) 肖俊華 李賢軍 龍柯全

（中南林業(yè)科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410004）

采用自制的中溫固化酚醛樹(shù)脂膠黏劑為粘結(jié)劑制備重組竹材，探索重組竹密度、竹束疏解次數(shù)、膠液固體含量、熱壓溫度和熱壓時(shí)間對(duì)重組竹力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：重組竹密度為0.95 g/cm3，竹束疏解3次，膠液固體含量為25%，熱壓溫度為125℃，熱壓時(shí)間為1.1 min/mm時(shí)，重組竹物理力學(xué)性能最優(yōu)。

酚醛樹(shù)脂膠黏劑；重組竹；制備工藝；力學(xué)性能

根據(jù)2014年發(fā)布的第八次全國(guó)森林資源清查顯示，我國(guó)森林的面積約2.08億hm2，占世界的4.5%，列第5位；但人均擁有的森林儲(chǔ)蓄量卻不到世界平均水平的1/4，約9.42 m3，世界排名第122位。森林的覆蓋率約21.63%，占世界的3.2%，列第6位；但人均水平卻僅相當(dāng)于世界平均水平的61%，世界排名第130位［1］。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和人們生活品質(zhì)的提高，對(duì)木材的需求量越來(lái)越大。近年來(lái)，隨著國(guó)家天然林保護(hù)工程的實(shí)施，國(guó)內(nèi)木材的供應(yīng)遠(yuǎn)低于需求，這使得木材的供需矛盾愈發(fā)明顯。因此急需尋找一種能替代木材資源且生長(zhǎng)周期短的生物資源。

竹子具有資源豐富，繁殖、再生能力強(qiáng)，生長(zhǎng)周期短，材質(zhì)性能優(yōu)良等特性，因此竹子的商業(yè)和工業(yè)價(jià)值非常明顯［2-3］。竹子具有較好的加工性能，可以通過(guò)機(jī)械加工或化學(xué)處理等方法生產(chǎn)出不同的竹材制品。為緩解日益嚴(yán)重的木材供需矛盾，可以通過(guò)以竹代木的方式有效地減少木材消耗量［4-5］。具有眾多優(yōu)良特性的竹材也不可避免地存在一定的缺陷。如受潮易霉變、遇蟲(chóng)蛀易斷裂等［6］；而且受形體限制傳統(tǒng)竹材往往呈管狀或條狀，很難加工成板型竹材，對(duì)實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)生較大影響。這些缺陷使得原竹利用率不高，制約了竹材產(chǎn)業(yè)的發(fā)展［7］。

為了提高竹材的利用率，可以將竹材加工成長(zhǎng)條狀竹篾、竹絲或碾碎成竹絲束，經(jīng)干燥浸膠，鋪放在模具中經(jīng)高溫高壓熱固化制成重組竹［8］。竹材的重組不僅優(yōu)化了結(jié)構(gòu)，提高了竹材利用率，且重組竹更利于生產(chǎn)加工，具有更好的市場(chǎng)適應(yīng)能力［9-10］。

鑒于重組竹的眾多優(yōu)點(diǎn)，為獲得物理力學(xué)性能優(yōu)良的竹材人造板，本研究以自主研制的中溫快速固化酚醛樹(shù)脂為膠黏劑，以重組竹的制備工藝為因素進(jìn)行試驗(yàn)。旨在獲得制備重組竹的優(yōu)化工藝，并為提高竹材加工利用水平提供一定的理論和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

竹材：選取3～4年生毛竹（Phyllostachys pubescens），直徑8～10 cm，來(lái)源湖南省桃花江實(shí)業(yè)有限公司；膠黏劑：自行研制的中溫快速固化酚醛樹(shù)脂膠黏劑，固含量54.63%，黏度3 012mPa·s。

1.2 重組竹制備

將新鮮毛竹截?cái)喑?.4m長(zhǎng)，再進(jìn)行剖分（小口徑剖分為4片，大口徑剖分為8片）。將剖分的竹材送至竹材碾壓剖分機(jī)碾平并去青去黃，從竹片的弦向?qū)⑵湟环譃槎?；將碾平后的竹片通過(guò)竹材疏解機(jī)加工處理得到不同疏解程度的竹束；將疏解的竹束烘干至含水率為7%～10%。干燥好的竹束分別在不同固體含量的膠黏劑中常壓浸膠7min，陳放12 h；浸膠陳放后的竹束烘干至含水率7%～8%；按照試驗(yàn)設(shè)定的密度將竹束縱向組坯，長(zhǎng)×寬×厚分別為400mm×400mm×15mm；將板坯送入模具中按照試驗(yàn)設(shè)定的熱壓溫度和時(shí)間進(jìn)行熱壓，熱壓壓力為4～6MPa。

1.3 性能測(cè)試

對(duì)竹束的浸膠量進(jìn)行檢測(cè)，參照GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》檢測(cè)重組竹材的靜曲強(qiáng)度（MOR）、彈性模量（MOE）和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度（IB），對(duì)比不同工藝條件下的重組竹材的力學(xué)性能。

2 結(jié)果與分析

2.1 重組竹密度對(duì)性能的影響

密度是重組竹的重要參數(shù)之一，也是重組竹材的各項(xiàng)性能指標(biāo)的主要影響因素之一［11］。因此，分別設(shè)計(jì)制備0.85、0.90、0.95、1.00、1.05 g/cm35種密度的重組竹材，探討密度對(duì)重組竹物理力學(xué)性能的影響，結(jié)果見(jiàn)圖1。

從圖1可以看出，重組竹的各項(xiàng)力學(xué)性能隨著密度增大而逐漸增大。其中MOR從0.85 g/cm3時(shí)的81.91 MPa增加到了1.05 g/cm3時(shí)的160.69 MPa，增幅96.18%；MOE從0.85 g/cm3時(shí)的970 6.6 MPa增加到了1.05 g/cm3時(shí)的14 540 MPa，增幅49.79%；而IB從0.85 g/cm3時(shí)的1.23 MPa增加到了1.05 g/cm3時(shí)的2.54MPa，增幅106.50%。重組竹的力學(xué)性能隨密度增大逐漸提高，表明提高密度在一定程度上可改善產(chǎn)品的性能。但密度過(guò)大時(shí)，一方面單位體積內(nèi)竹材的質(zhì)量增加，會(huì)增大原材料成本；另一方面，隨著密度增大，中心層的板坯在熱壓快速升溫階段的升溫速率減小，而使緩慢升溫階段時(shí)間增長(zhǎng)。密度較大時(shí)熱壓工藝較難控制，板坯內(nèi)水分很難在卸壓前充分排除，從而易產(chǎn)生鼓泡等缺陷，影響產(chǎn)品質(zhì)量，這就需要延長(zhǎng)冷卻時(shí)間，也就延長(zhǎng)了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，同時(shí)大幅增加了能耗。此外，圖1中還可以看出，密度超過(guò)0.95 g/cm3后，MOR的增幅僅為10.17%，MOE的增幅為0.65%，IB增幅為8.55%，即各項(xiàng)力學(xué)性能的增幅較小。因此，在重組竹物理力學(xué)性能達(dá)標(biāo)的前提下，為減少生產(chǎn)成本，密度控制為0.95 g/cm3時(shí)性?xún)r(jià)比最高。

2.2 竹束疏解程度對(duì)性能的影響

竹束的疏解程度與疏解設(shè)備的疏解輥設(shè)計(jì)相關(guān)，本試驗(yàn)中采用的疏解輥為錯(cuò)位的環(huán)狀疏解輪，竹片上形成的裂紋是通過(guò)錯(cuò)位疏解輪產(chǎn)生的擠壓和剪切力產(chǎn)生［12］。竹束疏解次數(shù)對(duì)重組竹材浸膠量和物理力學(xué)性能均有影響，在其他工藝條件不變的情況下，分別采用竹束疏解次數(shù)為1次、2次、3次、4次和5次5個(gè)水平進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖2。

從圖2可以看出，隨著疏解次數(shù)的增加，竹束的浸膠量有增大的趨勢(shì)。當(dāng)竹束疏解次數(shù)為1次時(shí)，浸膠量為16.52%；疏解2次時(shí)，浸膠量為21.43%，提高較明顯。但疏解次數(shù)繼續(xù)增加，浸膠量的增幅有減緩的趨勢(shì)，疏解3次時(shí)浸膠量為24.25%，疏解4次時(shí)浸膠量為24.49%。這是因?yàn)槭杞獯螖?shù)較少時(shí)，竹束疏解較粗糙不均勻，竹纖維束較粗，從而影響竹束的浸膠量；隨著疏解次數(shù)增加，竹束的疏解化程度增加，這大大增加了竹束的比表面積，使得在浸膠過(guò)程中竹束與膠液的接觸面積增大，從而增加了竹束的浸膠量［13］；且疏解程度高的竹束比表面積較大，對(duì)膠黏劑的吸附增加，浸膠也更加均勻。

圖2中，重組竹材的各項(xiàng)力學(xué)性能隨著疏解程度增大而逐漸增大，當(dāng)疏解程度為3次時(shí)達(dá)到最大值，繼續(xù)增大疏解次數(shù)力學(xué)性能反而降低。這是由于當(dāng)竹束疏解1次時(shí)，竹束疏解并不十分均勻，竹束比表面積較小，浸膠量較少，竹束與竹束之間的結(jié)合力較小，從而影響了竹材的力學(xué)性能。當(dāng)疏解次數(shù)達(dá)到3次時(shí)，竹束的疏解層度顯著增大，浸膠量也有所增加，雖然有部分竹纖維在疏解過(guò)程中被切斷，但通過(guò)重組膠合可以使其愈合，不會(huì)影響板材的強(qiáng)度。疏解次數(shù)繼續(xù)增加，竹材的纖維切斷率增高，即使通過(guò)膠黏劑的膠合，也不能達(dá)到竹束自身的結(jié)合強(qiáng)度，反而使重組竹的力學(xué)強(qiáng)度降低。通過(guò)疏解化次數(shù)對(duì)竹束浸膠量以及重組竹力學(xué)性能影響的分析，得出竹束在去青去黃后通過(guò)疏解機(jī)3次疏解為最佳工藝參數(shù)。

2.3 膠黏劑固體含量對(duì)性能的影響

竹束浸泡在具有不同固體含量的酚醛樹(shù)脂膠黏劑中，竹束膠液吸收量（竹束的干增質(zhì)量）不同，即膠黏劑的固體含量是竹束浸膠工藝中的影響因素之一，因此也會(huì)對(duì)重組竹性能產(chǎn)生影響。本試驗(yàn)分別調(diào)制固含量為10%、15%、20%、25%、30%的膠液對(duì)竹束進(jìn)行浸漬，探討膠黏劑固體含量對(duì)重組竹性能的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。

膠黏劑進(jìn)行固含量調(diào)制時(shí)，以質(zhì)量為基準(zhǔn)，計(jì)算公式為：

M1L1=M2L2

式中：M1為稀釋前膠液的質(zhì)量（kg）；L1為稀釋前膠液的固含量（%）；M2為稀釋后膠液的質(zhì)量（kg）；L2為稀釋后膠液的固含量（%）。

從圖3中可以看到，當(dāng)膠黏劑固含量為10%時(shí)，竹束浸膠量為17.60%，隨著膠黏劑固含量的增加，竹束浸膠量逐漸增大；當(dāng)膠液固體含量達(dá)到25%時(shí)，竹束浸膠量達(dá)到最大值30%。這是因?yàn)閱挝惑w積內(nèi)的膠黏劑含量增加，使膠液吸收量增加。但是當(dāng)膠液固體含量增大到30%時(shí)，竹束浸膠量有所下降，為28.71%。這是由于膠黏劑的固體含量較高時(shí)，單位體積中的樹(shù)脂分子密度大，分子之間的距離小，相互作用很強(qiáng)，其外觀表現(xiàn)就是膠黏劑的黏度高，不利于膠黏劑在竹束中的滲透，導(dǎo)致了其膠液吸收量的降低。

隨著膠黏劑固體含量的上升，重組竹材的物理力學(xué)性能亦呈上升趨勢(shì)，固體含量為25%時(shí)，各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均達(dá)到最大值。這主要是由于重組竹的力學(xué)性能與其浸膠量呈線性關(guān)系，重組竹材力學(xué)性能的改變，主要是由于膠黏劑固體含量改變使浸膠量改變所致。但固體含量對(duì)各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)的影響程度不同。當(dāng)膠黏劑固體含量從10%上升到25%時(shí)，重組竹材的IB上升了311.49%，MOR上升了76.22%，MOE上升了38.52%，這主要與測(cè)試各力學(xué)性能時(shí)，試件的破壞方式有關(guān)。在測(cè)試IB時(shí)，膠層所受的力是直接作用在試件上的拉應(yīng)力；而在測(cè)試MOR和MOE時(shí)，膠層所承受的是作用在試件上的壓應(yīng)力所產(chǎn)生的剪應(yīng)力。對(duì)于MOR和MOE而言，二者所測(cè)試范圍不同，MOR是要求持續(xù)加載至材料破壞，而MOE則是在材料彈性極限內(nèi)的度量，所體現(xiàn)的是原料本身的剛度。因此，膠黏劑固體含量的變化對(duì)重組竹IB的影響較顯著，而對(duì)MOE的影響相對(duì)較?。?4］。

2.4 熱壓溫度對(duì)性能的影響

熱壓溫度的主要作用是使酚醛樹(shù)脂膠黏劑迅速固化。熱壓溫度越高，膠黏劑的固化速度越快，板坯由外層向內(nèi)層的傳熱速度也會(huì)更快，芯層溫度的快速升高，提高了芯層的固化率，改善了重組竹的膠合性能。因此，試驗(yàn)探討了熱壓溫度對(duì)重組竹力學(xué)性能的影響，設(shè)計(jì)熱壓溫度為95、110、125、140、155℃5個(gè)水平進(jìn)行，結(jié)果見(jiàn)圖4。

從圖4中可以看出，重組竹材的各項(xiàng)力學(xué)性能隨著熱壓溫度的增高有較大幅度的提高。其中MOR從95℃的111.91 MPa增加到了155℃的141.36MPa，增大26.32%；MOE從95℃的11 370 MPa增加到了140℃的138 06 MPa，增大21.42%；而IB從95℃的1.82 MPa增加到了140℃的2.34MPa，增大28.57%。從95℃到125℃，重組竹的物理力學(xué)性能增長(zhǎng)幅度較大，說(shuō)明95℃時(shí)膠黏劑在規(guī)定的熱壓時(shí)間內(nèi)并沒(méi)有得到充分固化，致使重組竹材的力學(xué)性能偏低；當(dāng)溫度達(dá)到125℃之后，重組竹的各項(xiàng)力學(xué)性能增長(zhǎng)速率減緩，隨著熱壓溫度的繼續(xù)升高，重組竹的力學(xué)性能增長(zhǎng)幅度不大。熱壓溫度高可以縮短熱壓時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，但溫度極限以不使竹材熱解和脆化為度。同時(shí)，熱壓溫度高不僅可以加速膠黏劑固化，也可以使板坯中的水分快速排除，但如果板坯層數(shù)較多，板坯越厚，所需壓力就越大，使得板坯內(nèi)的水分較難徹底排除。因此，根據(jù)實(shí)際情況，選擇的熱壓溫度為125℃，高于中溫固化酚醛樹(shù)脂的固化溫度，有利于板材的傳熱，相對(duì)于普通酚醛樹(shù)脂140～150℃固化溫度而言，既降低了能耗，又提高了生產(chǎn)效率。

2.5 熱壓時(shí)間對(duì)性能的影響

熱壓時(shí)間的長(zhǎng)短直接影響竹纖維束的軟化程度及酚醛樹(shù)脂膠的固化程度，隨著熱壓時(shí)間的延長(zhǎng)，壓力的傳遞和熱量的傳導(dǎo)逐漸到位，竹纖維束逐漸被軟化，酚醛樹(shù)脂膠也逐漸固化。因此，試驗(yàn)探討了熱壓時(shí)間對(duì)重組竹性能的影響，設(shè)計(jì)0.9、1.0、1.1、1.2、1.3 mm/min 5個(gè)水平進(jìn)行，結(jié)果見(jiàn)圖5。

由圖5可見(jiàn)，熱壓時(shí)間對(duì)重組竹MOR、MOE和IB的影響相對(duì)于熱壓溫度要小，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，重組竹MOR、MOE和IB的性能指標(biāo)隨熱壓時(shí)間的延長(zhǎng)均有所增大，但是增長(zhǎng)幅度較小，熱壓時(shí)間從0.9mm/min增加到1.3 mm/min，MOR增長(zhǎng)了21.52%，MOE增長(zhǎng)了9.31%，IB增長(zhǎng)了5.02%。但是熱壓時(shí)間的延長(zhǎng)，酚醛樹(shù)脂膠固化速度加快，竹重組板材表面易形成硬殼，不利于壓力的傳導(dǎo)；而且酚醛樹(shù)脂的過(guò)分固化還會(huì)導(dǎo)致竹重組板材變脆，從而降低竹重組板材MOR、MOE和IB等性能指標(biāo)?？s短熱壓時(shí)間能有效的降低生產(chǎn)成本，同時(shí)增加生產(chǎn)效率。因此，在保證重組竹性能的同時(shí)，應(yīng)選擇較短的熱壓時(shí)間；且熱壓時(shí)間達(dá)到1.1 mm/min后，重組竹的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)趨于穩(wěn)定。因此，根據(jù)實(shí)際情況，選擇熱壓時(shí)間為1.1 mm/min較合適。

3 結(jié)論

以3～4年生毛竹為原料，采用自制的中溫固化酚醛樹(shù)脂膠黏劑制備重組竹材，通過(guò)單因素試驗(yàn)探索了重組竹密度、竹束疏解程度、膠液固體含量、熱壓溫度和熱壓時(shí)間對(duì)重組竹性能的影響規(guī)律，得出重組竹密度為0.95 g/cm3，竹束疏解3次，膠液固體含量為25%，熱壓溫度為125℃，熱壓時(shí)間為1.1 min/mm時(shí)，重組竹物理力學(xué)性能最優(yōu)。

致謝：感謝中南林業(yè)科技大學(xué)木材科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科、林業(yè)工程湖南省重點(diǎn)學(xué)科、湖南省竹木加工工程技術(shù)研究中心、竹業(yè)湖南省工程研究中心和湖南省普通高等學(xué)校生物質(zhì)復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供平臺(tái)支持。

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（責(zé)任編輯 曹 龍）

Effect of Preparation Technology on Mechanical Properties of Reconstituted Bamboo

Zuo Yingfeng，Wu Yiqiang，Xiao Junhua，Li Xianjun，Long Kequan
（College of Material Science＆Engineering，Central South University of Forestry＆Technology，Changsha Hunan 410004，China）

Reconstituted bamboo was prepared with the independent research and development of moderate temperature curing phenol-formaldehyde resin adhesive as binder.The effect of density of reconstituted bamboo，crushing times of bamboo beam，solid content of adhesive，hot pressing temperature and time on the mechanical properties of reconstituted bamboo was studied.The research results showed thatunder the conditions of this study，when the density of recombinantbamboowas0.95 g/cm3，crushing times ofbamboo beam was3 times，solid content of adhesive was 25%，hot pressing temperature was125°C and hot pressing time was 1.1 min/mm，reconstituted bamboo had the optimalmechanical properties.

phenol-formaldehyde resin adhesive；reconstituted bamboo；preparation technology；mechanical properties

S781.9

A

2095-1914（2016）02-0132-05

10.11929/j.issn.2095-1914.2016.02.022

2015-09-13

湖南省重大科技專(zhuān)項(xiàng)（2011FJ1006）資助；中國(guó)博士后科學(xué)面上基金項(xiàng)目（2015M572276）資助；中南林業(yè)科技大學(xué)青年基金項(xiàng)目（101-0z37）資助；中南林業(yè)科技大學(xué)人才引進(jìn)科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目（104-0345）資助。

第1作者：左迎峰（1986—），博士，講師。研究方向：膠黏劑及竹材工業(yè)化利用研究。Email：zuoyf1986@163.com。

吳義強(qiáng)（1967—），教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：木材科學(xué)、竹材工業(yè)化利用與生物質(zhì)材料研究。Email：wuyq0506@126.com。