張秀標(biāo) 費(fèi)本華 江澤慧 劉煥榮 柳學(xué)強(qiáng)

（1.國際竹藤中心，國家林業(yè)和草原局/北京市共建竹藤科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100102； 2.國家林業(yè)和草原局林產(chǎn)工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院，北京 100010)

竹材生長周期短，可再生，具有優(yōu)良的力學(xué)性能，是一種僅次于木材的重要生物質(zhì)材料，其自身所蘊(yùn)含的巨大經(jīng)濟(jì)價(jià)值、社會(huì)價(jià)值、生態(tài)價(jià)值受到越來越多的關(guān)注[1]。竹材作為一種天然生物質(zhì)材料，其生長特性，如中空、壁薄且具有尖削度等，使之難以通過鋸或切的方式直接獲得尺寸較大的板材[2]。

近年來，原竹展平技術(shù)取得突破性進(jìn)展。該技術(shù)將一定含水率的竹材在裁斷、分選、開縫或剖分等初加工后進(jìn)行高溫高濕軟化處理，再經(jīng)橫向或縱向輥壓裝置進(jìn)行展平，最后粗刨及干燥定型，制備出較大尺寸、高出材率且保留竹材天然紋理特征的平整板材。關(guān)于竹材展平技術(shù)，前期的研究工作主要集中在竹材展平工藝及設(shè)備上[3-13]，部分研究者探討了展平前后竹展平板基本物理力學(xué)性能，并分析了展平工藝對(duì)板材基本物理力學(xué)性能的影響[14-19]，研究結(jié)果表明竹展平板基本保留了竹材優(yōu)良的力學(xué)性能。

竹材和木材同屬各向異性材料，膠黏劑的種類[20]、組坯方式[21]、熱壓工藝參數(shù)[22]等均會(huì)對(duì)產(chǎn)品的膠合性能產(chǎn)生影響。竹展平板在制備過程中，高溫軟化、刻線輥壓等技術(shù)手段勢必對(duì)竹青和竹黃的組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響到竹展平板的膠合性能。本研究以縱向刻線毛竹展平板為研究對(duì)象，對(duì)比分析了毛竹展平板以竹青與竹青、竹青與竹黃、竹黃與竹黃三種界面膠合時(shí)膠合板的拉伸剪切強(qiáng)度及浸漬剝離性能，研究結(jié)果將為竹材展平技術(shù)改進(jìn)、推廣以及展平竹新產(chǎn)品開發(fā)提供一定的理論支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

毛竹（Phyllostachys edulis）展平板從福建南平順昌縣竺家竹業(yè)科技有限公司購置。干燥精刨后板材規(guī)格為1 300 mm（長）×130 mm（寬）×5.5 mm（厚），含水率為9%～10%，氣干密度0.73 kg/m3。

酚醛樹脂膠黏劑：型號(hào)P4916，固體含量43.96 %，黏度( 20 ℃) 為52 Pa·s，購自太爾化工（南京）有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

熱壓機(jī)（青島國森機(jī)械有限公司），BJC1128G45精密裁板鋸(山東工友集團(tuán)股份有限公司)，INSTRON 5582 萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)（傳感器10 kN，美國英斯特朗公司），電子天平[梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司]，數(shù)顯測速電動(dòng)攪拌器（常州越新儀器制造有限公司），M6C手提式簡易涂膠機(jī)（佛山市禪城區(qū)先國塑料制品廠）。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試樣制備

圖1 展平竹膠合板組坯示意圖Fig.1 Assemble patterns of flattening bamboo panels

試驗(yàn)前先測定毛竹展平板的彎曲模量和強(qiáng)度，選擇彎曲模量為10～10.5 GPa，彎曲強(qiáng)度為120～123 MPa的板材，以降低板材自身性能差異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。展平竹膠合板為兩層結(jié)構(gòu)，每塊展平竹膠合板由同一塊毛竹展平板從中間截?cái)嗪蟑B加組坯膠合而成，具體組坯方式為竹青與竹青(O/O)，竹青與竹黃(O/I)以及竹黃與竹黃(I/I)。三種組坯結(jié)構(gòu)熱壓工藝參數(shù)如下：單板施膠量為200 g/m2，熱壓時(shí)間為12 min, 熱壓溫度為135 ℃，加壓壓力為1 MPa，板材制備后養(yǎng)護(hù)72 h以上。

1.3.2 測試方法

按照GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)[23]制備并測試雙端拉伸剪切及浸漬剝離試樣，試樣形狀及尺寸如圖2 所示。膠合強(qiáng)度按照GB/T 9846—2015《普通膠合板》標(biāo)準(zhǔn)[24]Ⅰ類膠合板要求進(jìn)行，浸漬剝離采用Ⅰ類和Ⅱ類浸漬試驗(yàn)。

圖2 雙端拉伸剪切及浸漬剝離試樣示意圖Fig2 Schematic diagram of double notch tensile and dip peel test samples

試樣總數(shù)為192 個(gè)。其中，雙端拉伸剪切試樣每組重復(fù)20 個(gè)，干、濕態(tài)剪切試驗(yàn)各3 組計(jì)120 個(gè)；浸漬剝離試樣每組重復(fù)12 個(gè)，Ⅰ、Ⅱ類浸漬條件各3 組計(jì)72個(gè)。將上述試樣放置在溫度為20 ℃，相對(duì)濕度為65%的恒溫恒濕室內(nèi)養(yǎng)護(hù)2 周后進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與分析

2.1 展平竹膠合板膠合強(qiáng)度

膠合強(qiáng)度測試結(jié)果如表1 所示。O/O型竹膠合板干態(tài)剪切強(qiáng)度最大值為16.73 MPa，最小值為8.98 MPa，平均值為13.99 MPa，濕態(tài)剪切強(qiáng)度平均值為6.81 MPa；O/I型膠合板干態(tài)剪切強(qiáng)度最大值為13.02 MPa，最小值為8.15 MPa，平均值為10.53 MPa，濕態(tài)剪切強(qiáng)度平均值為5.45 MPa；I/I型膠合板干態(tài)剪切強(qiáng)度最大值為10.43 MPa，最小值為7.73 MPa，平均值為9.40 MPa，濕態(tài)剪切強(qiáng)度平均值為3.96 MPa。從表1 可以看出，在相同膠合工藝條件下，干態(tài)和濕態(tài)剪切強(qiáng)度平均值O/O膠合方式最大，O/I膠合方式次之，I/I膠合方式最小。三種展平竹膠合板的剪切強(qiáng)度均滿足GB/T 9846—2015 中Ⅰ類膠合板的強(qiáng)度要求。

表1 膠合強(qiáng)度測試結(jié)果Tab.1 Bonding strength test results

O/O型展平竹膠合板木破率平均值為85%，剪切破壞幾乎均發(fā)生在兩側(cè)竹青處，破壞面竹纖維撕裂均勻，表面較為平整（圖3a）；O/I型展平竹膠合板木破率平均值為90%，剪切破壞主要發(fā)生在竹黃一側(cè)，竹黃部位刻線清晰可見，纖維被撕裂，破壞面粗糙（圖3b）；I/I膠合板木破率平均值90%，剪切破壞幾乎同等的發(fā)生在兩側(cè)竹黃處，且刻線越深，破壞面越凸凹不平（圖3c）。

圖3 三種展平竹膠合板拉伸剪切破壞模式Fig.3 Tensile shear failure modes of three kinds of flattening bamboo panels

從木破率統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，不同界面膠合時(shí)，膠層不是最弱項(xiàng)，展平竹膠合板的拉伸剪切強(qiáng)度主要取決于竹青部位與竹黃部位的力學(xué)性能。竹材是梯度變異材料，其主要承載單元為維管束厚壁細(xì)胞，該類厚壁細(xì)胞沿竹材生長方向整齊排列，對(duì)竹材力學(xué)性能貢獻(xiàn)最大，其含量從竹青側(cè)到竹黃側(cè)逐漸降低，竹材拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度也隨之降低。冼杏娟等[25]系統(tǒng)地研究了毛竹材微觀結(jié)構(gòu)與其力學(xué)性能的關(guān)系，結(jié)果表明：毛竹竹青部位的拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度遠(yuǎn)大于竹黃部位。此外，竹材展平過程中會(huì)在竹黃部位刻線，切斷或破壞了竹材原本致密的組織結(jié)構(gòu)，在一定程度上影響竹黃部位的縱向拉伸和剪切強(qiáng)度。從O/I和I/I型展平竹膠合板剪切破壞面可以看到與刻線圖形相近的塊狀剪切。

2.2 展平竹膠合板浸漬剝離性能

三種展平竹膠合板的Ⅰ類和Ⅱ類浸漬剝離試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 展平竹膠合板的浸漬剝離試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Dipping and stripping test results of flattening bamboo panels

圖4 三種展平竹膠合板浸漬剝離破壞模式Fig.4 Dip peel failure modes of three kinds of flattening bamboo panels

從表2 可以看出，在Ⅱ類浸漬試驗(yàn)條件下，三種展平竹膠合板的膠層均未發(fā)生剝離，測試樣也沒有發(fā)生明顯的變形（圖4a、b、c）。而在Ⅰ類浸漬條件下，O/O型膠合板剝離長度最大值達(dá)到75.00 mm，最小值為0.00 mm，剝離長度平均值為36.16 mm，完全剝離（即剝離長度等于75.00 mm）的試樣占試樣總數(shù)的41.67%，且膠層剝離主要發(fā)生在所測試樣的端頭位置（圖4d）；O/I型展平竹膠合板膠層未發(fā)生剝離，但所測試樣自身發(fā)生了不同程度的回彈彎曲變形（圖4e）；I/I型展平竹膠合板剝離長度最大值為75.00 mm，最小值為0.00 mm，剝離長度平均值為60.05 mm，完全剝離（即剝離長度等于75.00 mm）的試樣占試樣總數(shù)的66.67%，且所測同一試樣每條邊膠層都發(fā)生剝離，試樣自身發(fā)生了不同程度的變形和開裂（圖4f）。

在Ⅰ類浸漬試驗(yàn)條件下，試樣在干縮和濕脹應(yīng)力的循環(huán)作用下發(fā)生了不同程度的變形、開裂和剝離，表明弧形竹片展平過程中存在內(nèi)應(yīng)力。隨著時(shí)間和外界環(huán)境溫濕度的變化，內(nèi)應(yīng)力會(huì)逐漸釋放，加上竹材自身的生長應(yīng)力和密度梯度差異，這些均會(huì)對(duì)竹展平板的尺寸穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。竹材軟化、輥壓刻線等在一定程度上破壞了竹黃部位致密連貫的組織結(jié)構(gòu)，竹展平板的干縮濕脹應(yīng)力主要表現(xiàn)在靠近竹青側(cè)。竹青與竹青膠合時(shí)，干縮濕脹應(yīng)力表現(xiàn)為干縮時(shí)相互抑制，濕脹時(shí)相互剝離，導(dǎo)致所測試樣膠層發(fā)生剝離并伴隨輕微的變形；竹青與竹黃膠合時(shí)，干縮濕脹應(yīng)力釋放具有一致的方向性，即干縮時(shí)同時(shí)向竹青側(cè)彎曲，濕脹時(shí)同時(shí)向竹黃側(cè)卷曲，導(dǎo)致試樣發(fā)生彎曲回彈變形，并導(dǎo)致竹青部位產(chǎn)生多條縱向裂紋；竹黃與竹黃膠合時(shí)，干縮濕脹行為與竹青和竹青界面膠合時(shí)相反，即干縮時(shí)變現(xiàn)為相互剝離，濕脹時(shí)相互抑制，導(dǎo)致試樣發(fā)生明顯的變形、開裂和剝離分層。

3 結(jié)論

在相同膠合工藝條件下，毛竹展平板以竹青與竹青、竹青與竹黃、竹黃與竹黃三種界面膠合,分別制成展平竹膠合板，三種展平竹膠合板膠合強(qiáng)度均滿足GB/T 9846—2015 中I類膠合板的強(qiáng)度要求，而浸漬剝離性能僅O/I界面膠合時(shí)滿足I類膠合板的要求，O/O和I/I界面膠合時(shí)均不滿足要求；三種展平竹膠合板的膠合強(qiáng)度及浸漬剝離性能均滿足Ⅱ類膠合板的使用要求。浸漬剝離試驗(yàn)表明竹展平板的尺寸穩(wěn)定性不佳，毛竹展平板制備過程中竹材輥壓刻線產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，竹材自身的生長應(yīng)力及不同部位密度梯度是主要影響因素。為保證竹展平板及其產(chǎn)品的質(zhì)量，需進(jìn)一步優(yōu)化竹展平技術(shù)并深入開展竹展平板尺寸穩(wěn)定性研究。