葉雨靜， 徐 偉， 黃瓊濤

(1.南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.江南大學(xué)圖書館，江蘇 無錫 214000；3.宜華生活科技股份有限公司，廣東 汕頭 515834)

德國著名家具設(shè)計師索耐特(Michael Thonet)自1830年起開展對壓力彎曲木片以及木條的研究，使用動物膠作為粘合劑固定彎曲構(gòu)件形狀，制造出第一把以多層木片疊合并加壓彎曲的曲木椅，后來沿用此技術(shù)制造了大量膠合木家具[1-3]。彎曲木構(gòu)件在美式家具設(shè)計和制造中使用十分廣泛，使用平直家具構(gòu)件(柜類家具背板、旁板等)的同時常有大量曲線形零部件，如彎曲的桌腿、面板等[4-5]。家具中的彎曲部件按制造方法主要分為鋸制彎曲與加壓彎曲兩大類，薄木膠合彎曲件屬于加壓彎曲件的一種[6-11]。

薄木膠合彎曲相對于實(shí)木彎曲來說可進(jìn)行多維彎曲，形成多曲面的家具形式。此外，由于薄木滿足制造曲率半徑更小構(gòu)件的條件，且不需要軟化處理，干燥狀態(tài)下即可達(dá)到彎曲要求，薄木彎曲可制造造型更具動感的家具[12-14]。薄木膠合彎曲技術(shù)能夠提高木材的利用率，與實(shí)木彎曲相比穩(wěn)定性更佳。

本文選取某企業(yè)現(xiàn)有家具產(chǎn)品中的彎曲構(gòu)件和平直構(gòu)件為例，以速生小徑柚木單板為原料制造家具用曲直形構(gòu)件。速生小徑柚木相較于熟齡材材性略差，其曲率半徑較常用薄木彎曲相比亦缺乏優(yōu)勢，為解決這一問題，對速生小徑柚木單板層積材開展增強(qiáng)研究。單板層積材復(fù)合材料增強(qiáng)通常分為化學(xué)處理增強(qiáng)與加入增強(qiáng)材料兩類，加入增強(qiáng)材料復(fù)合的增強(qiáng)形式中依據(jù)增強(qiáng)材料大致分為玻璃纖維材料增強(qiáng)、碳纖維布增強(qiáng)、金屬網(wǎng)增強(qiáng)三種[15-18]。其中，玻璃纖維增強(qiáng)材料因成本低、性能好被廣泛應(yīng)用于此類研究，因此選取絕緣性、耐熱性好且機(jī)械強(qiáng)度高的玻璃纖維布作為增強(qiáng)材料制造小徑柚木厚單板層積材[19-22]。基于小徑柚木單板層積材熱壓工藝，探究玻璃纖維布的置入對小徑柚木單板層積曲直構(gòu)件力學(xué)強(qiáng)度的影響。本試驗(yàn)以企業(yè)生產(chǎn)中的平直構(gòu)件以及彎曲構(gòu)件為例，使用小徑柚木單板，分別采用冷壓與熱壓兩種不同方式加入增強(qiáng)材料，研究構(gòu)建前后力學(xué)性能的變化。曲形家具構(gòu)件如圖1所示。

圖1 曲形家具構(gòu)件

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

(1)柚木(TectonagrandisL.f)單板，厚度1.7 mm，以采自云南省勐臘縣直徑14～20 cm的小徑柚木為原料，材長2.2 m，樹干通直無開裂翹曲，濕材含水率為102%。

(2)粉狀脲醛樹脂膠(UF)：黃色自由流動粉體，購自東莞榮達(dá)化工有限公司，使用冷水進(jìn)行調(diào)配，以重量比計，粉狀脲醛樹脂膠與水配比為5∶2，用于制作冷壓曲直形試件，無需加熱，常溫即可固化。

(3)脲醛樹脂膠(UF)：白色自由流動液體，固含量49%，用于熱壓。

(4)E-Glass無堿玻璃纖維布(已脫蠟)：購于昆山久力美電子材料有限公司，厚度0.1 mm。

(5)KH550硅烷偶聯(lián)劑，購于昆山久力美電子材料有限公司，質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于97%。

1.2 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

桂林廣隆數(shù)字測控有限公司電子數(shù)顯卡尺；臺灣嘉隆KL-1300PK砂光機(jī)；上海一恒科學(xué)儀器有限公司DHG-9245A電熱鼓風(fēng)干燥箱；常州天之平儀器設(shè)備有限公司EL-3KJ型電子天平；冷壓機(jī)；SANS微機(jī)控制電子萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，型號CMT6104；島津萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 增強(qiáng)材料處理

玻璃纖維由熔融狀態(tài)下的玻璃經(jīng)高速離心力或外力控制噴吹形成[23]，屬于無機(jī)非金屬材料的一種。偶聯(lián)劑處理法作為一種操作方便、價格低廉的化學(xué)處理法被廣泛使用。采取圖2所示表面預(yù)處理法對玻璃纖維布進(jìn)行處理，依據(jù)設(shè)定濃度配置偶聯(lián)劑水溶液，將玻璃纖維增強(qiáng)材料放入偶聯(lián)劑水溶液中浸漬，取出晾干后置于干燥箱中干燥備用。玻璃纖維增強(qiáng)材料處理工藝如下：將玻璃纖維布裁切至與單板同樣大小，使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的KH550硅烷偶聯(lián)劑浸漬玻璃纖維布15 min后，將其置入120 ℃的干燥箱中干燥15 min后備用。

圖2 玻璃纖維增強(qiáng)材料處理工藝

1.3.2 增強(qiáng)型單板層積材結(jié)構(gòu)設(shè)計

為對比增強(qiáng)型單板層積材與現(xiàn)有單板層積材物理力學(xué)性能的差異，選取1.7 mm厚的小徑柚木單板，9層順紋組坯。將單板層積材按組坯結(jié)構(gòu)的不同分為四類，結(jié)構(gòu)設(shè)計見表1。

表1 增強(qiáng)型單板層積材結(jié)構(gòu)設(shè)計

(1)方式A：由于小徑柚木幼齡材存在心邊材差異大、易翹曲變形的缺點(diǎn)，因此存在許多具有較小缺陷的單板，為提高木材利用率、降低用材成本，選取具有微小缺陷的單板作為單板層積材芯層用材，優(yōu)質(zhì)單板作為單板層積材表層用材的組坯方式進(jìn)行對照試驗(yàn)?？拷韺拥纳舷氯龔垎伟暹x用無缺陷的優(yōu)質(zhì)單板，中心3層選取具有微小外觀缺陷但符合非結(jié)構(gòu)用單板層積材用材的合格單板。膠合組坯為方式A的單板層積材示意圖如圖3所示。

(2)方式B：經(jīng)實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，單板層積材制造企業(yè)對于此類缺陷較小的單板采取修補(bǔ)的方式，將原有缺陷修整干凈，去除腐朽、蟲洞、死節(jié)后，使用木粉與膠黏劑混合修補(bǔ)破損處，最后將單板修補(bǔ)處砂光平整。組坯結(jié)構(gòu)方式B的單板層積材示意圖如圖4所示，靠近表層的上下三張單板選用無缺陷的優(yōu)質(zhì)單板，中心3層選取具有微小外觀缺陷但經(jīng)過修補(bǔ)的單板。

圖3 組坯結(jié)構(gòu)方式A示意圖

圖4 組坯結(jié)構(gòu)方式B示意圖

(3)方式C：玻璃纖維增強(qiáng)材料鋪放位置對于復(fù)合后的單板層積材力學(xué)性能影響顯著，大量研究表明，玻璃纖維增強(qiáng)材料越靠近表層鋪放增強(qiáng)的效果越好。本研究選取2層玻璃纖維增強(qiáng)材料對稱鋪放在最靠近表層的單板間，中心3層選取具有微小外觀缺陷但經(jīng)過修補(bǔ)的單板。膠合組坯結(jié)構(gòu)方式C的單板層積材示意圖如圖5所示。

(4)方式D：全部選用優(yōu)質(zhì)單板組成單板層積材作為空白對照組，如圖6所示。

圖5 組坯結(jié)構(gòu)方式C示意圖

圖6 組坯結(jié)構(gòu)方式D示意圖

1.4 制造工藝

1.4.1 熱壓制板工藝

本試驗(yàn)在其他影響因素同一水平條件下，研究熱壓時玻璃纖維布鋪放位置對單板層積材力學(xué)性能的影響。熱壓工藝參數(shù)見表2。

表2 增強(qiáng)型單板層積材熱壓工藝參數(shù)

1.4.2 冷壓制板工藝

本試驗(yàn)在其他影響因素同一水平條件下，研究冷壓時玻璃纖維布鋪放位置對單板層積材力學(xué)性能的影響。冷壓工藝參數(shù)見表3。

表3 增強(qiáng)型單板層積材冷壓工藝參數(shù)

1.5 性能檢測

1.5.1 靜曲強(qiáng)度、彈性模量

按照GB/T 17657《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》中的三點(diǎn)彎曲法檢測柚木單板層積材的靜曲強(qiáng)度、彈性模量。每種厚度每組指標(biāo)均取8個試件，去除無效數(shù)據(jù)后檢測結(jié)果取其平均值。

1.5.2 彎曲構(gòu)件最大破壞載荷

將彎曲構(gòu)件中間圓弧部分截取為弦長300 mm的試件，測試單板層積材的最大破壞載荷，試件置于微電子萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上檢測其最大破壞載荷，選用直徑為30 mm的支承輥，彎曲構(gòu)件加載試驗(yàn)如圖7所示。兩支座間距設(shè)定為270 mm，研究彎曲構(gòu)件受力時膠層的破壞情況[24]。

圖7 彎曲構(gòu)件加載試驗(yàn)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 組坯結(jié)構(gòu)對直形構(gòu)件力學(xué)強(qiáng)度的影響

2.1.1 冷壓工藝對不同結(jié)構(gòu)直形構(gòu)件力學(xué)強(qiáng)度的影響

直形構(gòu)件冷壓測試其彈性模量與靜曲強(qiáng)度兩個指標(biāo)，變化趨勢如表4及圖8、圖9所示。

表4 不同組坯結(jié)構(gòu)直形構(gòu)件冷壓力學(xué)強(qiáng)度

圖8 直形構(gòu)件冷壓靜曲強(qiáng)度

由圖8、圖9可看出四種組坯結(jié)構(gòu)靜曲強(qiáng)度及彈性模量的增加幅度，可得出置入玻璃纖維增強(qiáng)材料的方式C相較于其他3種組坯結(jié)構(gòu)靜曲強(qiáng)度及彈性模量增強(qiáng)顯著。其他組坯方式與方式D相比靜曲強(qiáng)度及彈性模量無顯著差異。置入玻璃纖維布的組坯結(jié)構(gòu)C靜曲強(qiáng)度及彈性模量值最大，與使用優(yōu)質(zhì)單板和缺陷單板組坯的方式A相比靜曲強(qiáng)度和彈性模量分別提高11.5%和11.4%。方式B的組坯結(jié)構(gòu)靜曲強(qiáng)度和彈性模量較方式A靜曲強(qiáng)度與彈性模量分別提高2.8%和1.4%。方式D由全優(yōu)質(zhì)單板組坯而成，相較于方式A靜曲強(qiáng)度與彈性模量分別提高2.9%與1.7%，與方式B相比差異較小。

圖9 直形構(gòu)件冷壓彈性模量

2.1.2 熱壓工藝對不同結(jié)構(gòu)直形構(gòu)件力學(xué)強(qiáng)度的影響

直形構(gòu)件熱壓測試其彈性模量與靜曲強(qiáng)度兩個指標(biāo)，變化趨勢如表5及圖10、圖11所示。

表5 不同組坯結(jié)構(gòu)直形構(gòu)件熱壓力學(xué)強(qiáng)度

圖10 直形構(gòu)件熱壓靜曲強(qiáng)度

由圖10、圖11可看出四種組坯結(jié)構(gòu)靜曲強(qiáng)度及彈性模量的增加幅度，可得出置入玻璃纖維增強(qiáng)材料的結(jié)構(gòu)方式C相較于其他3種組坯結(jié)構(gòu)靜曲強(qiáng)度和彈性模量均有顯著增強(qiáng)。結(jié)構(gòu)方式B和方式D較結(jié)構(gòu)方式A靜曲強(qiáng)度及彈性模量均有小幅度提升，方式D相較于結(jié)構(gòu)方式B靜曲強(qiáng)度及彈性模量無顯著差異。結(jié)構(gòu)方式C靜曲強(qiáng)度以及彈性模量值最大，與方式A相比靜曲強(qiáng)度與彈性模量分別提高25.3%和15.2%。方式B較方式A靜曲強(qiáng)度與彈性模量分別提高1.0%和0.6%。方式D相較于方式A靜曲強(qiáng)度與彈性模量分別提高2.9%與2.4%，與結(jié)構(gòu)方式A和結(jié)構(gòu)方式B相比力學(xué)性能差異較小。

圖11 直形構(gòu)件熱壓彈性模量

對試驗(yàn)結(jié)果的分析表明，單板層積材制板冷壓及熱壓工藝中，使用具有微小缺陷但符合非結(jié)構(gòu)用單板層積材用材的合格單板，相較于全部使用優(yōu)質(zhì)單板組坯膠合的單板層積材，力學(xué)強(qiáng)度差異較小；而將缺陷單板修復(fù)后其力學(xué)強(qiáng)度基本能夠達(dá)到與使用全優(yōu)質(zhì)單板組坯結(jié)構(gòu)單板層積材相近的力學(xué)性能，結(jié)構(gòu)方式C置入玻璃纖維增強(qiáng)材料對單板層積材力學(xué)性能的提高遠(yuǎn)高于另外兩種組坯結(jié)構(gòu)。對缺陷單板的修補(bǔ)能夠在一定程度上提升單板層積材的力學(xué)性能，在提高木材利用率的同時節(jié)約了生產(chǎn)成本。

2.2 組坯結(jié)構(gòu)對曲形構(gòu)件力學(xué)強(qiáng)度的影響

2.2.1 冷壓工藝對不同結(jié)構(gòu)曲形構(gòu)件力學(xué)強(qiáng)度的影響

曲形構(gòu)件冷壓測試其彈性模量與靜曲強(qiáng)度兩個指標(biāo)，變化趨勢如圖12所示。

由圖12能夠得出四種組坯結(jié)構(gòu)破壞載荷大小，置入玻璃纖維增強(qiáng)材料的結(jié)構(gòu)方式C相較于其他三種結(jié)構(gòu)方式的破壞載荷增強(qiáng)顯著。方式B和方式D較方式A破壞載荷存在小幅度提升，方式B相較于方式D其破壞載荷略有提升，無顯著差異。置入玻璃纖維布的組坯結(jié)構(gòu)C破壞載荷最大，達(dá)到967.66 N，與使用優(yōu)質(zhì)單板和缺陷單板組坯的方式A相比破壞載荷提高20.8%。結(jié)構(gòu)方式B和結(jié)構(gòu)方式D的破壞載荷相較于方式A分別提升1.4%和0.5%

圖12 曲形構(gòu)件冷壓最大破壞載荷

2.2.2 熱壓工藝對不同結(jié)構(gòu)曲形構(gòu)件力學(xué)強(qiáng)度的影響

彎曲構(gòu)件熱壓測試其彈性模量與靜曲強(qiáng)度兩個指標(biāo)，變化趨勢如圖13所示。

圖13 曲形構(gòu)件熱壓最大破壞載荷

由圖13能夠看出四種組坯結(jié)構(gòu)破壞載荷大小，置入玻璃纖維增強(qiáng)材料的結(jié)構(gòu)方式C相較于其他三種結(jié)構(gòu)方式的破壞載荷增強(qiáng)顯著。方式B和方式D較方式A破壞載荷存在小幅度提升，方式D相較于方式B其破壞載荷略有提升，無顯著差異。置入玻璃纖維布的組坯結(jié)構(gòu)C破壞載荷最大，達(dá)到902.66 N，與使用優(yōu)質(zhì)單板和缺陷單板組坯的方式A相比破壞載荷提高19.9%。結(jié)構(gòu)方式B和結(jié)構(gòu)方式D的破壞載荷相較于方式A分別提升0.7%和1.7%。

對試驗(yàn)結(jié)果的分析表明，無論采用冷壓或熱壓工藝，使用具有微小缺陷但符合非結(jié)構(gòu)用單板層積材用材的合格單板，相較于全部使用優(yōu)質(zhì)單板組坯膠合的單板層積材，力學(xué)強(qiáng)度差異較??；而將缺陷單板修復(fù)后其力學(xué)強(qiáng)度略低于使用全優(yōu)質(zhì)單板組坯結(jié)構(gòu)的單板層積材相同的力學(xué)性能，但并無顯著差異。結(jié)構(gòu)方式C置入玻璃纖維增強(qiáng)材料對單板層積材力學(xué)性能的提高遠(yuǎn)高于另外兩種組坯結(jié)構(gòu)。對缺陷單板的修補(bǔ)能夠在一定程度上提升單板層積材的力學(xué)性能，在提高木材利用率的同時節(jié)約了生產(chǎn)成本。

3 結(jié)論

以小徑柚木單板為原料置入玻璃纖維增強(qiáng)材料，基于單板層積材生產(chǎn)工藝制造曲直形家具構(gòu)件用單板層積材，研究結(jié)果表明玻璃纖維增強(qiáng)材料的置入對小徑柚木單板層積材曲直形構(gòu)件力學(xué)強(qiáng)度有顯著提升。

(1)單板質(zhì)量等級差異對小徑柚木單板層積材力學(xué)強(qiáng)度有一定影響，使用GB/T 20241-2006《單板層積材》國家標(biāo)準(zhǔn)中優(yōu)等品單板標(biāo)準(zhǔn)制造的單板層積材相較于內(nèi)部使用達(dá)到國標(biāo)中合格品要求單板制造的單板層積材，力學(xué)性能提升不顯著。置入玻璃纖維增強(qiáng)材料制造單板層積材對其力學(xué)性能的提升十分顯著。

(2)對用于家具構(gòu)件曲直形試件的試驗(yàn)表明，無論采用熱壓工藝或冷壓工藝，置入玻璃纖維增強(qiáng)材料對于單板層積材力學(xué)性能均有顯著提升。冷壓工藝制造單板層積材，平直形家具構(gòu)件靜曲強(qiáng)度與彈性模量分別提升11.5%和11.4%，彎曲形家具構(gòu)件破壞載荷提升20.8%；熱壓工藝制造單板層積材，平直形家具構(gòu)件靜曲強(qiáng)度與彈性模量分別提升25.3%和15.2%，彎曲形家具構(gòu)件破壞載荷提升19.9%。采用熱壓工藝制造單板層積材時，置入玻璃纖維增強(qiáng)材料對單板層積材力學(xué)強(qiáng)度的提升效果更佳。

(3)對平直構(gòu)件與彎曲構(gòu)件，置入玻璃纖維增強(qiáng)材料制造的平直形家具構(gòu)件依據(jù)制造工藝的不同，對其力學(xué)性能的增強(qiáng)程度有所不同，采用冷壓工藝制造的平直形家具構(gòu)件靜曲強(qiáng)度與彈性模量分別提升11.5%和11.4%，熱壓工藝制造單板層積材平直形家具構(gòu)件靜曲強(qiáng)度與彈性模量分別提升25.3%和15.2%。研究表明，冷壓平直形構(gòu)件力學(xué)性能的增強(qiáng)程度明顯小于熱壓平直形構(gòu)件力學(xué)性能的增強(qiáng)程度。單板層積材制造加壓工藝不同對于彎曲構(gòu)件力學(xué)性能增強(qiáng)無顯著影響，采用冷壓和熱壓工藝置入增強(qiáng)材料后，彎曲構(gòu)件力學(xué)強(qiáng)度分別提升20.8%和19.9%。