薩如拉 趙雪梅 陳建興 棚橋光彥

（1.赤峰學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000；2.日本岐阜大學(xué)應(yīng)用生物科學(xué)部，岐阜縣岐阜市 501-1193）

隨著森林資源的日益緊缺，對(duì)可再生、速生、分布廣、強(qiáng)度高、韌性大的竹材資源進(jìn)行全方位、高效加工利用的重要性凸顯[1-2]。但竹材木質(zhì)層較薄呈空心圓筒狀，圓筒直徑和木質(zhì)層在不同個(gè)體之間的差異給竹材的利用帶來(lái)了諸多困難[3-4]。隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，竹材加工利用工藝技術(shù)也不斷革新。目前竹材加工產(chǎn)品主要有竹家具、竹地板、竹材人造板、竹裝飾品、竹纖維制品、竹工藝品、竹漿造紙、竹炭、竹醋液等[5-8]。針對(duì)竹材傳統(tǒng)加工方式工序繁瑣，出材率低，利用率一般在50%以下等問(wèn)題[9]，本研究團(tuán)隊(duì)利用高壓水蒸氣壓縮成型技術(shù)進(jìn)行圓竹的平板化研究，確立了竹展平板技術(shù)體系[10-11]，并對(duì)竹展平板的形狀固定處理?xiàng)l件和物理性能進(jìn)行了探索研究[12]。展平竹板的出現(xiàn)將竹材加工單元由竹片和竹束單元等轉(zhuǎn)變?yōu)橹癜澹捎行岣咧癫睦寐?。在前期研究中發(fā)現(xiàn)，竹展平板存在形狀不穩(wěn)定，纖維垂直方向易斷裂、厚度不等且較薄等問(wèn)題[10-12]。因此，開(kāi)發(fā)高利用率、高環(huán)保型和高附加值的竹木復(fù)合材料，是今后竹材利用研究的重要方向[13-16]。竹木復(fù)合板為結(jié)構(gòu)材料，對(duì)其物理性能要求較高，本研究以竹展平板為復(fù)合板材上層，杉木板為底層制備了竹/杉復(fù)合板，并考察了固定處理竹展平板、未固定處理竹展平板、竹面載荷、杉面載荷對(duì)竹/杉復(fù)合板性能的影響，旨在為拓展竹木復(fù)合板材的制作應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

壓縮率為14%～19%、厚度為5～6 mm的自制毛竹竹展平板[10-11]（采用3～5 年生毛竹，取自于日本岐阜縣長(zhǎng)良川），對(duì)其中的一半板材進(jìn)行了160 ℃水蒸氣16 min固定處理[12]，另一半未進(jìn)行固定處理；杉木板（簡(jiǎn)稱(chēng)杉板，購(gòu)買(mǎi)于日本岐阜縣建材商城），厚14 mm，寬210 mm；黏合劑：間苯二酚（C6H6O2），日本三菱化學(xué)藥品生產(chǎn)；熔點(diǎn)109～112 ℃；環(huán)氧樹(shù)脂，日本三菱化學(xué)藥品生產(chǎn)。

1.2 設(shè)備

電鋸，日本藤?zèng)g制作所；磨砂機(jī)，日本藤?zèng)g制作所；HTP40/58 高壓水蒸氣成型設(shè)備，日本日阪制造；FH300 貫流蒸汽鍋爐，日本三浦鍋爐生產(chǎn)；AGS-J10kN萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，日本島津制造。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 復(fù)合板制作

將固定竹展平板、未固定竹展平板各鋸取210 mm ×210 mm，用磨砂機(jī)除去難粘合的內(nèi)皮光滑面并磨平，與14 mm × 210 mm × 210 mm杉板粘合。竹展平板內(nèi)面與杉板一面均勻涂布間苯二酚，單面涂膠量為250 g/m2，竹板鋪于上層，杉板鋪于下層，按照順纖維和垂直纖維兩種方向粘合，并放入高壓水蒸汽壓縮成型設(shè)備加熱至160 ℃，熱壓壓力為0.8 MPa，保壓24 h后自然冷卻備用[17-20]。下文順纖維方向的固定竹展平板/杉板復(fù)合板簡(jiǎn)稱(chēng)順固定竹復(fù)合板，順纖維方向的未固定竹展平板/杉板復(fù)合板簡(jiǎn)稱(chēng)順未固定竹復(fù)合板；垂直纖維方向的固定竹展平板/杉板復(fù)合板簡(jiǎn)稱(chēng)垂直固定竹復(fù)合板，垂直纖維方向的未固定竹展平板/杉板復(fù)合板簡(jiǎn)稱(chēng)垂直未固定竹復(fù)合板。

1.3.2 復(fù)合板剝離試驗(yàn)[17]

以制備48 h后的順纖維復(fù)合板為試材，鋸取5 個(gè) 50 mm × 50 mm 試件用于剝離試驗(yàn)。在試件上下兩面均勻涂布環(huán)氧樹(shù)脂，其上粘接不銹鋼塊，把不銹鋼塊連接在萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)的載荷附件上，向垂直于試件粘接面方向施加拉伸載荷，拉伸速度為2 mm/min，并根據(jù)式（1）計(jì)算木破率。膠合處不剝離，杉板或竹板因破壞而剝離的視為木破，木破率（%）越高膠合性能越強(qiáng)。

式中：W為杉板或竹板被破壞的試件數(shù)，個(gè)；W0為全部試件數(shù)，個(gè)。

1.3.3 復(fù)合板尺寸穩(wěn)定性試驗(yàn)[17]

在順纖維固定竹復(fù)合板、順纖維未固定竹復(fù)合板兩種材料中各鋸取5個(gè)長(zhǎng)度為纖維垂直方向的20 mm × 100 mm試件；同時(shí)在垂直纖維固定竹復(fù)合板、垂直纖維未固定竹復(fù)合板兩種材料中各鋸取5個(gè)長(zhǎng)度為竹板纖維方向的20 mm × 100 mm試件、再各鋸取5個(gè)長(zhǎng)度為竹板纖維垂直方向的20 mm × 100 mm試件，作為尺寸穩(wěn)定性試件。將全部試件放入105 ℃恒溫箱中烘干24 h，取出冷卻至室溫后分別測(cè)量試件竹側(cè)、杉側(cè)長(zhǎng)度及矢高，然后放入相對(duì)濕度100%的真空箱中，24 h后取出并測(cè)量竹杉側(cè)長(zhǎng)度及矢高，再烘干24 h，測(cè)量竹杉側(cè)長(zhǎng)度及矢高。吸濕和烘干重復(fù)3次后，將試件放入水中浸泡24 h，取出擦干表面水分，測(cè)量竹杉側(cè)長(zhǎng)度及矢高，再烘干24 h再測(cè)量。浸泡和烘干重復(fù)3次后，將試件水煮沸30 min，取出擦干水分測(cè)量竹杉側(cè)長(zhǎng)度及矢高，再烘干24 h，冷卻至室溫，測(cè)量竹杉側(cè)長(zhǎng)度及矢高，并根據(jù)式（2）計(jì)算恢復(fù)率（%）[18-20]（纖維垂直方向上壓縮率為14%～19%的竹板，吸水后伸展，伸展的長(zhǎng)短下文用恢復(fù)率表示，恢復(fù)率越小形狀越穩(wěn)定）。

式中：A為恢復(fù)處理后試件尺寸，mm；A0為基準(zhǔn)狀態(tài)試件尺寸，mm。

1.3.4 復(fù)合板三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)[17]

以順固定竹復(fù)合板、順未固定竹復(fù)合板、垂直固定竹復(fù)合板、垂直未固定竹復(fù)合板為試材，每種材料各鋸取10個(gè)長(zhǎng)度為竹板纖維方向的15 mm × 200 mm試件，再鋸取10個(gè)長(zhǎng)度為竹板纖維垂直方向的15 mm ×200 mm試件，將每種復(fù)合板試件分成2份（5個(gè)平行試驗(yàn)），其中一份以杉面載荷，另一份以竹面載荷，進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)；從杉板試材，鋸取5個(gè)長(zhǎng)度為纖維方向的15 mm × 200 mm試件、再鋸取5個(gè)長(zhǎng)度為垂直纖維方向的15 mm × 200 mm試件。將試件放入溫度為25℃、相對(duì)濕度為65%的真空箱中靜置7 d。取出后，將試件固定在萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上，測(cè)定載荷及撓度，跨距為180 mm，試驗(yàn)速度為50 mm/min[20-25]。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合板剝離分析

剝離試驗(yàn)中，制備的復(fù)合板材在膠合處未出現(xiàn)剝離現(xiàn)象，被破壞剝離部分為杉板，杉板木破率為100%，說(shuō)明本試驗(yàn)制備的竹/杉復(fù)合板，其膠合性能達(dá)到了單板層積材標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 復(fù)合板尺寸穩(wěn)定性分析

2.2.1 順纖維復(fù)合板尺寸穩(wěn)定性

順固定竹復(fù)合板、順未固定竹復(fù)合板的竹側(cè)恢復(fù)率隨時(shí)間的變化如圖1所示。圖中所示分別為每種板材5個(gè)試樣的試驗(yàn)平均值，由圖可知，吸濕和烘干交替重復(fù)試驗(yàn)中兩種復(fù)合板的竹側(cè)長(zhǎng)度變化不明顯，在浸泡烘干交替重復(fù)試驗(yàn)和煮沸烘干試驗(yàn)中，順未固定竹復(fù)合板的竹側(cè)長(zhǎng)度變化較大，但最終回復(fù)率為4.5%，理論上可以恢復(fù)至14%?；謴?fù)率低的原因在于：1）平板化和復(fù)合過(guò)程需要高溫處理，此過(guò)程中竹板被輕微固定，恢復(fù)能力隨之下降；2）平板展開(kāi)時(shí)維管束密度大的竹外皮被進(jìn)一步壓縮，有些組織因被破壞而失去恢復(fù)應(yīng)力；3）杉板的吸水膨脹、干燥收縮性質(zhì)抑制了竹板的恢復(fù)。固定竹單板的恢復(fù)率約為1%[10]，順固定竹復(fù)合板竹側(cè)的最終恢復(fù)率只有0.45%，杉板的干燥收縮性質(zhì)進(jìn)一步抑制了竹板的恢復(fù)，因此制得的復(fù)合板尺寸較穩(wěn)定。

圖1 順固定竹復(fù)合板、順未固定竹復(fù)合板竹側(cè)恢復(fù)率Fig.1 Bamboo-side recovery rate of along-fiber fixed composite panel and along-fiber unfixed bamboo-fir composite panel

順固定竹復(fù)合板、順未固定竹復(fù)合板的杉側(cè)恢復(fù)率隨時(shí)間的變化如圖2 所示。圖中所示分別為每種板材5 個(gè)試樣的試驗(yàn)平均值，從圖中可以看出，吸濕烘干交替重復(fù)試驗(yàn)中兩種復(fù)合板的杉側(cè)長(zhǎng)度變化較小。在浸泡烘干交替重復(fù)試驗(yàn)和煮沸烘干試驗(yàn)中順未固定竹復(fù)合板杉側(cè)的長(zhǎng)度有縮短的傾向，最終恢復(fù)率為-1.58%。出現(xiàn)收縮現(xiàn)象的原因在于：1）壓縮率為14%～19%的未固定竹板，在吸水過(guò)程中會(huì)因恢復(fù)原來(lái)的圓筒形狀而向內(nèi)側(cè)彎曲，從而杉板被壓縮縮短；2）浸泡時(shí)杉板的半纖維素分解導(dǎo)致干燥杉板收縮。順固定竹復(fù)合板杉側(cè)最終恢復(fù)率為0.37%,其原因在于：1）順固定竹復(fù)合板的杉板因半纖維素的分解有收縮傾向； 2）雖然固定處理竹單板有較高的尺寸穩(wěn)定性[10]，而且通過(guò)復(fù)合方式增強(qiáng)了竹板的穩(wěn)定性，但如圖1 所示，竹側(cè)也有0.45%恢復(fù)率；因竹板的伸張傾向與杉板的收縮傾向共同作用的結(jié)果杉側(cè)最終恢復(fù)率為0.37%。

圖2 順固定竹復(fù)合板、順未固定竹復(fù)合板杉側(cè)恢復(fù)率Fig.2 Fir-side recovery rate of along-fiber fixed composite panel and along-fiber unfixed composite panel

順固定竹復(fù)合板、順未固定竹復(fù)合板的矢高變化如圖3 所示。圖中所示分別為每種板材5 個(gè)試樣的試驗(yàn)平均值，由圖可知，吸濕烘干交替重復(fù)試驗(yàn)中復(fù)合板的矢高變化較小，浸泡烘干交替重復(fù)試驗(yàn)及煮沸烘干試驗(yàn)中順未固定竹復(fù)合板竹板向內(nèi)側(cè)彎曲，杉板收縮，其最終矢高變化為2.7 mm。順固定竹復(fù)合板的竹板尺寸較穩(wěn)定，抑制杉板的收縮，最終矢高變化為0.3 mm，獲得了尺寸較穩(wěn)定的竹/杉復(fù)合板。

圖3 順固定竹復(fù)合板、順未固竹定復(fù)合板矢高變化Fig.3 Vector height change of along-fiber fixed composite panel and along-fiber unfixed composite panel

2.2.2 垂直纖維復(fù)合板尺寸穩(wěn)定性分析

垂直纖維復(fù)合板吸濕烘干交替重復(fù)試驗(yàn)中尺寸穩(wěn)定，浸水烘干交替重復(fù)試驗(yàn)中出現(xiàn)了多處裂痕。長(zhǎng)度為竹板纖維方向試件的杉板和長(zhǎng)度為杉板纖維方向的試件竹板多處出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象。原因?yàn)橹癜?、杉板纖維方向比較穩(wěn)定，因此在浸泡烘干交替環(huán)境中長(zhǎng)度不發(fā)生變化，但竹板、杉板在纖維垂直方向上可以吸水伸展，干燥縮短，從而出現(xiàn)裂紋。

2.3 復(fù)合板三點(diǎn)彎曲結(jié)果分析

復(fù)合板三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中杉面載荷時(shí)杉板被壓縮，試件的厚度發(fā)生變化，厚度的變化直接影響MOR、MOE等的計(jì)算值。另外，竹板的厚度、壓縮率不一致，影響復(fù)合板的厚度及均質(zhì)，因此本試驗(yàn)采用實(shí)測(cè)值評(píng)價(jià)復(fù)合板彎曲性能。

2.3.1 順復(fù)合板三點(diǎn)彎曲結(jié)果分析

長(zhǎng)度為竹板纖維方向的順復(fù)合板三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)代表性試件載荷-撓度曲線見(jiàn)圖4。由圖4 可知，順固定竹復(fù)合板與順未固定竹復(fù)合板竹面載荷時(shí)曲線斜率大，說(shuō)明試件的剛性大，原因?yàn)椋?）竹板表面剛性大于杉面剛性；2）竹展平板化和制備復(fù)合板時(shí)采用的高壓水蒸氣處理促進(jìn)了竹板纖維素的結(jié)晶化，進(jìn)一步增加了竹面的剛性。竹面載荷時(shí)順未固定竹復(fù)合板最大載荷為1.75 kN，撓度為7.00 mm；順固定竹復(fù)合板最大載荷為1.70 kN，撓度為7.00 mm。竹面載荷時(shí)竹面硬度較大隨之最大載荷也高，抗拉面為杉板纖維垂直方向，杉板纖維方向的彈性較低，容易被拉伸破壞，導(dǎo)致?lián)隙鹊?。杉面載荷時(shí)順未固定竹復(fù)合板最大載荷為1.03 kN，撓度為23.73 mm；順固定竹復(fù)合板最大載荷為0.96 kN，撓度為23.44 mm。杉面載荷時(shí)杉板硬度較低隨之最大載荷也較低，抗拉面的竹板在纖維方向彈性很強(qiáng)因此不易被拉伸破壞。同時(shí)，施加載荷時(shí)杉板被壓縮, 緩和了竹板的作用力，因此撓度大。杉板的最大破壞載荷為0.74 kN ，撓度為6.51 mm，約為竹面載荷最大載荷的2/5，杉面載荷最大載荷的7/10。順固定竹復(fù)合板的最大載荷均低于順未固竹定復(fù)合板的載荷，說(shuō)明高溫固定處理影響竹板的強(qiáng)度。

圖4 長(zhǎng)度為竹板纖維方向的順復(fù)合板三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)代表性試件載荷-撓度曲線Fig.4 Load-deflection curve of a representative sample from the three-point bending test on the parallel composite panel with the length direction parallel to the bamboo fiber direction

長(zhǎng)度為竹板纖維垂直方向的順復(fù)合板三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)代表性試件載荷-撓度曲線見(jiàn)圖5。由圖5 可知，竹面載荷時(shí)順未固定竹復(fù)合板最大載荷為0.58 kN，撓度為3.32 mm；順固定竹復(fù)合板最大載荷為0.53 kN，撓度為3.04 mm。竹面載荷時(shí)，雖然順固定竹復(fù)合板和順未固定竹復(fù)合板的抗拉面為性質(zhì)相同的杉板，但是順固定竹復(fù)合板的最大載荷及撓度均低于順未固定竹復(fù)合板，說(shuō)明固定處理影響竹板的強(qiáng)度；竹板與杉板在纖維垂直方向上彎曲能力均較弱，導(dǎo)致順固定和順未固定復(fù)合板的最大載荷與撓度均低。杉面載荷時(shí)順未固定竹復(fù)合板最大破壞載荷為0.40 kN ，撓度為3.68 mm；順固定竹復(fù)合板最大載荷為0.35 kN，撓度為2.30 mm；表明固定處理影響了竹板軟組織，更容易被拉伸破壞。順復(fù)合板的最大破壞載荷約是杉單板的2～3 倍，撓度基本相等。

圖5 長(zhǎng)度為竹板纖維垂直方向的順復(fù)合板三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)代表性試件載荷-撓度曲線Fig.5 Load-deflection curve of a representative sample from the three-point bending test on the parallel composite panel with the length direction vertical to the bamboo fiber direction

2.3.2 垂直復(fù)合板三點(diǎn)彎曲結(jié)果分析

長(zhǎng)度為竹板纖維方向的垂直復(fù)合板三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)代表性試件載荷-撓度曲線見(jiàn)圖6。由圖6 可知，竹面載荷時(shí)垂直未固定竹復(fù)合板最大載荷為0.59 kN，撓度為6.25 mm；垂直固定竹復(fù)合板最大載荷為0.51 kN，撓度為5.38 mm。竹面載荷時(shí)兩種復(fù)合板的載荷曲線呈先上升、后下降、再上升的趨勢(shì)，原因?yàn)榭估嫔及灞黄茐闹拜d荷上升，杉板被拉斷后載荷下降，此時(shí)竹板還未破壞，載荷再次上升至竹板破壞，此時(shí)產(chǎn)生最大破壞載荷。杉面施加載荷時(shí)垂直固定竹復(fù)合板的最大載荷為0.80 kN，撓度為20.53 mm；垂直未固定竹復(fù)合板的最大載荷為0.88 kN，撓度為21.00 mm；杉面載荷時(shí)垂直固定竹復(fù)合板的最大載荷及撓度略低于垂直未固定竹復(fù)合板。在竹面載荷與杉面載荷試驗(yàn)中，垂直未固定竹復(fù)合板的撓度與最大破壞載荷均大于垂直固定竹復(fù)合板，說(shuō)明高溫固定處理影響了竹板的彎曲強(qiáng)度。

圖6 長(zhǎng)度為竹板纖維方向的垂直復(fù)合板三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)代表性試件的載荷-撓度曲線Fig.6 Load-deflection curve of a representative sample from the three-point bending test on the vertical composite panel with the length direction along to the bamboo fiber direction

長(zhǎng)度為竹板纖維垂直方向的垂直復(fù)合板三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)代表性試件的載荷-撓度曲線見(jiàn)圖7。由圖7 可知，竹面載荷時(shí)垂直固定竹復(fù)合板和垂直未固定竹復(fù)合板的最大破壞載荷與撓度約相等，分別為1.66、1.70 kN和6.24、6.40 mm，與圖4 的順固定竹復(fù)合板和順未固定竹復(fù)合板的竹面載荷的試驗(yàn)結(jié)果基本一致。杉面載荷時(shí)垂直固定竹復(fù)合板和垂直未固定竹復(fù)合板的最大破壞載荷與撓度也約相等，分別為0.97、0.96 kN和6.40、6.79 mm。杉面載荷時(shí)抗拉面為竹板纖維垂直方向，竹板在纖維垂直方向的彈性很小，且由于竹板較薄，易拉伸破壞，最終抗拉的是杉板，因此約等于杉單板的撓度。垂直固定竹復(fù)合板和垂直未固定竹復(fù)合板的載荷-撓度曲線基本重疊。固定竹板受高溫固定處理的影響，剛性高于未固定竹板，而強(qiáng)度略低于未固定竹板，因此，垂直固定復(fù)合板的斜率略大于垂直未固定竹復(fù)合板，最大破壞載荷略低于垂直未固定竹復(fù)合板。無(wú)論竹面載荷或杉面載荷，兩種復(fù)合板最終被破壞的都是杉板，因此，4 條曲線的撓度約相等。

圖7 長(zhǎng)度為竹板纖維垂直方向的垂直復(fù)合板三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)代表性試件的載荷-撓度曲線Fig.7 Load-deflection curve of a representative sample from the three-point bending test on the vertical composite panel with the length direction vertical to the bamboo fiber direction

3 結(jié)論

本研究考察了竹展平板/杉木板復(fù)合材料的性能，得出以下結(jié)論：

1）間苯二酚膠合的竹/杉復(fù)合板材性能達(dá)到了單板層積材標(biāo)準(zhǔn)要求；

2）順纖維復(fù)合板的尺寸比垂直纖維復(fù)合板的尺寸更穩(wěn)定；

3）竹板纖維方向上順復(fù)合材的最大載荷約為垂直復(fù)合材的3 倍，撓度相當(dāng)；竹板纖維垂直方向上順復(fù)合材的最大載荷約為垂直復(fù)合材的1/2～1/3，撓度約為1/2；垂直復(fù)合板彎曲性能高于順纖維復(fù)合板的彎曲性能；

4）未固定竹復(fù)合板的最大破壞載荷和撓度均大于固定竹復(fù)合板最大破壞載荷和撓度，說(shuō)明竹展單板的高溫水蒸氣固定處理提高了竹板的剛性，降低了竹板的強(qiáng)度；

5）通過(guò)竹/杉復(fù)合方式可不同程度提高竹展平板的尺寸穩(wěn)定性和彎曲性能[10]。

綜上，竹/杉板復(fù)合材料性能優(yōu)越，本研究為有效利用竹展平板提供了理論依據(jù)。