李 健 王毅同 葉嘉鴻 侯賢鋒 高振忠 胡傳雙

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510642）

重組竹是以竹子為原材，經(jīng)過截斷、疏解、去皮、干燥制成的一種保留原有纖維排列方式的疏松網(wǎng)狀纖維束，再經(jīng)過浸膠、干燥、鋪裝、熱壓成型等工序得到的一種強度高、幅面大的竹基人造板，廣泛應(yīng)用于建筑、家具、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域，是我國完全擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的一種材料[1-3]。重組竹不易遭蟲蛀、霉變與腐朽，經(jīng)久耐用[4-5]，并且具備低模量、高強度[6]、尺寸穩(wěn)定性好[7]等特點。相比原竹，重組竹具有更高的承載力和更可靠的連接方式，其特殊的加工工藝，既保留了原竹的力學(xué)性能，又克服了原竹本身的缺陷。

機械加工與理化性能是材料利用的關(guān)鍵指標(biāo)，機械加工性能的研究對認識材料利用特性，確定科學(xué)的加工方式具有重要現(xiàn)實意義[8]。理化性能是材料的重要特性，直接關(guān)系其應(yīng)用范圍。對重組竹的機械加工與理化性能進行研究能為開發(fā)適宜的加工技術(shù)、挖掘其潛在利用價值提供科學(xué)依據(jù)，進而實現(xiàn)重組竹的合理利用。目前，室內(nèi)家具材料以中密度纖維板為主，重組竹在家具中應(yīng)用相對較少。鑒于此，本研究將重組竹與中密度纖維板機械加工與力學(xué)性能做對比，為重組竹在家具中的應(yīng)用提供參照。

目前，對重組竹的機械加工性能沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，因此本研究參考LY/T 2054—2012 《鋸材機械加工性能評價方法》 測試其機械加工性能；參照GB/T 17657—2013 《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》 測試其理化性能。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

重組竹取自中國林業(yè)科學(xué)研究院，采用酚醛樹脂膠黏劑制造，施膠量為15%，規(guī)格為1 220 mm×2 440 mm×18 mm；家具用中密度纖維板為市場購買，采用脲醛樹脂膠黏劑制造，施膠量為10%，規(guī)格為1 220 mm×2 440 mm×18 mm。

1.2 試驗設(shè)備

分度值0.1 mm游標(biāo)卡尺；恒溫露點恒濕氣候箱（QWH-1000C），濟南海納特科技有限公司；電熱鼓風(fēng)干燥箱（9123A），上海一恒科學(xué)儀器有限公司；剖面密度分布分析儀（DPX300-LTE），意大利意瑪（IMAL）公司；萬能力學(xué)試驗機（AG10TA），深圳新三思材料檢測有限公司；沖擊試驗機（MW-4），濟南材料試驗機廠；精密推臺鋸（WA6），歐登多（秦皇島）機械制造有限公司；立式銑槽機（OF 1400 EBQ-PLUS 574341），費斯托工具有限公司；多功能側(cè)邊開隼機（FD-250），美國費爾德集團有限公司。

1.3 性能檢測與評價方法

1.3.1 理化性能測定

密度、含水率、吸水厚度膨脹率、24 h吸水率測定、硬度、順紋靜曲強度、順紋彈性模量、橫紋靜曲強度、橫紋彈性模量、內(nèi)結(jié)合強度、硬度、握螺釘力、沖擊韌性、抗拉強度、甲醛釋放量根據(jù)GB/T 17657—2013 《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》 進行測定。

1.3.2 機械加工性能測定

根據(jù)LY/T 2054—2012 《鋸材機械加工性能評價方法》 對銑削、鉆削、開榫3項鋸材機械加工性能進行測試，按照五級劃分方法對不同加工試件分別進行評定：1級（優(yōu)秀）、2級（良好）、3級（中等）、4級（較差）、5級（很差）。根據(jù)評定結(jié)果計算出各項加工性能的達標(biāo)率（鉆削、銑削為1級和2級試樣數(shù)量占比，開榫為1級、2級和3級試樣數(shù)量占比）；達標(biāo)率90%以上為5級，70%～89%為4級，50%～69%為3級，30～49%為2級，0～30%為1級，再用各項加工質(zhì)量級別分別乘以該項目的加權(quán)數(shù)（銑削為2，開榫、鉆削為1），將所得分數(shù)相加，得出總分，通過總分的高低比較重組竹和中密度纖維板機械加工性能優(yōu)劣，滿分為20分。

2 結(jié)果與分析

2.1 物理性能

重組竹和中密度纖維板的物理性能如表1 所示。

表1 重組竹和中密度纖維板物理性能比較Tab.1 Comparison of physical properties between reconstituted bamboo and MDF

2.1.1 密度

3～5 年生毛竹材的基本密度約為0.6 g/cm3[9]，而重組竹相比毛竹密度增加近一倍，同時遠高于中密度纖維板，和紅木密度（0.8～1.1 g/cm3）相近[10]。重組竹制備過程中，竹材被碾壓導(dǎo)致其維管束內(nèi)部間隙極大壓縮，形成更緊密的纖維束，薄壁組織的細胞腔同樣被擠壓密實[11]。在后續(xù)的熱壓過程中，浸漬的酚醛樹脂分布在殘余細胞腔與細胞間隙[12-13]，固化后將竹束單元牢牢膠粘，導(dǎo)致重組竹密度較高，就密度而言適合高檔家具用材[14]。

2.1.2 剖面密度分布曲線

剖面密度分布是材料的重要結(jié)構(gòu)特征，影響著板材的各項物理力學(xué)性能[15]。理論上，壓力越大溫度越高，預(yù)固化層厚度越小，密度分布越均勻，密度越大。而重組竹剖面密度分布較為均勻，說明重組竹制造過程中壓力大、溫度高。而中密度纖維板密度分布沿板厚中心呈對稱分布，呈現(xiàn)明顯的馬鞍形，有明顯的預(yù)固化層，表明中密度纖維板生產(chǎn)時壓力較小。

2.1.3 耐水性

由表1 可知，重組竹的吸水厚度膨脹率和24 h吸水率遠低于中密度纖維板，尺寸穩(wěn)定性較好。中密度纖維板中的纖維單元較重組竹中的竹束單元比表面積更大，且中密度纖維板施膠量少于重組竹，對纖維包裹性不夠，密度低于重組竹。同時，木纖維孔隙率普遍大于竹纖維[16]，暴露的親水基團更多，且中密度纖維板生產(chǎn)多用脲醛樹脂，較酚醛樹脂的耐水性差[17]，因此中密度纖維板耐水性較差。重組竹在順紋組坯過程中其纖維束排列整齊，規(guī)整度高，疏松間隙度高，在浸膠過程中酚醛樹脂可均勻吸附在竹束表面。固化后，膠黏劑在竹束表面形成均勻的膠膜層，能封閉更多親水性基團[18]，且固化后的酚醛樹脂膠黏劑擁有優(yōu)異的耐水性，其孔隙度小，水分子難以滲入。然而，重組竹制造過程中的高溫高壓導(dǎo)致其內(nèi)應(yīng)力較大，當(dāng)水分子進入材料內(nèi)部孔隙對纖維束和酚醛樹脂產(chǎn)生溶脹，使受壓纖維束與纖維束之間產(chǎn)生回彈作用而導(dǎo)致厚度方向尺寸的增大[19-20]。重組竹耐水性能優(yōu)良，可滿足室外使用[21]。

2.2 力學(xué)性能測定

表2 重組竹和中密度纖維板力學(xué)性能比較Tab.2 Comparison of mechanical properties between reconstituted bamboo and MDF

竹纖維束是重組竹主要的承重單元，而存在于竹纖維束之間的基質(zhì)主要成分包括竹束周圍的薄壁細胞以及添加的膠黏劑等，起到填充纖維束縫隙[22]，增加材料整體彈性和韌性的作用。重組竹保留了原竹的縱向纖維結(jié)構(gòu)，所以其順紋方向（竹纖維方向）和橫紋方向（垂直竹纖維方向）力學(xué)性能差異極大。中密度纖維板由于其各向同性，因此力學(xué)性能基本一致。

2.2.1 靜曲強度和彈性模量

重組竹順紋靜曲強度和彈性模量分別是橫紋靜曲強度和彈性模量的4.1 倍和9.6 倍。重組竹在制造過程中，順紋方向主要由纖維束提供強度，橫紋方向由膠黏劑提供強度，且在其熱壓過程中橫紋方向未加壓，僅是竹束邊部擠壓[23]。重組竹順紋靜曲強度和彈性模量分別是中密度纖維板的5.5 倍和4.8 倍，遠優(yōu)于中密度纖維板，以重組竹順紋方向作為受力方向可發(fā)揮其高強度優(yōu)勢。

2.2.2 硬度

硬度表示材料局部抵抗重物壓入其表面的能力，對材料加工性能影響較大。重組竹整體硬度較大，是中密度纖維板的4～5 倍。重組竹板邊硬度較板面硬度低27.51%，在制造過程中厚度方向受壓力大，導(dǎo)致其孔隙率更低，難以被壓縮，而橫紋方向僅受竹束擠壓壓力，密實度更小。在測試過程中發(fā)現(xiàn)，不同區(qū)域的重組竹硬度差距大，重組竹是由竹材纖維束平行排列壓制而成，竹節(jié)部位硬度較大[24]。

2.2.3 握螺釘力

重組竹密度較高致使其握螺釘力較高[25]，約為中密度纖維板的3 倍。重組竹板面與板邊構(gòu)造相似，因而兩者握螺釘力相近。然而，中密度纖維板的板面握螺釘力明顯優(yōu)于板邊握螺釘力。由圖1 可知，在制造過程中，中密度纖維板在厚度方向上形成了U形的密度分布，即表層密度高、而芯層密度低，有利于握螺釘力性能提高[26]。重組竹擰入螺釘時其順竹絲方向易破裂，且螺釘易擰斷。因此，重組竹用釘應(yīng)采用高強度螺釘，并且提高預(yù)鉆孔徑。

圖1 重組竹與中密度纖維板剖面密度分布曲線Fig.1 Density distribution curve of reconstituted bamboo and MDF

2.2.4 抗拉強度

重組竹順紋抗拉強度為橫紋的11.5 倍，橫紋抗拉強度與中密度纖維板接近?？估瓘姸热Q于厚壁細胞竹纖維的強度、長度以及方向[27]。與木材相同，竹纖維長度方向涉及到微纖絲與纖維軸的夾角，即纖絲傾角，纖維越長，纖絲傾角越小，則抗拉強度越大[28]。重組竹在制作過程中就是將竹纖維束進行定向疏解和排列熱壓而成，順紋方向纖維規(guī)整度高；橫紋方向僅以纖維束之間的膠合力為主，遠低于纖維束縱向強度。重組竹用作結(jié)構(gòu)部件時應(yīng)盡量避免產(chǎn)生橫紋方向的拉伸應(yīng)力。

2.2.5 內(nèi)結(jié)合強度

重組竹內(nèi)結(jié)合強度為中密度纖維板的9.15 倍。重組竹制造過程中，其浸膠量與所受壓力較大，使纖維束間緊密結(jié)合。重組竹內(nèi)結(jié)合強度極高，保障了使用穩(wěn)定性。

2.2.6 抗沖擊韌性

重組竹試件沖擊韌性平均為141.2 kJ/m2，而中密度纖維板僅為40.1 kJ/m2。重組竹密度較高，斷裂能量和斷裂載荷相應(yīng)增大，且重組竹順紋方向主要是纖維束，斷裂表現(xiàn)為竹纖維斷裂和膠層破壞。中密度纖維板主要單元是極其細小均勻的纖維，在擺錘的沖擊下是膠層破壞和纖維之間的分離，抗沖擊韌性較差。

2.3 甲醛釋放量

甲醛釋放量是材料能否在室內(nèi)使用的關(guān)鍵因素。本研究中重組竹的甲醛釋放量為0.048～0.062 mg/m3，遠低于室內(nèi)用材料甲醛釋放限量（≤0.124 mg/m3），環(huán)保性能良好，無論是加工過程還是使用過程，均符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 機械加工性能

表3 重組竹中密度纖維板機械性能比較Tab.3 Comparison of mechanical properties between reconstituted bamboo and MDF

材料的加工性能是家具制造可行的前提，加工性能的好壞直接影響產(chǎn)品的涂飾效果、膠合性能等，因而掌握重組竹加工性能對于擴大其應(yīng)用范圍有重要意義。在滿分20 分的情況下，重組竹綜合機械加工性能遠低于中密度纖維板，重組竹綜合評分為9 分，中密度纖維板綜合評分為17 分。在各項加工測試過程中，重組竹的銑削和開榫表現(xiàn)良好，毛刺、撕裂、溝痕較少；而鉆削加工過程中出現(xiàn)冒煙、通孔孔壁大量碳化的現(xiàn)象，下孔緣經(jīng)常出現(xiàn)毛刺、纖維撕裂等缺陷，鉆頭消耗量大。重組竹加工性能較差，對刀具磨損較快，建議采用合金硬質(zhì)刀具，提高轉(zhuǎn)速。

3 結(jié)論

1） 重組竹各項物理力學(xué)性能均遠優(yōu)于家具用中密度纖維板，力學(xué)性能強，甲醛釋放量符合國家標(biāo)準(zhǔn)，可在家具用材中作為承重件，或可用于對力學(xué)性能有較高要求的特殊場合。

2） 重組竹橫紋力學(xué)強度低，作為承重部件時應(yīng)避免橫紋成為主要受力面。

3） 重組竹綜合加工性能遠低于中密度纖維板，重組竹銑削和開榫加工性較好，而鉆削加工性能差，出現(xiàn)冒煙、通孔孔壁大量碳化等現(xiàn)象。

4） 重組竹加工中刀具磨損較快，建議采用合金硬質(zhì)刀具，并提高轉(zhuǎn)速。