趙 堯 關(guān)惠元 付偉蓮

（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）

我國是竹材資源大國，竹林蓄積量和竹材產(chǎn)量均居于世界第一。第九次森林資源調(diào)查結(jié)果顯示，中國竹林面積達(dá)6.41 km2，占世界竹類資源總量的20%[1]。木材具有儲碳、減碳的作用[2]，國內(nèi)木材保有量不足[3]，而竹材作為一種可再生、生長周期短、材性優(yōu)良的生物質(zhì)材料，其力學(xué)性能優(yōu)異，可以和木材媲美，已成功應(yīng)用于竹材膠合板、竹集成材、重組竹等產(chǎn)品[4-7]。竹材在家具中的應(yīng)用廣泛，其中圓竹家具充分利用圓竹本身的形態(tài)、物理屬性、生物力學(xué)結(jié)構(gòu)，并能夠展示濃厚的竹文化底蘊(yùn)。圓竹家具的傳統(tǒng)連接方式有榫接[8-9]、包接[9-10]、綁扎[8,10-12]、竹銷釘連接[9]等，然而竹材薄壁中空、尖削度大、內(nèi)徑不統(tǒng)一，導(dǎo)致圓竹家具連接結(jié)構(gòu)加工不便，接合強(qiáng)度低。創(chuàng)新式的竹-木插接結(jié)構(gòu)則致力于解決該弊病，推動圓竹家具的發(fā)展。

竹-木插接結(jié)構(gòu)是將圓竹內(nèi)壁銑削為正圓后涂膠，與實木進(jìn)行插接式連接的一種新型結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。膠合性能是影響結(jié)構(gòu)節(jié)點力學(xué)性能的重要因素，目前大部分研究聚焦于膠黏劑種類[13]、含水率[14]、粗糙度[15]、竹材表面處理[16]、竹節(jié)[17]、對膠合性能的影響，以及膠黏劑在竹材表面潤濕性能[18-19]等。然而，這些研究多采用熱壓固化的手段，對室溫固化的竹-木插接式結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的研究鮮有報道。竹壁主要由縱向纖維組成，大致可分為維管束和基本組織兩部分。由于竹壁外側(cè)的維管束密度較大，導(dǎo)管孔徑較小，所以同一高度的竹材竹壁外側(cè)（竹青）的密度比內(nèi)側(cè)（竹黃）大[20]，竹材的密度和力學(xué)強(qiáng)度，均是竹壁外側(cè)大于內(nèi)側(cè)。竹-木插接結(jié)構(gòu)中，不同銑削量后的竹材內(nèi)壁的密度不同，進(jìn)而會影響竹木的膠合性能。因此，針對竹壁銑削量對竹-木插接結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響研究十分必要。

圖1 竹-木插接結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of bamboo-wood plug-in structure

本文首先考察竹壁銑削量（0、1、2、3、4 mm）和膠黏劑種類（聚醋酸乙烯、環(huán)氧樹脂、聚氨酯）對竹-木膠合性能（剪切強(qiáng)度和木破率）的影響，然后對比了不同竹壁銑削量（0、1、2 mm）下竹-木插接結(jié)構(gòu)節(jié)點的抗彎性能，以期為優(yōu)化圓竹家具結(jié)構(gòu)提供理論基礎(chǔ)，從而促進(jìn)圓竹家具的發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

毛竹（Phyllostachys pubescens），產(chǎn)自浙江安吉，竹齡5 a以上，且經(jīng)過防腐處理，包括直徑(60±2) mm、壁厚8 mm和直徑(40±1) mm、壁厚4 mm兩個尺寸，含水率約為12.1%、密度約為0.80 g/cm3。櫸木（Fagus SylvaticaL.），含水率約為13.1%，氣干密度約為0.710g/cm3。聚醋酸乙烯膠黏劑（熊貓牌，乳白色）、單組分聚氨酯膠黏劑（SINWE牌，黃色）、環(huán)氧樹脂膠黏劑（SINWE牌，雙組份透明色），深圳鑫威公司。

1.2 試驗設(shè)備

單片縱鋸機(jī)，佛山新馬木工機(jī)械公司；馬氏搖臂式圓鋸機(jī)，佛山新馬木工機(jī)械公司；精雕機(jī)（SC60M），勛川。數(shù)顯游標(biāo)卡尺，精度為0.01 mm，杭州德力西；精密電子萬能力學(xué)試驗機(jī)（AGS-X20KN），日本島津公司。

1.3 試件制作

1.3.1 膠合性能試件

在同一個竹筒上用圓鋸機(jī)取長為220 mm、寬為18 mm、壁厚8 mm的竹片，與圓竹原壁厚度一致。將竹片固定在精雕機(jī)上（以竹青處為基準(zhǔn)面），進(jìn)行不同銑削量t（0、1、2、3、4 mm） 的銑削加工，得到不同的圓竹內(nèi)壁，并用游標(biāo)卡尺檢測其銑削前后的厚度，確保銑削量符合試驗要求。銑削完成后，將220 mm的長竹片切割成長為25 mm的竹片，如圖2所示。

圖2 竹片銑削示意圖Fig.2 Schematic diagram of bamboo milling

通過刨切加工使櫸木表面平整光滑，采用縱鋸機(jī)和圓鋸機(jī)將櫸木方材加工成長為25 mm、寬為10 mm、高為50 mm的櫸木試件。由于櫸木密度大，為使膠黏劑更好滲透進(jìn)木材，涂膠前用砂紙輕微打磨櫸木接觸面。在竹片一側(cè)均勻涂膠，涂膠量約為200 g/m2，將竹片與櫸木木塊粘接，并用橡皮筋綁扎固定，制成竹木膠合試件，如圖3所示。試件共15組，每組8塊，共120件。將試件置于溫度為（22±4） ℃，相對濕度為（48±8%）的條件下陳放7 d，待竹木試件完全膠合固化后進(jìn)行剪切試驗。

圖3 竹木膠合試件示意圖Fig.3 Bamboo wood glued specimen

1.3.2 抗彎性能試件

截取長為120 mm、直徑約為40 mm、壁厚約為4 mm的圓竹竹筒，從4個方向測量其直徑和壁厚，并取平均值。在圓竹面上覆蓋臨摹紙，從相互垂直的4個方向畫直線，將交點定位為圓心（加工原點），如圖4a所示。用CNC數(shù)控機(jī)床對圓竹內(nèi)壁進(jìn)行銑削加工，銑削量分別為2、1、0 mm，將內(nèi)徑不均勻的圓竹內(nèi)壁銑削為正圓（直徑為D），用游標(biāo)卡尺測量銑削后圓竹內(nèi)壁的殘留壁厚，并將其記為b（b=2、3、4 mm），銑削深度為40 mm。參照圖4b所示的形狀和尺寸，用CNC數(shù)控機(jī)床對櫸木試件進(jìn)行加工，設(shè)定竹木插接節(jié)點的間隙配合量為0.2 mm。涂膠后（白乳膠，施膠量約為200 g/m2）組裝竹木插接試件，如圖4c所示。試件共3組，每組8個，共24個。將試件置于溫度為（23±2） ℃，相對濕度為（60±6）%的條件下陳放7 d，待膠黏劑完全固化后進(jìn)行三點彎曲試驗。

圖4 三點彎曲試驗示意圖Fig.4 Schematic diagram of the three-point bending test

1.4 試驗方法

1.4.1 膠合性能測試

參照GBT 26899—2011《結(jié)構(gòu)用集成材》[21]進(jìn)行剪切強(qiáng)度測試，參照LY/T 2720—2016《膠合面木破率的測定方法》[22]計算木破率，裝置如圖5所示。測試3種膠黏劑（聚醋酸乙烯、環(huán)氧樹脂、聚氨酯）、5種圓竹內(nèi)壁銑削量（0、1、2、3、4 mm）下的試件膠合性能，共15組，每組8個試件，共120個。試驗結(jié)束后，采用雙因素方差分析法對銑削量和膠黏劑對剪切強(qiáng)度的影響進(jìn)行分析。

圖5 剪切試驗示意圖[21]Fig.5 Shear test device diagram

試件的剪切面與載荷平行，載荷加載速度為5 mm/min，記錄試件破壞時的載荷Qv，載荷測定精度為0.1 N，剪切強(qiáng)度按式（1）計算。

式中：fv為膠層剪切強(qiáng)度，MPa；Qv為膠層破壞載荷，N；Av為膠層受剪面積，mm2。

1.4.2 抗彎性能試驗

如圖6所示，參考LYT 2664—2016《圓竹物理力學(xué)性能試驗方法》[23]，將竹木插接試件固定在萬能力學(xué)試驗機(jī)上，進(jìn)行三點彎曲試驗，跨距L為120 mm，加載速度為5 mm/min，記錄破壞時的載荷（精確至0.1 N）和位移（精確至0.1 mm）。

圖6 三點彎曲試驗示意圖Fig.6 Three-point bending test device

通過節(jié)點三點彎曲試驗[24-26]，測得節(jié)點試件的破壞載荷Fmax以及載荷-位移到貨時間曲線，根據(jù)公式（2）和（3）分別計算節(jié)點的抗彎彈性模量和抗彎強(qiáng)度。

式中：EW為試樣在含水率W%時的抗彎彈性模量，MPa；σhw為試樣在含水率W%時的抗彎強(qiáng)度，MPa；Fmax為試樣破環(huán)載荷，N；ΔP為上下限載荷之差P2、P1之差，N；Δf為上下限載荷對應(yīng)的變形量f2、f1之差，mm；L為兩支座間的跨距，mm；D為試樣的平均外徑，mm；t為試樣的平均壁厚，mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 竹壁銑削量對竹木膠合性能的影響

2.1.1 試件破壞形式

竹木膠合試件的破壞形式主要有以下4 種：1）接觸面間的膠黏劑發(fā)生破壞，材料表面基本保持完好，極少數(shù)竹材或木材發(fā)生破裂（圖7a）；2）接觸面間的膠黏劑和部分竹材發(fā)生破壞（7b）；3）接觸面間的膠黏劑和部分木材發(fā)生破壞（圖7c）；4）混合破壞，即接觸面間的膠黏劑、竹材、木材混合破壞（圖7d）。多數(shù)聚氨酯膠黏劑試驗組和少數(shù)聚醋酸乙烯試驗組的破壞形式主要為1）和2）；多數(shù)環(huán)氧樹脂膠黏劑試驗組和少數(shù)聚氨酯膠黏劑試驗組的破壞形式主要為3）和4）。

圖7 試件破壞形式Fig.7 Specimen destruction form

2.1.2 竹木膠合剪切強(qiáng)度及木破率

膠黏劑與銑削量對竹木膠合剪切強(qiáng)度的雙因素方差分析結(jié)果如表1 所示。結(jié)果表明：膠黏劑對竹木膠合剪切強(qiáng)度有顯著影響（P＜0.001），這可能是因為聚氨酯和環(huán)氧樹脂的分子結(jié)構(gòu)、固體含量與聚醋酸乙烯有區(qū)別，造成其密度和粘合力的不同[27-28]。銑削量對竹木膠合剪切強(qiáng)度無顯著影響（P＞0.05），這是因為銑削后的竹壁內(nèi)表面均處于竹肉層附近，其密度差異性并不大，且由于都是用精雕機(jī)加工，其表面粗糙度基本一致。同時發(fā)現(xiàn)，兩者的交互作用對竹木膠合剪切強(qiáng)度無顯著影響（P＞0.05）。

表1 雙因素方差分析結(jié)果Tab.1 Two-way ANOVA results

不同膠黏劑之間的膠合剪切強(qiáng)度平均值及組內(nèi)多重比較結(jié)果如表2 所示。結(jié)果表明：聚醋酸乙烯膠黏劑的剪切強(qiáng)度與聚氨酯膠黏劑、環(huán)氧樹脂膠黏劑之間存在顯著性差異，其剪切強(qiáng)度約為后者的50%；而聚氨酯膠黏劑和環(huán)氧樹脂膠黏劑之間不存在顯著性差異。

表2 不同銑削量和膠黏劑下竹木膠合剪切強(qiáng)度平均值Tab.2 Average shear strength of bamboo and wood gluing under different milling amounts and adhesives

不同銑削量下，不同膠黏劑的竹木膠合剪切強(qiáng)度不同，總體而言，環(huán)氧樹脂膠黏劑的剪切強(qiáng)度最大（12 MPa左右），明顯高于聚醋酸乙烯膠黏劑（5.5 MPa左右），并略大于聚氨酯膠黏劑（11.8 MPa左右）。3種膠黏劑的木破率差別較大，總體表現(xiàn)為環(huán)氧樹脂膠黏劑＞聚氨酯膠黏劑＞聚醋酸乙烯膠黏劑，三者的木破率分別為13.89%～83.10%、5.19%～53.01%、1.0%～11.08%。這主要是因為前兩種膠黏劑對竹材的滲透深度更高，形成了更為致密的膠層[29]。

2.2 竹壁銑削量對竹-木插接結(jié)構(gòu)彎曲性能的影響

2.2.1 試件破壞形式

不同銑削量下，竹-木插接結(jié)構(gòu)的抗彎試驗破壞形式主要有：1）竹木連接處的破壞開裂（圖8a）；2）竹壁發(fā)生順紋劈裂（圖8b）。由圖8c可知，這兩種破壞形式多集中在竹材壁厚的最薄處。

圖8 抗彎試驗破壞形式Fig.8 Bending test failure form

2.2.2 抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量

不同銑削量對竹-木插接結(jié)構(gòu)抗彎性能的影響如圖9 所示。由數(shù)據(jù)可知，試件的抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量隨著竹壁銑削量的增大而減小，與竹壁銑削量呈負(fù)線性相關(guān)關(guān)系。與竹壁銑削量2 mm的試件相比，1 mm和0 mm的抗彎強(qiáng)度分別增加13.60%和37.58%，其對應(yīng)的抗彎彈性模量分別增加13.02%和42.43%。這主要是因為家具的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能與其用材量緊密相關(guān)，竹壁銑削量越小，殘留竹壁壁厚越大，接合強(qiáng)度則越高。因此，在竹-木插接試件加工過程中，圓竹內(nèi)壁的銑削量應(yīng)盡量保持最小，從而最大限度地保留殘留壁厚。

圖9 抗彎強(qiáng)度及抗彎彈性模量Fig.9 Flexural strength and flexural modulus of elasticity

3 結(jié)論

針對圓竹家具傳統(tǒng)連接方式受限于竹材尖削度大、內(nèi)徑不統(tǒng)一的弊病，本文提出了應(yīng)用于圓竹家具連接的竹-木插接結(jié)構(gòu)，考察了竹壁銑削量和膠黏劑種類對竹-木膠合性能的影響，并對不同竹壁銑削量下竹-木插接結(jié)構(gòu)節(jié)點的抗彎性能進(jìn)行了研究，主要得出以下結(jié)論：

1）膠黏劑種類對竹木膠合剪切強(qiáng)度和木破率有顯著影響（P＜0.05）。在不同銑削量下，環(huán)氧樹脂膠黏劑平均剪切強(qiáng)度＞聚氨酯膠黏劑＞聚醋酸乙烯膠黏劑。

2）使用同種膠黏劑的情況下，竹壁銑削量對竹木膠合剪切強(qiáng)度無顯著性影響（P＞0.05）。

3）抗彎性能與竹壁銑削量呈負(fù)線性相關(guān)關(guān)系，即隨著竹壁銑削量的增大而減弱；與竹壁銑削量為2 mm相比，1 mm和0 mm的抗彎強(qiáng)度分別增加13.60%和37.58%，其對應(yīng)的抗彎彈性模量分別增加13.02%和42.43%。

4）在竹-木插接結(jié)構(gòu)加工過程中，圓竹內(nèi)壁銑削量應(yīng)盡可能小，從而最大限度地保留殘留壁厚，為節(jié)點提供足夠的強(qiáng)度及剛度。