柴 源 孫德林 劉文金 孫正軍 劉煥榮

（1.中南林業(yè)科技大學(xué)，長(zhǎng)沙 410000； 2.國際竹藤中心；國家林草局竹藤科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100102）

我國竹類資源豐富，竹資源的廣泛分布為竹產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。我國在竹材加工技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)方面一直走在世界前列[1-2]。自20世紀(jì)80年代中后期至今，竹材人造板領(lǐng)域已研發(fā)了竹膠合板、竹集成材、竹展平材、重組竹材、竹纏繞管等材料[3-4]。竹膠合板在經(jīng)浸膠熱壓編織成竹席或竹簾時(shí)，由于竹篾薄厚不均會(huì)有縫隙和孔洞，對(duì)板材性能有一定影響；以竹條為單元制備的竹集成材雖繼承了竹材良好的力學(xué)性能，但規(guī)格竹條單元較小且出材率較低，其組坯過程較復(fù)雜，機(jī)械化程度也不高。竹展平材是通過高溫軟化、刻痕展平的竹板材[5]，板材幅面較規(guī)格竹條大，但目前主要用作砧板面板?；谀壳爸癫娜嗽彀宓闹苽洮F(xiàn)狀和問題，研發(fā)一種截面尺寸較大、板材質(zhì)量好、出材率高且易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化制備的竹材單元和板材是竹材人造板行業(yè)急需解決的難題。楊曉夢(mèng)[6]等研發(fā)竹展平一體機(jī)制備無刻痕竹展平規(guī)格材，不僅提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)還提高了竹展平板的表面質(zhì)量，用較大尺寸單元制備新型竹集成材有利于減少組坯工序，且易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。

膠黏劑在材料表面的潤濕性能是影響膠合性能的一個(gè)重要因素。竹材由軸向排列的竹纖維束和薄壁細(xì)胞組成，與木材相比，竹材孔隙率較小，膠黏劑滲透性能差。因此，采用竹/木復(fù)合的方法可以有效改善竹材膠合性能，馬紅霞[7]通過單因素試驗(yàn)研究了工藝參數(shù)對(duì)毛竹/楊木單板復(fù)合材料膠合性能的影響，結(jié)果表明：以UF為膠黏劑的毛竹/楊木復(fù)合材料較優(yōu)涂膠量為300 g/m2，壓力為1.2 MPa。以新型竹展平板材制備竹集成材的工藝有待研究。

本研究以無刻痕的竹展平規(guī)格材和楊木單板為制備單元，采用脲醛樹脂膠黏劑，以竹展平板竹黃面-楊木-竹黃面的組坯方式，通過L9（34）正交試驗(yàn)方法探討熱壓溫度、熱壓時(shí)間、熱壓壓力以及涂膠量四個(gè)因素對(duì)竹/楊木復(fù)合規(guī)格材的膠合及力學(xué)性能影響，以獲得竹/楊復(fù)合規(guī)格材的優(yōu)化熱壓工藝，為該復(fù)合板材在家具上的應(yīng)用及工廠規(guī)模化生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

毛竹（Phyllostachys pubescens）：經(jīng)高溫軟化后，在竹展平一體機(jī)上展平，展平工藝：去內(nèi)節(jié)→開縫→開槽軟化→展平→干燥→竹展平板。干燥后裁剪成750 mm（長(zhǎng)）×60 mm（寬）×7.5 mm（厚）的竹展平規(guī)格材，平均含水率8.3%。

楊木單板：意楊（Populusspp.），厚度為2mm，購自山東省菏澤市楊木板材生產(chǎn)基地，平均含水率8.6%。

膠黏劑：脲醛樹脂（Urea-formaldehyde Resins,UF），龍泉市辰龍膠水有限公司產(chǎn)品。固體含量≥46%，黏度≥18 s，pH值7～9.5，主劑與固化劑配比為100 ∶ 0.8。

1.2 設(shè)備

萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)（INSTRON 5582），壓機(jī)（美國carver小型壓機(jī)），電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海一恒科學(xué)儀器有限公司），電熱恒溫水浴鍋（北京長(zhǎng)風(fēng)儀器儀表公司），恒溫恒濕箱（寧波海曙賽福實(shí)驗(yàn)儀器廠）、游標(biāo)卡尺（日本三豐）等。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 竹/楊木復(fù)合規(guī)格材制備

竹/楊復(fù)合規(guī)格材制備工藝流程如下：

圖1 工藝流程圖Fig.1 Process flow chart

采用竹黃-楊木單板-竹黃的組坯方式，如圖2所示。

圖2 竹/楊復(fù)合材組坯方式Fig.2 Lay-up of bamboo and poplar composite panel

1.3.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以熱壓溫度、熱壓壓力、熱壓時(shí)間、涂膠量4個(gè)參數(shù)為試驗(yàn)因素，每個(gè)因素選取3個(gè)水平進(jìn)行L9（34）正交試驗(yàn)，以靜曲強(qiáng)度（MOR）、彈性模量（MOE）、吸水厚度膨脹率（TS）和膠合強(qiáng)度（干態(tài)、濕態(tài)）作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。試驗(yàn)因素及水平見表1，試驗(yàn)方案見表2，每種試驗(yàn)重復(fù)6次。

表1 試驗(yàn)因素與水平表Tab.1 Test factors and levels

表2 L9(34)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.2 L9(34) orthogonal experiment

熱壓工藝的優(yōu)化：根據(jù)材料用途，合理分配各評(píng)價(jià)指標(biāo)所占權(quán)重比，并將試驗(yàn)結(jié)果以從大到小的順序排列，最后按照有序數(shù)（最大值編號(hào)設(shè)為9，最小值為1，依次排列）乘以權(quán)重比計(jì)算出加權(quán)結(jié)果，得出針對(duì)該用途材料合理的制備工藝。

1.3.3 性能檢測(cè)

以靜曲強(qiáng)度（MOR）、彈性模量（MOE）、吸水厚度膨脹率（TS）和膠合強(qiáng)度（干態(tài)、濕態(tài)）作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，前三者參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試，膠合強(qiáng)度參考GB/T 9846.7—2015《膠合板》進(jìn)行測(cè)試；其中濕態(tài)膠合強(qiáng)度試件按照GB/T 17657—2013中的要求進(jìn)行預(yù)處理，即在水溫不低于17℃時(shí)浸漬24h，然后迅速進(jìn)行測(cè)試并統(tǒng)計(jì)木破率。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)正交試驗(yàn)，得出不同試驗(yàn)條件下的竹/楊復(fù)合規(guī)格材的物理力學(xué)性能見表3所示。采用上下表面為竹展平板中間為楊木單板的復(fù)合方式，制備的竹/楊復(fù)合規(guī)格材密度在0.73 g/cm3左右，略大于竹材自身的密度（0.65～0.70 g/cm3）。從表3可得，靜曲強(qiáng)度（MOR）的平均值為127.06 MPa，彈性模量（MOE）平均值為11.06 GPa。膠合強(qiáng)度是檢驗(yàn)材料間膠合性能的重要指標(biāo)，本研究測(cè)試干態(tài)和浸泡24 h濕態(tài)兩種情況下的復(fù)合材膠合強(qiáng)度。從表3可知，濕態(tài)條件下竹展平板復(fù)合規(guī)格材的膠合強(qiáng)度和木破率較干態(tài)條件下數(shù)值都有所下降。24 h吸水厚度膨脹率（24hTS）平均為1.39%，尺寸變化相對(duì)穩(wěn)定。

表3 竹/楊木復(fù)合材物理力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果Tab.3 Physical and mechanical properties of bamboo and poplar composites panel

表4 方差分析結(jié)果Tab.4 Variance analysis on experimental results

為研究四因素對(duì)竹/楊復(fù)合規(guī)格材物理力學(xué)性能的影響程度進(jìn)行方差分析,結(jié)果如表4所示。4個(gè)影響因素中除熱壓時(shí)間外，均對(duì)24hTS有極顯著影響。熱壓溫度對(duì)膠合強(qiáng)度和彈性模量也有顯著影響。竹/楊復(fù)合規(guī)格材的組成單元為竹展平板和楊木單板，而楊木單板孔隙率大，且旋切過程中易有裂紋產(chǎn)生，因此對(duì)復(fù)合材料的吸水厚度膨脹率有重要影響。選用UF作為膠黏劑，適當(dāng)?shù)臒釅簻囟扔幸嬗谔岣吣z合強(qiáng)度。在膠合性能一定條件下，竹/楊復(fù)合規(guī)格材的彎曲性能主要由組成單元竹展平板決定，因此熱壓因素對(duì)其影響較小。

表5 極差分析結(jié)果Tab.5 Range analysis

表5為極差分析結(jié)果，試驗(yàn)因素對(duì)不同的力學(xué)指標(biāo)影響程度不同，得到的最優(yōu)化的工藝條件也各不相同。

2.2 工藝因素對(duì)竹/楊復(fù)合規(guī)格材性能的影響

2.2.1 抗彎性能

由表4、5結(jié)果可知，僅熱壓溫度對(duì)MOE有一定影響。各試驗(yàn)因子對(duì)MOR影響的大小順序是溫度、壓力、涂膠量和時(shí)間，優(yōu)化工藝為熱壓溫度130 ℃、熱壓壓力1.5 MPa、涂膠量240 g/m2、熱壓時(shí)間12 min。對(duì)MOE影響的大小順序是溫度、涂膠量、壓力和時(shí)間，優(yōu)化工藝為：熱壓溫度130 ℃、涂膠量180 g/m2、熱壓壓力1.5 MPa、熱壓時(shí)間12 min。

在板材膠合過程中，涂膠量過少，則不能使膠液均勻地滲透進(jìn)展平板與楊木單板中，造成膠層固化不徹底，進(jìn)而影響板材的性能。相反，如涂膠量過多，熱壓時(shí)多余的膠液會(huì)被擠出，同時(shí)使膠合界面間形成過厚的膠層，這不僅增加耗膠量，也會(huì)降低材料的膠合強(qiáng)度和力學(xué)性能。從圖3可以看出，隨著涂膠量的增加以及熱壓溫度的升高，竹木復(fù)合材料的MOR與MOE均呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)；隨著熱壓壓力的加大，MOR先極速下降后趨于平緩，MOE則是先下降后上升，原因可能是壓力過大使得材料間的壓縮達(dá)到最大化時(shí)，板材內(nèi)部細(xì)胞結(jié)構(gòu)被壓潰，從而導(dǎo)致力學(xué)性能下降[8]；隨著熱壓時(shí)間的延長(zhǎng)，MOR先上升后下降，但整體趨勢(shì)不明顯，MOE則相反，為先下降后上升。

圖3 工藝參數(shù)對(duì)抗彎性能影響的效應(yīng)曲線圖Fig.3 The effects of parameters on MOR and MOE

2.2.2 膠合強(qiáng)度（WSS、VSS）

圖4 工藝參數(shù)對(duì)膠合強(qiáng)度影響的效應(yīng)曲線圖Fig.4 The effects of all factors on VSS

王戈[9]認(rèn)為WSS的破壞主要體現(xiàn)的是材質(zhì)本身剪切強(qiáng)度的不均勻性，很難體現(xiàn)膠合的真正性能；而VSS經(jīng)冷水浸漬處理后，水分已浸入膠合界面進(jìn)而影響膠合性能，從而可以有效體現(xiàn)不同工藝參數(shù)對(duì)竹木復(fù)合材料膠合強(qiáng)度的影響，因此本文重點(diǎn)針對(duì)濕態(tài)膠合強(qiáng)度進(jìn)行分析。由表4、5可知，熱壓壓力和溫度對(duì)VSS有顯著影響，其他因素則無明顯影響。各試驗(yàn)因素對(duì)VSS影響的大小順序是熱壓溫度、熱壓壓力、涂膠量和熱壓時(shí)間，當(dāng)熱壓溫度為90 ℃、熱壓壓力為1.5 MPa、涂膠量為240 g/m2、熱壓時(shí)間為12 min時(shí)，竹木復(fù)合材料的VSS性能較佳。

熱壓三要素中熱壓溫度對(duì)材料影響最顯著，隨著溫度的提高,竹纖維束逐漸軟化。同時(shí)，竹展平板與楊木單板間的溫度梯度也會(huì)變大導(dǎo)致熱傳導(dǎo)加快，加速膠層固化，但溫度過高又會(huì)使材料發(fā)生熱解，產(chǎn)生鼓泡和膠層過固化等現(xiàn)象。從圖4可以看出，隨著涂膠量、熱壓壓力以及溫度的增加，VSS均呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)；隨著熱壓時(shí)間的變長(zhǎng)，VSS數(shù)值雖一直增大呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但增值不明顯，基本趨于平緩狀態(tài)。干態(tài)與濕態(tài)膠合強(qiáng)度試件的破壞形式如圖5(a)、(b)所示，WSS試件大部分是楊木或竹材自身斷裂，說明在氣干條件下，界面膠合強(qiáng)度要高于材料自身強(qiáng)度，此時(shí)材料木破率較高；而VSS試件的破壞則大部分發(fā)生在楊木單板與展平竹之間膠層處，說明脲醛膠自身性能不穩(wěn)定，受水分因素影響較大，木破率較之前干態(tài)時(shí)有明顯下降。

圖5 膠合強(qiáng)度試件破壞形式示意圖Fig.5 Schematic diagram of failure forms

2.2.3 24 h吸水厚度膨脹率

由表4、5可知，涂膠量、熱壓壓力和溫度均對(duì)24 hTS影響顯著，各試驗(yàn)因素對(duì)24 hTS影響的大小順序是熱壓溫度、熱壓壓力、涂膠量和熱壓時(shí)間，優(yōu)化工藝為熱壓溫度110 ℃、熱壓壓力1.5 MPa、涂膠量210 g/m2、熱壓時(shí)間12 min。從圖6可以看出，隨著涂膠量的增加以及熱壓溫度的升高，竹木復(fù)合材料的24 hTS均呈現(xiàn)先降低后增大的趨勢(shì)，其原因在于開始時(shí)板材的尺寸穩(wěn)定性會(huì)隨著涂膠量的增加而趨于穩(wěn)定，而后又因膠層過厚產(chǎn)生干縮濕漲應(yīng)力，使板材TS值增大。熱壓溫度是竹/楊復(fù)合規(guī)格材保證膠黏劑固化和水分排出的必要條件[10]，溫度的提高會(huì)使竹纖維束逐漸軟化，使內(nèi)部化學(xué)元素更快速地降解，因此TS值會(huì)降低，但溫度過高，高于竹材中部分成分的玻璃化溫度，反而會(huì)使材料在較短時(shí)間內(nèi)增加粘彈性變形[11]，對(duì)其尺寸穩(wěn)定性不利，最終產(chǎn)生較大的不可逆厚度膨脹率。隨著熱壓壓力的增大，24 hTS呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)；熱壓時(shí)間越長(zhǎng)、熱壓壓力越大，膠黏劑越能得到充分固化，從而使得材料間產(chǎn)生膠釘效果形成牢固的機(jī)械結(jié)合，提高材料的耐水性，因此24 hTS會(huì)呈降低的趨勢(shì)。

圖6 工藝參數(shù)對(duì)24hTS影響的效應(yīng)曲線圖Fig.6 The effect of parameters on 24h TS

2.3 加權(quán)法確定優(yōu)化工藝參數(shù)

由于板材性能評(píng)價(jià)指標(biāo)繁多，應(yīng)用的場(chǎng)所也不同，例如結(jié)構(gòu)用材需要較強(qiáng)的抗彎性能，家具用板材則可能需要在尺寸穩(wěn)定性方面有更高的要求。因此，為了節(jié)約成本，提高板材的生產(chǎn)效率以及原材料的利用率，可使用加權(quán)法評(píng)價(jià)板材的各項(xiàng)指標(biāo)分配合理的權(quán)重[12]，以確定竹/楊復(fù)合規(guī)格材最優(yōu)工藝參數(shù)。本文所研究的竹木復(fù)合材料可在長(zhǎng)度和寬度方向上直接拼寬拼長(zhǎng)做大幅面板材，或在厚度方向上拼厚做方材以便后續(xù)剖分成竹集成材，可制作桌子面板、地板或櫥柜等產(chǎn)品[13-16]。以柜類產(chǎn)品為例，板材的干縮濕漲會(huì)引起開裂、擱板變形和活動(dòng)部件卡死等問題，其承載強(qiáng)度主要取決于節(jié)點(diǎn)連接結(jié)構(gòu)，家具用板材對(duì)膠合強(qiáng)度要求一般[17-22]。綜上所述，尺寸穩(wěn)定性對(duì)家具穩(wěn)定性的影響最大，因此分別給予24 hTS40%，抗彎性能30%（MOR和MOE各15%），膠合強(qiáng)度30%（WSS和VSS各15%）的權(quán)重。

根據(jù)表3性能檢測(cè)結(jié)果，將抗彎性能以及膠合強(qiáng)度按照越大越優(yōu)、24 hTS越小越優(yōu)的原則，按照有序數(shù)（有序號(hào)：指正交試驗(yàn)得出的靜曲強(qiáng)度、彈性模量以及膠合強(qiáng)度從大到小的排列序號(hào)，最大值編號(hào)為9，最小值設(shè)為1，依次排列；24 hTS從小到大的排列序號(hào)，最大值編號(hào)為9，最小值設(shè)為1）依次排列。排列結(jié)果詳情見表6。

表6 試驗(yàn)結(jié)果排序表Tab.6 The sequence of test results

表7 以有序數(shù)為綜合指標(biāo)值分析的結(jié)果Tab.7 The results of comprehensive index value with the ordinal number

加權(quán)法計(jì)算過程如下（N代表加權(quán)數(shù)）：

N（11為正交試驗(yàn)號(hào)，以此類推）=7×0.15+8×0.15+5×0.15+8×0.15+3×0.4=5.40

N2=2×0.15+2×0.15+1×0.15+1×0.15+6×0.4=3.30，以 此 類 推，N3=5.65、N4=6.65、N5=4.625、N6=3.85、N7=6.6、N8=4.175、N9=4.75。把以上有序數(shù)作為評(píng)價(jià)展平竹/楊木復(fù)合材的綜合指標(biāo)進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果詳見表7。

從表7的評(píng)定結(jié)果看，按照加權(quán)的有序數(shù)來進(jìn)行評(píng)定的9次試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)劣順序?yàn)椋海?）、（7）、（3）、（1）、（9）、（5）、（8）、（6）、（2）。按照加權(quán)考慮，工藝因子影響的大小順序?yàn)椋簾釅簤毫?、熱壓時(shí)間、熱壓溫度與涂膠量；用加權(quán)法進(jìn)行排列的工藝參數(shù)為熱壓壓力1.5 MPa、熱壓時(shí)間12 min、熱壓溫度130 ℃、涂膠量240 g/m2。

3 結(jié)論

1）采用正交試驗(yàn)方案研究竹/楊復(fù)合規(guī)格材的制備工藝，不同影響因素對(duì)其力學(xué)性能的影響程度不同，除熱壓時(shí)間外，其他因素對(duì)24 hTS都有顯著影響；而所有因素對(duì)材料的彎曲性能都影響不顯著；材料不同，其力學(xué)性能所對(duì)應(yīng)的理想工藝也不盡相同，因此應(yīng)針對(duì)材料的用途確定主要考核指標(biāo)，選定優(yōu)化的制備工藝。

2）根據(jù)加權(quán)法對(duì)用于家具的竹/楊復(fù)合規(guī)格材的各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)賦予合理的權(quán)重，最終通過有序數(shù)得出較優(yōu)工藝參數(shù)為：熱壓壓力1.5 MPa、熱壓時(shí)間12 min、熱壓溫度130 ℃、涂膠量240 g/m2。