浸渍树脂处理对降低竹制品表面开裂性能的研究

邹怡佳，陈玉和，吴再兴，刘红征，李 能，包永洁

（1. 国家林业局竹子研究开发中心，浙江 杭州310012；2. 浙江大庄实业集团有限公司，浙江 杭州311200）

浸渍树脂处理对降低竹制品表面开裂性能的研究

邹怡佳1，陈玉和1，吴再兴1，刘红征2，李 能1，包永洁1

（1. 国家林业局竹子研究开发中心，浙江 杭州310012；2. 浙江大庄实业集团有限公司，浙江 杭州311200）

将单层带青展平竹、重组竹、展平竹板三层复合板经过树脂浸渍处理后再进行水煮干燥加速开裂处理，从而来分析浸渍树脂处理对三种材料的表面开裂性能的差异性及机理。结果表明，单层带青展平竹的浸润效果最好，表面也几乎没有裂纹，但是整体变形较为明显；重组竹表面会形成较为细小的裂纹，浸渍树脂处理后的重组竹表面开裂情况明显降低；展平竹板三层复合板表面开裂最明显，形成的裂纹较长并沿纹理方向延伸。

竹制品；浸渍处理；表面裂纹

竹子是我国的特产资源[1]，其中毛竹分布面积最大，用途最广，经济效益最佳，生态适应性较强的竹种[2]。以竹代木，依靠科技创新拓展竹材应用领域是缓解森林木材资源贫乏、改善生态环境的有效措施[3]。展平竹和重组竹等竹制品最大限度的保留了竹青竹黄面，提高了毛竹利用率，降低了生产成本，增加了竹加工企业与竹农的经济效应[4-5]。但是其表面开裂问题至今是困扰企业和科研的难题，关于开裂的相关研究较多：张南南、袁光明等[6]表明经改性纳米碳酸钙处理后的杉木具有更高的耐磨性和抗冲击性；李晓玲、小林功等[7]在日本柳杉高频真空干燥的研究中发现，在干燥前进行常压的蒸汽或者过热蒸汽的预处理，板材的开裂及程度大大降低；刘彦龙、唐朝发等[8]用异氰酸酯与多元醇作用形成的预聚体型聚氨酯作为防裂涂料。这种涂料涂覆到木材的端部后，涂料中的-NCO在木材中水分子和羟基的作用下发生反应固着在木材表面上，形成保护层，抑制端部水分的散发，同时在纤维之间产生牵制作用，有效控制端裂的发生；陈玉和、James H Muehl 等[9]得出用10%的酚醛树脂水溶液浸渍泡桐，可以大大提高泡桐压缩木材尺寸稳定性。常德龙,陈玉和等[10]用低分子树脂透入木材，然后在高温热压过程中，使低分子树脂之间及木材发生化学交联作用，达到化学试剂固定变形的目的[11-12]，大大提高了木材的尺寸稳定性。

本实验用低分子的三聚氰胺树脂浸渍处理竹制品，观测其对树脂浸润速度接触角、增重率，来表征树脂浸渍到竹材内部的指标；测量表面裂纹数目、宽度、长度等值，更直观的说明表面开裂的情况，为以后研究表面开裂的表征方法提供一个参考。

1 试验方法

1.1 试材及试剂

单层展平竹、重组竹，尺寸分别为100 mm ×100 mm，100 m×100 mm；展平竹板三层复合板，上下层展平竹板的竹黄面分别与中层板两面胶合连接，上下表面均为竹青面，尺寸为150 mm×75 mm；将三种材料依次记为A、B、C，分别编号待用，由大庄实业集团有限公司提供。

三聚氰胺树脂：实验室自制。

1.2 竹制品的浸渍处理及加速表面开裂处理

将3种竹制品分别浸渍到制好的三聚氰胺树脂中30 min，每种试样3个重复，选择表面平整及没有裂纹的试样，并且编号。然后取出试样放置室温内24 h，再放到鼓风干燥箱内于150℃干燥30 min，接着于80℃干燥24 h，使树脂充分地后固化[13]。处理完成后，用100℃沸水煮试件1 h，取出试件再放入鼓风干燥箱内80℃干燥24 h，经过加速开裂处理后，观测试件的表面开裂情况。共进行16次树脂浸渍试验，把每次得到的结果求均值，即为该竹制品的表面开裂性能参数。对照试样除不进行树脂浸渍处理外，其它处理皆与处理试样相同。

1.3 接触角的测量

每次做好的树脂编号，放入干净的针管内，用KRÜSS DSA100光学接触角测量仪检测其对竹制品表面的润湿性能。从每滴树脂滴下形成清晰画面为第1帧，然后分别记录其后的第10、20、30帧的接触角，并以第30帧的值为树脂对竹制品的接触角。(注：每30帧为1秒)

1.4 增重率测量

用电子天平分别称量竹制品浸渍前后的质量（精确到0.01 g），然后根据公式计算增重率，公式如下：W=(m1-m0) /m×100%，其中m0为试样浸渍前的质量，m1为试样浸渍后的质量，W为增重率。

1.5 竹制品表面裂纹情况测量

裂纹宽度测定：用读数显微镜观测每条裂纹长度中心的宽度，即为这条裂纹的宽度（精确到0.02 mm），将试样3个重复的所有裂纹宽度求均值，得到的均值即为当次试验的裂纹宽度。裂纹长度测定：用直尺测量每条裂纹的长度（精确到1 mm），将试样3个重复的所有裂纹长度求均值，得到的均值即为当次试验的裂纹长度。共进行16次树脂浸渍试验，把每次得到的结果再求均值，即为该竹制品的表面开裂性能参数。

2 结果与讨论

2.1 不同竹制品的接触角差异

接触角的变化状态间接反映了液体分子与固体界面分子作用力的大小、作用的速度快慢等，即反映了液体在固体表面的润湿情况[14]。由图1可以看出，整体趋势来看，三种材料中，单层展平竹的接触角较小，树脂对其浸润性好。重组竹由于经过树脂浸渍热压后，密度非常大，树脂很难再进入到竹材内，所以接触角比较大，而有些则接触角比另外两种试样小，可能是由于重组竹的密度不均匀所致。展平竹板三层复合板由于表面是竹青面，竹青组织紧密，质地坚韧，表面光滑，所以树脂很难进入到竹材细胞内，接触角大。表1是同一树脂下分别对三种材料的接触角随时间的变化值，可以看出，在前10帧的差异性最明显，单层展平竹的接触角降低了24.06°，重组竹的降低了10.66°，展平竹板三层复合板降低了6.66°；在后面的20帧内，接触角的变化都不是很明显。

图1 接触角的差异Fig. 1 Differences of contact angle

表1 不同竹材接触角随时间的变化值Table 1 Changes of contact angle of different bamboo with time

2.2 增重率的差异

用聚合树脂浸渍竹材试样，很显然树脂固化后会充胀竹材细胞，阻止竹材的收缩，保持尺寸稳定，即表面裂纹降低。另一方面，树脂固化后不溶不熔，充胀细胞腔或者细胞壁，使竹材表面疏水，也能降低由干缩湿胀引起的开裂现象。因此增重率越大，说明树脂浸渍到竹材内部越多，越能有效的降低竹材的开裂缺陷。由图2可以看出，单层展平竹的增重率最大，展平竹三层复合板的增重率次之，重组竹增重率最小。单层展平竹由于竹黄面组织疏松，和有沿着纹理方向的凹槽，使树脂更容易浸渍到竹材内部，使增重率大于另外两种材料。而重组竹由于本身比较致密，树脂很难浸渍到材料内部，只会在表面一层浸渍，所以增重率最小。三层展平竹复合板由于上下展平竹板的竹黄与中间层胶合，竹青层位于表面，故增重率较单层展平竹小。有研究表明[15]，经过微波处理，材料表面的孔隙会增多，所以若是能将竹材先进行预处理，应该会提高浸渍性能。

图2 增重率的差异Fig. 2 Differences in rate of weight gain

2.3 表面裂纹情况

2.3.1 单层展平竹表面裂纹情况

单层展平竹表面几乎是没有裂纹的，原因如下：它是由竹筒沿纵向剖开软化，再用带有凸齿的轧辊在竹材内壁由少到多逐渐递增地压轧出沿纵向的凹槽，使竹材内壁的弧长延伸，使竹材变平。由于竹材本身是粘弹（弹塑）性材料，将弧形竹片展平为竹板过程中，不可避免地产生内应力，当经过加速开裂处理后，展平竹会发生应力释放即回弹现象。背部有凹槽，大大降低表面的开裂情况，但是整体会回弹的非常明显，变形严重，本实验只测定了表面开裂情况，故变形情况有待于进一步的研究。

2.3.2 重组竹表面裂纹情况

重组竹表面形成的是较为细小的裂纹。裂纹较短较细。在碾压竹丝和铺装的过程中，都会使竹材维管束的方向发生改变，竹丝只是相对的平行，很多维管束会发生倾斜或者弯曲。当裂纹在沿长度方向变长时，可以阻止裂纹的继续变长，故而形成较为细小的裂纹。通过对浸渍重组竹表面裂纹情况进行方差分析，由表2可以看出，通过浸渍树脂处理后，重组竹的裂纹数目、裂纹长度及裂纹宽度较对照重组竹都是降低的，其中裂纹宽度上是显著性的。说明通过浸渍树脂处理，固化后的树脂韧性大于重组竹内部的残余应力，足以抑制重组竹表面开裂。

表2 重组竹开裂情况的方差分析Table 2 Anova of crcaks of bamboo scrimber

2.3.3 展平竹板三层复合板表面裂纹情况

展平竹板三层复合板表面的裂纹较宽，裂纹长度较长。展平竹板的制作工艺，是将竹筒纵向剖开软化碾压成平板的，竹材的弦向干缩率最大，而竹青的弦向干缩率又比竹黄大[16]，所以表面会因干燥后产生应力，造成表面开裂，单层的展平竹由于背部有凹槽，当干燥时使干缩应力得到释放，使展平竹板恢复弧形但不产生裂纹。而三层复合板由于竹黄面被中间层胶合，抑制了竹材的恢复弧形，应力得不到释放，而表面树脂固化后的应力小于干燥的残余应力，导致了展平竹板三层复合板表面裂纹的产生。竹材的维管束在竹节见的排列相当平行而整齐，所以一旦形成裂纹，就会沿着维管束的方向进一步的开裂，使裂纹的长度变长。通过对浸渍三层展平竹板和对照三层展平竹板的方差分析，由表3可以看出，通过浸渍处理表面裂纹情况没有明显差异，说明仅仅通过浸渍树脂处理不能使其表面开裂情况降低。

表3 展平竹板三层复合板开裂情况的方差分析Table 3 Anova of crcaks of bamboo unfolded

3 结 论

（1）单层带青展平竹的浸渍效果最好，接触角较小，浸润速度也最快，而由于竹黄侧独特的凹痕构造，大大的降低了其表面开裂的缺陷，但其发生变形是最明显的，这点有待于进一步的研究。而另外两种试样的接触角较大，浸润速度也相对慢些。

（2）重组竹的表面产生较细小的裂纹，通过浸渍树脂处理，浸渍重组竹较对照重组竹的表面开裂情况降低，其中表面裂纹宽度最为显著。而展平竹板三层复合板表面形成比较明显的大裂纹，通过浸渍树脂处理不能有效的降低其表面开裂情况，树脂固化的胶接强度不足以抑制板材内部残余应力的释放。

（3）三种材料由于加工方式不同，表面开裂情况也截然不同。重组竹经过改性处理后表面裂纹会大大降低，有利于工业化发展。将竹材软化碾压成展平竹，在胶合成复合板，保留了竹材本身的天然纹理和物理力学性能，更加使人们亲近大自然，但是板材的性能也最不稳定，开裂和变形将是一对矛盾的性能制约着展平竹的发展，有待于继续研究。

[1] 侯曼玲,宋 缤.毛竹的食品加工利用[J].经济林研究，1995,13(1):40-42.

[2] 艾文胜,李典军.湖南优质工业材用毛竹评价指标体系的建立[J].经济林研究,2009，27(1):23-28.

[3] 周 钢,喻云水.竹粉/高密度聚乙烯复合材料性能研究[J].中南林业科技大学学报，2012，32(1):113-116.

[4] 傅万四.竹质定向刨花板制造技术研究[M].北京：中国林业出版社,2008.

[5] 丁安定，孙晓东.原竹对剖联丝展开片材加工与竹木复合层积材制造技术[J]. 中南林业科技大学学报,2010,30(8):100-103.

[6] 张南南,袁光明,陈 超.水基纳米碳酸钙表明改性及其对杉木的增强效应[J].中南林业科技大学学报，2012,32(1):79-82.

[7] 李晓玲,小林功.日本柳杉高频真空干燥及防止开裂的研究[J].林业科学，2005,41(2):106-111.

[8] 刘彦龙,唐朝发.一种高效木材防裂剂-湿固型聚氨酯预聚体[B].林产工业,2004,31(5):38-39.

[9] 陈玉和,James H Muehl,李 强.泡桐浸渍在泡桐木材压缩硬化研究初报[J].中南林学院学报，1997,17(1):46-51.

[10] 常德龙,陈玉和.用低分子树脂进行泡桐木材表面强化的研究[J].林产工业,1997,24(6):7-10.

[11] 井上雅文,尾形重行,西川昌信. Dimensional Stability Mechanical Properties and Color Changes of a Low Molecular Weight Melamine-formaldehyde Resin Impregnated Wood[J]. Mokugai Gakkaishi, 1993,39(2):181-189.

[12] Lnoue M, Norimoto M, Rowell R M. Steam or heat fixation of compressed Wood [J].Wood and Fiber Science,1993,25(3): 404-410.

[13] Gindl W. Using a Water-Soluble Melamine-Formaldehyde Resin to Improve the Hardness of Norway Spruce Wood[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2004, 93,1900-1907.

[14] 任一萍，王 正.偶联剂对竹材表面润湿性及胶合强度的影响[J].粘接，2011,(7):50-53.

[15] 李安平,谢碧霞.毛竹笋干微波干燥工艺的研究[J].经济林研究,2004,22(2):14-16.

[16] 向仕龙,蒋远舟.非木材植物人造板[M].北京：中国林业出版社,2008.8.

Inhibition of surface cracking of bamboo ware by impregnating resin processing

ZOU Yi-jia1, CHEN Yu-he1, WU Zai-xing1, LIU Hong-zheng2, LI Neng1, BAO Yong-jie1
(1. Chinese Bamboo Research Center, Hangzhou 310012, Zhejiang, China; 2. Zhejiang Dazhuang Industry Group Co. Ltd.,Hangzhou 311200, Zhejiang, China)

Single layer surf green flattened bamboo, scrimber and three-layer composite plates of flattened bamboo respectively were impregnated with the resin to investigate the differences and mechanism of the resin modification for the surface crack of the three kinds of composite boards. The results show that the performance of single layer flattened bamboo was better than others and there was no crack almost, but it was distorted significantly; the cracks on the bamboo scrimber were decreased with the impregnation of resin; the crack of the treated flattened bamboo board was severe and the length of the crack along the veins was longer than that of others.

bamboo products; impregnation treatment; surface crack

S784

A

1673-923X(2013)06-0136-04

2013-02-27

竹质建筑装饰材料研究团队建设（2012F20001）；2012年浙江省省属科研院所专项计划项目

邹怡佳（1985-），女，河北磁县人，硕士研究生，主要从事三聚氰胺树脂的制备和防止竹材表面开裂的研究

陈玉和（1963-），男，河南罗山人，研究员，博士，主要从事木（竹）材漂白和染色、竹材加工与人造板工艺、竹质活性炭制备工艺等技术的研究

[本文编校：欧阳钦]