竹束去青程度对竹束单板层积材物理力学性能的影响1)

邓健超 张 丹 陈复明 王 戈 林上禄

(国际竹藤中心，北京，100102) (福建和其昌竹业有限公司)

责任编辑:戴芳天。

作为一种生物材料，竹子具有生长速度快、环境友好、强度高、表面硬度大等特点，是良好的代木材料［1］。随着木结构建筑的发展，竹材也被广泛用作工程用结构材，服务于桥梁、房屋房顶、脚手架等的制造［2－4］。

竹束单板层积材(BLVL)是将竹子加工成一定长度的竹片后，帚化疏解成由竹束纤维组成的网状结构的纤维化单板，再经干燥、浸胶、二次干燥、顺纹组坯、热压而成的结构用竹材人造板［5］。它是在传统重组竹基础上通过工艺改进而制造的一类新型竹基复合材料，能更好地满足于作为工程结构材料的使用要求。张文福［6］分析了帚化次数对竹束单板层积材物理力学性能的影响，并研究发现采用63℃水浸泡处理法和28h循环水煮处理法检测板材的耐水性能更科学;于雪斐［7］等对不同疏解次数后的慈竹纤维化竹单板进行了吸水性、吸胶率和吸附性能的测试;余养伦［8］等对不去竹青与竹黄的竹基复合集装箱地板的尺寸稳定性及相关力学性能进行了分析讨论;于子绚［9］等研究了竹束单板层积材在不同温湿度环境下的吸湿特性及湿热过程中弯曲和压缩性能变化;也有学者对其他竹材人造板在温度湿度作用下的物理力学性能变化进行了相关研究［10－11］。由于竹青的存在对胶合产生不良影响，因此，研究竹束去青程度对竹束单板层积材物理力学性能影响的具有积极意义。

本研究拟以梁山慈竹(Neosinocalamus affinis)为原料，酚醛树脂为胶黏剂，利用帚化疏解且整张化处理得到的竹束纤维单板，压制28 mm厚的竹束单板层积材。通过工艺控制及试验设计，重点探讨不同竹束去青程度对竹束单板层积材物理力学性能的影响，并将其28 h循环水煮处理前后的力学性能进行对比分析，以期为竹束单板层积材的工业化生产及其在结构应用领域的利用提供借鉴和参考。

1 材料与方法

1．1 材料

梁山慈竹(Neosinocalamusaffinis):产自四川长宁，竹龄3～4 a，胸径40～100 mm，竹壁厚度5～10 mm;

棉线:购于市场，线密度230 g/km，拉伸载荷55～70 N;

水溶性酚醛树脂(PF)胶:福建和其昌竹业有限公司提供，固体质量分数47%，pH值为11～12。

1．2 设备

自主研制的竹材帚化机、自主研制的竹束单板整张化(缝纫)设备、热压机、万能力学试验机、电热恒温干燥箱(型号101－1，上海叶拓仪器仪表有限公司生产)、电子恒温水浴锅(型号HHS－6S，上海宜昌仪器纱筛厂生产)、接触角测试仪(OCA20)、分光测色仪(CR400，日本柯尼卡美能达)、电子数显卡尺、天平等。

1．3 竹束单板层积材(BLVL)的制备

1．3．1 帚化、整张化及干燥

将慈竹加工成长度为500 mm的竹条，并沿纵向送入帚化机。在帚化机展平辊、钢刷和帚化齿的作用下，使竹片展开，竹束纤维纵向疏解和横向分离，且竹青竹黄面上影响胶合的蜡质层被刷去或脱落，进而得到纵向基本保持竹纤维强度、横向松散连接，且具有一定幅宽及厚度的竹束;采用棉线对竹束进行横向多点连接，形成整张化的竹束单板;将竹束单板置于干燥窑(101±2)℃中干燥至含水率为5%～6%。

通过调节竹材帚化机去青装置参数，得到不同去青程度的竹束，编号为A、B、C、D4组(A:完全去青的竹束，B:去青程度较高的竹束，C:去青程度较低的竹束，D:没有去青的竹束)，如图1所示。

图1 不同去青程度的竹束实物图

1．3．2 浸胶、干燥

配置固体质量分数为30%的酚醛树脂胶液，并将整张化处理后的竹束单板置于其中浸渍8 min，取出至表面胶黏剂不再滴落，将其送入隧道窑(温度为50℃～60℃)中干燥至含水率为11%～12%。

1．3．3 组坯、热压

按照目标密度为1．0 g/cm3，采用顺纹层积组坯(13层，竹青面向外，即组坯时上面6层均为竹青面向上，下面7层均为竹青面向下)，采用“冷进冷出”热压工艺制备竹束及竹束单板层积材(BLVL)，热压温度150℃，热压时间40 min;板材的规格为500 mm×400 mm×28 mm。

1．4 竹束及竹束单板层积材(BLVL)的性能测试

1．4．1 竹束的颜色分析

按照国际照明委员会CIE(L*a*b*)标准色度学理论，采用分光测色仪，对不同去青程度的竹束A、B、C、D的材色进行定量表征，每个试件靠近竹青端的平面，取3个测点，试样重复数为3个。测试主要物理参数:明度(L*)、红绿轴色度指数(a*)、黄蓝轴色度指数(b*)。L*、a*、b*均有正负值之分。其中，L+表示偏白，L－表示偏黑;a+表示偏红，a－表示偏绿;b+表示偏黄，b－表示偏蓝。通过式(1)计算出去青竹束与未去青竹束的色差(ΔE*)［12］，用以量化区分竹束去青的程度。

式中:ΔL*、Δa*、Δb*分别表示竹束去青前后的L*、a*、b*差值。

1．4．2 竹束接触角测试

利用接触角测试仪(液滴为固体质量分数为30%的酚醛树脂胶)对不同去青程度的竹束A、B、C、D进行表面接触角测试，用以区分不同表面对PF胶的浸润性，每个试件靠近竹青端的平面，取3个测点。试样重复数量为3个。

1．4．3 竹束单板层积材的物理性能测试

结构用竹束单板层积材在使用过程中环境变化比较复杂，尺寸稳定性是衡量其性能优劣的重要指标。本研究采用规格为75 mm×75 mm×28 mm的试件，对其进行28 h循环水煮处理，测量并计算各试件通过时间节点(4、24、28 h)的吸水厚度膨胀率。28 h循环水煮处理操作如下:将试件浸入(100±2)℃沸水中煮4 h，取出后将试件分开平放在(63±3)℃的鼓风干燥箱中干燥20 h，再浸入(100±2)℃沸水中煮4 h。试件经历每个阶段取出后，均擦去其表面附着的水，并在室温下冷却10 min后，进行厚度的测量，并对相应的吸水厚度膨胀率进行计算(式2)。试样重复数为5块。

式中:W为板材的吸水厚度膨胀率(%);Ht为试件经过任意一个处理阶段后的厚度(mm);H0为试件未处理时的厚度(mm)。

1．4．4 竹束单板层积材的力学性能测试

按规格460 mm×50 mm×28 mm锯制试件，参照GB/T 17657—1999《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》，对28 h循环水煮处理前后的试件进行静曲强度和弹性模量的测定;参照GB/T 20241—2006《单板层积材》锯取试件，对28 h循环水煮处理前后的试件进行水平剪切强度(垂直加载与平行加载)的测定。

2 结果与分析

2．1 不同去青程度的竹束的材色

不同去青程度的慈竹竹束材色参数L*、a*、b*如表1所示。可以看出，随着竹束去青程度的增大，其明度L*呈上升的趋势，在视觉上表现为竹束颜色变亮;红绿轴色度指数a*逐渐增加，说明竹束表面的颜色向绿色反方向变化;黄蓝轴色度指数b*逐渐增加，说明竹束表面的颜色向黄色正方向变化。

去青竹束与未去青竹束的总体色差随着去青程度的提高而增大。在帚化工序中，钢刷被调至4个不同的高度，呈绿色的竹青部分被不同程度地刮去。随着钢刷端部与竹材竹青面的间距缩小，被刮去的竹青量加大，逐渐显露出竹肉部分，在视觉上表现为竹束颜色由绿变黄绿再变黄。

表1 竹束的材色

2．2 竹束单板层积材的尺寸稳定性

表2为不同去青程度的竹束制得的竹束单板层积材分别经过28 h循环水煮处理过程中3个阶段的吸水厚度膨胀率。可以看出，竹束去青程度越高，其制得的板材尺寸稳定性更优。经过4 h的水煮处理后，吸水厚度膨胀率从小到大依次为A、B、C、D，因为去青程度从大到小依次为A、B、C、D，而竹青中含有为数不少的蜡质(主要成分为高级脂肪酸)和SiO2，对竹材的润湿性及胶合影响较大［13］。竹青越多，界面结合越不良，水更容易进入板材内部，产生膨胀。

经试验测得，A、B、C、D四组竹束的静态接触角分别为46．50°±7．88°、73．72°±2．34°、80．28°±8．44°、87．28°±3．73°。竹束去青程度越高，其静态接触角越小(均小于90°)，说明酚醛胶对竹束表面的润湿性越好，在材料表面的附着越均匀致密，在热压成板过程中形成更好的胶合。因此，A组板材的内部竹束单板间胶合效果更好，尺寸变形较小。经过4 h沸水煮后，吸水厚度膨胀率仅为4．75%，即使经过28 h循环水煮处理，吸水厚度膨胀率在6%以内，与4 h水煮的吸水厚度膨胀率相比，增幅在1%以内;经过(63±3)℃干燥处理后，残余变形在1%以内。

表2 竹束单板层积材的吸水厚度膨胀率

从表2中还可以看到，28 h的吸水厚度膨胀率大于4 h的吸水厚度膨胀率，这可能是因为板材经历了湿胀与干缩，内部应力得到一定的释放，容水空间增多，吸水量增大。本试验范围内，A、B组竹束单板层积材经过28 h循环处理后的厚度膨胀率分别为5．66%和6．30%，比文献［6］中试验得到的值7．77%小。这是由于本试验A、B组板材含竹青的量较文献中小，而竹青的存在导致胶黏剂附着情况不佳，竹青越多，界面结合越不良，水更易进入板材内部，产生膨胀，尺寸变化较大。

2．3 竹束单板层积材的力学性能

2．3．1 静曲强度与弹性模量

对不同去青程度的竹束制得的竹束单板层积材试件进行静曲强度和弹性模量检测，结果如表3所示。可知，28 h循环处理前，板材的静曲强度从大到小依次为C、A(B)、D，弹性模量从大到小依次为C、A(B、D)。这可能是因为C组竹束去青程度较低，保留的竹青较多，因此破坏载荷较大;D组保留的竹青最多，但由于本实验采取的是L=15H(L为跨距，H为板材厚度)，D组试样胶层剪切强度低，短梁剪切效应产生了附加影响，更加降低了强度。

在测试过程中，发现A、B组从加载至试件破坏，时间较长，破坏方式多为纤维拉断及胶层开裂，属于延性破坏;C、D组从加载至试件破坏，时间较短，破坏方式多为胶层贯穿式开裂，属于脆性破坏。

表3 28 h循环处理前后竹束单板层积材的静曲强度与弹性模量

从表3还可以看出，28 h循环处理后，板材的静曲强度与弹性模量值均有一定程度的削减。经过水循环处理后，板材发生湿胀形变与干缩形变的交替作用，部分胶层发生一定程度的剥离，板材已经不作为一个整体在受力，因而静曲强度与弹性模量值有所减小。C、D组板材的竹束单元去青程度较低，酚醛胶对竹束的润湿效果较差，导致C、D竹束单板层积材组经过循环处理后，胶层发生严重剥离，表现为静曲强度与弹性模量值的较大削减。其中，处理前后的静曲强度与弹性模量值均为D组最低，弹性模量为17．25 GPa，但其变异系数较大，说明大量竹青的存在对板材性能影响很大。

2．3．2 水平剪切强度

表4为不同去青程度竹束制得的竹束单板层积材试件的水平剪切强度测试结果。可知，28 h循环处理前A、B、C、D 4组的干态水平剪切强度值差别不大，D组略大于其他组，这说明此时的测得值主要体现的是竹材本身的材料强度。

28 h循环处理后，D组板材的水平剪切强度最小，即D组发生了最大程度的强度衰减，衰减率达31．39%～46．79%。在温度与水分的共同作用下，板材内部发生较为复杂的形变行为。随着竹束单元的收缩与膨胀，胶层受到相应的拉伸与压缩，应力得到释放，胶层对板材整体所起的"胶合效应"得到逐步扩大。此时胶层的效应强于材料本身属性所起的效应，因而测得的水平剪切强度值主要反映的是板材的胶合性能。

竹青的存在对板材的水平剪切强度影响很大。随着去青程度的降低，板材的干态水平剪切强度稍稍增大，但相应的处理后的板材强度值表现出更高的削减率;不去青对竹束单板层积材强度降低的影响是最大的。

表4 28 h循环处理前后竹束单板层积材的水平剪切强度

28 h循环处理前后，4组板材的水平剪切强度均有一定程度的削减，且削减率为A、B组小于C、D组。这表明A、B组板材胶合性能较好，在温湿度变化环境中具备较好的适应性与稳定性。对照GB/T 20241—2006《单板层积材》中关于“结构用单板层积材水平剪切强度”的规定，A、B、C、D组均能达到最高水平剪切强度级别65V—55H，这是因为该标准主要针对的是木质单板层积材，而本试验制得的竹束单板层积材密度较大，为1．0 g/cm3，因此水平剪切强度较标准规定值高;对照《重组竹》(报批稿，由中国林业科学研究院木材工业研究所等单位起草)中关于“室外用重组竹水平剪切强度”的规定，A、B、C组均符合标准要求，达到9V—12H级别，而D组不符合标准要求，这再次说明不去青对竹束单板层积材强度降低的影响是最大的。

3 结论

利用分光测色仪测得的竹束材色参数L*、a*、b*可以量化判定去青的程度，对相应的竹束单板层积材性能的预测具有一定指导意义。

竹束去青程度越高，竹束表面的静态接触角越小，酚醛胶对竹束表面的润湿性越好，竹束—胶黏剂—竹束结合越好，其制得的竹束单板层积材的尺寸稳定性越好。

竹青的存在对竹束单板层积材的强度影响很大。随着去青程度的提高，板材的干态静曲强度、弹性模量和水平剪切强度变化不大或稍有减小，但相应的处理后板材均表现出更小的强度削减率;不去青对竹束单板层积材强度降低的影响是最大的。试验范围内，A、B组去青程度的竹束制得的竹束单板层积材在温湿度变化环境中具有较好的稳定性和适应性。

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