竹束单板层积材连续成板预压密实化的工艺及性能1)

李海栋 陈复明 王戈

(国际竹藤中心，北京，100102)

竹束单板层积材(BLVL)是纤维化竹束单板经整张化、浸渍胶黏剂、干燥、顺纹组坯等工艺后，通过冷压热固化或热压固化而成的新型竹基复合材料，具有力学强度高、尺寸稳定性好及竹材利用率高等优点［1-3］。随着经济生活水平的提高，大尺寸、大规格的竹制工程材料越来越受到人们的青睐，但目前我国生产竹人造板产品的压机幅面一般为1．22 m×2．44 m，加工大规格产品生产能力不足，主要以冷压拼长和接宽胶合为主［4］。连续压机的投资较大，且适用于竹基复合材料连续化生产的设备有待研发。针对如何利用我国现有的普通幅面热压机制备大尺寸的竹质工程材料，本研究提出采用酚醛树脂胶(PF)和聚醋酸乙烯乳液胶(PVAc)混配胶液浸渍纤维化竹束单板工艺来增加板坯的初黏性和预压性能，同时为更好地利用预压—间歇式热压工艺制备连续长度竹束单板层积材提供新思路［5-8］。

预压是间歇式热压工艺制造连续长度BLVL 前期的关键步骤之一，预压性能的好坏亦直接关系到间歇式热压及后续工艺过程能否顺利进行。通过预压可排除各层竹束单板间的大量空气，保证板坯具有一定的密实度和初始结合强度，防止其在运输过程中发生塌散，同时为间歇热压制造连续长度BLVL 奠定基础［9-10］。

酚醛树脂胶(PF)是BLVL 生产中的常用胶黏剂，具胶合强度高、耐水性能好等优点，但作为热固性胶黏剂，初黏性较差。在竹束单板预压过程中，有研究表明90 ℃以上温度才能使其密实成坯，但由此制得板材的力学性能会由于胶黏剂的预固化而发生明显的降低［3，9］。聚醋酸乙烯乳液胶(俗称白乳胶，PVAc)，是一种具有良好初始粘结强度、可在室温固化的环保型热塑性胶黏剂［11］。基于上述两种胶黏剂的特性，本研究将竹束单板浸渍于PVAc 与PF 不同配比的混合胶液中，研究不同m(PF)∶ m(PVAc)、预压时间和预压温度对预压板坯性能的影响，并研究不同m(PF)∶m(PVAc)对BLVL 力学性能的影响，以期为连续成板工艺和大跨度BLVL的制备提供依据和工艺参考。

1 材料和方法

1．1 材料

纤维化竹束单板:梁山慈竹(Dendrocalamus farinosus)取自四川省长宁县，竹龄3～5 a，竹壁厚度2～5 mm，纤维化竹束单板的疏解工艺同文献［1］，气干至含水率(MC)为:10%～12%。胶黏剂:水溶性酚醛树脂胶(PF)，北京太尔化工有限公司，固体质量分数为45．40%;聚醋酸乙烯乳液胶黏剂(PVAc)，上海汉高黏合剂有限公司，固体质量分数为27%。

1．2 预压竹束板坯的制备

将PF 和PVAc 分别稀释至固体质量分数17%，然后按m(PF)∶m(PVAc)=2 ∶1、4 ∶1、6 ∶1、8 ∶1、10 ∶1 混合备用。加工好的竹束单板分别浸渍于不同混合胶液中，7 min 后取出干燥，含水率控制在14%左右［5］，待用。

将6 层浸胶干燥后的竹束单板顺纹组坯后预压，预压压力为3 MPa，预压温度包括以下两种:①常温预压，预压时间设定为:30、60、90 min(30 min 预压板坯易散坯，故舍去);②加温预压，预压温度设定为40、50、60 ℃(预压时间30 min)，时间设定为5、10、15、30 min(预压温度50 ℃)。利用单因素分析方法探究预压时间、m(PF)∶m(PVAc)、预压温度对板坯预压性能的影响。

1．3 竹束单板层积材的制备

利用较优的预压工艺(预压温度50 ℃，预压时间15 min)对板坯进行预压密实化后，对不同m(PF)∶m(PVAc)的预压板坯进行坯热压，以纯PF胶液作为对照样。热压压力3 MPa，热压温度150℃，热压时间1 mm/min，目标密度为1．0 g/cm3，尺寸300 mm×140 mm×12．5 mm。

1．4 物理力学性能测试

厚度回弹测试:采用数显百分表对预压后板坯中心位置的厚度回弹量进行测试，测试时间为2 h，各个时间点间隔为10 s。在不同处理条件下，每组重复样为6 个。

力学性能:参照GB/T 20241—2006《单板层积材》和GB/T 17657—1999《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》等相关标准，对预压板材及竹束单板层积材水平剪切强度、弹性模量和静曲强度进行测试。

2 结果与分析

2．1 m(PF)∶m(PVAc)对板坯厚度膨胀率和水平剪切强度的影响

图1 为不同m(PF)∶m(PVAc)下预压板坯厚度膨胀率与时间的关系曲线。可知:随时间的延长和m(PF)∶m(PVAc)的增大，预压板坯厚度膨胀率增加;50 ℃条件下预压板坯的厚度膨胀率显著低于20 ℃时的，这表明加温预压能显著提高预压板坯的尺寸稳定性。竹材属于黏弹性材料，受压缩作用力后，成板板坯的内应力会释放，引起板坯的回弹和尺寸稳定性变化。白乳胶是热塑性胶黏剂，在压力和热作用下树脂分子通过物理及化学键等作用和竹材纤维分子相互结合。压力作用时树脂分子链呈卷曲状，卸压后由于大分子链的热运动使其恢复伸长，从而表现出回弹［12］。温度越高，热塑性树脂分子链部分发生塑性变形越明显，在温度降低后得以固定程度越稳定，回弹量降低，故加温使得预压板坯尺寸稳定性提高。

图1 不同m(PF)∶m(PVAc)预压板坯厚度膨胀率与时间关系曲线

在20 ℃和50 ℃条件下，预压板坯的厚度膨胀量均随m(PF)∶m(PVAc)的增大而增加，表明增加PVAc 可以改善预压板坯的尺寸稳定性。由于PVAc 为常温固化型胶黏剂，在相同浸渍时间内，m(PF)∶m(PVAc)越小(PVAc 胶量比例越高)，竹束单板吸收PVAc 量越大，使板材在预压过程中能够较好结合，即宏观表现为预压板坯的厚度膨胀率较小，尺寸稳定性越好。

在50 ℃预压条件下，厚度膨胀率增加量均低于2．0%，明显低于室温预压板坯的厚度膨胀率;m(PF)∶m(PVAc)= 6 ∶1 时，板坯的厚度膨胀率呈现跳跃式微量增加;在120 min 时板坯的厚度膨胀率仅为0．18%，与m(PF)∶m(PVAc)为8 ∶1 和10 ∶1 时相比，大幅降低。由于PVAc 胶黏剂的固化速率与温度有一定关系，在一定范围内温度越高，固化速率越快;另一方面PVAc 为热塑性胶，软化点一般为45 ～90 ℃，从而使得一些在竹束单板干燥过程中发生预固化的胶黏剂在50 ℃时塑化后重新固化，提高预压板坯的结合强度［13］。

由表1 可知，预压板坯的水平剪切强度随m(PF)∶m(PVAc)的增大而减小，且变化趋势符合指数模型(这是这个模型的具体表达形式，容易引起误解故删除)y=A1×exp(-x/t)+y1的规律，拟合方程分别为:20 ℃预压60 min 为y=-0．002 3exp(x/1．62)+2．52，R2=0．999;20 ℃预压60 min 为y=-0．51exp(x/7．86)+3．52，R2=0．941;50 ℃预压30 min为y=5．46exp(-x/3．06)+4．46，R2=0．997。m(PF)∶m(PVAc)从2 ∶1 增大到10 ∶1，常温预压时(20℃)，延长预压时间对提高板材的水平剪切强度影响较小，而加温预压能显著提高板材的水平剪切强度。当m(PF)∶m(PVAc)＜6 ∶1 时，常温预压90 min 板坯的水平剪切强度比预压60 min 的略有提高，m(PF)∶m(PVAc)＞6 ∶1 时与预压60 min 基本一致。在50 ℃、m(PF)∶m(PVAc)≤6 ∶1 时，预压板坯的水平剪切强度大幅提高。以上分析表明:m(PF)∶m(PVAc)≤6 ∶1 时，预压板坯的结合强度较好。

表1 不同m(PF)∶m(PVAc)、温度和预压时间下预压板坯的水平剪切强度

2．2 加温预压对板坯水平剪切强度的影响

加温预压法能明显改善预压板坯的物理力学性能，当m(PF)∶m(PVAc)＜等于6 ∶1 时，预压板坯的回弹率较小，水平剪切强度亦有较大程度提高;在后续试验中选取m(PF)∶m(PVAc)= 6 ∶1，在不同加温条件下对板坯预压性能进行研究。

表2 为加温条件下预压温度和预压时间对板坯预压性能的影响。可以看出，在一定范围内预压板坯的水平剪切强度随预压温度增加而提高。但预压温度不宜过高，因为预压温度过高会导致酚醛树脂预固化程度增加，从而降低热压板材的胶合性能;另一方面造成能源浪费，影响板材最终成本。因此建议板材的预压温度为50～60 ℃。

表2 预压工艺对板坯水平剪切强度的影响

一定时间范围内，预压时间的延长能提高预压板坯的水平剪切强度。当预压时间由5 min 提高到10、15 和30 min 时，预压板坯的水平剪切强度分别增加了2．69%、22．64%和41．30%。可见，预压时间设置在15 min 以上时，预压板坯的水平剪切强度明显增大，但过长的预压时间会影响生产效率、增加PF 胶的预固化程度，故建议预压时间为15 ～30 min。

2．3 m(PF)∶m(PVAc)对竹束单板层积材力学性能的影响

采用预压—热压法工艺，制备了不同m(PF)∶m(PVAc)的BLVL，板材弯曲性能如表3 所示。方差分析表明，不同m(PF)∶m(PVAc)的BLVL 均表现出较高的抗弯性能，即弹性模量和静曲强度均与对照之间无显著差异(p＞0．05)。这表明适量加入PVAc 对BLVL 弯曲性能无显著影响。不同m(PF)∶m(PVAc)板材的密度基本相同且均匀性较好，试件的破坏形态均为受拉侧纤维拉断破坏，没有出现胶层处破坏，这表明竹束纤维的抗拉性能得以充分发挥。

表3 不同m(PF)∶m(PVAc)的竹束单板层积材主要物理力学性能

水平剪切强度是表征竹束单板各层之间胶合性能的指标，不同m(PF)∶m(PVAc)制备的BLVL 水平剪切强度性能如表3 所示。多重比较可知:m(PF)∶m(PVAc)= 2 ∶1、4 ∶1 时制备的BLVL 的水平剪切强度与m(PF)∶m(PVAc)= 6 ∶1、8 ∶1、10 ∶1 及对照样的水平剪切强度在0．05 水平下有显著差异;采用m(PF)∶m(PVAc)= 6 ∶1、8 ∶1、10 ∶1制备的BLVL 水平剪切强度与对照样之间无显著差异，而m(PF)∶m(PVAc)= 2 ∶1、4 ∶1 制备的BLVL 水平剪切强度显著低于对照样。PVAc 为热塑性胶黏剂，PVAc 的比例增加到一定程度时，会对竹束单板层积材胶合界面产生不利影响［14］。而当m(PF)∶m(PVAc)≥6 ∶1 时，竹束单板层积材的水平剪切强度与对照样接近一致，即板材具有较好的胶合性能。

3 结论

为了加工大尺寸竹质工程材料，利用预压—间歇式热压连续成板工艺，结合PF/PVAc 混配胶液浸渍工艺，通过加温预压法制备的预压板坯具有良好的尺寸稳定性和内结合强度。

竹束单板层积材较优的预压密实化工艺条件为:m(PF)∶m(PVAc)= 6 ∶1，预压时间15 ～30 min，预压温度50～60 ℃。此条件下压制的BLVL 力学性能与对照样接近一致，其弹性模量、静曲强度和水平剪切强度分别为:25．47 GPa、255．62 MPa 和18．22 MPa。

预压板材的水平剪切强度与m(PF)∶ m(PVAc)符合指数模型;在一定范围内，预压板材的水平剪切强度随预压温度、预压时间的增加而提高。m(PF)∶m(PVAc)对竹束单板层积材热压板材的弯曲性能影响不显著，而对热压板材的水平剪切强度有一定影响。

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