竹重组材料复合工艺与性能试验初探

毛燕清 侯伦灯

（1 福建农林大学材料工程学院 福建福州350002;2 福建林业职业技术学院 福建南平353000）

作为竹材人造板，竹重组材料将竹材疏解为疏松网状纤维束，再通过干燥、施胶、组坯成型、热压而成。由于在加工过程中没有打乱竹材的纤维排列方向，竹重组材料很好地保留了竹材的优良性能。竹重组材料对于小径竹材资源的开发和利用，提高竹材的利用率，解决人造板行业原料不足，促进竹产业健康持续发展大有帮助。竹重组材料生产过程中热压对产品的质量起到关键性作用。当前企业生产中采用的热压成型法，与冷压热固化法相比较，大幅度缩短热压时间，提高生产效率[1,2]，但板材容易产生鼓泡、扭曲等板材质量缺陷。

通过对竹重组材料的热压压力、热压温度、热压时间等复合工艺因素的研究，分析不同工艺因素对产品的静曲强度、弹性模量、吸水厚度膨胀率等性能指标的影响，探讨板坯厚度对热压时间的影响，以获得各工艺因素之间最佳的协调性关系，达到缩短热压周期、提高生产效率的目的。

1 材料与方法

1.1 试验材料

竹片与酚醛树脂胶粘剂取自福建和其昌竹业有限公司。竹片经辗压撕裂成形状较规整的丝状竹束，竹束规格约为500mm×25mm×5mm，酚醛树脂pH 值约为9～10、固含量48±2%、粘度150～160 mPa·s，使用时酚醛树脂胶粘剂稀释到浓度18%～22%，竹束浸渍胶粘剂后低温干燥至含水率12～15%，竹束含胶量14～16%。

1.2 仪器与设备

万能试验压机（BY302×2/15型，苏州新协力机器制造有限公司）、宽带砂光机（TIMESAVER 型 ，荷兰砂霸INTERNATIONAL.B.V）、框锯机（SYG型，台湾胜源机械股份有限公司）、电热恒温干燥箱（GZX-GF101-2-B型，上海贺德实验设备有限公司）、电子天平（MP500和MP5002型，上海舜宇恒平科学仪器有限公司）、热电偶（WRN-230NM，江苏美安特自动化仪表有限公司）。

1.3 试验方法

试验对原竹进行蒸煮炭化处理，生产工艺流程为：原竹→截断、开条→去青去黄、辗丝→一次干燥→浸胶→二次干燥→热压→养生→性能检测。主要工艺参数：蒸煮：压力0.20～0.30 MPa、时间1～3 h；一次干燥：温度70～90 ℃，控制竹束含水率6%～8%；浸胶：酚醛树脂经4～5 倍水稀释、竹束浸胶量6%～10%；二次干燥：温度40～60 ℃，控制竹束含水率10%～12%；进板与出板温度50℃；养生：时间24h 以上。板材尺寸为400 mm×400 mm×28 mm，设计密度1.2 g.cm-3，用厚度规控制厚度，采用热电偶记录板材中心温度变化。

检测竹重组材料的静曲强度、弹性模量检测试件规格（20 h+50）×10 mm，吸水厚度膨胀率检测试件规格为50 mm×50 mm。

1.4 试验设计

采用热压压力、热压时间、热压温度、表层含水率4 个因素进行3 个水平的L9（34）的正交试验，每组试验重复3 次，取平均值，见表1。

表1 正交试验因素与水平

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

将压制出来竹重组材料，按照GB/T 17657-1999 人造板及饰面人造板理化性能试验方法检测含水率、密度、静曲强度、弹性模量、吸水厚度膨胀率等，检测结果见表2。

表2 竹重组材料性能检测结果

2.2 工艺因素对竹重组材料性能影响的极差与方差分析

对竹重组材料静曲强度、弹性模量及24 h吸水厚度膨胀率与工艺因素进行极差分析，结果见表3、表4、表5。

表3 各因素对竹重组材料静曲强度影响的极差分析

表4 各因素对竹重组材料弹性模量影响的极差分析

表5 各因素对竹重组材料吸水厚度膨胀率影响的极差分析

从表3、4、5 可知，热压过程各因素对竹重组材料静曲强度、弹性模量、吸水厚度膨胀率影响强弱依次为热压压力＞热压时间＞表层含水率＞热压温度。

对竹重组材料多项性能指标与工艺因素进行方差分析，结果见表6。

表6 各因素对竹重组材料性能影响的方差分析

当F＜F0.1时，认为因素对指标影响不显著；当F0.1＜F＜F0.05时，认为因素对指标影响一般显著，用“▲”表示；当F＞F0.05时，认为因素对指标影响比较显著，用“﹡”表示。

由表6可知，热压压力与热压时间对板材的静曲强度影响比较显著；热压压力对板材的弹性模量的影响比较显著，热压时间的影响一般显著；热压压力和时间对板材的吸水厚度膨胀率影响比较显著，其他因素影响都不显著。

2.3 各工艺因素对竹重组材料性能的影响分析

竹重组材料的热压压力从3.5 MPa 提高到4.5 MPa 时，板材的静曲强度、弹性模量上升，吸水厚度膨胀率下降；压力从4.5 MPa 提高到5.5 MPa 时，静曲强度、弹性模量下降，吸水厚度膨胀率反而提高。说明热压压力为4.5 MPa 时竹重组材料的静曲强度、弹性模量、吸水厚度膨胀率性能最好。原因是竹重组材料复合过程随着压力增大，单位体积内的竹束纤维及酚醛树脂胶粘剂含量相应增加，胶粘剂作用下，竹束细胞腔内空隙变小，板材密度增加，板材抗弯能力大幅度提高，板材结构较为致密，不易吸水，吸水厚度膨胀率较小。压力过大，竹纤维细胞易被压溃，细胞自身强度下降甚至被破坏，静曲强度、弹性模量下降[3-5]，水分容易进入细胞，吸水厚度膨胀率提高。

竹重组材料的热压时间从1.3 min·mm-1提高到1.5 min·mm-1 时，板材的静曲强度、弹性模量上升，吸水厚度膨胀率下降；热压时间从1.5 min·mm-1 提高到1.7 min·mm-1 时，静曲强度、弹性模量下降，吸水厚度膨胀率反而提高。说明热压时间为1.5 min·mm-1 时，竹重组材料静曲强度、弹性模量、吸水厚度膨胀率性能最好。原因是随着热压时间延长，压力的传递和热量的传导逐渐到位，竹束纤维开始被软化，酚醛树脂胶逐渐固化，静曲强度、弹性模量逐渐增强，耐水性能也提高，吸水厚度膨胀率指标达到最优。时间继续延长，胶粘剂容易脆化，竹束本身的化学组分将热解加剧，静曲强度、弹性模量降低，吸水厚度膨胀率逐渐提高。

竹重组材料的热压温度从135 ℃提高到155 ℃时，板材的静曲强度提高了1.8%，弹性模量提高了4.3%，吸水厚度膨胀率降低了12.5%。原因是随着热压温度升高，加快了热量由表层向芯层传递的速度，竹束纤维逐渐被软化，竹纤维化学组分得到一定程度的降解，竹纤维弹塑性变形提高，纤维活性增加，在胶粘剂作用下，竹纤维紧密结合。此外，伴随着竹束的压缩变形，板坯表芯层温度梯度逐渐加大，热传导加快，竹束内部酚醛树脂胶液流动性增强，较为均匀分布于竹纤维之间，并逐步完成固化反应的进程[6]。但热压温度过高会使竹纤维本身被热解，强度受到破坏，胶层也易脆化，影响板材的性能。从酚醛树脂胶粘剂固化反应机理分析，当温度到达146 ℃时固化效果最好，因此选择热压温度155 ℃时，板坯上下表层胶粘剂固化较理想，板坯芯层由于保温时间较长，也有利于胶粘剂固化。

竹重组材料的表层含水率从14%升至18%时，静曲强度、弹性模量逐渐上升，吸水厚度膨胀率逐渐下降；表层含水率从18%升至22%时，静曲强度、弹性模量反而下降，吸水厚度膨胀率提高。原因是竹重组材料为竹束、水分和空气的复合物，热压过程中，水分是主要的传热介质，水分汽化后可起到对流传热的效果，对流传热是板坯内部热量快速移动的主要原因。当板坯表面与高温热压板接触后，表面区域温度上升，水分汽化，在板坯表面和芯部形成温度梯度和压力梯度，其中含水率控制温度梯度变化的速率。在温度梯度和压力梯度的共同作用下，热量向芯部区域扩散、迁移，板材获得足够热量，表层含水率适当提高将加速进程，胶粘剂得到充分固化，板材性能提升[7]。但是，当表层含水率过高，由于水分吸收蒸发热量，温度的传导速度将会减慢，板坯内积累的蒸汽压使得板材内应力增加，这在热压结束卸压过程中，板坯内部需排出的水蒸气也将大量增加，容易造成分层鼓泡等板材质量缺陷[8]。

2.4 热压过程板坯芯层温度变化分析

酚醛树脂胶粘剂固化程度不足时板坯内部很容易出现变形、开裂等质量问题。热压过程中，热量的传递、压力的控制、含水率的变化直接影响胶粘剂的固化及板材的胶合强度。了解竹重组材料板坯内部芯层温度变化，有助于板材的质量控制。为此，在板坯芯层预置热电偶，检测芯层温度变化。在最佳复合工艺条件的基础上，选择热压压力4.5MPa、热压时间1.5 min·mm-1、热压温度155℃、表层含水率为18%，进行18 mm、28 mm 厚度的板材板坯芯层温度变化测试，压制3 组板材，读取每组板材的芯层温度，取平均值，其结果见表7。

表7 不同厚度下板坯芯层温度变化

从表7可知，18mm厚度与28mm厚度的板坯芯层升温速度不同，18 mm厚度的板坯在20 min时便已达到120℃，28 mm厚度的板坯要在25 min左右才达到120℃。受厚度影响，在0～10 min时，28mm厚度板坯的芯层上升较缓慢；在10～25min时，28 mm厚度板坯的芯层温度迅速上升；25min时，芯层温度达到120℃，板坯内部水分汽化，胶粘剂缩聚反应进程加剧；30～40min时，芯层温度平衡在135℃左右，热量主要被用于水分汽化的潜热，胶粘剂均匀又充分地快速固化。45～60min时，热压时间结束，开始降温，板坯温度达到60℃时开始降压，水分能够大量排出。在热压板闭合后，表层竹束的温度快速上升，芯层温度还没起变化，内外之间形成了温度差。热压过程中板坯芯层温度的变化分为快速升温阶段、水分发生汽化的恒温阶段和快速降温阶段[9,10]。热量以热传导和对流传热两种方式逐渐向芯层传递。随着板坯厚度增加，压板表面到板坯芯层的垂直距离成正比例增加，热阻增加，单位时间传递的热量减少，传热时间也随之延长。随着板坯厚度增加，水蒸汽向芯层迁移的路径也变长，水蒸气流动阻力增大，会从板坯的边部逸出，到达芯层的高温水蒸汽数量也减少，导致板坯升温速度随着厚度的增加而明显降低，要使厚度更大的板坯芯层升到相同温度的时间就越长[11]。

3 结论

竹重组材料的热压压力、热压时间、热压温度和表层含水率这四个指标对板材的静曲强度、弹性模量、吸水厚度膨胀率有着不同程度的影响。影响静曲强度、弹性模量和吸水厚度膨胀率的最主要因素是热压压力，热压时间影响第二，表层含水率影响第三，热压温度影响最小。静曲强度和弹性模量随着压力增大、时间延长、表层含水率增加先增强后下降，吸水厚度膨胀率先下降后提高。竹重组材料热压的最佳工艺条件为热压压力4.5 MPa、热压时间1.5 min·mm-1、热压温度155 ℃、表层含水率18%。竹重组材料热压过程中，板坯厚度直接影响传热效果，板坯越薄，传热速度越快。板坯厚度增大,则板的芯表层温差也较大，所需升温时间也较长。

[1] 秦莉.热处理对重组竹材物理力学及耐久性能影响的研究[D].北京:中国林业科学研究院,2010.

[2] 高黎,王正,任一萍.热压工艺曲线对竹篾胶合板性能的影响[J].木材加工机械,2012,（5）:22-25.

[3] 曹平祥,郭晓磊,李四久.新型竹木复合地板的热压工艺及其对质量的影响[J].木材工业,2008,22（1）:37-39.

[4] 李琴,张建.汪奎宏.新型复合竹地板热压工艺探讨[J].浙江林业科技,2009,29（5）:1-4.

[5] 侯伦灯.竹重组材料性能及影响机理的研究[D].江苏:南京林业大学,2012.

[6] 顾炼百,李涛,涂登云,等.超高温热处理实木地板的工艺及应用[J].木材工业,2007,21（3）:4-7.

[7] 谢力生,杨珍.板坯表面喷水对刨花板热压传热的影响[J].木材工业,2005,19（4）:13-14.

[8] 李翠翠.中密度纤维板热压过程中中芯层温度与板材性能的关系[D].湖南:中南林业科技大学,2008.

[9] 谢力生.板坯预热及板坯初始温度对干法纤维板热压传热的影响[J].林业科技,2011,47（1）:114-117.

[10] 谢力生,陈志喜.干法低密度纤维板常规热压传热研究[J].林业科技,2005,30（1）:29-31.

[11] I.Rahmanian,Y.C.Wang.A combined experimental and numerical method for extracting emperature-dependent thermal conductivity of gypsum boards[J].Construction and Building Materials:McGraw-Hill,2012,26（1）:707-722..