重组竹制备工艺对力学性能的影响

2016-04-17左迎峰吴义强肖俊华李贤军龙柯全

西南林业大学学报 2016年2期

关键词：胶液酚醛树脂热压

左迎峰吴义强肖俊华李贤军龙柯全

（中南林业科技大学材料科学与工程学院，湖南长沙410004）

重组竹制备工艺对力学性能的影响

左迎峰吴义强肖俊华李贤军龙柯全

（中南林业科技大学材料科学与工程学院，湖南长沙410004）

采用自制的中温固化酚醛树脂胶黏剂为粘结剂制备重组竹材，探索重组竹密度、竹束疏解次数、胶液固体含量、热压温度和热压时间对重组竹力学性能的影响。结果表明：重组竹密度为0.95 g/cm3，竹束疏解3次，胶液固体含量为25%，热压温度为125℃，热压时间为1.1 min/mm时，重组竹物理力学性能最优。

酚醛树脂胶黏剂；重组竹；制备工艺；力学性能

根据2014年发布的第八次全国森林资源清查显示，我国森林的面积约2.08亿hm2，占世界的4.5%，列第5位；但人均拥有的森林储蓄量却不到世界平均水平的1/4，约9.42 m3，世界排名第122位。森林的覆盖率约21.63%，占世界的3.2%，列第6位；但人均水平却仅相当于世界平均水平的61%，世界排名第130位［1］。随着我国经济的飞速发展和人们生活品质的提高，对木材的需求量越来越大。近年来，随着国家天然林保护工程的实施，国内木材的供应远低于需求，这使得木材的供需矛盾愈发明显。因此急需寻找一种能替代木材资源且生长周期短的生物资源。

竹子具有资源丰富，繁殖、再生能力强，生长周期短，材质性能优良等特性，因此竹子的商业和工业价值非常明显［2-3］。竹子具有较好的加工性能，可以通过机械加工或化学处理等方法生产出不同的竹材制品。为缓解日益严重的木材供需矛盾，可以通过以竹代木的方式有效地减少木材消耗量［4-5］。具有众多优良特性的竹材也不可避免地存在一定的缺陷。如受潮易霉变、遇虫蛀易断裂等［6］；而且受形体限制传统竹材往往呈管状或条状，很难加工成板型竹材，对实际应用产生较大影响。这些缺陷使得原竹利用率不高，制约了竹材产业的发展［7］。

为了提高竹材的利用率，可以将竹材加工成长条状竹篾、竹丝或碾碎成竹丝束，经干燥浸胶，铺放在模具中经高温高压热固化制成重组竹［8］。竹材的重组不仅优化了结构，提高了竹材利用率，且重组竹更利于生产加工，具有更好的市场适应能力［9-10］。

鉴于重组竹的众多优点，为获得物理力学性能优良的竹材人造板，本研究以自主研制的中温快速固化酚醛树脂为胶黏剂，以重组竹的制备工艺为因素进行试验。旨在获得制备重组竹的优化工艺，并为提高竹材加工利用水平提供一定的理论和实践指导。

1 材料和方法

1.1 试验材料

竹材：选取3～4年生毛竹（Phyllostachys pubescens），直径8～10 cm，来源湖南省桃花江实业有限公司；胶黏剂：自行研制的中温快速固化酚醛树脂胶黏剂，固含量54.63%，黏度3 012mPa·s。

1.2 重组竹制备

将新鲜毛竹截断成1.4m长，再进行剖分（小口径剖分为4片，大口径剖分为8片）。将剖分的竹材送至竹材碾压剖分机碾平并去青去黄，从竹片的弦向将其一分为二；将碾平后的竹片通过竹材疏解机加工处理得到不同疏解程度的竹束；将疏解的竹束烘干至含水率为7%～10%。干燥好的竹束分别在不同固体含量的胶黏剂中常压浸胶7min，陈放12 h；浸胶陈放后的竹束烘干至含水率7%～8%；按照试验设定的密度将竹束纵向组坯，长×宽×厚分别为400mm×400mm×15mm；将板坯送入模具中按照试验设定的热压温度和时间进行热压，热压压力为4～6MPa。

1.3 性能测试

对竹束的浸胶量进行检测，参照GB/T 17657—2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》检测重组竹材的静曲强度（MOR）、弹性模量（MOE）和内结合强度（IB），对比不同工艺条件下的重组竹材的力学性能。

2 结果与分析

2.1 重组竹密度对性能的影响

密度是重组竹的重要参数之一，也是重组竹材的各项性能指标的主要影响因素之一［11］。因此，分别设计制备0.85、0.90、0.95、1.00、1.05 g/cm35种密度的重组竹材，探讨密度对重组竹物理力学性能的影响，结果见图1。

从图1可以看出，重组竹的各项力学性能随着密度增大而逐渐增大。其中MOR从0.85 g/cm3时的81.91 MPa增加到了1.05 g/cm3时的160.69 MPa，增幅96.18%；MOE从0.85 g/cm3时的970 6.6 MPa增加到了1.05 g/cm3时的14 540 MPa，增幅49.79%；而IB从0.85 g/cm3时的1.23 MPa增加到了1.05 g/cm3时的2.54MPa，增幅106.50%。重组竹的力学性能随密度增大逐渐提高，表明提高密度在一定程度上可改善产品的性能。但密度过大时，一方面单位体积内竹材的质量增加，会增大原材料成本；另一方面，随着密度增大，中心层的板坯在热压快速升温阶段的升温速率减小，而使缓慢升温阶段时间增长。密度较大时热压工艺较难控制，板坯内水分很难在卸压前充分排除，从而易产生鼓泡等缺陷，影响产品质量，这就需要延长冷却时间，也就延长了产品的生产周期，同时大幅增加了能耗。此外，图1中还可以看出，密度超过0.95 g/cm3后，MOR的增幅仅为10.17%，MOE的增幅为0.65%，IB增幅为8.55%，即各项力学性能的增幅较小。因此，在重组竹物理力学性能达标的前提下，为减少生产成本，密度控制为0.95 g/cm3时性价比最高。

2.2 竹束疏解程度对性能的影响

竹束的疏解程度与疏解设备的疏解辊设计相关，本试验中采用的疏解辊为错位的环状疏解轮，竹片上形成的裂纹是通过错位疏解轮产生的挤压和剪切力产生［12］。竹束疏解次数对重组竹材浸胶量和物理力学性能均有影响，在其他工艺条件不变的情况下，分别采用竹束疏解次数为1次、2次、3次、4次和5次5个水平进行试验，结果见图2。

从图2可以看出，随着疏解次数的增加，竹束的浸胶量有增大的趋势。当竹束疏解次数为1次时，浸胶量为16.52%；疏解2次时，浸胶量为21.43%，提高较明显。但疏解次数继续增加，浸胶量的增幅有减缓的趋势，疏解3次时浸胶量为24.25%，疏解4次时浸胶量为24.49%。这是因为疏解次数较少时，竹束疏解较粗糙不均匀，竹纤维束较粗，从而影响竹束的浸胶量；随着疏解次数增加，竹束的疏解化程度增加，这大大增加了竹束的比表面积，使得在浸胶过程中竹束与胶液的接触面积增大，从而增加了竹束的浸胶量［13］；且疏解程度高的竹束比表面积较大，对胶黏剂的吸附增加，浸胶也更加均匀。

图2中，重组竹材的各项力学性能随着疏解程度增大而逐渐增大，当疏解程度为3次时达到最大值，继续增大疏解次数力学性能反而降低。这是由于当竹束疏解1次时，竹束疏解并不十分均匀，竹束比表面积较小，浸胶量较少，竹束与竹束之间的结合力较小，从而影响了竹材的力学性能。当疏解次数达到3次时，竹束的疏解层度显著增大，浸胶量也有所增加，虽然有部分竹纤维在疏解过程中被切断，但通过重组胶合可以使其愈合，不会影响板材的强度。疏解次数继续增加，竹材的纤维切断率增高，即使通过胶黏剂的胶合，也不能达到竹束自身的结合强度，反而使重组竹的力学强度降低。通过疏解化次数对竹束浸胶量以及重组竹力学性能影响的分析，得出竹束在去青去黄后通过疏解机3次疏解为最佳工艺参数。

2.3 胶黏剂固体含量对性能的影响

竹束浸泡在具有不同固体含量的酚醛树脂胶黏剂中，竹束胶液吸收量（竹束的干增质量）不同，即胶黏剂的固体含量是竹束浸胶工艺中的影响因素之一，因此也会对重组竹性能产生影响。本试验分别调制固含量为10%、15%、20%、25%、30%的胶液对竹束进行浸渍，探讨胶黏剂固体含量对重组竹性能的影响，结果见图3。

胶黏剂进行固含量调制时，以质量为基准，计算公式为：

M1L1=M2L2

式中：M1为稀释前胶液的质量（kg）；L1为稀释前胶液的固含量（%）；M2为稀释后胶液的质量（kg）；L2为稀释后胶液的固含量（%）。

从图3中可以看到，当胶黏剂固含量为10%时，竹束浸胶量为17.60%，随着胶黏剂固含量的增加，竹束浸胶量逐渐增大；当胶液固体含量达到25%时，竹束浸胶量达到最大值30%。这是因为单位体积内的胶黏剂含量增加，使胶液吸收量增加。但是当胶液固体含量增大到30%时，竹束浸胶量有所下降，为28.71%。这是由于胶黏剂的固体含量较高时，单位体积中的树脂分子密度大，分子之间的距离小，相互作用很强，其外观表现就是胶黏剂的黏度高，不利于胶黏剂在竹束中的渗透，导致了其胶液吸收量的降低。

随着胶黏剂固体含量的上升，重组竹材的物理力学性能亦呈上升趋势，固体含量为25%时，各项力学性能指标均达到最大值。这主要是由于重组竹的力学性能与其浸胶量呈线性关系，重组竹材力学性能的改变，主要是由于胶黏剂固体含量改变使浸胶量改变所致。但固体含量对各项力学性能指标的影响程度不同。当胶黏剂固体含量从10%上升到25%时，重组竹材的IB上升了311.49%，MOR上升了76.22%，MOE上升了38.52%，这主要与测试各力学性能时，试件的破坏方式有关。在测试IB时，胶层所受的力是直接作用在试件上的拉应力；而在测试MOR和MOE时，胶层所承受的是作用在试件上的压应力所产生的剪应力。对于MOR和MOE而言，二者所测试范围不同，MOR是要求持续加载至材料破坏，而MOE则是在材料弹性极限内的度量，所体现的是原料本身的刚度。因此，胶黏剂固体含量的变化对重组竹IB的影响较显著，而对MOE的影响相对较小［14］。

2.4 热压温度对性能的影响

热压温度的主要作用是使酚醛树脂胶黏剂迅速固化。热压温度越高，胶黏剂的固化速度越快，板坯由外层向内层的传热速度也会更快，芯层温度的快速升高，提高了芯层的固化率，改善了重组竹的胶合性能。因此，试验探讨了热压温度对重组竹力学性能的影响，设计热压温度为95、110、125、140、155℃5个水平进行，结果见图4。

从图4中可以看出，重组竹材的各项力学性能随着热压温度的增高有较大幅度的提高。其中MOR从95℃的111.91 MPa增加到了155℃的141.36MPa，增大26.32%；MOE从95℃的11 370 MPa增加到了140℃的138 06 MPa，增大21.42%；而IB从95℃的1.82 MPa增加到了140℃的2.34MPa，增大28.57%。从95℃到125℃，重组竹的物理力学性能增长幅度较大，说明95℃时胶黏剂在规定的热压时间内并没有得到充分固化，致使重组竹材的力学性能偏低；当温度达到125℃之后，重组竹的各项力学性能增长速率减缓，随着热压温度的继续升高，重组竹的力学性能增长幅度不大。热压温度高可以缩短热压时间，提高生产效率，但温度极限以不使竹材热解和脆化为度。同时，热压温度高不仅可以加速胶黏剂固化，也可以使板坯中的水分快速排除，但如果板坯层数较多，板坯越厚，所需压力就越大，使得板坯内的水分较难彻底排除。因此，根据实际情况，选择的热压温度为125℃，高于中温固化酚醛树脂的固化温度，有利于板材的传热，相对于普通酚醛树脂140～150℃固化温度而言，既降低了能耗，又提高了生产效率。

2.5 热压时间对性能的影响

热压时间的长短直接影响竹纤维束的软化程度及酚醛树脂胶的固化程度，随着热压时间的延长，压力的传递和热量的传导逐渐到位，竹纤维束逐渐被软化，酚醛树脂胶也逐渐固化。因此，试验探讨了热压时间对重组竹性能的影响，设计0.9、1.0、1.1、1.2、1.3 mm/min 5个水平进行，结果见图5。

由图5可见，热压时间对重组竹MOR、MOE和IB的影响相对于热压温度要小，在试验范围内，重组竹MOR、MOE和IB的性能指标随热压时间的延长均有所增大，但是增长幅度较小，热压时间从0.9mm/min增加到1.3 mm/min，MOR增长了21.52%，MOE增长了9.31%，IB增长了5.02%。但是热压时间的延长，酚醛树脂胶固化速度加快，竹重组板材表面易形成硬壳，不利于压力的传导；而且酚醛树脂的过分固化还会导致竹重组板材变脆，从而降低竹重组板材MOR、MOE和IB等性能指标。缩短热压时间能有效的降低生产成本，同时增加生产效率。因此，在保证重组竹性能的同时，应选择较短的热压时间；且热压时间达到1.1 mm/min后，重组竹的各项力学性能指标趋于稳定。因此，根据实际情况，选择热压时间为1.1 mm/min较合适。

3 结论

以3～4年生毛竹为原料，采用自制的中温固化酚醛树脂胶黏剂制备重组竹材，通过单因素试验探索了重组竹密度、竹束疏解程度、胶液固体含量、热压温度和热压时间对重组竹性能的影响规律，得出重组竹密度为0.95 g/cm3，竹束疏解3次，胶液固体含量为25%，热压温度为125℃，热压时间为1.1 min/mm时，重组竹物理力学性能最优。

致谢：感谢中南林业科技大学木材科学与技术国家重点学科、林业工程湖南省重点学科、湖南省竹木加工工程技术研究中心、竹业湖南省工程研究中心和湖南省普通高等学校生物质复合材料重点实验室提供平台支持。

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（责任编辑曹龙）

Effect of Preparation Technology on Mechanical Properties of Reconstituted Bamboo

Zuo Yingfeng，Wu Yiqiang，Xiao Junhua，Li Xianjun，Long Kequan
（College of Material Science＆Engineering，Central South University of Forestry＆Technology，Changsha Hunan 410004，China）

Reconstituted bamboo was prepared with the independent research and development of moderate temperature curing phenol-formaldehyde resin adhesive as binder.The effect of density of reconstituted bamboo，crushing times of bamboo beam，solid content of adhesive，hot pressing temperature and time on the mechanical properties of reconstituted bamboo was studied.The research results showed thatunder the conditions of this study，when the density of recombinantbamboowas0.95 g/cm3，crushing times ofbamboo beam was3 times，solid content of adhesive was 25%，hot pressing temperature was125°C and hot pressing time was 1.1 min/mm，reconstituted bamboo had the optimalmechanical properties.

phenol-formaldehyde resin adhesive；reconstituted bamboo；preparation technology；mechanical properties