密度分级规格竹条制备的竹层板性能1)

刁倩倩 杨利梅 宋光喃 孙正军 刘焕荣 张秀标

(国际竹藤中心，北京，100102)

据统计，我国竹类植物有35个属，将近400个种，现有竹林面积约720万hm2，是世界竹类资源第一大国，素有“竹子王国”美誉。而我国的木材资源相对缺乏，因此科学合理地开发竹材资源十分重要[1-4]。

随着竹材基础研究和应用研究的不断深入，加工利用技术的不断更新，目前已开发出多种竹人造板材和复合材料，如竹编胶合板、竹席/帘胶合板、竹车厢底板、竹集成材、重组竹及竹木复合材料等，广泛应用于家具、家居、建筑及户外装饰等[5-7]。竹材作为一种功能梯度变异型复合材料，具有中空、薄壁、尖削度大及各向异性等特点，导致基本加工单元，如竹篾、竹束、竹条等自身差异大，同时还受到竹龄、竹种等因素影响，其产品质量不均一，性能难以控制。而在木材行业，工程木材是通过对基本单元分级和生产过程的精细化控制实现的，这对竹材的工业化应用具有重要的借鉴意义。

肖岩等[8-9]对结构用胶合竹的力学性能进行了测试研究，结果表明格鲁斑胶合竹能够满足建筑结构对材料主要力学性能的要求。陈绪和[10]首次将竹集成材和竹胶合板应用到建筑当中，扩大了竹材在建筑领域的应用范围。李俊对胶合竹层板的制备和力学性能进行了研究[11]。但是这些研究均没有对胶合竹的基本单元进行严格的分级，因此难以精确地控制产品的强度模量等。孙正军[12]开展了竹材的分级及应用研究，将去竹青和竹黄后的竹蔑分为A、B、C、D 4个等级，靠近竹青一侧的A、B等级力学性能较好，C、D等级可用作做高湿环境下使用的材料。陈国宁[13]开展了竹层板模量分级及应用研究。宋光喃等[14]研究了规格竹条的密度及模量分级以及分级胶合竹层板的设计、制造及评价等，对优化竹产品的性能提供了思路。

本研究以密度分级的毛竹(Phyllostachysedulis)规格竹条为研究对象，将相同密度等级的规格竹条组坯热压制备竹层板，系统研究各密度等级规格竹条制备竹层板的力学性能，探讨规格竹条密度分级对竹层板性能的影响，研究结果为非结构用竹产品的性能调控提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

规格竹条：竹种为毛竹，4年生，竹条理论尺寸为2 100 mm(长)×20 mm(宽)×6 mm(厚)，由浙江新昌县嘉诚竹制品厂订制，其气干状态时平均含水率为11.94%。

酚醛树脂胶黏剂：型号为P4916，固质量分数为43.96%，黏度(20 ℃)为52 Pa·s，购自太尔化工(南京)有限公司。

1.2 仪器及设备

单层热压机(购自青岛国森机械有限公司)、微型台式圆盘锯机、INSTRON 5582万能力学实验机(载荷传感器有10、100 kN)、INSTRON Dynatup 9250 HV落锤式冲击试验机(最大落锤重量为65 kg，最大冲击速度为20 m/s)、自制长跨距弹性模量测试试验机。

1.3 方法

1.3.1 规格竹条密度分级

参照宋光喃[15]对规格竹条密度分级的方法对规格竹条进行测定和分级(见表1)，由于实际测量过程中D85、D90等级的规格竹条数量较少，因此本研究只使用了D50—D80这7个密度等级的规格竹条。

表1 规格竹条密度等级分级方法

1.3.2 竹层板制备

竹层板制备工艺流程如下：相同密度等级规格竹条→干燥→浸胶→二次干燥→组坯→热压→冷却、陈放。

竹条干燥：将各密度等级规格竹条标记后放入干燥窑中50 ℃干燥，直至规格竹条的平均含水率降至8%左右。

竹条浸胶：将干燥后的规格竹条浸没在浸胶池内，浸胶时间为40 min，平均浸胶量为9.3%。

二次干燥：将浸胶的规格竹条在室温条件下气干至表干状态。

竹条组坯：将相同密度等级的规格竹条在其厚度方向上将浸胶竹条和未浸胶竹条交替排列，竹层板的最外侧为未浸胶竹条，每9根规格竹条组坯为一组。

热压：热压温度135 ℃，正压压力1.0 MPa，侧压压力1.2 MPa，热压时间20 min。

冷却陈放：将热压好的板材取出，放置于水平台上冷却陈放以备用。

1.3.3 竹层板物理力学性能测试

不同密度等级规格竹条制备竹层板的含水率和密度、顺纹抗拉弹性模量与强度、顺纹抗压强度、抗弯弹性模量与强度、三点弯冲击韧性参照GB/T 17657—2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》标准，长跨距弹性模量参照AITC T116，拉伸剪切强度参照ASTM D906。

2 结果与分析

2.1 竹层板的密度及含水率

相同工艺条件下，不同密度等级规格竹条制备的竹层板含水率相差不大，平均含水率约为5.35%，而竹层板的密度与相应等级规格竹条的密度相比下降了0.02～0.05 g/cm3。为了便于对比和统计，选择竹层板的密度等级区间与规格竹条密度等级区间一致，结果见表1。可以看出规格竹条密度分级后，其制备的竹层板密度区间无重叠，说明规格竹条密度分级可以有效控制竹层板的密度。这对于非结构用竹产品生产具有指导意义，即密度分级可以有效控制产品的质量。

表2 不同规格竹条制备不同等级竹层板的气干密度

2.2 竹层板的顺纹抗拉强度及模量

不同密度的竹层板顺纹抗拉强度与弹性模量测试及统计结果见表3。从整体上看，随着密度等级的增加，竹层板的抗拉弹性模量和强度均值呈现增大的趋势，在所有密度等级中D75和D80等级的抗拉性能较好。可知，其中D75等级的抗拉强度变异系数最小为11.31%，D50等级的抗拉强度变异系数最大为14.33%；D70等级的弹性模量的变异系数最大为12.81%，D75等级竹层板的弹性模量均值比D70等级稍小；D80等级的竹层板的抗拉强度比D75的小，D70、D75、D80等级的竹层板的抗拉弹性模量值范围分别为：4.47～6.02、5.09～5.54、5.60～6.61 GPa，其抗拉强度范围值分别为：53.02～74.79、51.96～69.59、50.94～70.35 MPa。由此可知相邻两个等级之间的抗拉弹性模量和强度范围存在交叉重合，甚至存在一等级范围包含另一等级范围的现象。因此通过规格竹条密度分级制备竹层板，竹层板的力学性能并不能得到精确的控制，只是在一定程度上得到了优化。

表3 竹层板顺纹抗拉弹性模量和强度

2.3 顺纹抗压强度

表4所示的是竹层板抗压强度结果统计，可知竹层板顺纹抗压强度均值与密度等级有一定的正相关性。不同密度等级的竹层板顺纹抗压强度范围是27.09～50.89 MPa，且其变异系数均不大，D70等级变异系数最大为7.99%，D65最小变异系数值为4.84%，各个等级抗压强度值离散程度低，数值较集中。D75和D80等级竹层板的顺纹抗压强度均值较大，因此其抗压性能较好。D65、D70、D75等级的抗压强度范围分别为35.31～40.81、34.74～46.36、40.89～49.18 MPa，可见相邻密度等级竹层板的顺纹抗压强度范围存在重合区域。因此在重合区域内的竹层板性能区分较困难，密度分级规格竹条制备竹层板的性能并不能完全得到控制。

2.4 抗弯弹性模量与强度

从表5所示的竹层板抗弯试验测试结果中可知，不同密度等级的竹层板随着密度等级的增加，其抗弯弹性模量和强度均有增加的趋势。抗弯强度的变异系数较弹性模量变异系数偏大，D50等级抗弯强度变异系数最大为9.37%，D70等级抗弯强度最小为3.54%。D70等级的抗弯强度均值比D75等级略大，而D65—D80等级抗弯强度区间大部分重叠，相差不大；D65等级强度区间126.94～145.25 MPa，D70等级区间为131.97～146.42 MPa，D75等级区间127.57～145.71 MPa，D80等级区间为132.71～158.28 MPa。在GB/T 20240—2006《竹地板》标准中要求厚度>15 mm板材的抗弯强度指标值≥75 MPa，从表5中可知只有D50等级部分竹层板的抗弯强度不符合标准，其他等级均符合。因此在竹地板的生产应用过程中应舍弃低密度等级竹层板，使用高密度或者中密度等级竹层板。

表4 竹层板顺纹抗压强度

表5 竹层板抗弯弹性模量与强度

2.5 长跨距弹性模量

表6为竹层板长跨距弹性模量，可知不同密度等级弹性模量的平均值随着密度等级的增加而增加，二者具有一定的正相关性。D70和D75等级的长跨距抗弯弹性模量范围重叠部分最大，D70等级范围为11.52～12.92 GPa，D75等级范围为12.19～12.73 GPa。各密度等级竹层板的长跨距抗弯弹性模量的变异系数均较小。

2.6 拉伸剪切强度

表7为竹层板拉伸剪切强度试验测试结果，可知径向拉伸剪切强度稍大于弦向强度，主要是由于径向破坏时需要破坏胶层，因此其强度比弦向强度大。D80等级径向拉伸剪切强度最大，D75等级弦向拉伸剪切强度最大。弦向拉伸剪切强度变异系数比径向变异系数大，D50等级弦向拉伸剪切强度变异系数最大为14.48%，D80等级径向拉伸强度的变异系数最大为14.68%。各密度等级的径向拉伸剪切强度平均值随密度等级的增加有增加的趋势，而弦向拉伸剪切强度无明显变化规律。

表6 竹层板长跨距弹性模量

表7 竹层板拉伸剪切强度

2.7 冲击韧性

表8为不同密度等级的竹层板冲击吸收功和冲击韧性试验测试结果，可知道随着密度等级的增加，竹层板的冲击韧性和冲击吸收功均呈现先增加后减小的趋势，D70等级的冲击吸收功和冲击韧性最大，自D70等级向两侧等级呈现递减趋势。

表8 竹层板冲击吸收功和冲击韧性

3 结论与讨论

竹层板气干密度与相应规格竹条密度具有一致性，说明规格竹条密度分级可以有效控制竹层板的密度。

不同密度等级竹层板，其顺纹抗拉弹性模量与强度、顺纹抗压强度、抗弯弹性模量与强度、径向拉伸剪切强度均值随密度等级的增加呈增大的趋势，弦向拉伸剪切强度变化趋势不明显，而三点弯冲击韧性则呈现先增加后减小的趋势。不同等级之间竹层板的力学指标有交叉，相同密度竹层板的各力学性能指标变异系数较大，说明仅仅依靠密度分级实现对产品力学性能精确控制还存在一定的困难。

D75和D80密度等级竹层板的力学性能较优异，而D70密度等级的三点弯冲击吸收功和冲击韧性最好。因此在生产制备对强度有要求的竹产品时可以优先考虑高密度竹层板。

以规格竹条为基本单元的竹产品，如对使用强度无要求，可考虑采用密度分级控制产品质量，而对使用强度及模量有要求时，分级方法还需要细化，包括基于密度的模量分级以及基于模量的密度和强度分级等。

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