云南松正交胶合木胶合工艺探索∗

张 龙 彭 思 王建和 卫佩行 黄素涌

（1.西南林业大学材料科学与工程学院，昆明 650224；2.宁波中加低碳新技术研究院有限公司，宁海 315600；3.江苏农林职业技术学院彩叶林木育种与培育国家长期科研基地，句容 212400）

近年来，正交胶合木（Cross-laminated Timber，CLT） 的使用使得中高层木结构建筑成为可能。国外科学家对CLT的系统化研究起步较早，用于CLT制造的原材料主要为云杉-松木-冷杉（Spruce-Pine-Fir，SPF）、花旗松和落叶松等树种[1-4]。而国内对于CLT的研究无论是材料还是应用皆处于起步阶段，利用国内树种实现CLT的国产化，提高国产树种的附加值具有重要的现实意义。目前针对CLT材料的研究还仅限于杨木、桉木、杉木和国产日本落叶松等少数速生人工林树种[5-10]，尚未见云南松制备CLT的相关报道。

云南松（Pinus yunnanensis）是我国西南地区人工造林优选树种[11-12]，与其相关的研究主要集中在多样性、选优、育苗、防虫害、森林资源动态以及管理等资源保护方面，对其利用也仅限于胶合板的制造和药用资源的开发利用等[12-17]。CLT制备技术为云南松的增值利用提供了新的可能。

云南松硬度较软（2.72～3.75 MPa），易于加工，且其差异干缩中等（1.7～2.0），气干密度中等（581 ～635 kg/m3），弹性模量为10 970～14 730 MPa，抗弯强度为92～128 MPa，为云南省主要的胶合板用材树种[16-21]。据相关报道，云南松胶合板的胶合强度能达到1.37～2.72 MPa，符合国家标准GB/T 9846—2015第Ⅱ类胶合板的质量要求[16-17]，云南松及其胶合制品性能较好，具有制备CLT的潜力。

木材在胶接时，木材的种类以及表面结构、形态和化学成分等对胶合质量有影响[22-25]。然而木材的种类、胶黏剂种类和施胶量以及压力对胶合木的胶合质量有很大影响[25-30]。笔者采用不同的胶黏剂、施胶量以及压力制备云南松CLT，以胶层剪切强度、木破率、剥离率评价云南松CLT胶层剪切性能和胶层耐久性能[31]，研究云南松用于CLT制造的可行性，为后续中试和批量生产提供基础技术数据。

1 材料与方法

1.1 材料

云南松CLT所用锯材购自云南昆明西南木材市场，锯材等级为目测分等Ic级，尺寸规格为700 mm× 140 mm×35 mm，平均含水率为10.3%，平均气干密度为564.7 kg/m3。所用聚氨酯胶黏剂分别为国产EPI、国产PUR和进口PUR，三种胶黏剂的使用说明见表1。

表1 胶黏剂特性Tab.1 Adhesives properties

1.2 试验设备

试验采用的主要设备如表2 所示。

表2 试验设备Tab.2 Experimental facilities

1.3 试样制备

首先，通过两层正交结构的云南松胶合木试验，初步探索胶黏剂对云南松胶合木胶合性能的影响以及云南松用于胶合木制造的可行性。根据CLT生产要求和胶黏剂使用说明，云南松胶合木试样制备工艺参数为：采用国产EPI、国产PUR和进口PUR胶黏剂，对应每种胶黏剂，施胶量和压力分别为180 g/m2和1.2 MPa。然后，根据云南松胶合木试验结果，进一步探索何种胶黏剂适用于三层结构云南松CLT的制造。最后，采用不同压力和施胶量制造三层结构云南松CLT，探索用于云南松CLT制造的较优工艺参数。三层结构云南松CLT的制造工艺参数见3。

表3 云南松CLT试验工艺参数Tab.3 Pressing parameters of Pinus yunnanensis CLT

试样制备时，采用手工涂胶、正交组坯方式，组坯时间为10 min，压制时间为90 min。两层云南松胶合木制备1 块试样，三层云南松CLT制备2 块试样。依据北美ANSI/APA PRG 320-2019 标准[31]，制备的胶合木试样幅面尺寸为700 mm×700 mm，每块试样取3 个浸渍试件和3 个剪切试件。浸渍试件尺寸为80 mm×80 mm× 100 mm；在浸渍试件基础上，剪切试件加工成楼梯状，楼梯进深为6 mm。

1.4 测试方法

1.4.1 锯材物理力学性能测试

依据GB/T 28993—2012《结构用锯材力学性能测试方法》，对56 个759 mm(长)×90 mm(宽)×33 mm(厚)的云南松试件进行含水率、密度、抗弯弹性模量以及抗弯强度的测试，以确定云南松是否达到CLT原材料的要求。

1.4.2 胶合性能测试

依据北美ANSI/APA PRG 320-2019 标准对试件胶层进行剪切性能和耐久性能测试。耐久性能测试采用真空-加压-高温试验法。每个工艺条件和测试条件下，测试值取平均值。

2 结果与讨论

2.1 锯材物理力学性能

经测试，云南松锯材含水率为10.9%～13.8%，密度为453.8～743.0 kg/m3，弹性模量为8 596～21 944 MPa，抗弯强度为42.2～118.7 MPa。根据北美ANSI/APA PRG 320-2019标准要求，云南松锯材的含水率和密度达到CLT胶合的条件。云南松的抗弯弹性模量和抗弯强度等级达到ANSI/APA PRG 320-2019标准E3等级以上，可用于制作强度等级较高的CLT。

2.2 胶黏剂对云南松胶合木的影响

2.2.1 两层云南松胶合木

三种胶黏剂制造的云南松胶合木胶层剪切性能如图1 所示，由进口PUR制造的云南松胶合木胶层剪切性能较差，这是因为进口PUR固化速度较慢，胶黏剂渗入到木材表层较多，因此胶层剪切强度较差。而由国产EPI制造的云南松胶合木胶层剪切性能较好，这是因为国产EPI是水性异氰酸酯胶黏剂，分子量较低，易于浸润木材，与木材表面形成了良好的胶接。

图1 三种胶黏剂制造的云南松胶合木胶层剪切性能Fig.1 The shear properties of the adhesive layer of Pinus yunnanensis glulam manufactured by three adhesives

图1 结果显示，国产EPI、国产PUR和进口PUR三种胶黏剂制造的云南松胶合木胶层剪切强度和木坡率分别为3.78、3.04、2.05 MPa和96.67%、63.33%、15.00%，云南松胶合木胶层剪切强度与南方松CLT的测试结果（2.86～4.38 MPa）相近[32-33]。仅国产EPI制造的云南松胶合木木破率超过80%，而其余的木破率却未达到北美ANSI/APA PRG 320-2019 标准要求。从胶层剪切性能看，宜采用国产EPI制造云南松胶合木。

对三种胶黏剂制造的云南松胶合木胶层剪切强度和木破率结果进行单因素方差分析，结果如表4 所示，不同胶黏剂对云南松胶合木胶层剪切强度影响显著（P＜0.05），对木破率影响极其显著（P＜0.01）。

表4 云南松胶合木剪切强度和木破率单因素方差分析结果Tab.4 One-way variance analysis results of the shear strength and percentage wood failure of Pinus yunnanensis glulam

如表5 所示，不同胶黏剂制造的云南松胶合木胶层耐久性各异。在三种胶黏剂中，国产EPI和国产PUR表现出良好的胶层耐久性，两者剥离率均为0%。而进口PUR为发泡型胶黏剂，在固化过程中，会产生大量二氧化碳，形成胶层含有大量气泡，其胶层易受水侵蚀、溶解，胶层耐久性较差。国产EPI、国产PUR制造的云南松胶合木胶层剥离率均低于10%，达到北美ANSI/APA PRG 320-2019 标准要求，而进口PUR制造的云南松胶合木胶层剥离率为33.42%，未达到标准要求，胶层耐久性不合格。从胶层耐久性考虑，国产EPI和国产PUR可用于云南松胶合木制造。

表5 云南松胶合木浸渍试验结果Tab.5 The delamination results of Pinus yunnanensis glulam

对三种不同胶黏剂制造的云南松胶合木胶层剥离率结果进行单因素方差分析，结果如表6 所示。胶黏剂对云南松胶合木胶层剥离率影响显著（P＜0.05）。

表6 剥离率单因素方差分析结果Tab.6 One-way variance analysis results of the rate of delamination

两层云南松胶合木试验结果综合表明：1）云南松胶合木胶层剪切强度为2.05～3.78 MPa，木破率和剥离率能达到北美ANSI/APA PRG 320-2019 标准要求，云南松可用于胶合木制造。2）不同胶黏剂对云南松胶合木胶合性能影响显著（P＜0.05）。3）国产胶黏剂制造的云南松胶合木胶合性能优于进口PUR制造的，宜采用国产胶黏剂制造云南松胶合木。

2.2.2 三层云南松CLT

三层云南松CLT试验结果如表7 所示，云南CLT与南方松CLT的胶层剪切性能[32-33]相近，甚至某些条件下，云南松CLT显示出较好的胶层剪切性能。除用国产PUR制造的云南松CLT胶层木破率为58.75%，国产EPI制造的云南松CLT胶层木破率均超过80%，达到北美ANSI/APA PRG 320-2019 标准要求。云南松CLT胶层剥离率均在10%以下，符合北美ANSI/APA PRG 320-2019 标准要求。Hindman等[33]研究指出，南方松CLT胶层剥离率达到17.2%，与南方松CLT相比，用国产胶黏剂制造的云南松CLT显示出较好的胶层耐久性。

表7 云南松CLT的胶合质量Tab.7 The bonding quality of Pinus yunnanensis CLT

表7P1-P2 试验结果显示，国产EPI制造的云南松CLT显示出较好的胶层剪切性能。用国产EPI制造的云南松CLT胶层剪切强度比用国产PUR制造的高出19.14%，木破率高出51.78%。三层云南松CLT与两层云南松胶合木试验结果相似，仅国产EPI制造的云南松胶合木木破率达到北美ANSI/APA PRG 320-2019 标准要求；然而，用国产PUR制造的云南松CLT却显示出较好的胶层耐久性。总的来看，宜采用国产EPI制造云南松CLT。

分析研究三种不同胶黏剂对云南松胶合木的影响，结果表明：1）采用不同胶黏剂制造的云南松胶合木，胶合质量各有差异，且不同胶黏剂对云南松胶合木胶合性能影响显著（P＜0.05）。2）云南松胶合木的胶合强度与南方松CLT的胶合强度相近，木破率和剥离率均达到北美标准ANSI/APA PRG 320-2019 要求，云南松可用于CLT的制造。3）采用国产EPI制造的云南松胶合木胶合性能优于用国产PUR和进口PUR制造的胶合木，因此选用国产EPI制造云南松CLT为宜。

2.3 施胶量对云南松CLT的影响

如图2 所示，随着施胶量的增加，云南松CLT胶层剪切强度和木破率也在增加，施胶量从180 g/m2增至200、220 g/m2，剪切强度和木破率分别提高了9.73%、34.65%和1.91%、13.81%，这是因为随着施胶量的增加，胶接表面胶黏剂涂布更加均匀、充分。

图2 不同施胶量对云南松CLT胶层剪切性能的影响Fig.2 Effect of different adhesive spread rate on the shear properties of the bonding layer of Pinus yunnanensis CLT

如图3 所示，随着施胶量的增加，云南松CLT胶层剥离率也随之增加，当施胶量从180 g/m2增至200 、220 g/m2时，剥离率分别提高了23.36%、13.69%，这是由于随着施胶量的增加，胶层增厚，在浸渍试验过程中，胶黏剂易溶于水。

图3 不同施胶量对云南松CLT胶层耐久性的影响Fig.3 Effect of different adhesive spread rate on the durability of the bonding layer of Pinus yunnanensis CLT

对不同施胶量制造的云南松CLT胶层剪切强度、木破率和剥离率试验结果进行单因素方差分析。如表8 所示，不同施胶量对云南松CLT胶层剪切强度影响极其显著（P＜0.01），对云南松CLT胶层木破率影响显著（P＞ 0.05），而对云南松CLT剥离率影响不显著（P＞ 0.05）。

表8 不同施胶量制造的云南松CLT胶合性能单因素方差分析结果Tab.8 One-way variance analysis results of the bonding properties of Pinus yunnanensis CLT manufactured by different adhesive spread rate

分析不同施胶量对云南松CLT的影响，结果表明：施胶量对云南松CLT胶层剪切性能影响显著（P＜0.05），对云南松CLT胶层耐久性影响不显著（P＞0.05）。随着施胶量的增加，云南松CLT胶层剪切性能提高，胶层耐久性有不同程度的增加。

2.4 压力对云南松CLT的影响

如图4 所示，随着压力的增加，云南松CLT胶层剪切强度和木破率减少，压力从0.8 MPa增至1.2、1.6 MPa时，剪切强度和木破率分别降低了5.99%、14.84%和10.45%、14.64%，压力增加会降低云南松CLT胶层剪切性能。

图4 不同压力对云南松CLT胶层剪切性能的影响Fig.4 Effect of different pressure on the shear properties of the bonding layer of Pinus yunnanensis CLT

如图5 所示，随着压力的增加，云南松CLT胶层剥离率呈现先增加后减少的趋势，压力从0.8 MPa增至1.2 MPa，剥离率增加了108%，当压力增至1.6 MPa时，剥离率却降低了87.08%。通常随着压力的增加，胶层变薄，胶层的耐久性会提高。而云南松CLT胶层剥离率随着压力的增加呈先增加后减少的趋势，这很大程度上与木材胶接界面性质有关。

图5 不同压力对云南松CLT胶层耐久性能的影响Fig.5 Effect of different pressure on the durability of the bonding layer of Pinus yunnanensis CLT

对不同压力制造的云南松CLT胶层剪切强度、木破率和剥离率试验结果进行单因素方差分析。如表9所示，不同压力对云南松CLT胶层剪切强度和剥离率影响不显著（P＞0.05），而对云南松CLT胶层木破率影响显著（P＜0.05）。

表9 不同压力制造的云南松CLT胶合性能单因素方差分析结果Tab.9 One-way variance analysis results of the bonding properties of Pinus yunnanensis CLT manufactured by different pressure

试验结果表明，压力对云南松CLT胶层木破率影响显著（P＜0.05），对云南松CLT胶层耐久性影响不显著（P＞0.05）。随着压力的增加，云南松CLT胶层剪切性能也在降低，胶层耐久性呈先增加后减少的趋势。

综合分析不同胶黏剂、施胶量、压力对云南松CLT胶合性能的影响，得出制造云南松CLT的较优工艺参数为：采用国产EPI胶黏剂，施胶量为220 g/m2，压力为0.8 MPa。

3 结论

为探索云南松用于CLT制造的可行性，研究了不同胶黏剂、施胶量以及压力对云南松CLT胶合性能的影响，得出以下结论：

1）云南松锯材物理力学性能达到CLT制造要求，且云南松CLT胶层剪切强度达到2.05～4.43 MPa，胶层木破率和剥离率达到北美ANSI/APA PRG 320-2019标准要求，云南松可用于CLT的制造。

2）不同胶黏剂对云南松CLT胶合性能影响显著（P＜0.05）；不同施胶量和压力对云南松CLT胶层剪切性能影响显著（P＜0.05），对胶层耐久性能影响不显著（P＞0.05）。随着施胶量的增加，云南松CLT的胶层剪切性能提高，随着压力的增加，云南松CLT的胶层剪切性能降低。

3）从胶层剪切性能、胶层耐久性能以及生产效率和成本综合考虑，制造云南松CLT的较优工艺参数为：采用国产EPI胶黏剂，施胶量为220 g/m2，压力为0.8 MPa。