竹展平板拉伸剪切胶合性能

刘焕荣，杨晓梦,2，张秀标，苏勤，张方达，费本华*

(1. 国际竹藤中心，国家林业和草原局/北京市共建竹藤科学重点实验室，北京 100102；2. 宁波大学潘天寿建筑与艺术设计学院，浙江 宁波 315211)

竹材是以纤维为增强相、薄壁组织为基质相的天然梯度复合材料[1]。在竹壁径向从竹青到竹黄，纤维含量呈指数梯度减少，纤维含量达80%的竹青部位竹材的拉伸强度是竹黄(纤维含量15%)的5倍多，而纤维含量决定竹材的力学特性[2-3]。张巧玲[4]和朱益萍等[5]研究表明，水、脲醛树脂胶黏剂(urea-formaldehyde resin，UF)和酚醛树脂胶黏剂在竹青侧弦切面的湿润性均比竹黄侧差。改性酚醛树脂在碳化竹材胶合界面中的渗透深度优于漂白竹材[6]，其中，4～6年生的竹材胶合性能较好，且竹青与竹黄的组坯方式适宜实际生产[7]。马红霞[8]研究了UF胶合竹木复合材料，发现胶合性能由高到低依次为漂白竹材>碳化竹材>碳化竹材/杨木单板复合材料。于文吉等[7]和江泽慧等[9]采用扫描电镜观察了UF与竹材的胶合界面，发现胶黏剂主要分布在加工过程中破损的细胞腔中，其渗透深度与竹材表面细胞腔直径相关。因此，纤维含量对竹材表面的浸润性和胶合性能也有重要影响。

竹展平板是竹筒经软化、展开、定型而成的片状材料，是圆形竹筒板材化利用的一种方式，其宽度可达300 mm以上，厚度可达10 mm以上[10]。在竹展平板厚度方向上，纤维含量也呈梯度变化，竹青面的纤维含量显著高于竹黄面。笔者以无刻痕竹展平板为研究对象，通过双切口拉伸剪切测试方法探讨不同纤维含量的竹展平板在湿态和干态条件下的胶合性能，并分析拉伸剪切力学行为和破坏方式，同时也分析了不同热压压力和施胶量条件下胶合面结合和胶层形成情况对胶合性能的影响，以期对研发新型竹集成材和拓宽竹展平板应用领域提供试验数据与理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

4年生毛竹(Phyllostachsedulis)采自浙江省新昌县，竹高大于10 m，胸高处直径10～14 cm。根据文献[11]中的竹展平装置，按照图1所示的工艺流程在展平装置上完成剖分后弧形竹片的定弧定厚整形、竹青竹黄刨切和展开定型等工序。竹展平板平衡含水率为8%～10%，尺寸为1.2 m×80 mm×9 mm(长×宽×厚)。为消除材料本身的差异性，挑选密度相近的竹展平板作为试验材料。

图1 弧形竹材展平工艺流程图Fig. 1 Flow chart of arc bamboo flattening process

脲醛树脂胶黏剂购自龙泉市辰龙胶水有限公司，固含量≥46%，涂-4杯黏度≥18 s，pH 7.0～9.5，主剂与固化剂质量比为100∶0.8。

1.2 试验方法

采用单因素试验方法研究组坯方式、施胶量和热压压力3个因素对不同纤维含量的竹展平板胶合性能的影响，试验因素水平见表1。

表1 试验因素水平Table 1 Experimental factors and levels

以拉伸剪切强度作为胶合性能的衡量指标进行对比，其中，对不同组坯方式下的胶合性能进行了干态剪切强度和水煮后剩余剪切强度的对比，其余因素下的胶合性能都在干态条件下进行拉伸剪切试验。拉伸剪切强度试件制备和测试参照GB/T 33333—2016《木材胶黏剂拉伸剪切强度的试验方法》中的双层剪切试验进行。

湿态剪切强度参照GB/T 17657—2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》进行测试。首先将试件置于沸水中煮4 h，之后在(63±3)℃的电热鼓风干燥箱中干燥16～20 h；再水煮4 h后，置于室温水中冷却0.5～1 h。每种工艺重复4块试件，每种测试重复4次，剪切破坏后记录试件木破率。

拉伸剪切强度计算公式为τ=Pmax/bl。式中：τ为剪切强度，MPa；Pmax为最大破坏载荷，N；b为试件剪切面宽度，mm；l为试件剪切面高度，mm。

2 结果与分析

2.1 拉伸剪切强度与破坏模式

在不同组坯方式下，3种竹展平板的干态和湿态拉伸剪切强度如图2所示。从图2中可以看出，竹青-竹青组坯方式下的干态胶合性能较好，相比竹黄-竹黄组坯方式增加了37.29%。与干态拉伸剪切强度相比，3种竹展平板水煮后的湿态拉伸剪切强度均大幅下降，保留率均低于50%(图3)，其中，竹青-竹黄组坯方式下的湿态拉伸剪切强度降幅最大。

3种不同组坯方式下的干态剪切位移-荷载曲线见图4。由图4可知，竹青-竹青和竹青-竹黄组坯方式下的曲线基本呈直线状，荷载稳定增大到最大后陡然下降，而竹黄-竹黄组坯方式下位移-荷载曲线则出现直线上升、缓慢上升和陡然下降三阶段，这与性能相对较低的竹黄面在缓慢上升段发生塑性变形相关。3组曲线在达到最大荷载后陡然下降，表明竹展平板胶层均为正常的剪切破坏。不同组坯方式下的剪切破坏形式见图5，竹青-竹青组坯时的剪切破坏为一侧竹青纤维的拉伸破坏，其表面较平整；竹青-竹黄和竹黄-竹黄组坯时均为竹黄面的竹材破坏，在断面可以看到薄壁细胞的剪切破坏，且断面较粗糙。

图2 不同组坯方式下的拉伸剪切强度Fig. 2 Tensile shear strength under differentassemble patterns

图3 不同组坯方式下的湿态拉伸剪切强度保留率Fig. 3 Retention rate of green tensile shear strengthunder different assemble patterns

图5 不同组坯方式下竹展平板干态剪切破坏形式Fig. 5 Dry shear failure types of flattened bamboo sheet in different assemble patterns

图4 不同组坯方式下的干态剪切荷载-位移曲线Fig. 4 Dry shear loading-displacement curves under different assemble patterns

基于竹材纤维含量的径向梯度变异，不同组坯方式对胶合性能有重要影响。竹青面纤维含量高、材性好，但不利于胶黏剂的渗透；竹黄面纤维含量少，薄壁细胞多，利于胶黏剂的渗透，但胶合面性能相对较差。在热压时间10 min、热压温度110 ℃、热压压力1.5 MPa条件下，竹展平板的胶合性能主要由基材性能决定。同理，由于竹青、竹黄面的纤维含量不同，在水煮过程中，不同纤维含量的胶合面基材发生干缩湿胀的程度不同，产生的胶层内应力也会降低胶合剪切强度，导致竹青-竹黄组坯方式下的湿态拉伸剪切强度降幅高于另外两组。因此，竹材性能的径向梯度变异不仅影响其干态拉伸剪切强度，也对其湿态胶合性能有重要影响。

2.2 热压压力对胶合性能的影响

在施胶量210 g/m2、热压时间10 min、热压温度110 ℃的条件下，3种组坯方式下的竹展平材在1.0，1.5和2.0 MPa 3种热压压力下的拉伸剪切强度如图6所示。从图6中可以看出，不同组坯方式下热压压力对胶合性能的影响情况不同，竹青-竹青和竹青-竹黄组坯时的胶合性能均在热压压力为1.5 MPa时较优，而竹黄-竹黄组坯时在热压压力为2.0 MPa时较优。随着热压压力的增大，竹青-竹青和竹青-竹黄组坯时的剪切强度呈现先增大后减小的趋势。这是因为当热压压力较小时，界面上容易形成厚度不均的胶膜，由于竹青面纤维含量较多，表面致密、光滑，脲醛树脂胶黏剂在竹青面的润湿性较差[8,12]；而当热压压力过大时，胶黏剂尚未充分润湿竹青面就会被挤出，形成缺胶现象，从而影响竹材的胶合性能。竹黄-竹黄组坯时的胶合性能则随着热压压力的增大而逐渐增加。竹黄面与竹青面相比，维管束稀疏，导管直径大，由于薄壁组织较多，胶黏剂的浸润性相对较好，胶合面处的基材容易在热压条件下发生压缩变形。压力较小时胶合面不能实现充分接触，随着压力的增大，基材发生压缩且胶合面充分接触，从而使胶合性能有所提高。因此，在竹展平板胶合过程中，热压压力主要起促进胶合面充分接触的作用。

由图6可知，在热压压力相同的条件下，不同组坯方式下的胶合性能也各不相同，拉伸剪切强度由大到小依次为竹青-竹青组坯>竹青-竹黄组坯>竹黄-竹黄组坯。因此，该热压工艺条件下竹展平板的竹青-竹青面胶合强度较好，这与不同组坯方式下得出的基材决定竹展平板胶合性能的结果相关。

图6 不同热压压力下的拉伸剪切强度Fig. 6 Tensile shear strength under different hot-pressing pressures

2.3 施胶量对胶合性能的影响

在一定热压条件下，施胶量分别为150，180和210 g/m2时3种竹展平板的干态剪切强度变化趋势见表2。从表2中可以看出，竹黄-竹黄组坯时的干态剪切强度随施胶量的增加而增大。这是因为纤维含量少的竹黄润湿性较好，有利于胶黏剂的铺展和渗透，随着施胶量的增大，更容易形成均匀连续的胶膜，从而提高板材的胶合性能[7,9]。竹青-竹青组坯时的干态剪切强度在施胶量从150 g/m2增加到180 g/m2时略有增加，此后出现下降。这是因为竹青纤维含量多，组织致密，表面光滑，胶黏剂的渗透性相对较差[12-15]，当施胶量较大时胶黏剂会在加压过程中被挤出，不能形成均匀的胶膜，还会增加胶层的内应力，降低胶合性能。竹青-竹黄组坯时的干态剪切强度在不同施胶量下变化不明显，这是因为竹青和竹黄的性质差异较大，竹黄面的基材性能决定了该组坯方式下的干态剪切强度。此外，表2显示竹黄-竹黄和竹青-竹青组坯时干态剪切强度的变异系数小于竹青-竹黄组坯时，这表明基材性质相同或相近时胶合性能较稳定。因此，竹材纤维含量的梯度变异会影响胶黏剂在竹展平板胶合面中的渗透和胶层的均匀性，从而对胶合性能产生重要影响。

表2 不同施胶量下的拉伸剪切强度Table 2 Tensile shear strength under different resin contents

3 结 论

基于纤维含量在竹壁径向的梯度变异，研究了竹展平板不同组坯方式下的胶合性能，得到以下结论：

1)热压胶合的竹展平板胶合性能主要由基材性能决定，胶合面纤维含量较高的竹青-竹青组坯时的拉伸剪切强度高于其他两种组坯方式。基于不同纤维含量的基材干缩湿胀不一致，纤维含量较高的竹青面与纤维含量较低的竹黄面组坯时湿态胶合性能保留率最低，而纤维含量相近的竹黄-竹黄和竹青-竹青组坯方式下的拉伸剪切强度变异系数较小。

2)不同纤维含量的胶合面胶合性能变化趋势随热压压力的增大而有所不同。竹青-竹青和竹青-竹黄组坯时的拉伸剪切强度呈现先增大后减小的趋势，竹黄-竹黄组坯时则呈现逐渐增大的趋势。

3)施胶量对不同纤维含量胶合面的胶合性能影响不同，纤维含量较少的竹黄-竹黄组坯时干态剪切强度随施胶量的增加而逐渐增大，纤维含量较高的竹青-竹青组坯时则呈现先增大后减小的趋势，而竹青-竹黄组坯时干态剪切强度随施胶量的增加变化不明显。