表板厚度与组坯方式对展平竹-杨木复合板性能的影响

2023-05-12梁琦淞杨宇涵王雪花

世界竹藤通讯 2023年2期

黄纯韩佳梁琦淞杨宇涵王雪花

(南京林业大学南京 210037)

中国是世界上竹类资源最丰富的国家，其中毛竹利用价值最高，且毛竹林占竹林总面积的72.96%。由于我国对天然林禁伐，人工林产量有限且材种少，木材综合利用率低[1-2]，充分利用竹材将大大缓解我国木材短缺问题。竹材具有强度高、硬度大、颜色淡雅和纹理独特等特点，但也存在直径小、壁薄中空、结构不均匀等不足；人工速生树种杨木加工容易、生产效率高，但其材质疏松，力学和机械强度较低，不宜做工程结构用材[3-5]。基于竹材和木材各自的特点，科研人员尝试将竹材和木材进行复合。竹木复合板是以竹材和木材的不同形态单元为原料，采用合成树脂或其他助剂，经加压、胶合等加工工艺制成[6]。竹木复合可以对竹材和速生木材进行有效改性，促进竹类资源和速生林资源更加合理、有效地利用，减小对优质木材需求的压力[7-8]。

关于竹木复合的研究多集中于胶合界面、胶黏剂及杨木厚度[9]和结构[10]对竹杨复合板的影响以及无机质复合速生材[11]、小径木集成材[12]和竹藤纤维[13]的应用等方面。在组成竹木复合材的竹材各种单元形式中，展平竹因有效保留了竹材原有形态而具有较高的利用效率和良好的表面形态，但目前关于展平竹与木材复合的相关研究较少。为充分利用展平竹和杨木各自的优势，改善竹材及杨木性能，本文采用展平竹和杨木单板为原料，以展平竹为表板、杨木为芯板，制作“展平竹-杨木-展平竹”3层结构的展平竹-杨木复合板，分析不同表板厚度和组坯方式对复合板的抗弯弹性模量、抗弯强度、冲击韧性、胶合强度的影响，为科学合理利用竹展平-杨木复合板提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

1)展平竹板，由江西奔博竹业有限公司提供，去青去黄，表面光滑平整，无明显变形或翘起，无开裂，厚度分别为2、4、6、8 mm。用作展平竹-杨木复合板的表板。

2)杨木单板，购自南京金桥市场，厚度为4 mm。木板整体完整，四边平整无明显的凹凸、裂痕及虫眼。用作展平竹-杨木复合板的芯板。

3)胶黏剂，购自新保工业品专营店。为水溶性酚醛树脂溶液[14]，红棕色透明粘稠液体，固含量73%，用于粘合展平竹板和杨木单板。

1.2 设备

万能力学试验机，冲击试验机，热压机，游标卡尺等。

1.3 实验方法

1.3.1 竹展平-杨木复合板制作

首先将展平竹板的竹黄面均匀涂布酚醛树脂溶液，然后以展平竹板为表板、杨木为芯板分别按照顺纹和横纹的方式组坯(图1)，再进行热压。热压工艺制作具体参数为：涂胶量210 g/m2，热压时间1.1 min/mm，热压压力1.5 MPa，热压温度140 ℃[14]。压合后使其自然冷却。之后根据不同测试指标将复合板锯切成所需尺寸，要求复合板为整块且无裂。

注：a)顺纹组坯；b)横纹组坯。图1 试件组坯方式Fig.1 Assemble patterns of specimen

1.3.2 复合板性能测试

测试分析不同表板厚度和组坯方式对复合板力学性能的影响。性能指标包括抗弯弹性模量、静曲强度、胶合强度和冲击韧性4项，测试方法参照《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》(GB/T 17657-2013)[15]、《普通胶合板》(GB/T 9846-2015)[16]等标准进行。参照前述标准，根据不同测试指标将复合板锯切成所需尺寸，如表1。其中，不同表板厚度复合板的各指标测试采用顺纹组坯板。试件含水率(4.5±0.2)%。

表1 试件尺寸信息Tab.1 Information of test specimen size

2 结果与分析

2.1 复合板抗弯弹性模量

不同表板厚度与组坯方式复合板的抗弯弹性模量测试分析结果见图2。由图2可知，随表板厚度增加，复合板的弹性模量呈现先下降后上升的变化趋势。表板厚度为4 mm时最小、8 mm时最大，分别为11.75 GPa、12.10 GPa，后者相较前者仅提高了2.98%。在组坯方式方面，横纹组坯时复合板抗弯弹性模量更高，较顺纹组坯提高9.82%。

图2 复合板抗弯弹性模量Fig.2 Elastic modulus of composite board

复合板的抗弯弹性模量随厚度的增加呈现先减小后增大的变化趋势，但总体变化较小，这一结果与何剑球等[17]的研究结论一致。复合板抗弯弹性模量的变化主要受热压时间的影响，板材越厚，所需热压时间越长，随热压时间延长，复合材的弹性模量先小幅度降低，然后再小幅度增加。横纹组坯板材的弹性模量比顺纹组坯板材的更高，这与张文福等[18]对竹束单板层压板组坯结构的研究结果不同，表明板材种类是影响复合板性能的重要因素。

2.2 复合板抗弯强度

不同表板厚度复合板抗弯载荷位移曲线和抗弯破坏时的状态如图3所示。可以看出，在荷载加载过程中，试件位移随荷载增加几乎呈线性变化，大部分试件在达到最大荷载时即瞬时发生破坏。破坏形态为端部杨木与展平竹胶合处开裂的复合板比例高于中部断裂，说明大多数复合板端部的强度值最低[19]。在横纹组坯板中，端部开裂的比例更高。这是由于展平竹和杨木复合板的弯曲位移量大，展平竹顺纤维方向拉伸，而杨木芯层承受横纹拉伸而剪切破坏造成的。

注：a)端部开裂；b)中部断裂。图3 不同表板厚度复合板抗弯载荷位移曲线与破坏形态Fig.3 Flexural load displacement curve and failure forms of different thickness of composite board

不同表板厚度与组坯方式复合板抗弯强度的测试分析结果见图4。可以看出，表板厚度对复合板抗弯强度影响明显；随表板厚度增加，复合板抗弯强度大幅度降低。与表板为2 mm的复合板相比，表板为4、6、8 mm的复合板抗弯强度分别降低35.13%、37.65%和43.75%。组坯方式对抗弯强度影响相对较小。顺纹组坯复合板的抗弯强度为128.65 MPa，横纹组坯复合板为145.10 MPa，后者较前者提高了18.67%。

图4 复合板抗弯强度Fig.4 Bending strength of composite board

抗弯强度随表板厚度增加而减少，原因可能为制作较大厚度的复合板所需的热压时间较长。有研究表明，随热压温度升高与时间延长，会导致竹束纤维素降解从而影响强度，同时酚醛树脂胶中部分水分蒸发，胶层变脆，从而使复合板抗弯强度急剧下降[20]。此外，竹材柔韧性好，易弯曲，变形量大，展平竹在复合板中所占的比例随着表层板厚度的增加而增大，复合板抗弯强度会随之降低。

顺纹组坯复合板的抗弯强度低于横纹组坯，这是由于在测试抗弯强度时，复合板在加载过程中，顺纹组坯复合板沿纤维长度方向易变形，影响了复合板的抗弯强度；当横纹组坯时，展平竹与杨木沿垂直纤维方向组合，复合板在垂直方向纤维体积分数分布均匀、平衡，可以共同承担载荷，增加了复合板抵抗弯曲破坏的能力[21]。

2.3 复合板冲击韧性

不同表板厚度与组坯方式复合板的冲击韧性测试分析结果见图5。可以看出，随竹展平板表板厚度的增加，复合板的冲击韧性逐渐增大，与表板为2 mm的复合板相比，4、6、8 mm表板组坯复合板的冲击韧性分别提高了40.65%、68.80%、389.16%。其中当表板厚度由6 mm增加至8 mm时，复合板的冲击韧性提升幅度最大，提高了189.79%。表板厚度为8 mm的复合板冲击韧性数值是表板厚度2 mm的4.89倍。原因可能为，随表板厚度的增加，复合板中竹材比例增大、纤维含量增大、密度也增大，使得冲击韧性也增大[22-23]。

图5 复合板冲击韧性Fig.5 Impact toughness of composite board

顺纹和横纹组坯的复合板的冲击韧性分别为72.17和73.76 KJ/m2。相较顺纹结构，横纹组坯复合板的冲击韧性只提高了2.20%，表明组坯方式对冲击韧性几乎没有影响，这与吕久芳等[24]对杨木的研究结果类似。这是因为在冲击载荷作用下，力作用于复合板宽度方向，在此方式受力下，展平竹和杨木相当于并联，彼此之间相互独立，无牵制作用，从而使横纹和顺纹组坯对复合板冲击韧性影响不大。

2.4 复合板胶合强度

不同表板厚度与组坯方式复合板的胶合强度测试分析结果见图6。可以看出，表板厚度对复合板胶合强度的影响较大；随表板厚度增加，胶合强度呈先升高再降低的变化趋势；其中，表板为4 mm的复合板胶合强度最大，达5.4 MPa，较2 mm表板的复合板提高了73.23%。组坯方式对复合板的胶合强度影响明显，顺纹组坯复合板的胶合强度较高，为5.41 MPa；横纹组坯复合板的胶合强度为3.73 MPa，较顺纹组坯复合板降低31.05%。

图6 复合板胶合强度Fig.6 Bonding strength of composite board

顺纹组坯复合板的胶合强度较大，是因为顺纹组坯时各层板之间沿同一方向排列，被胶合表面纤维之间的阻力较小，制作复合板时胶粘剂在压力作用下容易铺展形成均匀胶层，使层板之间结合紧密；而采用横纹组坯时，被胶合表面纤维相互搭接，热压时纤维之间阻力较大，胶粘剂不易铺展，各层板之间形成空隙，胶层连续性不好。同时层板之间相互搭接发生弯曲的纤维，使得板材内部产生应力，进一步降低了复合板的胶合性能[18]。