熱壓工藝對室外分級側(cè)壓竹板力學(xué)性能的影響

殷麗萍，姚遲強(qiáng),2，黃成建，章衛(wèi)鋼，李延軍*

（1. 浙江農(nóng)林大學(xué) 工程學(xué)院，浙江 臨安 311300；2. 浙江省杭州市余杭區(qū)林業(yè)水利局，浙江 杭州 311100）

竹材徑向材性的差異，為分級竹片制造高性能竹材產(chǎn)品提供了理論依據(jù)[1]。江澤慧等對分級竹材人造板的研究表明，竹材的分級利用有利于竹材的適材適用和高效利用。目前，分級竹材人造板的研究主要集中在分級竹層積材、分級竹簾人造板、分級竹絲復(fù)合材料等方面[2~6]，對室外分級側(cè)壓竹板的研究還未見報道。本文通過研究室外分級側(cè)壓竹板的物理力學(xué)性能，探討其較佳的熱壓工藝，為分級竹材的工業(yè)化利用提供技術(shù)支撐。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

分級竹片：氣干，含水率為10.5%，厚度為2 mm，密度為0.68 g/cm3，由浙江安吉雙安竹制品廠提供。

膠黏劑：水溶性酚醛樹脂，外觀為紅褐色透明液體，固含量為40.1%，粘度為40 mPa·s（25℃），由浙江安吉天誠地板有限公司提供。

1.2 試驗方法

1.2.1 工藝流程 試驗采用“熱進(jìn)——熱出”熱壓工藝壓制室外側(cè)壓竹板，將竹片先干燥至指定含水率，再手工涂膠，陳化后側(cè)拼組坯并放入熱壓機(jī)中壓制成板，壓制好的板材經(jīng)過一周的自然陳放后裁邊，鋸制試件。工藝流程如圖1。

圖1 室外側(cè)壓竹板制備工藝流程Figure 1 Flow chart of production of tested board

1.2.2 試驗方案 為了研究熱壓工藝對物理力學(xué)性能的影響，探討酚醛樹脂進(jìn)行室外側(cè)壓竹板生產(chǎn)的可行性，選擇熱壓溫度、熱壓壓力、施膠量和熱壓時間4個條件，采用單因素實驗方法，分析各個因素對室外側(cè)壓竹板物理力學(xué)性能的影響。

熱壓時間試驗設(shè)計：熱壓時間取0.7、0.9、1.1、1.3 min/mm。此時，熱壓溫度取135℃，熱壓壓力取0.9 MPa，涂膠量取230 g/m2。

涂膠量[7~8]試驗設(shè)計：涂膠量取150、190、230、270 g/m2。此時，熱壓溫度取135℃，熱壓壓力取0.9 MPa，熱壓時間取0.9 min/mm。

熱壓溫度試驗設(shè)計：熱壓溫度取115、125、135、145℃。此時，熱壓壓力取0.9 MPa，熱壓時間取0.9 min/mm，涂膠量取150 g/m2。

熱壓壓力試驗設(shè)計：熱壓壓力取0.9、1.0、1.1、1.2 MPa。此時，熱壓溫度取135℃，熱壓時間取0.9 min/mm，涂膠量取150 g/m2。

1.2.3 性能測試 采用國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20240-2006測定室內(nèi)側(cè)壓竹板的密度（Density，D）、含水率（Moisture Content，MC）、抗彎靜曲強(qiáng)度（Modulus of rupture，MOR）和抗彎彈性模量（Modulus of elasticity，MOE）4項性能指標(biāo)。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱壓時間對室外側(cè)壓竹板力學(xué)性能的影響

表1 不同熱壓時間對板材性能的影響Table 1 Effect of hot-pressing duration on properties of tested board

由表1可知，隨著熱壓時間的延長，室外側(cè)壓竹板的靜曲強(qiáng)度和彈性模量都呈先增后減的趨勢。熱壓時間為0.7 ~ 0.9 min/mm時，隨著熱壓時間增加，靜曲強(qiáng)度和彈性模量逐漸增大，主要原因是，在選定的熱壓溫度下，需要一定的加壓時間以保證一定量的酚醛樹脂能夠滲透到竹材細(xì)胞壁中，并與竹材中的部分活性官能團(tuán)以及竹材中的水分發(fā)生化學(xué)交聯(lián)作用，形成具有較高強(qiáng)度和穩(wěn)定性的網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)，當(dāng)熱壓時間為0.7 min/mm時，熱壓時間太短，酚醛樹脂固化不夠充分；當(dāng)熱壓時間為0.9 min/mm時，靜曲強(qiáng)度和彈性模量均達(dá)到最大值，分別為183.2 MPa和14 824 MPa。熱壓時間 > 0.9 ~ 1.3 min/mm時，隨著熱壓時間增加，靜曲強(qiáng)度和彈性模量開始降低，這主要是由于熱壓時間過長造成了膠層老化。因此，室外側(cè)壓竹板最佳的熱壓時間為0.9 min/mm。

2.2 涂膠量對室外側(cè)壓竹板力學(xué)性能的影響

表2 不同涂膠量對板材性能的影響Table 2 Effect of glue spread on the properties of tested board

預(yù)實驗時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)涂膠量＜150 g/m2時，不易涂布均勻，壓制的板材容易出現(xiàn)缺膠現(xiàn)象。故涂膠量取150、190、230、270 g/m2，不同涂膠量對板材性能的影響見表2。從表2可知，涂膠量150 ~ 270 g/m2條件下，壓制的室外側(cè)壓竹板靜曲強(qiáng)度為180.3 ~ 198.1 MPa，彈性模量為14 427 ~ 16 189 MPa，隨著涂膠量的增加，板材的靜曲強(qiáng)度和彈性模量均呈遞減的趨勢。其原因一方面可能是由于涂膠量的增加，使竹片之間一些部位膠層增厚（尤其是在涂膠不均勻時更容易出現(xiàn)這類情況），導(dǎo)致膠層應(yīng)力增大，影響板材的膠合性能；另一方面是因為在復(fù)合材料中竹纖維和酚醛樹脂分別起著增強(qiáng)材料和基體作用，作為基體的酚醛樹脂與增強(qiáng)材料竹纖維相比，脆性更大，涂膠量的增大導(dǎo)致板材的脆性相對增大，從而影響板材的靜曲強(qiáng)度和彈性模量；從經(jīng)濟(jì)角度考慮，涂膠量的增加不可避免地提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。因此，適宜的涂膠量應(yīng)為150 g/m2。

2.3 熱壓溫度對室外側(cè)壓竹板力學(xué)性能的影響

表3 不同熱壓溫度對板材性能的影響Table 3 Effect of hot-pressing temperature on the properties of tested board

由表3可知，當(dāng)熱壓溫度為115 ~ 135℃時，室外側(cè)壓竹板的靜曲強(qiáng)度和彈性模量都隨熱壓溫度的增加而增大，其主要原因是，熱壓溫度在該范圍時，熱壓溫度越高，酚醛樹脂的固化程度越好，板材的力學(xué)性能也越高，當(dāng)熱壓溫度為115℃時，靜曲強(qiáng)度和彈性模量最小，當(dāng)熱壓溫度為135℃時，靜曲強(qiáng)度和彈性模量分別比115℃時提高了11.5%和5.9%；當(dāng)熱壓溫度為 > 135 ~ 145℃，靜曲強(qiáng)度變化不明顯，彈性模量反而略有降低。因此，室外側(cè)壓竹板的最佳熱壓溫度為135℃。

2.4 熱壓壓力對室外側(cè)壓竹板力學(xué)性能的影響

表4 不同熱壓壓力對板材性能的影響Table 4 Effect of hot-pressing pressure on the properties of tested board

預(yù)實驗時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熱壓壓力＜0.9 MPa時，壓制的板材容易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，影響出材率。故熱壓壓力取0.9、1.0、1.1、1.2 MPa，不同熱壓壓力對板材性能的影響見表4。從表4可知，隨著熱壓壓力的增大，室外側(cè)壓竹板的靜曲強(qiáng)度和彈性模量都呈遞減的趨勢，當(dāng)熱壓壓力為0.9 MPa時，靜曲強(qiáng)度和彈性模量均達(dá)到最大值；熱壓壓力為1.2 MPa時，其靜曲強(qiáng)度和彈性模量比0.9 MPa時分別下降了4.5%和6.7%。對于膠黏劑而言，熱壓壓力是膠液滲透的主要動力，使板坯中竹材—膠層—竹材緊密結(jié)合，膠料部分滲入竹材細(xì)胞中為熱壓創(chuàng)造必要的條件[9~10]。隨著熱壓壓力的增大，酚醛樹脂在竹材中的滲透性增強(qiáng)。而熱壓壓力過大時，會將膠液擠出，導(dǎo)致膠層缺膠，從而影響板材的力學(xué)性能。因此，適宜的熱壓壓力為0.9 MPa。

3 結(jié)論

試驗表明：熱壓溫度、熱壓壓力、涂膠量、熱壓時間等因素對室外側(cè)壓竹板的性能都有不同程度的影響。

（1）隨著熱壓時間的延長，板材的靜曲強(qiáng)度和彈性模量均呈先增大后減小的趨勢。當(dāng)熱壓時間為0.7 ~ 0.9 min/mm時，隨著熱壓時間的增加，靜曲強(qiáng)度和彈性模量逐漸增大；熱壓時間為0.9 min/mm時，靜曲強(qiáng)度和彈性模量均達(dá)到最大值，比0.7 min/mm時分別提高了43.3%和48.9%；當(dāng)熱壓時間為 > 0.9 ~ 1.3 min/mm時，靜曲強(qiáng)度和彈性模量反而減小，熱壓時間為1.3 min/mm時比0.9 min/mm時分別降低了13.4%和17.7%。

（2）隨著涂膠量的增加，板材的靜曲強(qiáng)度和彈性模量均呈遞減的趨勢。當(dāng)涂膠量為150 g/m2時，靜曲強(qiáng)度和彈性模量均達(dá)到最大值。

（3）隨著熱壓溫度的升高，板材靜曲強(qiáng)度和彈性模量呈先增大后減小的趨勢。當(dāng)熱壓溫度為115 ~ 135℃時，室外側(cè)壓竹板的靜曲強(qiáng)度和彈性模量都隨熱壓溫度的增加而增大。當(dāng)熱壓溫度為 115℃時，靜曲強(qiáng)度和彈性模量最小，分別為177.6 MPa和15 288 MPa；當(dāng)熱壓溫度為135℃時，靜曲強(qiáng)度和彈性模量分別為198.1 MPa和16 189 MPa，與115℃時相比，分別升高了11.5%和5.9%；當(dāng)熱壓溫度 > 135 ~ 145℃，靜曲強(qiáng)度變化不明顯，彈性模量反而略有降低。

（4）隨著熱壓壓力的增大，板材的靜曲強(qiáng)度和彈性模量均呈遞減的趨勢。當(dāng)熱壓壓力為0.9 MPa時，靜曲強(qiáng)度和彈性模量均達(dá)到最大值，分別為198.1 MPa和16 189 MPa；當(dāng)熱壓壓力 > 0.9 ~ 1.2 MPa，靜曲強(qiáng)度和彈性模量逐漸減小，熱壓壓力1.2 MPa時與0.9 MPa相比，其靜曲強(qiáng)度和彈性模量分別降了4.5%和6.7%。

綜上可知，對于竹片厚度為2 mm的室外側(cè)壓竹板，其較佳的熱壓工藝為：熱壓溫度為135℃，熱壓壓力為0.9MPa，涂膠量為150 g/m2，熱壓時間為0.9 min/mm。

[1] 張齊生. 中國竹材工業(yè)化利用[M]. 北京：中國林業(yè)出版社，1995.

[2] 虞華強(qiáng)，江澤慧，任海青，等. 竹篾層壓板的力學(xué)性質(zhì)及耐老化性能研究[J]. 木材加工機(jī)械，2006（3）：1-4.

[3] 江澤慧，孫正軍，費(fèi)本華，等. 分級竹層積材的濕脹性研究[J]. 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2004，26（5）：655-659.

[4] 江澤慧，孫正軍，任海青. 先進(jìn)生物質(zhì)復(fù)合材料在風(fēng)電葉片中的應(yīng)用[J]. 復(fù)合材料學(xué)報，2006，23（3）：127-129.

[5] 虞華強(qiáng). 分級竹簾人造板的力學(xué)性能研究[D]. 北京：中國林業(yè)科學(xué)研究院，2004.

[6] 孫正軍，程強(qiáng)，江澤慧. 分級竹絲復(fù)合材料的原理與性質(zhì)[J]. 復(fù)合材料學(xué)報，2008，25（1）：84-87.

[7] 胡啟龍，徐濟(jì)宏，黃河浪，等. 竹地板薄木貼面工藝試驗[J]. 林業(yè)科技開發(fā)，2011，25（2）：89-91.

[8] 傅萬四，周建波. 竹材弧形原態(tài)重組材料產(chǎn)業(yè)化制造技術(shù)研究[J]. 木材加工機(jī)械，2010，6（2）：1-9.

[9] Derwood E Brady, Frederick A Kamke. Effect of hot-pressing parameters on resin penetration[J]. For Prod, 1988, 39（11/12）：53-56.

[10] 華毓坤. 人造板工藝學(xué)[M]. 北京：中國林業(yè)出版社，2002.