胡 南，李賢軍，謝力生，周先雁，劉佳權(quán)，桂必升

（中南林業(yè)科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

工程膠合木膠合成型工藝優(yōu)化研究

胡 南，李賢軍，謝力生，周先雁，劉佳權(quán)，桂必升

（中南林業(yè)科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

以興安落葉松Larix gmelini為原材料，以間苯二酚樹脂為膠粘劑，較系統(tǒng)地研究了壓力和涂膠量對(duì)落葉松膠合木膠合性能的影響規(guī)律，獲得了優(yōu)化的膠合工藝參數(shù)。結(jié)果表明：膠合木試件的剝離率隨著膠合壓力和涂膠量的減小而增大；剪切強(qiáng)度和木破率隨著膠合壓力的增加呈現(xiàn)出先增加后降低的變化趨勢(shì)，隨涂膠量的增加呈現(xiàn)先增加后保持不變的變化趨勢(shì)；膠合木膠合成型的優(yōu)化工藝參數(shù)為膠合壓力1.25 MPa、雙面涂膠量300 g/m2。

落葉松；膠合木；膠合工藝；膠合壓力；涂膠量

我國(guó)人工林面積、林木蓄積量位居世界第一，人工林木材資源非常豐富，但在人工林木材資源的利用方面，我國(guó)還存在著應(yīng)用領(lǐng)域狹窄、應(yīng)用途徑單一的結(jié)構(gòu)性問題[1]。我國(guó)70%以上的木材資源被用于家具制造和室內(nèi)裝飾等方面，而在材料需求量巨大的建筑業(yè)當(dāng)中所占比例極小，特別是在高附加值工程結(jié)構(gòu)材料方面的應(yīng)用幾乎是空白[2-3]。目前，我國(guó)正處于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展時(shí)期，對(duì)木結(jié)構(gòu)建筑材料的需求巨大。利用人工林木材開發(fā)木結(jié)構(gòu)工程材料，具有重要的意義[4-10]。

膠合木是采用耐水結(jié)構(gòu)膠，把長(zhǎng)度較短、寬度較小、厚度為3 cm左右鋸材拼寬接長(zhǎng)后，沿纖維方向平行層積膠合而制成的具有規(guī)格尺寸和形狀的工程木產(chǎn)品[7]。膠合木具有優(yōu)良的性能，已成為木結(jié)構(gòu)建筑最重要的建筑材料之一[11-13]。除木材本身性質(zhì)和膠粘劑的性能外，膠合工藝是影響工程膠合木質(zhì)量的重要因素[14-19]。本研究以興安落葉松Larix gmelini為原材料[20-22]，間苯二酚樹脂為膠粘劑，較系統(tǒng)地研究了壓力和涂膠量對(duì)落葉松膠合木膠合性能的影響規(guī)律，獲得了優(yōu)化的膠合工藝參數(shù)，以期為落葉松膠合木制造提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試材：興安落葉松，平均密度為0.74 g/m3，平均含水率為12.3%。

膠粘劑：PRX-352AWE/PRX-352B間苯二酚-甲醛膠樹脂粘劑，固體含量56%。

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)選取壓力和涂膠量作為試驗(yàn)因子，采用單因子試驗(yàn)方法進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)方案如表1所示。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案Table 1 Experimental design scheme

試驗(yàn)前，將落葉松鋸材加工為300 mm（長(zhǎng)）×100 mm（寬）×30 mm（厚）的四面光標(biāo)準(zhǔn)試件。選取材質(zhì)一致、色差不明顯、同為徑切面或同為弦切面的兩塊層板進(jìn)行膠合。試材膠合面刨削后應(yīng)在2 h內(nèi)完成膠合，涂膠后讓膠合面開放陳放5～15 min，使膠液充分浸潤(rùn)木材。膠合時(shí)，試件在室溫條件下加壓6 h，卸壓后再在室溫條件下養(yǎng)生48 h以上，然后按照GB/T50329-2002木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法和GB/T 26899-2011結(jié)構(gòu)用集成材制作測(cè)試試件，對(duì)膠合試件進(jìn)行冷水浸漬剝離、熱水浸漬剝離、減壓加壓浸漬剝離和剪切試驗(yàn)。浸漬剝離試驗(yàn)每個(gè)水平各取8個(gè)小試件，剪切試驗(yàn)每個(gè)水平各取12個(gè)小試件，結(jié)果取其平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 浸漬剝離試驗(yàn)結(jié)果與分析

冷水浸漬剝離、熱水浸漬剝離和減壓加壓浸漬剝離試驗(yàn)結(jié)果如表2、表3和表4所示。

從表2可知，經(jīng)過一個(gè)循環(huán)的冷水浸漬剝離試驗(yàn)后，所有試件均未出現(xiàn)剝離現(xiàn)象，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。兩個(gè)循環(huán)處理后，第1組試件的單一膠層中最大剝離率低于標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的上限值（20%），但總剝離率高于標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的上限值（5%），達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求；第2、3、4和5組試件的剝離率均小于標(biāo)準(zhǔn)值；第6、7和8組試件在經(jīng)過2次循環(huán)處理后也均未出現(xiàn)剝離現(xiàn)象。

表2 冷水浸漬剝離試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of cold water delamination tests

表3 熱水浸漬剝離試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of boiling water delamination tests

表4 減壓加壓浸漬剝離試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results of vacuum-pressure delamination tests

由表3可知，經(jīng)過一個(gè)循環(huán)的熱水浸漬剝離試驗(yàn)后，第1組試件的單一膠層中最大剝離率低于標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的上限值（20%），但總剝離率高于標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的上限值（5%），達(dá)不到合格標(biāo)準(zhǔn)；第3和4組試件的剝離率低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，第2、5、6、7和8組的試件未出現(xiàn)剝離現(xiàn)象，均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。經(jīng)過第二個(gè)循環(huán)處理后，第1～4組試件都出現(xiàn)了不同程度的剝離情況，而第5、6、7和8組的試件均未出現(xiàn)剝離現(xiàn)象；1和3組的總剝離率高于標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的上限值（5%），達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求。

從表4可知，經(jīng)過一個(gè)循環(huán)的減壓加壓浸漬剝離試驗(yàn)后，第1組試件其單一膠層最大剝離率低于標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的上限值（20%），但其總剝離率高于標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的上限值（5%），達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求；第2、3、4和5組試件的剝離率低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，第6、7和8組試件未出現(xiàn)剝離現(xiàn)象，均滿足合格標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過第二個(gè)循環(huán)處理后， 第1～5組試件出現(xiàn)了不同程度的剝離情況，而第6、7和8組試件仍沒有出現(xiàn)剝離現(xiàn)象。第1、3和4組試件的單一膠層最大剝離率低于標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的上限值（20%），但總剝離率高于標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的上限值（5%），達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求。

由表2～表4可知，經(jīng)過2個(gè)循環(huán)處理后，試件的總剝離率與單層最大剝離率變化趨勢(shì)基本相同。膠合壓力和涂膠量對(duì)膠合木試件的冷水浸漬剝離率、熱水浸漬剝離率和減壓加壓浸漬剝離率影響顯著，試件的剝離率隨壓力和涂膠量的減小而增大。第2、5、6、7和8組試件滿足浸漬剝離率的要求，即只要壓力和涂膠量分別達(dá)到1.0 MPa和300 g/m2即可滿足浸漬剝離率的要求。

2.2 剪切試驗(yàn)結(jié)果與分析

各組膠合木試件的剪切強(qiáng)度和木破率如表5所示。

表5 剪切強(qiáng)度與木破率試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Results of shear strength and wood failure percentage

從表5可知，第3組試件的剪切強(qiáng)度和木破率在所有試驗(yàn)組中為最低，但滿足落葉松木材的最低剪切強(qiáng)度和最小木破率，同時(shí)滿足剪切強(qiáng)度與木破率的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這表明本次試驗(yàn)中所有試件的剪切強(qiáng)度都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，即間苯二酚-甲醛膠粘劑制造的膠合木其膠合強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。第1、3和4組試件的變異系數(shù)較大，若干試件出現(xiàn)較大面積的膠層破壞，造成剪切強(qiáng)度和木破率的平均值較低。

為了獲得較好的膠合工藝，下面分別討論膠合壓力和涂膠量對(duì)試件膠合性能的影響。

圖1 壓力對(duì)剪切強(qiáng)度和木破率的影響Fig.1 Effects of pressure on shear strength and wood failure percentage

圖2 涂膠量對(duì)剪切強(qiáng)度和木破率的影響Fig.2 Effects of glue spread quantity on shear strength and wood failure percentage

由圖1、2可知，在相同涂膠量水平下，試件剪切強(qiáng)度和木破率隨膠合壓力的增加呈先提高后降低的變化趨勢(shì)。膠合壓力為0.75 MPa時(shí)，壓力過低，不能形成薄而均勻的膠層，造成膠合不良，導(dǎo)致試件剪切強(qiáng)度和木破率低。隨著膠合壓力的增大，膠合面的膠液充分滲入木材，形成均勻的膠層，剪切強(qiáng)度和木破率相應(yīng)越高。當(dāng)膠合壓力達(dá)到1.5 MPa時(shí)，壓力過大，膠液較多地從膠合面擠出，或使膠液過多地滲入到木材組織中，從而造成膠合面局部缺膠，導(dǎo)致剪切強(qiáng)度和木破率下降。根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)膠合壓力選取1.25 MPa時(shí)較為合適。

在相同壓力水平下，剪切強(qiáng)度和木破率隨涂膠量的增加呈現(xiàn)先提高后保持不變的趨勢(shì)。涂膠量過低，試件膠合面局部缺膠，使得剪切強(qiáng)度和木破率較低。隨著涂膠量的增大，膠液能充分滲入木材，在壓力的作用下形成均勻的膠層，因而其剪切強(qiáng)度和木破率提高。當(dāng)涂膠量達(dá)到300 g/m2時(shí)，已處于飽和狀態(tài)，試件的剪切強(qiáng)度和木破率達(dá)到最大值。因此再增加涂膠量，多余膠液被擠出，剪切強(qiáng)度不再增加。由此涂膠量選取300 g/m2為佳。

綜合冷水浸漬剝離率、熱水浸漬剝離率和減壓加壓浸漬剝離率對(duì)膠合壓力和雙面涂膠量的要求，及剪切強(qiáng)度和木破率對(duì)膠合壓力和雙面涂膠量的要求，落葉松結(jié)構(gòu)用膠合木的較優(yōu)膠合工藝參數(shù)為：膠合壓力1.25 MPa，雙面涂膠量 300 g/m2。

3 結(jié) 論

本文以興安落葉松為原材料，間苯二酚樹脂為膠粘劑，較系統(tǒng)地研究了壓力和涂膠量對(duì)落葉松膠合木膠合性能的影響規(guī)律，獲得了優(yōu)化的膠合工藝參數(shù)。研究結(jié)果表明：在本試驗(yàn)的壓力和涂膠量范圍內(nèi)，膠合壓力和涂膠量對(duì)膠合木試件的剝離率、剪切強(qiáng)度和木破率的影響顯著；膠合木試件膠層的剝離率隨著膠合壓力和涂膠量的減小而增大；試件的剪切強(qiáng)度和木破率隨膠合壓力的增加呈現(xiàn)出先增加后降低的變化趨勢(shì)，隨涂膠量的增加呈現(xiàn)先增加后保持不變的變化趨勢(shì)；落葉松結(jié)構(gòu)用膠合木的較優(yōu)膠合成型工藝參數(shù)為膠合壓力1.25 MPa，雙面涂膠量300 g/m2。

[1]國(guó)家林業(yè)局. 2007年中國(guó)林業(yè)發(fā)展報(bào)告[M]. 北京：中國(guó)林業(yè)出版社，2007.

[2]任海青. 工程木產(chǎn)品在中國(guó)發(fā)展的意義可行性研究和市場(chǎng)前景[J]. 住宅產(chǎn)業(yè)，2008，(2): 24-28.

[3]任海青,江澤慧,費(fèi)本華,等. 中國(guó)現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)住宅未來發(fā)展之路[J]. 木材工業(yè),2006,20(2): 45-47.

[4]Wang B J，Dai C P. Hot-pressing stress graded aspen veneer for laminated veneer lumber [J]. Holz. Forschung,2005,59: 10-17.

[5]Marra A A. Technology of wood bonding: principles in practice [M].New York: Van Nostrand Reinhold Co.,1992.

[6]任曉峰. 落葉松結(jié)構(gòu)用集成材膠合工藝技術(shù)的研究[D].北京:北京林業(yè)大學(xué)，2008.

[7]章 瑞. 速生楊木改性材膠合木梁的設(shè)計(jì)與制作[D]. 南京:南京林業(yè)大學(xué)，2008.

[8]翟志文. 落葉松集成材間苯二酚膠合工藝研究[D]. 北京:北京林業(yè)大學(xué),2010.

[9]魏利青,張雙保,黃淑芹,等. 淺析膠合木之結(jié)構(gòu)[J]. 木材加工機(jī)械,2009,(4): 30-33.

[10]羅文士,陸熙嫻. 承重膠合木結(jié)構(gòu)的應(yīng)用及膠粘劑耐久性試驗(yàn)[J]. 木材工業(yè),1995,9(1): 24-27.

[11]郭瑩潔,任海青. 結(jié)構(gòu)用膠合木生產(chǎn)工藝研究進(jìn)展[J]. 世界林業(yè)研究,2011,24(6): 43-48.

[12]秦特夫,黃洛華,李改云,等. 我國(guó)木結(jié)構(gòu)材用膠黏劑的性能評(píng)價(jià)及標(biāo)準(zhǔn)[J]. 木材工業(yè)，2007,(9):32-34.

[13]CHUI Y H. Application of ribbed-plate theory to predict vibration serviceability of timber fl oor system [C]. Proceedings f 7th World Conference on Timber Engineering,Malaysia: 2002,(4):87-93.

[14]張明建,郝志強(qiáng),郝金城. 結(jié)構(gòu)集成材的加工[J]. 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備,2008,(5):58-59.

[15]沈陳炎,楊光明,張 鵬,等. 集成材用單組分濕固化聚氨酯膠粘劑的研制[J]. 聚氨酯工業(yè)，2004,3(6):34- 37.

[16]李 琳,張 妍,徐 煜. 落葉松集成材耐候試驗(yàn)分析[J]. 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2003,15(5):12-14.

[17]程瑞香,顧繼友. 落葉松、樺木和柞木集成材膠合性能的研究[J]. 木材加工機(jī)械，2003,14(2):1-4.

[18]周先雁,曹 磊,周佳樂,等.膠合木設(shè)計(jì)制作與質(zhì)量控制[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào),2014,34(12):136-140.

[19]王志強(qiáng),付紅梅,戴驍漢,等.不同樹種木材復(fù)合交錯(cuò)層膠合木的力學(xué)性能[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào),2014,34(12):141-145.

[20]陳廣勝,于宏慶,張淑芬. 不同初植密度人工興安落葉松木材物理力學(xué)性質(zhì)比較[J]. 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2001,29(3):7-12.

[21]陸文達(dá) 興安落葉松木材干燥前后化學(xué)成分變化的初步研究[J].木材工業(yè),1990,4(1):14-17.

[22]成俊卿. 木材學(xué)[M]. 北京:中國(guó)林業(yè)出版社,1985:57-79.

Study on optimized gluing and forming process for Larix gmelini engineering glued laminated timber

HU Nan,LI Xian-jun,XIE Li-sheng,ZHOU Xian-yan,LIU Jia-quan,GUI Bi-sheng
(School of Material Science & Engineering,Central South University of Forestry and Technology,Changsha 410004,Hunan,China)

Larix gmelini woods were used as the tested materials and resorcinol resin as the adhesive,the engineering glued laminated timbers were made out. The influence laws of glue spread amounts and pressure to the engineering glued laminated timber were systematically studied. The research results show that the delamination ratios of glued laminated timber specimens increased with the decrease of the gluing pressure and glue spread quantity; The changing trend of shear strength and its corresponding wood failure percentage were consistent. The shear strength and wood failure percentage of specimens increase fi rstly and then decrease with the increase of pressure; They increased firstly and then remained unchanged with the increase of glue spread quantity. The optimized process parameters for the engineering glued laminated timber were: gluing pressure 1.25 MPa and double-sided glue spread quantity 300 g/m2.

Larix gmelini; larch; glued laminated timber; gluing technology; gluing pressure; glue spread quantity

S791.222；S781.65

A

1673-923X(2016)01-0142-04

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.01.024

2014-06-23

國(guó)家林業(yè)公益性行業(yè)科研重大專項(xiàng)（項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)201304504）

胡 南，碩士研究生 通訊作者：李賢軍，教授，博士生導(dǎo)師；E-mail：lxjmu@163.com

胡 南，李賢軍，謝力生，等. 工程膠合木膠合成型工藝優(yōu)化研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016,36(1): 142-145.

[本文編校：謝榮秀]