表板厚度與組坯方式對展平竹-楊木復合板性能的影響

黃 純 韓 佳 梁琦淞 楊宇涵 王雪花

(南京林業大學 南京 210037)

中國是世界上竹類資源最豐富的國家，其中毛竹利用價值最高，且毛竹林占竹林總面積的72.96%。由于我國對天然林禁伐，人工林產量有限且材種少，木材綜合利用率低[1-2]，充分利用竹材將大大緩解我國木材短缺問題。竹材具有強度高、硬度大、顏色淡雅和紋理獨特等特點，但也存在直徑小、壁薄中空、結構不均勻等不足；人工速生樹種楊木加工容易、生產效率高，但其材質疏松，力學和機械強度較低，不宜做工程結構用材[3-5]?；谥癫暮湍静母髯缘奶攸c，科研人員嘗試將竹材和木材進行復合。竹木復合板是以竹材和木材的不同形態單元為原料，采用合成樹脂或其他助劑，經加壓、膠合等加工工藝制成[6]。竹木復合可以對竹材和速生木材進行有效改性，促進竹類資源和速生林資源更加合理、有效地利用，減小對優質木材需求的壓力[7-8]。

關于竹木復合的研究多集中于膠合界面、膠黏劑及楊木厚度[9]和結構[10]對竹楊復合板的影響以及無機質復合速生材[11]、小徑木集成材[12]和竹藤纖維[13]的應用等方面。在組成竹木復合材的竹材各種單元形式中，展平竹因有效保留了竹材原有形態而具有較高的利用效率和良好的表面形態，但目前關于展平竹與木材復合的相關研究較少。為充分利用展平竹和楊木各自的優勢，改善竹材及楊木性能，本文采用展平竹和楊木單板為原料，以展平竹為表板、楊木為芯板，制作“展平竹-楊木-展平竹”3層結構的展平竹-楊木復合板，分析不同表板厚度和組坯方式對復合板的抗彎彈性模量、抗彎強度、沖擊韌性、膠合強度的影響，為科學合理利用竹展平-楊木復合板提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1)展平竹板，由江西奔博竹業有限公司提供，去青去黃，表面光滑平整，無明顯變形或翹起，無開裂，厚度分別為2、4、6、8 mm。用作展平竹-楊木復合板的表板。

2)楊木單板，購自南京金橋市場，厚度為4 mm。木板整體完整，四邊平整無明顯的凹凸、裂痕及蟲眼。用作展平竹-楊木復合板的芯板。

3)膠黏劑，購自新保工業品專營店。為水溶性酚醛樹脂溶液[14]，紅棕色透明粘稠液體，固含量73%，用于粘合展平竹板和楊木單板。

1.2 設備

萬能力學試驗機，沖擊試驗機，熱壓機，游標卡尺等。

1.3 實驗方法

1.3.1 竹展平-楊木復合板制作

首先將展平竹板的竹黃面均勻涂布酚醛樹脂溶液，然后以展平竹板為表板、楊木為芯板分別按照順紋和橫紋的方式組坯(圖1)，再進行熱壓。熱壓工藝制作具體參數為：涂膠量210 g/m2，熱壓時間1.1 min/mm，熱壓壓力1.5 MPa，熱壓溫度140 ℃[14]。壓合后使其自然冷卻。之后根據不同測試指標將復合板鋸切成所需尺寸，要求復合板為整塊且無裂。

注：a)順紋組坯；b)橫紋組坯。圖1 試件組坯方式Fig.1 Assemble patterns of specimen

1.3.2 復合板性能測試

測試分析不同表板厚度和組坯方式對復合板力學性能的影響。性能指標包括抗彎彈性模量、靜曲強度、膠合強度和沖擊韌性4項，測試方法參照《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》(GB/T 17657-2013)[15]、《普通膠合板》(GB/T 9846-2015)[16]等標準進行。參照前述標準，根據不同測試指標將復合板鋸切成所需尺寸，如表1。其中，不同表板厚度復合板的各指標測試采用順紋組坯板。試件含水率(4.5±0.2)%。

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

2 結果與分析

2.1 復合板抗彎彈性模量

不同表板厚度與組坯方式復合板的抗彎彈性模量測試分析結果見圖2。由圖2可知，隨表板厚度增加，復合板的彈性模量呈現先下降后上升的變化趨勢。表板厚度為4 mm時最小、8 mm時最大，分別為11.75 GPa、12.10 GPa，后者相較前者僅提高了2.98%。在組坯方式方面，橫紋組坯時復合板抗彎彈性模量更高，較順紋組坯提高9.82%。

圖2 復合板抗彎彈性模量Fig.2 Elastic modulus of composite board

復合板的抗彎彈性模量隨厚度的增加呈現先減小后增大的變化趨勢，但總體變化較小，這一結果與何劍球等[17]的研究結論一致。復合板抗彎彈性模量的變化主要受熱壓時間的影響，板材越厚，所需熱壓時間越長，隨熱壓時間延長，復合材的彈性模量先小幅度降低，然后再小幅度增加。橫紋組坯板材的彈性模量比順紋組坯板材的更高，這與張文福等[18]對竹束單板層壓板組坯結構的研究結果不同，表明板材種類是影響復合板性能的重要因素。

2.2 復合板抗彎強度

不同表板厚度復合板抗彎載荷位移曲線和抗彎破壞時的狀態如圖3所示?？梢钥闯?，在荷載加載過程中，試件位移隨荷載增加幾乎呈線性變化，大部分試件在達到最大荷載時即瞬時發生破壞。破壞形態為端部楊木與展平竹膠合處開裂的復合板比例高于中部斷裂，說明大多數復合板端部的強度值最低[19]。在橫紋組坯板中，端部開裂的比例更高。這是由于展平竹和楊木復合板的彎曲位移量大，展平竹順纖維方向拉伸，而楊木芯層承受橫紋拉伸而剪切破壞造成的。

注：a)端部開裂；b)中部斷裂。圖3 不同表板厚度復合板抗彎載荷位移曲線與破壞形態Fig.3 Flexural load displacement curve and failure forms of different thickness of composite board

不同表板厚度與組坯方式復合板抗彎強度的測試分析結果見圖4?？梢钥闯?，表板厚度對復合板抗彎強度影響明顯；隨表板厚度增加，復合板抗彎強度大幅度降低。與表板為2 mm的復合板相比，表板為4、6、8 mm的復合板抗彎強度分別降低35.13%、37.65%和43.75%。組坯方式對抗彎強度影響相對較小。順紋組坯復合板的抗彎強度為128.65 MPa，橫紋組坯復合板為145.10 MPa，后者較前者提高了18.67%。

圖4 復合板抗彎強度Fig.4 Bending strength of composite board

抗彎強度隨表板厚度增加而減少，原因可能為制作較大厚度的復合板所需的熱壓時間較長。有研究表明，隨熱壓溫度升高與時間延長，會導致竹束纖維素降解從而影響強度，同時酚醛樹脂膠中部分水分蒸發，膠層變脆，從而使復合板抗彎強度急劇下降[20]。此外，竹材柔韌性好，易彎曲，變形量大，展平竹在復合板中所占的比例隨著表層板厚度的增加而增大，復合板抗彎強度會隨之降低。

順紋組坯復合板的抗彎強度低于橫紋組坯，這是由于在測試抗彎強度時，復合板在加載過程中，順紋組坯復合板沿纖維長度方向易變形，影響了復合板的抗彎強度；當橫紋組坯時，展平竹與楊木沿垂直纖維方向組合，復合板在垂直方向纖維體積分數分布均勻、平衡，可以共同承擔載荷，增加了復合板抵抗彎曲破壞的能力[21]。

2.3 復合板沖擊韌性

不同表板厚度與組坯方式復合板的沖擊韌性測試分析結果見圖5?？梢钥闯?，隨竹展平板表板厚度的增加，復合板的沖擊韌性逐漸增大，與表板為2 mm的復合板相比，4、6、8 mm表板組坯復合板的沖擊韌性分別提高了40.65%、68.80%、389.16%。其中當表板厚度由6 mm增加至8 mm時，復合板的沖擊韌性提升幅度最大，提高了189.79%。表板厚度為8 mm的復合板沖擊韌性數值是表板厚度2 mm的4.89倍。原因可能為，隨表板厚度的增加，復合板中竹材比例增大、纖維含量增大、密度也增大，使得沖擊韌性也增大[22-23]。

圖5 復合板沖擊韌性Fig.5 Impact toughness of composite board

順紋和橫紋組坯的復合板的沖擊韌性分別為72.17和73.76 KJ/m2。相較順紋結構，橫紋組坯復合板的沖擊韌性只提高了2.20%，表明組坯方式對沖擊韌性幾乎沒有影響，這與呂久芳等[24]對楊木的研究結果類似。這是因為在沖擊載荷作用下，力作用于復合板寬度方向，在此方式受力下，展平竹和楊木相當于并聯，彼此之間相互獨立，無牽制作用，從而使橫紋和順紋組坯對復合板沖擊韌性影響不大。

2.4 復合板膠合強度

不同表板厚度與組坯方式復合板的膠合強度測試分析結果見圖6?？梢钥闯?，表板厚度對復合板膠合強度的影響較大；隨表板厚度增加，膠合強度呈先升高再降低的變化趨勢；其中，表板為4 mm的復合板膠合強度最大，達5.4 MPa，較2 mm表板的復合板提高了73.23%。組坯方式對復合板的膠合強度影響明顯，順紋組坯復合板的膠合強度較高，為5.41 MPa；橫紋組坯復合板的膠合強度為3.73 MPa，較順紋組坯復合板降低31.05%。

圖6 復合板膠合強度Fig.6 Bonding strength of composite board

順紋組坯復合板的膠合強度較大，是因為順紋組坯時各層板之間沿同一方向排列，被膠合表面纖維之間的阻力較小，制作復合板時膠粘劑在壓力作用下容易鋪展形成均勻膠層，使層板之間結合緊密；而采用橫紋組坯時，被膠合表面纖維相互搭接，熱壓時纖維之間阻力較大，膠粘劑不易鋪展，各層板之間形成空隙，膠層連續性不好。同時層板之間相互搭接發生彎曲的纖維，使得板材內部產生應力，進一步降低了復合板的膠合性能[18]。

3 結論

1)竹展平板表板厚度和組坯方式對復合板抗彎彈性模量的影響較小。隨表板厚度增加，抗彎彈性模量先下降后上升，表面厚度為4 mm時復合板抗彎彈性模量最小。在組坯方式方面，橫紋組坯較順紋組坯復合板抗彎彈性模量提高9.82%。

2)表板厚度對復合板抗彎強度影響顯著。隨表板厚度增加，復合板抗彎強度大幅降低，相鄰表板厚度間的降低幅度皆超過35%。組坯方式對抗彎強度影響相對較小，橫紋組坯較順紋組坯的復合板提高18.67%。

3)表板厚度對復合板沖擊韌性影響顯著。隨表板厚度增加，復合板沖擊韌性提高，其中由6 mm增加至8 mm時復合板沖擊韌性提升幅度最大，達189.79%。組坯方式對沖擊韌性影響較小，橫紋組坯復合板沖擊韌性較順紋組坯高2.20%。

4)表板厚度和組坯方式對復合板膠合強度影響較大。隨表板厚度增大，復合板膠合強度先升高再降低，表板為4 mm時復合板膠合強度最大。組坯方式由順紋改為橫紋后，復合板膠合強度由5.41 MPa降低為3.73 MPa，降低了31.05%。