張亞慧 馬紅霞 孟凡丹 于文吉

竹基纖維復(fù)合材料（重組竹）作為一種新型的復(fù)合材料，是以竹纖維化單板為構(gòu)成單元，按順紋方向組坯，經(jīng)熱壓（或冷壓熱固化）膠合而成的板材或方材。竹基纖維復(fù)合材料制造關(guān)鍵技術(shù)是我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)并已成功實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化推廣的一項新技術(shù)，即采用浸漬的方式將樹脂可控地、較均勻地導(dǎo)入到竹材的微觀結(jié)構(gòu)中，在濕熱和高壓條件下進行壓縮和固化成型，克服了竹材壁薄中空、竹青竹黃表面富含蠟質(zhì)層和硅質(zhì)層難以膠合等缺陷，實現(xiàn)了竹材的高效及高值化利用。

浸漬工藝是竹基纖維復(fù)合材料制造的關(guān)鍵工藝，目前，主要采用的樹脂為浸漬用酚醛樹脂，在浸漬過程中，樹脂經(jīng)過流動、滲透、潤濕在單板的表面包覆了一層均勻的酚醛樹脂膠膜，同時在疏解和碾壓形成的裂紋以及薄壁細(xì)胞腔中附著、沉積，形成了與基材表面覆蓋的宏觀界面、與裂紋裂隙填充的細(xì)觀界面和與微觀結(jié)構(gòu)交織的微觀界面。單元的浸漬量是通過膠黏劑固含量、浸漬方式（常壓浸膠和加壓浸膠）、浸膠時間以及單元含水率等協(xié)同調(diào)控來實現(xiàn)，其中膠黏劑固含量對浸漬量的影響顯著[1-5]，浸漬量主要影響重組竹的膠合性能，其大小依據(jù)板材性能以及用途的需求設(shè)計。有效控制與調(diào)節(jié)浸漬量對于降低產(chǎn)品成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定，具有十分重要的意義。

該研究以南方地區(qū)資源較豐富的慈竹為原料，重點探討了不同浸膠方式對竹基纖維復(fù)合材料力學(xué)性能和耐水性能的影響，以期為重組竹產(chǎn)品的實際開發(fā)應(yīng)用提供指導(dǎo)和參考依據(jù)。

1 試驗部分

1.1 儀器設(shè)備

主要儀器設(shè)備為25-12H CARVER熱壓機、DHG-9077A型電熱恒溫干燥箱、三用電熱恒溫水箱、WDW-W10型微機控制電子式人造板試驗機。

1.2 試驗原料

慈竹（Bambusa distegia）：產(chǎn)自四川洪雅，竹齡4～5年，胸徑80～100 mm，竹壁厚7～12 mm。

浸漬用酚醛樹脂（PF）：實驗室自制，外觀為紅色透明液體。其性能指標(biāo)：黏度為25 mPa·s，固含量為44 %～47 %，水溶倍數(shù)5～7 倍，pH值為9～10，貯存期＞30 d。

1.3 制板條件

試驗設(shè)定密度為1.05 g/cm3，板坯幅面為30 cm×17 cm，厚度為12 mm。采用普通熱壓，鋪裝方式采用縱向?qū)ΨQ鋪裝。

工藝流程：竹材→剖分→疏解→干燥→浸膠→干燥→組坯→熱壓→鋸解→測試。

具體步驟為：將竹材剖分成竹片，然后通過專用疏解機疏解成竹纖維化單板，自然干燥至含水率7%～10%。將干燥后的竹纖維化單板采用一次浸漬和二次浸漬兩種方式浸膠，其中：一次浸漬采用在浸膠槽用不同固含量的膠液一次浸膠；二次浸漬采用低固含量膠液和高固含量膠液相結(jié)合的二次浸膠方式，最后將竹纖維化單板自然干燥至含水率為7%～8%。按照上述設(shè)定的板坯密度，采用手工方式鋪裝板坯，將板坯送入模具中熱壓，其中熱壓溫度160 ℃，采用厚度規(guī)控制板材厚度，單位壓力為3.5 MPa，壓板時間1.5 min / mm。將壓制的竹基纖維復(fù)合材料在自然環(huán)境中放置1 d，按規(guī)定尺寸裁邊，裁鋸試件。

1.4 試驗方法

采用單因素試驗方法，探討浸膠方式對板材力學(xué)性能及耐水性能的影響。一次浸膠分別采用7%、12%和20%的固含量的膠液進行浸漬。二次浸膠采用7%+30%、7%+35%、7%+40%、12%+30%、12%+35%和12%+40%的方式進行浸漬。其中浸膠時間為3 min，陳放時間為7 min。以上試驗每組平行壓制3張板。

1.5 性能檢測

1）膠黏劑的性能按照GB/T 14074—2006《木材膠粘劑及其樹脂檢驗方法》進行檢測。

2）浸膠量采用以下公式進行計算：

式中：M——浸膠量，%；

m1——浸膠前竹束質(zhì)量，g；

m2——浸膠后竹束質(zhì)量，g；

ω——膠黏劑固含量，%；

a——浸膠前竹束含水率，%。

3）板材的密度、靜曲強度和彈性模量檢測根據(jù)GB/T 17657—1999《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》進行。耐水性能主要測試寬度膨脹率（WS）、吸水厚度膨脹率（TS）和內(nèi)結(jié)合強度（IB）三個指標(biāo)，參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17657—1999，將試件放入沸水中煮4 h，測定其寬度膨脹率和吸水厚度膨脹率，然后將試件在（63±3）℃的空氣對流干燥箱中干燥20 h，如此循環(huán)3次分別在沸水中煮4 h后測定寬度膨脹率和吸水厚度膨脹率，循環(huán)結(jié)束后測定其內(nèi)結(jié)合強度。每個檢測項目各取6個試件，結(jié)果選取其平均值。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 浸膠方式對板材靜曲強度和彈性模量的影響

不同浸膠方式對竹基纖維復(fù)合材料板材的靜曲強度（MOR）和彈性模量（MOE）影響的試驗結(jié)果如表1所示。

由表1可以看出，采用一次浸漬的方式隨著膠液固含量從7%增加到20%其浸膠量增長了202.72%，板材的靜曲強度和彈性模量分別增長了14.82%和13.55%，隨著浸膠量的增加，纖維化單板表面的樹脂膠膜覆蓋面更大并且均勻性增加，反映在產(chǎn)品性能為膠合性能的增強。采用低固含量和高固含量相結(jié)合二次浸漬的方式，在7%+30%、7%+35%，7%+40%和12%+30%、12%+35%和12%+40%兩種二次浸漬設(shè)計水平上，靜曲強度和彈性模量整體差別不顯著，其中7%低固含量膠液和高固含量膠液相結(jié)合方式板材的靜曲強度和彈性模量最大平均值和最小平均值分別相差9.67%和2.14%，12%低固含量膠液和高固含量膠液相結(jié)合的板材則相差6.68%和3.59%。材料的抗彎強度主要取決于竹基纖維復(fù)合材料的基材材料、膠黏劑以及其形成的膠合界面，制備密度相同的竹基纖維復(fù)合材料，其組成材料的竹材纖維體含量和浸漬量相同，故抗彎強度差別較小。

表1 不同浸膠方式竹基纖維復(fù)合材料的靜曲強度和彈性模量試驗結(jié)果Tab.1 Test results for effects of different impregnating methods on MOR and MOE of bamboo-based fiber composites

采用7%低固含量膠液和高固含量膠液相結(jié)合方式的二次浸漬與一次固含量7% 浸膠相比，其浸膠量約增長了28.44%～31.88%，板材的靜曲強度和彈性模量分別增長了14.57%～25.64%和7.83%～10.14%，與一次浸膠20%固含量壓制板材相當(dāng)，但浸膠量減少了56.43%～57.57%。因而，在保證強度的條件下，采用低固含量膠液和高固含量膠液相結(jié)合方式的二次浸漬方式，可以降低膠黏劑的浸漬量，節(jié)省板材壓制成本。

2.2 浸膠方式對板材耐水性能的影響

從表2可以得知，采用一次浸膠的方式，隨著膠液固含量的增加，纖維化單板表面的浸膠量逐漸增加，板材的寬度膨脹率和吸水厚度膨脹率逐漸下降，內(nèi)結(jié)合強度呈上升趨勢；隨著循環(huán)次數(shù)的增加，板材的寬度膨脹率和吸水厚度膨脹率呈逐漸上升的趨勢，與4 h水煮相比，52 h水煮循環(huán)后7%、12%和20%的寬度膨脹率分別增長了23.19%、17.56%和21.08%，吸水厚度膨脹率分別增加了21.05%、20.88%和43.05%。材料的耐水性能主要取決于板材的膠合性能，而浸漬量與膠合性能正相關(guān)。采用低固含量和高固含量相結(jié)合二次浸漬的方式，在7%+30%、7%+35%，7%+40%和12%+30%、12%+35%和12%+40%兩種二次浸漬設(shè)計水平上，隨著第二次浸漬膠液固含量的增加，其耐水性能逐漸增強。其中7%+40%固含量浸膠后壓制板材的耐水性能與20%固含量浸膠壓制的板材相當(dāng)，但內(nèi)結(jié)合強度遠(yuǎn)大于20%固含量浸膠板材的強度，同時浸膠量減少了56.85%；12%+40%浸膠量與20%固含量浸膠相比降低34.83%，但壓制的板材性能最佳，28 h寬度膨脹率達到了1.71%，吸水厚度膨脹率為3.98%，內(nèi)結(jié)合強度為3.08 MPa，其性能指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出20%固含量浸膠后壓制的板材，達到了GB/T 30364—2013《重組竹地板》規(guī)定的室外地板優(yōu)等品關(guān)于耐水性寬度膨脹率≤3%，吸水厚度膨脹率≤5%的要求。其主要原因為，采用低固含量膠液和高固含量膠液相結(jié)合方式的二次浸漬方式，首先利用低固含量膠液對竹纖維化單板的內(nèi)部進行填充和沉著，然后利用高固含量膠液對單板表面進行覆蓋，增強了板材的膠合性能，實現(xiàn)了板材的耐水性能增強。

表2 不同浸膠方式竹基纖維復(fù)合材料的耐水性能試驗結(jié)果Tab.2 Test results for effects of different impregnating methods on water resistance of bamboo-based fiber composites

3 結(jié)論

1）采用一次浸膠的方式，隨著膠液固含量的增大，竹纖維化單板的浸膠量逐漸增加，從而板材的靜曲強度和彈性模量逐漸增加；采用低固含量和高固含量相結(jié)合二次浸漬的方式，板材的靜曲強度和彈性模量整體差別不顯著。采用7%低固含量膠液和高固含量膠液相結(jié)合方式的二次浸漬壓制板材與一次浸膠20%固含量壓制的板材相比，在相同密度條件下，大幅降低浸膠量的同時，板材的靜曲強度和彈性模量性能相當(dāng)。

2）采用一次浸膠的方式，其耐水性能和內(nèi)結(jié)合強度隨著浸膠量的增加而增強；采用低固含量和高固含量相結(jié)合二次浸漬的方式，其耐水性能和內(nèi)結(jié)合強度隨著第二次浸膠膠液固含量的增加而增強。其中，在相同密度條件下，7%+40%固含量浸膠后壓制板材的耐水性能與20%固含量浸膠壓制的板材相當(dāng)，內(nèi)結(jié)合強度優(yōu)于20%固含量浸膠壓制的板材，但浸膠量減少了56.85%；12%+40%浸膠量與20%固含量浸膠相比降低34.83%，但壓制的板材性能最佳，達到了GB/T 30364—2013規(guī)定的室外地板優(yōu)等品的要求。

3）在保證板材力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，與一次浸膠的方式相比，采用低固含量和高固含量相結(jié)合的二次浸漬實現(xiàn)了減少浸膠量，提高耐水性能，達到降低產(chǎn)品成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

[1] 程亮, 王喜明, 余養(yǎng)倫. 浸膠工藝對綠竹重組竹材性能的影響[J]. 木材工業(yè), 2009(3):16-19.

[2] 孟凡丹, 余養(yǎng)倫, 祝榮先, 等. 浸膠量對纖維化竹單板層積材物理力學(xué)性能的影響[J]. 木材工業(yè), 2011, 25(2):1-3.

[3] 王燕, 李賢軍, 呂建雄,等.重組竹制造用竹束的浸膠工藝優(yōu)化研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報, 2013, 33(10):153-157.

[4] 徐有明, 滕方玲. 我國高性能重組竹研究進展及其研發(fā)建議[J]. 世界竹藤通訊, 2015, 13(3):1-7.

[5] 鄒怡佳, 陳玉和, 吳再興, 等. 改性三聚氰胺樹脂對重組竹表面開裂的影響[J]. 林產(chǎn)工業(yè), 2013, 40(5):26-29.