熱壓工藝對室外分級側壓竹板力學性能的影響

殷麗萍，姚遲強,2，黃成建，章衛鋼，李延軍*

（1. 浙江農林大學 工程學院，浙江 臨安 311300；2. 浙江省杭州市余杭區林業水利局，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品提供了理論依據[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、分級竹絲復合材料等方面[2~6]，對室外分級側壓竹板的研究還未見報道。本文通過研究室外分級側壓竹板的物理力學性能，探討其較佳的熱壓工藝，為分級竹材的工業化利用提供技術支撐。

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——熱出”熱壓工藝壓制室外側壓竹板，將竹片先干燥至指定含水率，再手工涂膠，陳化后側拼組坯并放入熱壓機中壓制成板，壓制好的板材經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性能的影響，探討酚醛樹脂進行室外側壓竹板生產的可行性，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壓竹板物理力學性能的影響。

熱壓時間試驗設計：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 采用國家標準GB/T 20240-2006測定室內側壓竹板的密度（Density，D）、含水率（Moisture Content，MC）、抗彎靜曲強度（Modulus of rupture，MOR）和抗彎彈性模量（Modulus of elasticity，MOE）4項性能指標。

2 結果與分析

2.1 熱壓時間對室外側壓竹板力學性能的影響

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，室外側壓竹板的靜曲強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胞壁中，并與竹材中的部分活性官能團以及竹材中的水分發生化學交聯作用，形成具有較高強度和穩定性的網狀交聯結構，當熱壓時間為0.7 min/mm時，熱壓時間太短，酚醛樹脂固化不夠充分；當熱壓時間為0.9 min/mm時，靜曲強度和彈性模量均達到最大值，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，室外側壓竹板最佳的熱壓時間為0.9 min/mm。

2.2 涂膠量對室外側壓竹板力學性能的影響

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

預實驗時發現，當涂膠量＜150 g/m2時，不易涂布均勻，壓制的板材容易出現缺膠現象。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，壓制的室外側壓竹板靜曲強度為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這類情況），導致膠層應力增大，影響板材的膠合性能；另一方面是因為在復合材料中竹纖維和酚醛樹脂分別起著增強材料和基體作用，作為基體的酚醛樹脂與增強材料竹纖維相比，脆性更大，涂膠量的增大導致板材的脆性相對增大，從而影響板材的靜曲強度和彈性模量；從經濟角度考慮，涂膠量的增加不可避免地提高了產品的生產成本。因此，適宜的涂膠量應為150 g/m2。

2.3 熱壓溫度對室外側壓竹板力學性能的影響

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，當熱壓溫度為115 ~ 135℃時，室外側壓竹板的靜曲強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，板材的力學性能也越高，當熱壓溫度為115℃時，靜曲強度和彈性模量最小，當熱壓溫度為135℃時，靜曲強度和彈性模量分別比115℃時提高了11.5%和5.9%；當熱壓溫度為 > 135 ~ 145℃，靜曲強度變化不明顯，彈性模量反而略有降低。因此，室外側壓竹板的最佳熱壓溫度為135℃。

2.4 熱壓壓力對室外側壓竹板力學性能的影響

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

預實驗時發現，當熱壓壓力＜0.9 MPa時，壓制的板材容易出現開裂現象，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，室外側壓竹板的靜曲強度和彈性模量都呈遞減的趨勢，當熱壓壓力為0.9 MPa時，靜曲強度和彈性模量均達到最大值；熱壓壓力為1.2 MPa時，其靜曲強度和彈性模量比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—竹材緊密結合，膠料部分滲入竹材細胞中為熱壓創造必要的條件[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。而熱壓壓力過大時，會將膠液擠出，導致膠層缺膠，從而影響板材的力學性能。因此，適宜的熱壓壓力為0.9 MPa。

3 結論

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，板材的靜曲強度和彈性模量均呈先增大后減小的趨勢。當熱壓時間為0.7 ~ 0.9 min/mm時，隨著熱壓時間的增加，靜曲強度和彈性模量逐漸增大；熱壓時間為0.9 min/mm時，靜曲強度和彈性模量均達到最大值，比0.7 min/mm時分別提高了43.3%和48.9%；當熱壓時間為 > 0.9 ~ 1.3 min/mm時，靜曲強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，板材的靜曲強度和彈性模量均呈遞減的趨勢。當涂膠量為150 g/m2時，靜曲強度和彈性模量均達到最大值。

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

（4）隨著熱壓壓力的增大，板材的靜曲強度和彈性模量均呈遞減的趨勢。當熱壓壓力為0.9 MPa時，靜曲強度和彈性模量均達到最大值，分別為198.1 MPa和16 189 MPa；當熱壓壓力 > 0.9 ~ 1.2 MPa，靜曲強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. 中國竹材工業化利用[M]. 北京：中國林業出版社，1995.

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

[3] 江澤慧，孫正軍，費本華，等. 分級竹層積材的濕脹性研究[J]. 江西農業大學學報，2004，26（5）：655-659.

[4] 江澤慧，孫正軍，任海青. 先進生物質復合材料在風電葉片中的應用[J]. 復合材料學報，2006，23（3）：127-129.

[5] 虞華強. 分級竹簾人造板的力學性能研究[D]. 北京：中國林業科學研究院，2004.

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

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

[8] 傅萬四，周建波. 竹材弧形原態重組材料產業化制造技術研究[J]. 木材加工機械，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[M]. 北京：中國林業出版社，2002.