基于高頻熱壓成型的竹集成材制備及力學性能評價*

劉延鶴 周建波,2 傅萬四 張 彬,2 常飛虎 何 文

(1. 國家林業和草原局北京林業機械研究所 北京 100029； 2. 中國林業科學研究院林業新技術研究所 北京 100091； 3. 南京林業大學材料科學與工程學院 南京 210037)

木材是國民經濟發展的戰略資源，在可持續發展戰略實踐中發揮著重要作用。當前，我國木材資源相對匱乏，各種木材和木制品需求越來越大，木材資源供不應求的現象越來越明顯，尋找新的木材替代品迫在眉睫。竹子被認為是一種可以很好替代木材的 “綠色”原材料。我國竹林面積、竹材蓄積量均居世界首位，同時竹材強度、硬度、剛度高，生產周期短，作為性質優良的可再生材料具有廣闊的應用前景(江澤慧等， 2005)。

竹集成材(glued laminated bamboo)是一種新型的竹制人造板，是竹材工業利用的主要方式之一(葉張檸， 2019； 李海濤等， 2016； 常飛虎等， 2018)。現行竹集成材大多采用多層熱壓成型加工(熱壓成型是竹單元或壓坯在高溫下的單軸向壓制，從而激活擴散和蠕變現象)，工藝復雜，生產效率低，耗能高，所需模具數量多，使用壽命短； 也有少量竹集成材采用間歇冷壓加工(間歇冷壓是竹單元在室溫、一定壓力及器械下壓制成具有一定形狀、尺寸、強度、密度的坯體)，溫度低，加工周期長，耗水量大，磨具損耗快。高頻介質加熱是在電磁波輻射下非導電物質分子(稱為偶極子)反復極化振動和摩擦而發熱，能耗低、加工速度快，是新時代很有潛力的新型能源之一(劉曉輝， 2018； 常飛虎等， 2018； 詹先旭等， 2018； 李文定等， 2014)。將高頻介質加熱技術引入到竹集成材加工中，將對竹材工業技術進步具有很大促進作用。竹材是一種多孔、低導熱的天然復合材料，由纖維素、半纖維素、木質素以及少量有機物和無機物組成，受外部加熱時，其內部升溫速率較低。同時，竹材也是一種存在自由離子和束縛離子的介電物質，在細胞壁無定形區域有多種極性基團，如羥基等。此外，竹材還含有大量水分，當暴露在高頻電場時，其中的分子將發生定向極化，竹材會迅速升溫。竹坯作為加熱介質，置于平行金屬板間，當高頻發生器工作時，正負板間形成高頻交變電磁場，竹材中的極化分子和水分子會按電場方向被極化排列，隨電場劇烈振動和摩擦而發熱，用于蒸發水分并提高溫度，促使膠黏劑快速凝固，縮短加工時間，提高生產效率(Weietal.， 2020； Xuetal.， 2019； Xuetal.， 2018； Muhammadetal.， 2018)。

熱壓溫度和熱壓壓力對竹集成材力學性能影響較大，同時高頻介質加熱也受竹材含水率和施膠量的影響。鑒于此，本研究以竹材含水率、熱壓壓力、施膠量和熱壓溫度為試驗因子，探索4個參數變量對高頻熱壓成型竹集成材力學性能的影響，并優化高頻熱壓加工工藝獲得力學性能較優的竹集成材，以期為竹集成材高頻熱壓成型提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

竹條采自湖南省益陽市海利宏竹業有限公司，原材料為當地3～5年生毛竹(Phyllostachysedulis)，經定段、破竹、粗銑和干燥等工序后，精銑制成450 mm(長)×20 mm(寬)×5 mm(高)標準竹片。將竹條含水率分別調整為6%、9%、12%和15%，并按8個(長)×1個(寬)×4個(高)組坯(圖1)，根據表1所示參數施膠。選用浙江諸暨光裕竹業有限公司生產的酚醛樹脂膠黏劑(PF)，其固體含量為50%，酚醛樹脂與面粉配膠時按10∶1使用。

圖1 竹條及竹坯

表1 竹坯試件及參數

1.2 熱壓參數及水平選擇

采用河北省石家莊開發區紀元電氣有限公司的GJ-15-6B-I型射高頻發生器和GJB-PI-51B-JY型高頻液壓機(圖2)，高頻熱壓參數： 陽極電壓Ua=5 kV、陽極電流Ia=2.0～3.0 A、柵級電流Ig=0.4～0.5 A、工作頻率6.78 MHz(阮氏香江等， 2014； Nguyen等， 2015)，組坯完成的試件經高頻熱壓加工成竹集成材。本研究考慮竹材含水率、熱壓壓力、施膠量和熱壓溫度4個參數變量對竹集成材力學性能的影響，熱壓參數及水平見表2(Kalawateetal.， 2017； Aydinetal.， 2005； Sharmaetal.， 2015； 王文靜等， 2015)。高頻熱壓成型的竹集成材在寬度方向兩邊各鋸削30 mm，再鋸削加工成2個450 mm(長)×50 mm(寬)×20 mm(高)的試件，按GB/T 17657—2013在CMT-4204萬能力學試驗機上進行抗彎曲和抗剪切試驗，測量抗彎強度和剪切強度。每組試驗重復3次，求平均值。

圖2 GJ-15-6B-I型射高頻發生器(a)和GJB-PI-51B-JY型高頻液壓機(b)

表2 熱壓參數及水平

1.3 研究方法

本研究參數變量4個，各參數水平變量4個，正常試驗768次(每組試驗重復3次)。為了減少試驗次數并保證足夠的信息，采用正交試驗設計，選取5列16行的L16正交表。L16正交陣列設計試驗只需48次(每組試驗重復3次)，如表3所示。

表3 L16正交試驗

2 結果與分析

竹集成材高頻熱壓正交試驗結果如表4所示，對試驗結果分別進行極差分析、主效應分析、交互分析、方差分析和數學建模(張浩等， 2015； Xiaoetal.， 2017)。

表4 正交試驗結果

2.1 極差分析

由于試驗設計是正交的，因此可在不同水平上分離出每個參數對竹集成材力學性能的影響。平均抗彎強度和平均剪切強度的極差分析表如表5所示，此外還計算了16次試驗的總平均抗彎強度和剪切強度。可見，熱壓壓力和竹材含水率對平均抗彎強度影響特別顯著，熱壓溫度對平均抗彎強度影響次之，最后是施膠量； 施膠量對平均剪切強度影響特別顯著，竹材含水率對平均剪切強度影響次之，熱壓壓力是第3個最顯著的因素，最后是熱壓溫度。平均抗彎強度為103.839 MPa，平均剪切強度為88.046 MPa。

2.2 主效應分析

抗彎強度和剪切強度主效應分析結果如圖3所示。竹材含水率對抗彎強度和剪切強度影響較大，竹材介質損耗因素小于酚醛樹脂，酚醛樹脂介質損耗因素遠小于水(陳勇平等， 2007)。在高頻介質加熱時，竹材含水率過高會優先吸收大量熱量蒸發水分，影響酚醛樹脂固化，繼而影響竹集成材的力學性能。

當竹材含水率從6%增至9%時，抗彎強度趨于下降顯示最低抗彎強度，剪切強度大幅下降，竹材含水率6%顯示最高剪切強度； 當竹材含水率從9%增至12%時，抗彎強度響應值增大，剪切強度響應值繼續下降顯示最低剪切強度； 當竹材含水率從12%增至15%時，抗彎強度繼續增大得最佳抗彎強度，剪切強度逐漸上升但小于最大剪切強度。

表5 極差分析

當熱壓壓力從1 MPa增至2 MPa時，抗彎強度和剪切強度均呈先下降后上升趨勢，熱壓壓力1 MPa時顯示最高抗彎強度和剪切強度； 當熱壓壓力從1 MPa增至1.3 MPa時，抗彎強度大幅下降，剪切強度略微下降； 當熱壓壓力從1.3 MPa增至1.6 MPa時，抗彎強度略微下降，剪切強度大幅下降得最低抗彎強度和剪切強度； 當熱壓壓力大于1.6 MPa時，抗彎強度和剪切強度不斷增大，但熱壓壓力2 MPa時抗彎強度小于最大抗彎強度。

當施膠量從200 g·m-2增至300 g·m-2時，抗彎強度呈整體下降趨勢， 200 g·m-2施膠量顯示最高抗彎強度； 當施膠量從200 g·m-2增至240 g·m-2時，剪切強度大幅上升，并在施膠量240 g·m-2時達到最大值； 當施膠量從240 g·m-2增至260 g·m-2時，抗彎強度略微上升，剪切強度略微下降； 當施膠量大于240 g·m-2時，抗彎強度和剪切強度均大幅下降，300 g·m-2施膠量顯示最低抗彎強度。

當熱壓溫度從115 ℃增至120 ℃時，抗彎強度趨于下降顯示最低抗彎強度，剪切強度逐漸上升； 當熱壓溫度從120 ℃增至125 ℃時，抗彎強度和剪切強度逐漸增加至最大，即最佳抗彎強度和剪切強度； 當熱壓溫度大于125 ℃時，抗彎強度和剪切強度均大幅下降，130 ℃熱壓溫度顯示最低剪切強度。

綜上分析可知， 4級竹材含水率、1級熱壓壓力、1級施膠量和3級熱壓溫度為最佳抗彎強度的熱壓參數， 1級竹材含水率、1級熱壓壓力、2級施膠量和3級熱壓溫度為最佳剪切強度的熱壓參數。

圖3 主效應分析

2.3 交互分析

抗彎強度和剪切強度交互分析結果如圖4、5所示，具有4個熱壓參數的交互作用效應顯示了所有2個參數組合的單獨雙向交互作用效應。

圖4第1行3幅圖自左向右顯示4個竹材含水率水平(6%、9%、12%和15%)平均抗彎強度與熱壓壓力、施膠量、熱壓溫度的交互作用效應，第2行2幅圖自左向右顯示4個熱壓壓力水平(1.0、1.3、1.6和2.0 MPa)平均抗彎強度與施膠量、熱壓溫度的交互作用效應，第3行1幅圖顯示4個施膠量水平(200、240、260和300 g·m-2)平均抗彎強度與熱壓溫度的交互作用效應。可見，所有交互作用效應都顯示非平行線，表明所有參數間均存在交互作用。剪切強度交互分析結果與抗彎強度相似，所有交互作用效應都顯示非平行線，表明所有參數間均存在交互作用。

圖4 抗彎強度交互分析

2.4 方差分析

抗彎強度和剪切強度方差分析結果如表6所示,通常F越大，表示參數變化對性能特性的影響越顯著。

由表6可知，影響竹集成材抗彎強度的最重要因素是貢獻率25.821%的熱壓壓力，其次是貢獻率18.524%的竹材含水率，施膠量和熱壓溫度的貢獻率分別為1.978%和3.677%，誤差貢獻率為50%。熱壓壓力和竹材含水率顯著影響竹集成材抗彎強度，施膠量和熱壓溫度變化對抗彎強度的影響較顯著。

影響竹集成材剪切強度的最重要因素是貢獻率22.618%的施膠量，其次是貢獻率15.221%的竹材含水率，熱壓壓力和熱壓溫度的貢獻率分別為8.874%和3.286%，誤差貢獻率為50%。施膠量和竹材含水率顯著影響竹集成材抗彎強度，熱壓壓力和熱壓溫度變化對抗彎強度的影響較顯著。

圖5 剪切強度交互分析

表6 抗彎強度和剪切強度方差分析

2.5 數學建模

利用SPSS 22.0軟件建立數學模型(朱紅兵等， 2013)，分析各熱壓參數對竹材集成力學性能的影響。根據試驗數據建立抗彎強度和剪切強度回歸方程，將一階線性模型擬合成公式如下：

y=β0+β1x1+β2x2+β3x3+β4x4。

(1)

式中：y為竹集成材的力學性能；x1、x2、x3、x4為熱壓參數；β為回歸系數。

一階線性模型可表示為熱壓參數(竹材含水率、熱壓壓力、施膠量和熱壓溫度)與竹集成材力學性能的函數。根據式(1)，用于預測竹集成材力學性能與熱壓參數間的關系表示為：

y=β0+β1MC+β2P+β3V+β4T。

(2)

將試驗結果代入式(2)，建立抗彎強度(σ)和剪切強度(σc)與熱壓參數間的數學模型：

σ=36+2.35MC-7P-0.109V+0.66T；(3-1)

σc=119.1-0.78MC-5.2P+0.025V-0.176T。(3-2)

測定系數(R2)是對模型解釋平均值變化量的度量，抗彎強度R2=22.02%，剪切強度R2=5.98%，表明一階線性回歸模型結果不理想，還需進一步改進。

圖6所示為竹集成材抗彎強度概率，解釋了近80%的抗彎強度低于120 MPa，平均抗彎強度為103.8 MPa，標準差為21.75。抗彎強度數據點大致沿著直線，P>0.05，且AD統計值較低，因此可以推斷數據處于正態分布。

圖7所示為竹集成材剪切強度概率，解釋了近80%的抗彎強度低于100 MPa，平均剪切強度為88.05 MPa，標準差為14.84。剪切強度數據點大致沿著直線，P>0.05，且AD統計值較低，因此可以推斷數據處于正態分布。

圖6 抗彎強度概率

圖7 剪切強度概率

抗彎強度和剪切強度數據處于正態分布，因此可用二階模型進行擬合(張仲鳳等， 2014)，表示為：

β11x1x4+β12x2x3+β13x2x4+β14x3x4。

(4)

式中：y為竹集成材的力學性能，x1、x2、x3、x4為熱壓參數；β為回歸系數。

二階模型可表示為熱壓參數(竹材含水率、熱壓壓力、施膠量和熱壓溫度)與竹集成材力學性能的函數。根據式(4)，用于預測竹集成材力學性能與熱壓參數間的關系表示為：

y=β0+β1MC+β2P+β3V+β4T+

β5MC2+β6P2+β7V2+β8T2+

β9MCP+β10MCV+β11MCT+

β12PV+β13PT+β14VT。

(5)

將試驗結果代入式(5)，建立抗彎強度(σ)和剪切強度(σc)與熱壓參數間的數學模型：

σ=3 416.64+1.266MC-893.804P+0.44V-45.732T+0.142MC2+116.99P2-0.003 6V2+0.156T2+3.669MC·P+0.036 2MC·V-0.136MC·T-0.346PV+4.817PT+0.011 8VT；

(6-1)

σc=6 907.42+35.448MC-2 045.468P+9.553V-109.304T-2.995MC2+16.682P2-0.020 1V2+0.318T2+3.319MC·P+0.094 1MC·V-0.033MC·T-1.584PV+19.383PT+0.015 8VT。

(6-2)

由于誤差列的自由度為0，故刪除1個或多個交互項，并重新擬合模型。根據式(6-1)，相互作用項系數VT的絕對值等于0.011 8，遠小于其他各相互作用項系數，因此刪除VT項，并重新擬合抗彎強度數學模型； 根據式(6-2)，相互作用項系數VT的絕對值等于0.015 8，遠小于其他相互作用項系數，因此刪除VT項，并重新擬合剪切強度數學模型。

修正模型表示為：

σ=2 101.23-2.579MC-895.434P+1.283V-25.662T+0.335MC2+124.976P2-0.003 1V2+0.09T2+3.71MCP+0.034 MC·V-0.129MC·T-0.092PV+4.108PT；

(7-1)

σc=5 146.898+30.305MC-2 047.89P+10.684V-82.446T-2.736MC2+27.382P2-0.019V2+0.229T2+3.374MC·P+0.091MC·V-0.024MC·T-1.244PV+18.437PT。

(7-2)

抗彎強度修正模型R2=93.2%，剪切強度修正模型R2=97.1%，均接近于1，表明重新擬合的數學模型能夠很好擬合實際數據，所得數學模型可靠。

3 討論

竹集成材力學性能是衡量其質量的重要指標，抗彎強度和剪切強度與所建數學模型最大值對應時，可考慮為最佳結果，即最優力學性能。利用Matlab 2010軟件，表7列出了基于修正模型(7-1)和(7-2)的最佳熱壓參數組合： 竹材含水率15%、熱壓壓力2.0 MPa、施膠量260 g·m-2、熱壓溫度130 ℃為抗彎強度最優解(168.51 MPa)； 竹材含水率10.2%、熱壓壓力2.0 MPa、施膠量240 g·m-2、熱壓溫度130 ℃為剪切強度最優解(263.26 MPa)。高頻熱壓成型竹集成材的力學性能較優，為竹集成材高頻熱壓成型大規模推廣提供了理論依據。在后續研究中，可增加高頻熱壓試驗參數和水平，豐富試驗數據，進一步深入探索竹集成材高頻熱壓成型機制。

表7 力學性能優解

4 結論

竹材含水率、熱壓壓力、施膠量和熱壓溫度4個參數變量對高頻熱壓成型竹集成材力學性能均有影響，熱壓壓力對竹集成材抗彎強度影響較顯著，施膠量對竹集成材剪切強度影響較顯著。本研究在此基礎上提出了一個熱壓參數對竹集成材抗彎強度和剪切強度影響的數學模型，并通過試驗數據進行擬合驗證，結果表明，該模型可有效反映熱壓參數與竹集成材力學性能間的關系，優化高頻熱壓工藝生產的竹集成材，其力學性能滿足相關標準和使用要求，可為竹集成材高頻熱壓成型提供技術參考。