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丛生竹竹篾层积材制备工艺的研究

2021-02-14 来源:年旅网
福建林学院学报2013,33(3):267—272 第33卷第3期 Journal of Fujian Cortege ofForestry 2013年7月 丛生竹竹篾层积材制备工艺的研究 任一萍 ,王正 ,高黎 ,白彦锋。 (1.中国林业科学研究院木材工业研究所,北京100091;2.国家林业局木材科学与技术 重点实验室,北京100091;3.中国林业科学研究院林业研究所,北京100091) 摘要:以四川南部长宁县的丛生竹种梁山慈竹为试材,就2种热压工艺对竹篾层积材的性能影响进行了比较,采用正交试 验法,对影响竹篾层积材物理力学性能的工艺因子进行分析和优化。结果表明,2种热压工艺制备的竹篾层积材性能均远 高于标准要求;优化的竹篾层积材热压工艺为“热上热下”工艺;基于该工艺制备层积材优化的工艺因子为密度 0.8 g・cm一,热压温度150℃,热压时间1.5 min・mm~。以优化的竹篾层积材工艺及因子,对该县3种丛生竹种梁山慈竹、 硬头黄竹、慈竹竹篾制备的竹篾层积材的物理力学性能进行了对比。 关键词:丛生竹;梁山慈竹;竹篾层积材;热压工艺;影响因子 中图分类号:s795.9 文献标识码:A 文章编号:1001—389X(2013)03—0267—06 Optimization of technology of sympodial bamboo laminated bamboo sliver lamber REN Yi—ping ,WANG Zheng ,GAO Li ,BAI Yan—feng3 (1.Research Institute fo Wood Industry,Chinese Academy fo Forestry,Bering 100091,China; 2.Key Laboratory fo Wood Science and Technology fo State Forestyr Administration,Bering 100091,China; 3.Research Institute of Forestry,Chinese Academy fo Forestry,Bering 100091,China) Abstract:Symped ̄la bamboo(Dendrocalamus farinosus)growing in southern Sichuan Province was taken as experimentla mateirlas.The efects of two kinds of hot pressing technology on properties of laminated bamboo silver lmaber(LBSL)were compared.The density of panels,temperature and time of hot pressing were taken as variables factors.And their effects on physical nad mechanical properties of LBSL were investigated with varinace analysis and signiifcance test.The results showed that both of the properties of LBSLs manufactured by diferent hot pressing technologies were more superior than the value of standards.Optimal tcehnology parameters were the hot.hot cycle pressing,0.8 g-am—board densiyt,150℃hot press temperature and 1.5 min・mill。。 hot press time.Wiht optimized technology of LBSL,three species of sympoaila bamboo(Dendrocalamusfarinosus;Bambusa诎; Bambusa orneiensis)LBSLs were made and the properties were compared. Key words:sympedila bamboo;Dendrocalamusfarinosus;lmainated bamboo sliver lumber;hot press technology;afecting factors 我国竹类资源丰富,贮量大,丛生竹作为我国竹林资源的重要组成部分,具有生长快、伐期短、产量高、 纤维长等优点,主要分布在云南、四川、福建、广西、广东等省区,共有100多万hm2【¨。研究丛生竹板材的 高效加工利用技术,对于将板材产业发展成为丛生竹工业化利用的龙头产业具有重要意义 。但到目前 为止,我国竹类研究偏重于毛竹(Phyllostachys pubescens)等散生竹种,关于丛生竹的研究相对缺乏,已有的 研究也偏重于丛生竹的生物特性,如丛生竹的竹材纤维形态、组织比量、纤维素含量 、解剖特性与化学 成分 ]、叶片可溶性蛋白分析 、竹秆特性 、密度及干缩性 】、抗旱性[9]、生长状况与环境因子关系 等【1引。而针对丛生竹在人造板应用方面的研究较少,王正等¨ 研究了云南龙竹(Dendrocalamus yunnani— ells)、黄竹(Dendrocalamus membranaceus)2种丛生竹物理力学性能及其对制造竹建筑材料的影响;李和麟 等u 以慈竹(Bambusa omeiensis)为原料制备了高性能重组竹。笔者以梁山慈竹(Dendrocalamusfarinosus) 为基材对丛生竹竹篾层积材热压工艺及工艺影响因子做了研究,并以优化的热压工艺制备了生长在四川 南部长宁县的3种主要丛生竹竹篾层积材,即梁山慈竹、硬头黄竹(Bambusa rigida)和慈竹竹篾层积材, 比较了3种竹篾层积材物理力学性能,为其在人造板的生产应用提供科学的理论依据。 收稿日期:2013—03—24 修回日期:2013-05-03 基金项目:林业公益性行业科研专项基金资助项目(20O804O04)。 作者简介:任一萍(1968一),女,工程师,博士,从事人造板胶粘剂的研究。E—mBil:renyp60o@aliyun.com。通讯作者王正(1954一),男,研究 员,博士生导师,从事复合工程与结构材料研究。E-mail:wangz@ca1.ac.ca。 ・268・ 福建林学院学报 第33卷 1材料与方法 1.1材料 梁山慈竹、硬头黄竹、慈竹均采自四川南部长宁县,选取3个竹种的健康竹林,每一个竹种分别伐3年 生丛生竹300株,利用竹材加工企业的剖篾设备将其加工成竹篾。试件采样时截取距基部约1 m处的竹 篾,选取其中不含竹青和竹黄的竹篾,加工成400 nlnl×400 mm竹帘,室温存放至平衡含水率为8%左右测 试。在工艺因子优化试验中均以梁山慈竹为试材。酚醛树脂(phenolic resin,PF)胶粘剂,为试验室自制, 甲醛与苯酚的摩尔比为1.6:1,固含量50.6%,粘度55 mPa・S,pH值l3,游离酚含量≤3%,游离醛含量 ≤O.1%,试验过程中根据需要配制成固含量30%的浸渍液。 1.2设备 电热恒温干燥箱(上海一恒科学仪器有限公司,型号DHG-9145A);电子天平(北京赛多利斯仪器系统 有限公司,型号TB-403);酸度计(瑞士Metrohm公司,型号827pH lab);粘度计(美国Brookfield公司,型号 DV—I+VISCOMETER);平板热压机(上海人造板机器厂,型号QD);万能力学试验机(济南时代试金仪器 有限公司,型号WDW—wlo)。 1.3试验工艺及设计 谶盟。2 41.3.1竹帘浸胶工艺PF胶液固体含量30%,浸胶时间6 min【l ,竹帘浸胶净增重率均值为6.4%。 1.3.2浸胶后竹帘干燥工艺先沥干胶液再放人50 c【=干燥箱中干燥2 h,将含水率控制在6%一10%。O O O O O O O  1.3.3 2种热压工艺的设计“冷上冷下”工艺:放人板坯的温度为60℃,热压过程中将温度升至160℃ ” (约需20 min)并保持一段时间,热压后再降温至6O℃(约需15 min),取出板材;“热上热下”工艺:放人板 坯、热压过程及取出板材的温度均保持在160℃。在以上2种工艺中均以梁山慈竹竹帘为试材,竹帘采用 顺向组坯,热压时间为1.5 rain・mm~,板材密度设计为O。8 g・cm一,热压后板厚度15 arin。此工艺是参考 文献[14]的压板工艺,2种工艺各压板3块。 1.3.4 正交试验设计热压工艺采用1.3.3优化的 表1正交试验设计 (3‘) 2 1 1 工艺,工艺影响因子对层积材性能影响试验以梁山 Table 1 (3 )orthogonal experiment design ∞ 慈竹为试材设计正交试验,采用正交表厶(3‘),其 旦 宣廑垫 廑 盟 误差项 试验设计见表1。试验过程中每个试验号压板3 g-cm-3 ℃ min・toni-1 ’ 块,正交试验共压板27块。 1(140) 1(14o) 1.4数据测试 1(14o) 密度、静曲强度(modulus of rupture,MOR)及弹 2(15o) 2(15o) 性模量(modulus of elasticity,MOE)的测试依据标 2(150) 准LY/T 1072-2002-1副规定的方法进行;24 h吸水厚 3(160) 度膨胀率(24 h thickness swelling of water absorbing. 3(160) 3(160) 24 h TS)、浸渍剥离率(delamination rate,Dr)的测试 依据标准GB/T 17657—1999[1 中规定的方法进行。 2结果与分析 2.1.2种热压工艺制备层积材性能比较与分析 2种热压工艺所得竹篾层积材的物理力学性能 表2 2种热压工艺试验结果 结果见表2。 Table 2 Results of two kinds of pressing technology 由表2可以看出,“冷上冷下”工艺压得的板材 MOR及MOE高于“热上热下”板材,而24 h TS、Dr 均比“热上热下”板材差。是因这为板材采用“冷上 冷下”工艺时,其固化有个缓慢渐进的过程有利于 胶粘剂的均匀扩散及固化,使得板材的强度高,固化后在高压下降温会减少板材失压后的变形,因此“冷  1 1 2 1 第3期 任一萍等:丛生竹竹篾层积材制备工艺的研究 ・269・ o,\∽ II寸N 上冷下”工艺压得的板材的密度高、强度好,又因为“冷上冷下”工艺热压时间较长,竹纤维的晶状结构在 高温下破坏较大,加上胶粘剂熔融与固化时间的加长会增加胶粘剂向竹篾内部的渗透而减少了其在竹篾 表面的包裹,使竹材的吸水性增大造成板材24 h TS和Dr比“热上热下”板材略差。但2种热压工艺下板 ¨ ¨ m 材的性能都远远高于标准要求,而“冷上冷下”工艺热压时间是“热上热下”的2倍,综合性能及生产效率、 生产成本等因素,正交试验均采用“热上热下”的热压工艺。 2.2工艺因子对层积材性能的影响 为找出影响材料性能的关键因子与水平,对结果进行了方差分析及显著性检验,结果见表3。 表3变量因子对竹篾层积材性能影响的方差分析及显著性检验 ’ Table 3 The varianceanalysisand signiifcancetest 0fthe variablefactors affecting properties ofLBSL ‘’显著性检验水平为Ot=0.05,P<O.05,表明在显著性水平O.05下,检验结果是显著的。 2.2.1 密度对竹篾层积材性能的影响 由表3的数据可看出,密度对竹篾层积材24 h TS、Dr、MOB和 MOE影响的显著性指标均达到了统计上极显著水平。将材料性能指标统计分析得到图l。 4 0 3 2 O.6 0.7 0.8 0.6 O.7 O.8 密度/(g・cm‘ ) 密度/(g・cm。) 0 O.6 0.7 0.8 0.6 0.7 O.8 密度/(g・cm。) 密度/(g・cm。) 图1密度对层积材性能的影响 Figure1 F ̄ects of density Oil properties ofLBSL ・270・ 福建林学院学报 /s.LII 第33卷 H ¨ m 由图1可看出,表征材料尺寸稳定性的24 h TS和Dr随着密度的增加而减小,当密度为0.8 g・cm 时 24 h TS和Dr达最小值;表征材料力学性能的MOR及MOE随着密度的增加而增加,当密度为0.8 g・cmI3 时MOR和MOE达最大值,因密度越高则竹篾层积材层间挤压越紧密,材料的尺寸稳定性、力学性能也越 好。当密度为0.8 g・cmI3时,材料的各项性能均为最好,因此,密度优化值为0.8 g-cm~。 2.2.2热压温度对层积材性能的影响 由表3可看出,热压温度对竹篾层积材24 h TS和Dr的影响达到 了统计上极显著水平,对MOR和MOE影响不显著。将数据统计分析得出热压温度对层积材各项性能的 影响见图2。由图2可见,随着热压温度的升高,24 h TS变小,当热压温度由140℃增加至160℃时 24 h TS减少率为20%;随着热压温度的升高Dr增大,当热压温度为140—150 oC时,Dr增加不多,但是当 热压温度为150—160℃时,Dr值增加了100%;MOR值随着热压温度的升高先减小后增大,当热压温度 为140—150℃时,MOR明显减小,而当热压温度为150—160℃时,MOR略有增加,当热压温度为140 oC 时,MOR最大;热压温度对竹篾层积材MOE的影响不显著,3个水平下的MOE极差值为0.4 GPa,仅为平 均值的2.6%,差异性不大。综合热压温度对竹篾层积材4项物理力学性能的影响,优化的热压温度 为150 oC。 凸 l50 140 l5O 热压温度/℃ 热压温度/℃ l5.6 l5.5 一 l5.4 、、 【U 0 呈 l5l3 l5.2 l5.1 l40 l5O l5O 热压温度/℃ 热压温度/℃ 图2热压温度对层积材性能的影响 Figure 2 Effects ofhot press temperature Oil properties ofLBSL 2.2.3热压时间对层积材性能的影响 由表3可看出热压时间对竹篾层积材的24 h TS和MOE的影响 达到了统计上极显著水平,热压时间对Dr和MOR的影响不显著。将试验数据统计分析得出热压时间对 层积材各项性能的影响见图3。由图3可见,当热压时间由1 min・mm 增加到1.5 min・mm 时,24 h TS 值迅速减小,当热压时间为2.0 min・arin 时,减少至最小;随着热压时间的增加MOE值呈直线性增加。 热压时间对Dr和MOR的影响不显著,3个水平热压时间下的Dr值都比较接近,当热压时间为 1.5 min・inin 时,Dr值最小,MOR值最大,故优化的热压时间为1.5 min・mm~。 2.3竹篾层积材的优化工艺因子 由以上分析可看出,以梁山慈竹为试材,采用“热上热下”的热压工艺制备竹篾层积材,优化因子为密 度0.8 g・cm一、热压温度150℃、热压时间1.5 min・nllTI~。 第3期 任一萍等:丛生竹竹篾层积材制备工艺的研究 ・271・ \∞ tl寸 O 5 O ¨ 5 O ¨ m 5 3.8 3.6 3.4 3.2 凸 3.O 2.8 2.6 1.O 1.5 2.0 1.0 I.5 2.O 热压时N/(rain・mm’ ) 热压时N/(rain・film ) 矗 \ 0 0 0 :52  :O2  :52  =O2  M 5 1.O 1.5 2.0 1.0 1.5 2.0 热压时N/(rain・mm‘。) 热压时N/(min・mill。) 图3热压时间对层积材性能的影响 Figure 3 Effects ofhot presstime O11 properties ofLBSL 2.4 3种丛生竹竹篾层积材性能比较 以优化的工艺及因子,分别利用3种丛生竹竹篾编成的竹帘压板,试验中,每种竹帘压3块板,其物理 力学性能见表4。 表4 3种丛生竹竹麓层积材性能 Table4 Properites ofLBSLsmade bythree species of sympodial bamboo 由表4可看出,3种丛生竹层积材的性能指标除硬头黄竹的MOR值达不到标准要求外,其它各项性 能均好于标准要求。其中MOR值和MOE值差别较大,因MOR值和MOE值反映了材料的强度和刚性, 3种丛生竹属于不同的属,其生物特性不同¨ ,竹秆的柔韧性不同。慈竹竹秆壁薄、节间长,材质柔韧、劈 篾性能优良,因此由慈竹竹篾压制的层积材24 h TS和Dr都较低,说明板材的胶合强度较好,层间结合紧 密,但板材的MOR值和MOE值较低,这与其材质柔韧有关;硬头黄竹篾压制的层积材24 h TS和Dr都最 高,是由于其竹材坚硬、密度大,热压后竹材的反弹力大,胶合相对于材质柔韧的材料来说困难,因而胶合 强度差,MOR值也低,但因其硬度大,刚性较好,所以MOE值比慈竹高;梁山慈竹秆高、壁薄、节间较长、韧 性好,其性能介于慈竹和硬头黄之间,由其竹篾压制的层积材的各项物理力学性能除24 h TS略高于慈竹 外均是最高的,说明板材胶合性能好,强度高、刚性大。 3结论 2种热压工艺制得的竹篾层积材其力学性能指标均远远高于标准要求,基于物理力学性能及生产效 率、生产等成本因素,优化的工艺为“热上热下”的热压工艺。 ・272・ 福建林学院学报 第33卷 变量因子密度对竹篾层积材24 h'IS、MOR、MOE的影响非常显著;热压温度对竹篾层积材24 h'IS和 Dr影响非常显著,对MOR和MOE影响不显著;热压时间对竹篾层积材24 h TS和MOR的影响非常显著, 对Dr影响接近显著而对MOE的影响不显著。 采用“热上热下”的热压工艺,竹篾层积材的优化工艺因子为密度0.8 g・cm一,热压温度150 a【=,热压 时间1.5 min・mm~。 3种丛生竹中,以梁山慈竹所得板材力学性能最佳,硬头黄板材力学性能最差,慈竹介于两者之间。 这些差异是由3种丛生竹的生物特性所决定的,也决定了其在人造板生产中将会有不同的应用。 参考文献 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