萨如拉 赵雪梅 陈建兴 棚桥光彦

（1.赤峰学院化学与生命科学学院，内蒙古 赤峰 024000；2.日本岐阜大学应用生物科学部，岐阜县岐阜市 501-1193）

随着森林资源的日益紧缺，对可再生、速生、分布广、强度高、韧性大的竹材资源进行全方位、高效加工利用的重要性凸显[1-2]。但竹材木质层较薄呈空心圆筒状，圆筒直径和木质层在不同个体之间的差异给竹材的利用带来了诸多困难[3-4]。随着工业技术的不断发展，竹材加工利用工艺技术也不断革新。目前竹材加工产品主要有竹家具、竹地板、竹材人造板、竹装饰品、竹纤维制品、竹工艺品、竹浆造纸、竹炭、竹醋液等[5-8]。针对竹材传统加工方式工序繁琐，出材率低，利用率一般在50%以下等问题[9]，本研究团队利用高压水蒸气压缩成型技术进行圆竹的平板化研究，确立了竹展平板技术体系[10-11]，并对竹展平板的形状固定处理条件和物理性能进行了探索研究[12]。展平竹板的出现将竹材加工单元由竹片和竹束单元等转变为竹板，可有效提高竹材利用率。在前期研究中发现，竹展平板存在形状不稳定，纤维垂直方向易断裂、厚度不等且较薄等问题[10-12]。因此，开发高利用率、高环保型和高附加值的竹木复合材料，是今后竹材利用研究的重要方向[13-16]。竹木复合板为结构材料，对其物理性能要求较高，本研究以竹展平板为复合板材上层，杉木板为底层制备了竹/杉复合板，并考察了固定处理竹展平板、未固定处理竹展平板、竹面载荷、杉面载荷对竹/杉复合板性能的影响，旨在为拓展竹木复合板材的制作应用及产业化发展提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

压缩率为14%～19%、厚度为5～6 mm的自制毛竹竹展平板[10-11]（采用3～5 年生毛竹，取自于日本岐阜县长良川），对其中的一半板材进行了160 ℃水蒸气16 min固定处理[12]，另一半未进行固定处理；杉木板（简称杉板，购买于日本岐阜县建材商城），厚14 mm，宽210 mm；黏合剂：间苯二酚（C6H6O2），日本三菱化学药品生产；熔点109～112 ℃；环氧树脂，日本三菱化学药品生产。

1.2 设备

电锯，日本藤沢制作所；磨砂机，日本藤沢制作所；HTP40/58 高压水蒸气成型设备，日本日阪制造；FH300 贯流蒸汽锅炉，日本三浦锅炉生产；AGS-J10kN万能试验机，日本島津制造。

1.3 试验方法

1.3.1 复合板制作

将固定竹展平板、未固定竹展平板各锯取210 mm ×210 mm，用磨砂机除去难粘合的内皮光滑面并磨平，与14 mm × 210 mm × 210 mm杉板粘合。竹展平板内面与杉板一面均匀涂布间苯二酚，单面涂胶量为250 g/m2，竹板铺于上层，杉板铺于下层，按照顺纤维和垂直纤维两种方向粘合，并放入高压水蒸汽压缩成型设备加热至160 ℃，热压压力为0.8 MPa，保压24 h后自然冷却备用[17-20]。下文顺纤维方向的固定竹展平板/杉板复合板简称顺固定竹复合板，顺纤维方向的未固定竹展平板/杉板复合板简称顺未固定竹复合板；垂直纤维方向的固定竹展平板/杉板复合板简称垂直固定竹复合板，垂直纤维方向的未固定竹展平板/杉板复合板简称垂直未固定竹复合板。

1.3.2 复合板剥离试验[17]

以制备48 h后的顺纤维复合板为试材，锯取5 个 50 mm × 50 mm 试件用于剥离试验。在试件上下两面均匀涂布环氧树脂，其上粘接不锈钢块，把不锈钢块连接在万能力学试验机的载荷附件上，向垂直于试件粘接面方向施加拉伸载荷，拉伸速度为2 mm/min，并根据式（1）计算木破率。胶合处不剥离，杉板或竹板因破坏而剥离的视为木破，木破率（%）越高胶合性能越强。

式中：W为杉板或竹板被破坏的试件数，个；W0为全部试件数，个。

1.3.3 复合板尺寸稳定性试验[17]

在顺纤维固定竹复合板、顺纤维未固定竹复合板两种材料中各锯取5个长度为纤维垂直方向的20 mm × 100 mm试件；同时在垂直纤维固定竹复合板、垂直纤维未固定竹复合板两种材料中各锯取5个长度为竹板纤维方向的20 mm × 100 mm试件、再各锯取5个长度为竹板纤维垂直方向的20 mm × 100 mm试件，作为尺寸稳定性试件。将全部试件放入105 ℃恒温箱中烘干24 h，取出冷却至室温后分别测量试件竹侧、杉侧长度及矢高，然后放入相对湿度100%的真空箱中，24 h后取出并测量竹杉侧长度及矢高，再烘干24 h，测量竹杉侧长度及矢高。吸湿和烘干重复3次后，将试件放入水中浸泡24 h，取出擦干表面水分，测量竹杉侧长度及矢高，再烘干24 h再测量。浸泡和烘干重复3次后，将试件水煮沸30 min，取出擦干水分测量竹杉侧长度及矢高，再烘干24 h，冷却至室温，测量竹杉侧长度及矢高，并根据式（2）计算恢复率（%）[18-20]（纤维垂直方向上压缩率为14%～19%的竹板，吸水后伸展，伸展的长短下文用恢复率表示，恢复率越小形状越稳定）。

式中：A为恢复处理后试件尺寸，mm；A0为基准状态试件尺寸，mm。

1.3.4 复合板三点弯曲试验[17]

以顺固定竹复合板、顺未固定竹复合板、垂直固定竹复合板、垂直未固定竹复合板为试材，每种材料各锯取10个长度为竹板纤维方向的15 mm × 200 mm试件，再锯取10个长度为竹板纤维垂直方向的15 mm ×200 mm试件，将每种复合板试件分成2份（5个平行试验），其中一份以杉面载荷，另一份以竹面载荷，进行三点弯曲试验；从杉板试材，锯取5个长度为纤维方向的15 mm × 200 mm试件、再锯取5个长度为垂直纤维方向的15 mm × 200 mm试件。将试件放入温度为25℃、相对湿度为65%的真空箱中静置7 d。取出后，将试件固定在万能力学试验机上，测定载荷及挠度，跨距为180 mm，试验速度为50 mm/min[20-25]。

2 结果与分析

2.1 复合板剥离分析

剥离试验中，制备的复合板材在胶合处未出现剥离现象，被破坏剥离部分为杉板，杉板木破率为100%，说明本试验制备的竹/杉复合板，其胶合性能达到了单板层积材标准要求。

2.2 复合板尺寸稳定性分析

2.2.1 顺纤维复合板尺寸稳定性

顺固定竹复合板、顺未固定竹复合板的竹侧恢复率随时间的变化如图1所示。图中所示分别为每种板材5个试样的试验平均值，由图可知，吸湿和烘干交替重复试验中两种复合板的竹侧长度变化不明显，在浸泡烘干交替重复试验和煮沸烘干试验中，顺未固定竹复合板的竹侧长度变化较大，但最终回复率为4.5%，理论上可以恢复至14%。恢复率低的原因在于：1）平板化和复合过程需要高温处理，此过程中竹板被轻微固定，恢复能力随之下降；2）平板展开时维管束密度大的竹外皮被进一步压缩，有些组织因被破坏而失去恢复应力；3）杉板的吸水膨胀、干燥收缩性质抑制了竹板的恢复。固定竹单板的恢复率约为1%[10]，顺固定竹复合板竹侧的最终恢复率只有0.45%，杉板的干燥收缩性质进一步抑制了竹板的恢复，因此制得的复合板尺寸较稳定。

图1 顺固定竹复合板、顺未固定竹复合板竹侧恢复率Fig.1 Bamboo-side recovery rate of along-fiber fixed composite panel and along-fiber unfixed bamboo-fir composite panel

顺固定竹复合板、顺未固定竹复合板的杉侧恢复率随时间的变化如图2 所示。图中所示分别为每种板材5 个试样的试验平均值，从图中可以看出，吸湿烘干交替重复试验中两种复合板的杉侧长度变化较小。在浸泡烘干交替重复试验和煮沸烘干试验中顺未固定竹复合板杉侧的长度有缩短的倾向，最终恢复率为-1.58%。出现收缩现象的原因在于：1）压缩率为14%～19%的未固定竹板，在吸水过程中会因恢复原来的圆筒形状而向内侧弯曲，从而杉板被压缩缩短；2）浸泡时杉板的半纤维素分解导致干燥杉板收缩。顺固定竹复合板杉侧最终恢复率为0.37%,其原因在于：1）顺固定竹复合板的杉板因半纤维素的分解有收缩倾向； 2）虽然固定处理竹单板有较高的尺寸稳定性[10]，而且通过复合方式增强了竹板的稳定性，但如图1 所示，竹侧也有0.45%恢复率；因竹板的伸张倾向与杉板的收缩倾向共同作用的结果杉侧最终恢复率为0.37%。

图2 顺固定竹复合板、顺未固定竹复合板杉侧恢复率Fig.2 Fir-side recovery rate of along-fiber fixed composite panel and along-fiber unfixed composite panel

顺固定竹复合板、顺未固定竹复合板的矢高变化如图3 所示。图中所示分别为每种板材5 个试样的试验平均值，由图可知，吸湿烘干交替重复试验中复合板的矢高变化较小，浸泡烘干交替重复试验及煮沸烘干试验中顺未固定竹复合板竹板向内侧弯曲，杉板收缩，其最终矢高变化为2.7 mm。顺固定竹复合板的竹板尺寸较稳定，抑制杉板的收缩，最终矢高变化为0.3 mm，获得了尺寸较稳定的竹/杉复合板。

图3 顺固定竹复合板、顺未固竹定复合板矢高变化Fig.3 Vector height change of along-fiber fixed composite panel and along-fiber unfixed composite panel

2.2.2 垂直纤维复合板尺寸稳定性分析

垂直纤维复合板吸湿烘干交替重复试验中尺寸稳定，浸水烘干交替重复试验中出现了多处裂痕。长度为竹板纤维方向试件的杉板和长度为杉板纤维方向的试件竹板多处出现裂纹现象。原因为竹板、杉板纤维方向比较稳定，因此在浸泡烘干交替环境中长度不发生变化，但竹板、杉板在纤维垂直方向上可以吸水伸展，干燥缩短，从而出现裂纹。

2.3 复合板三点弯曲结果分析

复合板三点弯曲试验中杉面载荷时杉板被压缩，试件的厚度发生变化，厚度的变化直接影响MOR、MOE等的计算值。另外，竹板的厚度、压缩率不一致，影响复合板的厚度及均质，因此本试验采用实测值评价复合板弯曲性能。

2.3.1 顺复合板三点弯曲结果分析

长度为竹板纤维方向的顺复合板三点弯曲试验代表性试件载荷-挠度曲线见图4。由图4 可知，顺固定竹复合板与顺未固定竹复合板竹面载荷时曲线斜率大，说明试件的刚性大，原因为：1）竹板表面刚性大于杉面刚性；2）竹展平板化和制备复合板时采用的高压水蒸气处理促进了竹板纤维素的结晶化，进一步增加了竹面的刚性。竹面载荷时顺未固定竹复合板最大载荷为1.75 kN，挠度为7.00 mm；顺固定竹复合板最大载荷为1.70 kN，挠度为7.00 mm。竹面载荷时竹面硬度较大随之最大载荷也高，抗拉面为杉板纤维垂直方向，杉板纤维方向的弹性较低，容易被拉伸破坏，导致挠度低。杉面载荷时顺未固定竹复合板最大载荷为1.03 kN，挠度为23.73 mm；顺固定竹复合板最大载荷为0.96 kN，挠度为23.44 mm。杉面载荷时杉板硬度较低随之最大载荷也较低，抗拉面的竹板在纤维方向弹性很强因此不易被拉伸破坏。同时，施加载荷时杉板被压缩, 缓和了竹板的作用力，因此挠度大。杉板的最大破坏载荷为0.74 kN ，挠度为6.51 mm，约为竹面载荷最大载荷的2/5，杉面载荷最大载荷的7/10。顺固定竹复合板的最大载荷均低于顺未固竹定复合板的载荷，说明高温固定处理影响竹板的强度。

图4 长度为竹板纤维方向的顺复合板三点弯曲试验代表性试件载荷-挠度曲线Fig.4 Load-deflection curve of a representative sample from the three-point bending test on the parallel composite panel with the length direction parallel to the bamboo fiber direction

长度为竹板纤维垂直方向的顺复合板三点弯曲试验代表性试件载荷-挠度曲线见图5。由图5 可知，竹面载荷时顺未固定竹复合板最大载荷为0.58 kN，挠度为3.32 mm；顺固定竹复合板最大载荷为0.53 kN，挠度为3.04 mm。竹面载荷时，虽然顺固定竹复合板和顺未固定竹复合板的抗拉面为性质相同的杉板，但是顺固定竹复合板的最大载荷及挠度均低于顺未固定竹复合板，说明固定处理影响竹板的强度；竹板与杉板在纤维垂直方向上弯曲能力均较弱，导致顺固定和顺未固定复合板的最大载荷与挠度均低。杉面载荷时顺未固定竹复合板最大破坏载荷为0.40 kN ，挠度为3.68 mm；顺固定竹复合板最大载荷为0.35 kN，挠度为2.30 mm；表明固定处理影响了竹板软组织，更容易被拉伸破坏。顺复合板的最大破坏载荷约是杉单板的2～3 倍，挠度基本相等。

图5 长度为竹板纤维垂直方向的顺复合板三点弯曲试验代表性试件载荷-挠度曲线Fig.5 Load-deflection curve of a representative sample from the three-point bending test on the parallel composite panel with the length direction vertical to the bamboo fiber direction

2.3.2 垂直复合板三点弯曲结果分析

长度为竹板纤维方向的垂直复合板三点弯曲试验代表性试件载荷-挠度曲线见图6。由图6 可知，竹面载荷时垂直未固定竹复合板最大载荷为0.59 kN，挠度为6.25 mm；垂直固定竹复合板最大载荷为0.51 kN，挠度为5.38 mm。竹面载荷时两种复合板的载荷曲线呈先上升、后下降、再上升的趋势，原因为抗拉面杉板被破坏之前载荷上升，杉板被拉断后载荷下降，此时竹板还未破坏，载荷再次上升至竹板破坏，此时产生最大破坏载荷。杉面施加载荷时垂直固定竹复合板的最大载荷为0.80 kN，挠度为20.53 mm；垂直未固定竹复合板的最大载荷为0.88 kN，挠度为21.00 mm；杉面载荷时垂直固定竹复合板的最大载荷及挠度略低于垂直未固定竹复合板。在竹面载荷与杉面载荷试验中，垂直未固定竹复合板的挠度与最大破坏载荷均大于垂直固定竹复合板，说明高温固定处理影响了竹板的弯曲强度。

图6 长度为竹板纤维方向的垂直复合板三点弯曲试验代表性试件的载荷-挠度曲线Fig.6 Load-deflection curve of a representative sample from the three-point bending test on the vertical composite panel with the length direction along to the bamboo fiber direction

长度为竹板纤维垂直方向的垂直复合板三点弯曲试验代表性试件的载荷-挠度曲线见图7。由图7 可知，竹面载荷时垂直固定竹复合板和垂直未固定竹复合板的最大破坏载荷与挠度约相等，分别为1.66、1.70 kN和6.24、6.40 mm，与图4 的顺固定竹复合板和顺未固定竹复合板的竹面载荷的试验结果基本一致。杉面载荷时垂直固定竹复合板和垂直未固定竹复合板的最大破坏载荷与挠度也约相等，分别为0.97、0.96 kN和6.40、6.79 mm。杉面载荷时抗拉面为竹板纤维垂直方向，竹板在纤维垂直方向的弹性很小，且由于竹板较薄，易拉伸破坏，最终抗拉的是杉板，因此约等于杉单板的挠度。垂直固定竹复合板和垂直未固定竹复合板的载荷-挠度曲线基本重叠。固定竹板受高温固定处理的影响，刚性高于未固定竹板，而强度略低于未固定竹板，因此，垂直固定复合板的斜率略大于垂直未固定竹复合板，最大破坏载荷略低于垂直未固定竹复合板。无论竹面载荷或杉面载荷，两种复合板最终被破坏的都是杉板，因此，4 条曲线的挠度约相等。

图7 长度为竹板纤维垂直方向的垂直复合板三点弯曲试验代表性试件的载荷-挠度曲线Fig.7 Load-deflection curve of a representative sample from the three-point bending test on the vertical composite panel with the length direction vertical to the bamboo fiber direction

3 结论

本研究考察了竹展平板/杉木板复合材料的性能，得出以下结论：

1）间苯二酚胶合的竹/杉复合板材性能达到了单板层积材标准要求；

2）顺纤维复合板的尺寸比垂直纤维复合板的尺寸更稳定；

3）竹板纤维方向上顺复合材的最大载荷约为垂直复合材的3 倍，挠度相当；竹板纤维垂直方向上顺复合材的最大载荷约为垂直复合材的1/2～1/3，挠度约为1/2；垂直复合板弯曲性能高于顺纤维复合板的弯曲性能；

4）未固定竹复合板的最大破坏载荷和挠度均大于固定竹复合板最大破坏载荷和挠度，说明竹展单板的高温水蒸气固定处理提高了竹板的刚性，降低了竹板的强度；

5）通过竹/杉复合方式可不同程度提高竹展平板的尺寸稳定性和弯曲性能[10]。

综上，竹/杉板复合材料性能优越，本研究为有效利用竹展平板提供了理论依据。