不同竹刨花形態對竹質定向刨花板的物理力學性能影響?

李 榕 于 娜 嚴玉濤 魏任重

（1. 南京林業大學家居與工業設計學院，江蘇 南京 210037； 2. 浙江農林大學化學與材料工程學院，浙江杭州 311300； 3. 千年舟新材科技集團股份有限公司，浙江 杭州 311112）

定向刨花板（Oriented Strand Board，OSB）是由規定形狀和厚度的木質大片刨花施膠后經定向鋪裝、熱壓制成的多層結構板，是建筑工程的主要材料之一[1-3]。我國木材資源緊缺，OSB原材主要依賴于進口，因此積極尋求替代材料對我國OSB的生產極具價值[4-8]。竹質定向刨花板（Bamboo Oriented Strand Board，BOSB）是采用竹質刨花制成的多層結構板，可替代木質OSB應用于建筑、裝潢及車船制造業等，甚至其性能更為優越[9-10]。竹材資源是我國的優勢資源，無論是我國的竹子種類，還是竹林面積和蓄積量均居世界第一，開發利用好竹材資源不僅能創造更高的經濟價值，而且能緩和木材供需矛盾[11-15]。

竹刨花是BOSB最基本的形態單元，同時也是最基本的受力單元[16-17]。在普通刨花板中，刨花進行層疊后的膠合面積與其膠合強度是板材物理力學性能的決定性因素[18-22]。當刨花產生拉應力時，其斷裂既不是全部發生在刨花本身，也不全是因為刨花之間膠層所產生的剪應力而遭到破壞，則可認為刨花的形態是適宜的。王永波等[23]研究了刨花形態對竹材自生膠合刨花板性能的影響，研究發現，在制備板材時主要選擇4～16 目的刨花，同時添加少量16 目以上的碎刨花，可有效提升板材的物理力學性能。Kim等[24]針對刨花形態對木塑復合材料（WPC）性能的影響開展研究，發現WPC的力學性能與木材顆粒尺寸和木材顆粒的特性有關。鄭超等[25]對不同形態刨花制備的麥秸板進行分析，研究表明：長料刨花所壓制的板材性能變化幅度較短料大，將長刨花作為表層原料可提高板材的抗彎強度和抗彎彈性模量，將短刨花作為芯層原料則可提高其內結合強度和尺寸穩定性。陳德優[26]研究了刨花長度和麻片比例對水泥刨花板性能的影響，研究發現，刨花的形態對于板材彈性模量的影響更大，刨花越短，麻片越少，水泥刨花板的內接合強度性能越好。

本研究采用3 種不同形態的竹刨花及其不同刨花形態組合制備BOSB，分析探討竹刨花形態對板材性能的影響，為BOSB的原料制備及其選取提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

采伐竹齡為4年的安吉毛竹（Phyllostachys edulis），含水率為35%，將其制成厚度為1 mm，寬度為10 mm、長度分別為30～50、200 mm的竹刨花，同時將竹碎刨花進行收集。

將規格為200 mm ×10 mm×1 mm的竹刨花記為A型刨花，規格為（30～50）mm ×10 mm×1 mm的竹刨花記為B型刨花，將細碎刨花（4目及以下）記為C型刨花。分別采用A型刨花、B型刨花、C型刨花、A/C（質量比2∶1）組合刨花、B/C（質量比2∶1）組合刨花制備竹質定向刨花板，每組壓制3塊。

圖1 毛竹原料Fig. 1 Moso bamboo materials

膠黏劑采用酚醛樹脂膠黏劑（北京太爾化工有限公司），pH值為10.17，黏度為37 mPa·s ，固體含量為47.78%，比重為1.143，游離醛為0.15%。

1.2 設備

數字顯示天平（TXB6201L），山東融港信息科技有限公司；數字化游標卡尺（CD67-S15PM），上海首豐精密儀器有限公司；拌膠機（MS1H1-55B30CB-A331Z），臨沂興滕機械有限公司；50t熱壓機（XLB-Y600），青島匯才機械制造有限公司；電子水分測定儀（島津MOC-120H），山東融港信息科技有限公司；電子萬能力學試驗機（QNZ-YQ-A42），深圳三思縱橫科技股份有限公司。

1.3 竹質定向刨花板制備

1）竹刨花含水率測定：將刨花放入烘箱進行干燥處理，使其含水率低于10%。干燥結束后將竹刨花取樣5 組，放置于電子水分測定儀中進行含水率測定，取平均值，結果如表1 所示。

表1 竹刨花含水率測定Tab.1 Determination of moisture content of bamboo oriented strand board

施膠后的含水率W（%）計算公式：

式中：W1為施膠前原料含水率，以9.54%計；P為施膠量，%；K為膠液濃度，本試驗膠液濃度為47%。

本試驗要求W不超過15%，穩定在8%～14%之間。經計算當P=9.54%時，W=9.68%，即施膠后的竹刨花含水率滿足試驗條件要求。

2） 預處理階段：采用滾筒拌膠機對竹刨花進行拌膠，酚醛樹脂膠黏劑的添加量為刨花總質量（絕干質量）的12%，時間為15 min；拌膠結束后，將刨花定向鋪裝于模具（300 mm ×300 mm×13 mm）中。

3） 熱壓階段：此時板坯的含水率為9.54%，通過手工進行定向鋪裝，將細刨花置于表層，同時輔助填充大刨花的空隙處。鋪裝完畢后放入熱壓機，通過多段曲線熱壓（加壓—保壓—卸壓），熱壓壓力為6 MPa，熱壓溫度為150 ℃，熱壓時間為15 min，主要工藝流程如圖2所示。

圖2 竹質定向刨花板工藝流程圖Fig.2 Process flow chart of bamboo oriented strand board

1.4 力學性能測試

按照LY/T1580—2010《定向刨花板》測試竹質定向刨花板的靜曲強度、彈性模量、吸水厚度膨脹率和密度等物理力學性能。

2 結果與分析

2.1 密度

制得的竹質定向刨花板物理力學性能如表2所示。

表2 不同刨花形態的竹質定向刨花板物理力學性能Tab.2 Physical and mechanical properties of bamboo oriented strand board with different strand board morphology

BOSB的密度主要取決于刨花自身密度和結合致密度，由圖3可以看出，不同的刨花形態對板材的密度具有一定影響。刨花形態尺寸越大，其密度越?。ˋ型大刨花壓制的BOSB密度為0.75 g/cm3）；反之，則越大（C型細刨花壓制的BOSB密度為0.98 g/cm3）；而A/C、B/C組合型刨花制成的BOSB（密度分別為0.78、0.87 g/cm3），由于C型細碎刨花的填充，有效地減少了刨花之間的空隙，因而其致密性較A型、B型刨花板材有所提高。

圖3 竹質定向刨花板物理力學性能測試結果Fig. 3 Test results of physical and mechanical properties of bamboo oriented strand board

2.2 靜曲強度

不同刨花形態制成的BOSB靜曲強度如圖3所示。由圖可知，B/C型刨花制成的BOSB靜曲強度為最優，可達49.60 MPa，而A型刨花的BOSB最差，為37.26 MPa；兩種不同形態刨花組合A/C、B/C制成的板材靜曲強度較好，分別達到了48.47、49.60 MPa，趨于穩定。

由表2可以看出，刨花的尺寸與形態對板材的靜曲強度具有顯著影響，靜曲強度從大到小的次序為：B/C＞A/C＞C＞B＞A。A型刨花在5組刨花中形態最大，在鋪裝過程中刨花與刨花之間容易產生空隙，導致其刨花的有效接觸面積為最小。相比而言，B型刨花尺寸較小，其有效膠合面積較A型刨花增大，但仍然無法避免出現空隙。C型刨花為竹碎刨花，尺寸最小，故其有效膠合面積為最大，但同時由于刨花較為細碎，刨花與刨花之間的物理交聯結合較差。A/C、B/C中均采用了C型細刨花作為輔助填充，減少了刨花之間產生的空隙，其有效膠合面積較A型、B型刨花增加。從靜曲強度來看，A/C、B/C組合型刨花最適合用于制備BOSB。

2.3 彈性模量

不同刨花形態制成的BOSB彈性模量如圖3所示。其中A/C型刨花組合制成的BOSB彈性模量最佳，彈性模量從大到小為：A/C（5 508 MPa）＞B/C（4 548 MPa）＞C（4 029 MPa）＞B（3 812 MPa）＞A（3 039 MPa）。

彈性模量取決于刨花之間結合的緊密程度和可壓縮性，由于A型刨花尺寸最大，因此刨花與刨花之間易出現空隙，產生“搭橋”現象，故制成的BOSB彈性模量最小，B型亦是如此。C型細碎刨花由于其形態尺寸小，受力充分，因此板材具有較優的彈性模量。對于組合型刨花A/C和B/C而言，A、B型刨花充分發揮了刨花的韌性，而C型刨花的填充增大了刨花與刨花之間的有效膠合面積，避免了大刨花之間“搭橋”現象的產生，因此板材的彈性模量較佳。

2.4 吸水厚度膨脹率

吸水厚度膨脹率主要取決于刨花的結合情況，其中與化學結合關系最大。由表2數據和圖3可知，A型刨花制備的BOSB吸水厚度膨脹率最高，C型刨花制備的板材為最低。

由圖3所示可以看出，吸水厚度膨脹率由低到高的順序為：C（1.00%）＜B/C（1.13%）＜A/C（1.21%）＜B（1.41%）＜A（1.60%）。刨花形態尺寸越大，則刨花與刨花之間易形成“搭橋”現象，從而在板材內部產生大量的空隙，刨花之間的交織力對內結合強度的作用力也越大。試驗發現，刨花形態尺寸越大，浸泡后產生的形變就越大。A型刨花制備的BOSB經過24 h浸泡后，甚至發生了解體；而形態尺寸較小的C型刨花在浸泡后的厚度膨脹率為1%，顯示出較好的尺寸穩定性。因此，制備BOSB，除了有良好的膠合性能，形態尺寸較小的刨花自身所具備的纖維尺寸穩定性也很重要。

3 結論

本研究采用3 種不同形態的竹刨花及其不同刨花形態組合制備竹質定向刨花板，探討竹刨花形態對BOSB性能的影響，得出以下結論：

1）B/C組合型竹刨花制備的BOSB靜曲強度最高，而A/C組合型竹刨花制備的BOSB彈性模量為最佳，單一由C型竹刨花制備的BOSB吸水厚度膨脹率最??；

2）竹刨花形態對BOSB的各項物理力學性能有顯著影響，尺寸較大的竹刨花因其本身具有良好的抗彎強度和塑性，制備BOSB時能有效提升板材強度，但刨花之間會因“搭橋”產生空隙；

3）尺寸小、較為細碎的刨花具有良好的流動性，有效膠合面積較大，因此制得的BOSB穩定性好，但韌性較差；

4） 制備BOSB，將形態尺寸較小的刨花作為輔助填充物添加，能夠改善單一使用大刨花或小刨花時出現的力學性能不足，最佳比例的確定仍有待進一步研究。