圆榫与稻秸秆板的接合性能分析

朱 云 ，黄琼涛 ，申黎明 ，孙宏南 ，周 毅 ，于 娜

（1.南京林业大学 家具与工业设计学院，江苏 南京 210037；2.广东石油化工学院，广东 茂名 525000；3.梅州市汇胜木制品有限公司，广东 梅州 514600）

圆榫与稻秸秆板的接合性能分析

朱 云1，2，黄琼涛3，申黎明1，孙宏南3，周 毅1，于 娜1

（1.南京林业大学 家具与工业设计学院，江苏 南京 210037；2.广东石油化工学院，广东 茂名 525000；3.梅州市汇胜木制品有限公司，广东 梅州 514600）

稻秸秆板是一种新型绿色家具板材，同圆榫的接合参数与中密度纤维板和刨花板存在较大的差异。从板材的结构、密度、内结合强度及静曲强度出发，分析了刨花板与3种稻秸秆板在不同预导孔配合参数下对接合强度的影响，得出了不同板材的最佳配合参数。试验还发现，稻秸秆板密度越大对极限抗拔力越有利；在白乳胶的辅助作用下，基材颗粒的特性对极限抗拔力影响也非常明显。

刨花板；稻秸秆刨花板；圆榫；接合性能

稻秸秆刨花板（也称稻秸秆板）是一种新型板材，它以稻草为主要原材料，以异氰酸酯为胶粘剂，参照木质刨花板的生产工艺而制成，兼具木质刨花板与中密度纤维板的优势，无游离甲醛释放。稻秸秆板理化性能优越，不仅强度高、刚性好，而且还具有良好的保温、隔热、防火等性能，是一种良好的木质人造板的替代品。稻秸秆板应用家具生产时，不仅可以对其板面和板边进行型面加工，还能对其进行各种饰面与封边处理（漆、钉、胶处理）[1-3]。

圆榫，是家具最常用的连接件，除了解决家具板件定位问题外，还能增强板件与板件之间的接合强度，尤其是在综合类实木家具和板木家具中，可以代替整体榫结构和金属连接件，在保证家具整体刚度的同时还能提高生产效率，节约成本。稻秸秆板家具如稻秸秆板木家具中，经常需要利用圆榫和稻秸秆板构造家具部件，如抽屉、旁板等，因此二者的接合性能至关重要，它不仅关系到稻秸秆板家具力学的稳定性和结构的合理性，同时还影响着稻秸秆板家具的生产效益。笔者从圆榫和稻秸秆板的接合特性出发，借助配合孔径参数，研究了圆榫与稻秸秆板板面、板边的接合强度规律，比较了稻秸秆板与刨花板在其抗拔性能上的差异，同时还分析了稻秸秆板结构、密度等因素与抗拔强度之间的关系，以便为稻秸秆板家具制造提供科学的圆榫工艺接合数据[4-6]。

1 试验材料与方法

1.1 试 材

试验基材有刨花板（PB）、稻秸秆板Ⅰ（RSPⅠ）、稻秸秆板Ⅱ（RSPⅡ）和稻秸秆板Ⅲ（RSPⅢ）等4种。公称厚度均为18 mm，按照（GB-T 17657-1999）人造板及饰面人造板理化性能试验方法，测得PB的密度为0.75 g/cm3，内结合强度为0.40 MPa，含水率为8.8%，静曲强度为12.57 MPa；RSPⅠ的密度为0.72 g/cm3，内结合强度为0.52 MP，含水率为8.4%，静曲强度为22.01 MPa；RSPⅡ的密度为0.81 g/cm3，内结合强度为0.76 MPa，含水率为7.5%，静曲强度为29.80 MPa；RSPⅢ的密度为0.84 g/cm3，内结合强度为0.43 MPa，含水率为8.3%，静曲强度为21.67 MPa。试验采用桦木斜纹圆榫，长度为40 mm，名义直径为8 mm，含水率为8%；试验采用环保型白乳胶，固化含量为35%，粘度为30 000（MPa·s）

1.2 抗拔性能测试方法

有研究表明，基材导孔直径与圆榫直径的配合关系直接影响圆榫与基材间的接合强度[7]。在圆榫埋入深度不变的情况下，寻求接点的最佳接合参数，并比较不同板材接合性能之间的差异。现采用过盈配合，考虑到圆榫的胀缩特性，为保证试验精度，本试验设定预导孔直径为4个等级：8.0、7.9、7.8、7.7 mm，试验主要参照握螺钉力的加载方法（GB-T 17657-1999）和马耀驭等[8]的试验方法进行。在进行圆榫板面试验时，直接将基材锯解成50 mm×50 mm大小尺寸，然后在其板面中心钻15 mm深的预导孔。进行板边试验，需先将基材进行三层冷压拼厚，然后将基材锯解成50 mm×50 mm大小尺寸，最后在其板边几何中心钻预导孔，孔深15 mm。试件装配时，先在圆榫一端均匀地涂刷一层乳白胶，厚度约为1 mm，涂刷长度约为15 mm，然后将其垂直安装在基材预导孔内。

在4种基材和4种配合参数的条件下，进行试件装配，每组试件取6个样本，并将所有的组装试件静置一周。圆榫与不同基材的极限抗拔力测定在CMT6104型电子万能力学试验机进行，记录每次测试的最大抗拔力，加载速度设定为10 mm/min，数据采集精度为0.0l N。

2 结果与分析

2.1 试件破坏形式分析

2.1.1 圆榫在秸秆板板面的破坏形式分析

4种基材的剖面结构都为3层结构，芯层相对蓬松，密度低；上下表层紧密，密度高。圆榫插入预导孔后，胶料能够很好地与孔壁形成胶合层，尤其是板材芯层部位，相对蓬松的结构有助于增强圆榫与基材的接合性能。但由于基材的密度、内结合强度以及刨花间的紧密度存在较大差异，因而表现出来的破坏形式有很大不同。

RSPⅠ的板面预导孔为7.7～8.0 mm时，圆榫都能够拔出，并发现预导孔周边部位发生轻度破坏，尤其是基材的表层出现向外隆起和蓬松的效果，沿预导孔中心线剖开，可以看到孔壁有剧烈的凹凸效果。这是因为圆榫插入预导孔后，胶料与孔壁形成良好胶结，但受内结合强度低和持续外力的影响，致使胶料粘接纤维与基材纤维发生脱离，圆榫得以拔出。预导孔为7.8 mm时，RSPⅠ最大抗拔力均值达到1.18 kN。

而RSPⅡ试件的破坏形式却存在三种不同的情况，第一种情况是圆榫能够从基材中拔出，在基材预导孔周边部位，表层产生隆起效果，并有少量的刨花颗粒被带出。第二种情况是圆榫直接被拉断，但基材外观没有发生丝毫变化。第三种情况是力学试验机夹具与圆榫发生相对滑动，圆榫未拔出。查看试验记录可知，当RSPⅡ预导孔孔径为8.0 、7.7 mm时，第一种情况集中发生；而RSPⅡ预导孔孔径为7.8 mm和7.9 mm时，则表现为第二、第三种情况，并且当预导孔为7.8 mm时，RSPⅡ达到最大抗拔力，其均值为1.44 kN。RSPⅢ与RSPⅡ的破坏形式有点近似。它的破坏形式存在2种情况，圆榫被拔断或圆榫发生相对滑动，圆榫未拔出，并且当预导孔直径为7.9 mm时，RSPⅢ最大抗拔力均值达到1.55 kN。在RSPⅠ、RSPⅡ、RSPⅢ3种基材中，RSPⅢ与圆榫的接合性能要优于前二者。可见，稻秸秆板密度越大，其板材的结构越致密，在受到外力时板材越不易被破坏[1]，从而提高了抗拔力。

刨花板试件试验后的破坏形式与稻秸秆板稍有不同，它主要有两种情况：第一种情况是圆榫能够拔出。基材预导孔周边部位被严重破坏，刨花颗粒随圆榫而被拉出，甚至使刨花板表层发生显著剥离现象；第二种情况是夹具与圆榫发生相对滑动，圆榫未拔出。与稻秸秆板不同的是，当基材预导孔为7.7、7.8和8.0 mm时只能产生第一种现象。而当刨花板基材预导孔为7.9 mm时，第二种情况才会发生，并且最大抗拔力均值高达1.56 kN。可能是因为刨花板基材的刨花颗粒粗而硬，刨花间留有的间隙较多，胶料能够极大限度地充斥其中，容易形成“倒刺”效应。虽然刨花板的密度和内结合强度较低，但面对圆榫与胶料的“整体倒刺结构”，能够很好地增大受力面积，提高极限抗拔力。

2.1.2 圆榫在稻秸秆板板边的破坏形式分析

圆榫安装于预导孔7.7 mm的试件板边时，4种基材的破坏形式相差较大。刨花板和RSPⅠ试件会直接裂开，比例达到40%，余下的试件板边则存在不同程度的裂痕；而RSPⅡ试件会出现裂痕，比例约30%；RSPⅢ试件则完好。可见PB、RSPⅠ、RSPⅡ的板边过盈配合超过0.3 mm时，基材均会出现损坏，尤其是PB和RSPⅠ试件，其破坏程度比较严重。可能是二者密度和内结合强度较低，板边受到膨胀外力时试件容易出现开裂和裂痕等现象。为便于统计分析，本试验将忽略7.7mm预导孔的试验结果。

预导孔介于7.8 mm至8.0 mm时，PB、RSPⅠ、RSPⅡ基材破坏形式较近似，主要存在两种破坏形式：圆榫能够拔出，带出少量刨花；或者夹具与圆榫发生相对滑动，圆榫未拔出。并且当预导孔为7.8 mm时，第二种情况的几率明显增多。RSPⅢ与它们稍有不同，预导孔介于7.8 mm至8.0 mm时，圆榫均不能被拔出，并且其抗拔力相对高些，分别为1.47、1.56 和1.13 kN。可能是因为RSPⅢ的密度较大，刨花间的紧密度较高，受到拉力时，能够产生较大的摩擦力，加上胶料的作用，使其抗拔力保持在较高水平。

2.2 不同基材条件下的圆榫极限抗拔力

2.2.1 不同基材条件下的圆榫板面极限抗拔力

试验在不同基材条件下采用单因素随机试验，试验因素预导孔直径有4个水平，每水平重复6次。利用单因素方差分析法，对4个预导孔直径进行F值检验，4种基材的F值均大于F0.05(3,20)=3.10，因而也就说明预导孔因素的变化对最大载荷的影响显著。现进行多重比较显著性水平分析，结果见表1。

结合多重比较分析表，4种基材的最佳预导孔相差较大。若要取得最大抗拔力，PB和RSPⅢ基材的预导孔直径约为7.9 mm；RSPⅠ的预导孔介于7.7～7.8 mm之间；而RSPⅡ的预导孔在7.8～7.9 mm之间。

表1 不同预导孔直径与圆榫极限抗拔力的多重对比分析Table 1 Multiple contrast analyses on round tenon’s ultimate drawing strength of substrate particles with different guiding-hole diameter

2.2.2 不同基材条件下的圆榫板边极限抗拔力

稻秸秆板板边圆榫极限抗拔力试验同样采用单因素随机试验，试验因素预导孔直径有3个水平，每水平重复6次。利用单因素方差分析法，对3个预导孔直径进行F值检验，其中RSPⅡ的F值为6.136，RSPⅢ的F值为6.848，二者均大于F0.05(2,15)=3.68，说明预导孔因素的变化对RSPⅡ和RSPⅢ的最大载荷影响显著。而PB和RSPⅠ的F值均小于3.68，这意味着在7.8 mm到8.0 mm区间内，二者的预导孔变化对最大载荷影响不显著。现进行多重比较显著性水平分析，结果见表2。

结合多重比较分析表，4种基材板边的最佳预导孔相差较大。若要取得最大抗拔力，PB和RSPⅠ基材的预导孔直径位于7.8～8.0 mm区间；而RSPⅡ和RSPⅢ的预导孔介于7.8～7.9 mm之间。

2.3 不同预导孔直径对极限抗拔力的影响

2.3.1 板面不同预导孔直径对极限抗拔力的影响

4种基材的不同板面预导孔直径对极限抗拔力的影响如图1所示。4种基材的极限抗拔力都是先随着预导孔的增大而增大，当达到某一最大值时，极限抗拔力就随着预导孔的增大而降低。4种基材中PB和RSPⅢ的极限抗拔力表现比较突出，二者的抗拔力明显优于RSPⅠ和RSPⅡ基材。当预导孔为7.9 mm时，PB和RSPⅢ达到相近的最大抗拔力，分别为1.54、1.55 kN。并且在预导孔为7.7 mm和8.0 mm时，PB的最大抗拔力均要高于RSPⅢ，这可能与试件基材的结构、静曲强度有关。PB芯层不仅刨花间隙大，吸收胶料能力强，而且静曲强度小，刚性大。预导孔为7.7 mm时，PB基材虽然胶料吸收量小，但刚性大，刨花颗粒硬，摩擦力却大大增加，导致其最大抗拔力高于RSPⅢ。而当预导孔为8.0 mm时，白乳胶能够充分渗入预导孔内壁区域的缝隙，使刨花颗粒与圆榫能够紧密地胶粘在一起，受到拉力时，它们可以起到“整体倒刺”作用，从而又大大提高了极限抗拔力。因此在施胶条件下，基材结构特性对极限抗拔力有重要的影响。

表2 不同预导孔直径与圆榫极限抗拔力的多重对比分析Table 2 Multiple contrast analyses on round tenon’s ultimate drawing strength with different guiding-hole diameters

图1 圆榫极限抗拔力与预导孔直径的关系Fig.1 Relation between round tenon’s ultimate drawing strength and guiding-hole diameter

RSPⅡ的极限抗拔力明显要优于RSPⅠ，并且当预导孔为7.8 mm时，二者都能达到最大的极限抗拔力，二者极限抗拔力均值分别为1.44、1.18 kN。从板材特性来看，RSPⅡ的密度和内结合强度均要大于RSPⅠ，因而其结构紧密性也要优于RSPⅠ。圆榫插入秸秆板时，在同等预导孔条件下，摩擦力和胶合力也相应地要大些。在整个测试区间，RSPⅡ的极限抗拔力比RSPⅠ平均高出23.4%，而RSPⅢ的极限抗拔力则平均高出29.3%。

2.3.2 板边不同预导孔直径对极限抗拔力的影响

4种基材的不同板边预导孔直径对极限抗拔力的影响如图2所示。RSPⅠ抗拔力趋势与其他三者存在很大的差别，其抗拔力都是随着预导孔的增大而减少，最大抗拔力出现在预导孔为7.8 mm时。查看试验记录发现，当预导孔为7.7 mm时，40%到60%的RSPⅠ试件又会出现一定程度的损坏，因而这就说明7.8 mm 是RSPⅠ预导孔的临界值，在家具制造时必须要注意。

图2 圆榫极限抗拔力与预导孔直径的关系Fig.2 Relation between round tenon’s ultimate drawing strength and guiding-hole diameter

PB、RSPⅡ和RSPⅢ3种基材的极限抗拔力趋势则比较相似，先随着预导孔的增大而增大，当达到某一最大值时，极限抗拔力就随着预导孔的增大而降低，并且最大抗拔力均值都出现在7.9 mm时。整体来看，RSPⅢ的极限抗拔力要优于PB和 RSPⅡ，而PB又要优于RSPⅡ。可能还是密度和板材结构对圆榫抗拔力起着关键作用。密度越大，板材芯层越致密，受到膨胀外力时越不易被破坏，并且还有利于增加圆榫与预导孔内壁的摩擦力。同时，PB和秸秆板相比，在胶料作用下，刨花越坚硬，间隙越多，有利于增加圆榫与预导孔内壁的摩擦力和胶料渗入量，最终导致抗拔力的增大。因而可以推断，圆榫安装于稻秸秆板板边时，在施胶条件下，密度的影响效果要大于内结合强度。

3 结 论

（1）刨花板、稻秸秆板Ⅰ、稻秸秆板Ⅱ和稻秸秆板Ⅲ4种基材的极限抗拔力与预导孔直径存在着相似的关系，即极限抗拔力都是先随着预导孔的增大而增大，当达到某一个最大值后极限抗拔力就随着预导孔的增大而降低（稻秸秆板Ⅰ的板边圆榫同样适合该规律）。当圆榫安装基材板面时，若要取得最大抗拔力，PB和RSPⅢ基材的预导孔直径约为7.9 mm，RSPⅠ的预导孔介于7.7～7.8 mm之间，而RSPⅡ的预导孔在7.8～7.9 mm之间。而当圆榫安装基材板边时，PB和RSPⅠ基材的预导孔直径应该选择7.8～8.0 mm的区间值；而RSPⅡ和RSPⅢ的预导孔则介于7.8～7.9 mm之间。

（2）圆榫安装于基材板面和板边时，4种基材的极限抗拔力以RSPⅢ最优，PB次之，RSPⅡ较好，RSPⅠ最低。并且当预导孔为7.9 mm时，RSPⅢ、PB 和RSPⅡ均能获得最大的极限抗拔力均值；而当预导孔为7.8 mm时，RSPⅠ则可以得到最大的极限抗拔力均值。

（3）基材密度和内结合强度对极限抗拔力的影响非常大，同等公称厚度，密度越高，相应地内结合强度和极限抗拔力越高，接合性能也越好[1]。并且，当圆榫与稻秸秆板接合时，基材静曲强度越小，相应地摩擦力越大，则越有利于增加极限抗拔力。试验证明，对于稻秸秆板基材，在施胶条件下，圆榫与RSPⅢ的极限抗拔力要优于 RSPⅡ和RSPⅠ基材。

（4）板材结构对抗拔力有重要影响，刨花颗粒越硬，越能增加圆榫与基材之间的摩擦力；刨花间隙越大，胶料的渗入量越充分，圆榫与刨花间的整体倒刺效应越明显，则抗拔力也越大。

致谢：本论文得到梅州市汇胜木制品有限公司的财政资助。

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Drawing strength of round tenon jointed to rice-straw panel

ZHU Yun1,2, HUANG Qiong-tao3, SHEN Li-ming1, SUN Hong-nan3, ZHOU Yi1,YU Na1
(1. College of Furniture and Industrial Design, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, Jiangsu, China;2. Guangdong University of Petrochemical Technology ,Maoming 525000, Guangdong, China;3. Meizhou City Huisheng Wood Products Co., Ltd., Meizhou 514600, Guangdong, China)

Rice-straw panel (RSP) is a new green furniture plate, its bonding property parameters to round tenon had great differences with medium-density fiberboard and flake-board. Considering the board’s structure, density, internal bond strength and modulus of rupture, the effects of three kinds of rice straw board and a flake-board with different pre-sprocket holes combining parameters(diameter) on the boards’ drawing strength were analyzed and compared, thus obtaining the optimum fi t parameters of different plates.It was also found that the heavier density of rice-straw particleboard the better to the ultimate drawing strength; by using white latex, the properties of the substrate particles had very signif i cant impact on the ultimate drawing strength.

fl ake-board；rice-straw particleboard；round tenon; bonding performance

S781.21

A

1673-923X(2014)09-0123-05

2014-01-12

国家林业局林业科学技术推广项目“环境友好型秸秆板家具制造技术推广”（编号2012-53）

朱 云（1982-），男，湖南株洲人，讲师，博士生，研究方向为家具设计及室内设计；E-mail：zhuyun0911@163.com

申黎明（1960-），男,上海人，教授，博士,研究方向为家具设计、室内设计及人体工程学；

E-mail：shenlimingda@hotmail .com

[本文编校：谢荣秀]