家具用马尾松单板层积材力学性能的研究

饶 鑫，卫佩行＊，张 悦，窦延光

（1.江苏农林职业技术学院，江苏 句容212400；2.陕西省林业工业产品质量监督检验站，陕西 西安710082）

松木家具在西欧、北美、日本、新加坡及日本等地区均有很大的市场，特别是以松木制作的厨房、室外野餐配套家具更是倍受欢迎［1-3］。马尾松是我国特有的速生树种，分布广、生长快、质量高［4］，且木材花纹漂亮。然而马尾松的开发利用尚处于低附加值的初级阶段。由于马尾松富含松脂，在加工利用过程中松脂溢出会污染材面，影响胶合和油漆，因此一般情况下，马尾松板材在使用前应进行脱脂处理［5-7］。根据前人研究，马尾松单板脱脂后力学性能下降，而采用酚醛树脂胶粘剂可以使未脱脂马尾松胶合板实现完美胶合［8］。另外，胶粘剂的用量对单板层积材的物理力学性能影响甚小［9］。正因为如此，若将马尾松制成单板层积材，可大大提高木材利用率，同时又不增加太多成本，用于家具制造则不失为新型优质家具材料。鉴于此，本文尝试采用未脱脂马尾松单板和酚醛树脂胶粘剂制造单板层积材，采用随机激励功率谱法测量单板层积材的动态弹性模量和三点静态弯曲试验测试单板层积材的静态弹性模量、静曲强度和剪切强度以检验材料性能，以期为家具制造提供1种新材料。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

材料：马尾松单板取自安徽六安某胶合板厂，尺寸为600mm×600mm×1.9mm，初始含水率为12%左右。在使用前，将单板置于热压机100℃压板温度下进行干燥，使之含水率低于5%；酚醛树脂来自南京某化工企业，固含量为45%。

设备：XLB型平板硫化机，中国青岛亚东橡机有限公司；恒温恒湿箱，无锡伯乐达试验设备有限公司；万能力学试验机，深圳新三思有限公司；安正振动及动态信号采集分析系统包括加速度计，南京安正软件有限公司。

1.2 试验方法

根据前文研究［10］，单板单面涂胶，涂胶量为120 g·m-2。15张涂胶单板按照顺纹组坯成1张单板层积材板坯，共压制12张单板层积材，4张为1组，分3组。板坯放置在热压机中进行热压，热压参数为：热压温度140℃，热压时间30min，热压压力1.2MPa。板坯热压后放置冷却24h后，按图1所示将其中1组的2张板子锯切成弹性模量和静曲强度测试所需尺寸（垂直加载试件：600mm×40mm×25mm；平行加载试件：600mm×25mm×25mm）。如图2所示将组中另外2张板子锯切成水平剪切强度测试所需尺寸（垂直加载试件：150mm×40mm×25mm；平行加载试件：150mm×25mm×25mm）。其余2组作为重复试验，试件制取方法同上。

图1 单板层积材弹性模量和静曲强度测试试件的制取Fig.1 LVL specimens＇preparation for modulus of elasticity（MOE）and modulus of rupture（MOR）

图2 单板层积材水平剪切强度测试试件的制取Fig.2 LVL specimens'preparation for horizontal shear strength

1.2.1 马尾松单板层积材动态弹性模量测试 试件制取完成后，放入恒温恒湿箱中，在温度为20℃±2℃、相对湿度为65%条件下平衡至含水率为12%，然后进行动态弹性模量测试。测试过程（图3）：将1只加速度计安装于单板层积材悬臂梁的自由端，通过数据采集箱和计算机，运行振动及动态信号采集分析系统软件，利用频谱分析来测定单板层积材的第1阶固有频率f1，并根据公式（1）计算出Ed值［11］。

式中，M是加速度计的质量（g），m是梁的质量（g），f1是基频（Hz），l是梁的长度（mm），b是梁的宽度（mm），I是梁的高度（mm）。

图3 试件动态弹性模量测试试验Fig.3 Test diagram of LVL beam dynamic modulus of elasticity（MOE）

1.2.2 马尾松单板层积材静态力学性能测试 试件动态弹性模量测试完成后，再用万能力学试验机进行马尾松单板层积材静态力学性能测试（图4、图5）。

图4 单板层积材弹性模量和静曲强度的测试（三点弯曲）Fig.4 Test of LVL MOE and MOR （three-points bending）

图5 单板层积材水平剪切强度的测试（三点弯曲）Fig.5 Test of LVL horizontal shear strength（three-points bending）

2 结果与分析

2.1 马尾松单板层积材动态弹性模量测试

图6为实测的某一马尾松单板层积材试材频谱。频谱中，其横坐标表示频率（Hz），纵坐标为功率量（dB）。将测得的数据带入式（1），并将计算结果取平均值得：Ed=6 354MPa（502MPa）（括号内为标准偏差）。

图6 频谱图Fig.6 Frequency spectrum

2.2 马尾松单板层积材静态力学性能测试

2.2.1 马尾松单板层积材静态弹性模量和静曲强度的测试 对马尾松单板层积材试件按照上述方法进行静态弹性模量和静曲强度测试（图7、图8）。

图7 马尾松单板层积材静态弹性模量测试结果Fig.7 Static MOE of P.massoniana LVL

从图7和图8可以看出，马尾松单板层积材静态弹性模量和静曲强度的变异性非常大，这是由于马尾松材性变异大所决定的；尽管在不同加载（垂直加载和平行加载）条件下，测得的马尾松单板层积材弹性模量和静曲强度有数值上的差异，但是根据t检验（给定显著性水平α=0.05），加载方式对马尾松单板层积材的纵向力学性能无显著性影响；马尾松单板层积材平均静态弹性模量6 231MPa，最小静态弹性模量为5 017MPa；静曲强度45.5MPa，最小静曲强度为34MPa，满足家具用材要求。

另外，比较单板层积材动态弹性模量（6 231 MPa）和静态弹性模量（6 354MPa），可以发现动态弹性模量和静态弹性模量基本吻合。

图8 马尾松单板层积材静曲强度测试结果Fig.8 MOR of P.massoniana LVL

2.2.2 马尾松单板层积材水平剪切强度 对马尾松单板层积材试件按照上述方法进行水平剪切强度测试［12］（表1）。

从表1可以看出，马尾松单板层积材平行加载下的水平剪切强度大于垂直加载条件下的水平剪切强度。这是因为木材剪切强度大于胶层剪切强度，平行加载时单板层积材的剪切破坏主要是木材剪切顺纹破坏导致，而垂直加载时单板层积材的剪切破坏主要是胶层剪切破坏导致。

表1 马尾松单板层积材水平剪切强度Table 1 Horizontal shear strength of P.massoniana LVL

3 结论与讨论

马尾松单板层积材的力学性能尽管变异性大，但马尾松单板层积材平均弹性模量6 231MPa，静曲强度45.5MPa，能满足家具用材的需要；

根据FPL的结论，三点静态弯曲条件下，跨高比越大，剪切效应越低［13］。本文中试件跨高比超过20，根据欧拉-伯努利假设，可以忽略剪切效应。在悬臂梁自由端方式下，采用随机激励功率谱法测量马尾松单板层积材的动态弹性模量Ed［11］。试验结果发现，随机激励功率谱法测定的马尾松单板层积材动态弹性模量和三点弯曲测定的静态弹性模量基本吻合。从试验上佐证了以下推论：一是三点弯曲在跨高比较大的情况下，可以代替四点弯曲测试材料的静态弹性模量；二是试验精度允许的情况下，采用随机激励功率谱法测定的材料动态弹性模量可以反映材料的静态弹性模量。

根据复合材料力学，串联模型和并联模型沿纤维方向的宏观纵向拉伸弹性模量表达式一致［15］，另外梁的弯曲模量和纵向拉伸弹性模量近似相等［15］。因此，可推导出垂直加载和平行加载条件下的弹性模量相同。试验发现，马尾松单板层积材垂直加载和平行加载条件下的弹性模量基本相同。说明理论推导和试验结果相吻合。

马尾松单板层积材平行加载下的水平剪切强度大于垂直加载条件下的水平剪切强度。由于木材剪切强度大于胶层剪切强度，马尾松单板层积材平行加载下的水平剪切强度大于垂直加载条件下的水平剪切强度。

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