尾巨桉与巨龙竹正交复合材的制备及其性能分析

苏昕龙 杨 雨 吕德贵 韩晨雨 黄慧莲 徐梓芬 刘生发陈 颖 杨学文 董春雷 解林坤 杜官本 万 辉*

（1.西南林业大学材料科学与工程学院，云南 昆明 650223；2.西南林业大学园林园艺学院，云南 昆明650223；3.云南永利发林业有限公司，云南 昆明 678400）

正交胶合木（Cross Laminated Timber, CLT）是由3层或3层以上实木锯材或结构用复合板材以一定角度组坯，采用结构用胶黏剂胶合而成的预制工程木产品[1-2]。由于CLT采用交叉层叠方式，因此具有良好的力学性能和尺寸稳定性[3]。特别是当CLT中的平行层以竹基材料替换木基材料后，其力学性能得到显著提升[4]。这种由竹材代替部分木材的正交复合材被称为正交胶合竹木 (Cross Laminated Bamboo Timber, CLBT)[5]。近年来随着人造板生产规模不断扩大[6]，已有研究使用近青竹篾与桦木单板[7]、重组竹与云杉[5]、竹束/竹席单板与杨木[8]、展平竹与马尾松[9]等制备CLBT，产品已广泛应用于集装箱底板[10]、梁[11]、家具和装饰材料[12]、墙板[13]等领域。

由于竹青表面富含脂肪酸和二氧化硅，导致竹青部分在板材中难以直接利用[13]，因此，竹材在制备板材时通常要去除竹青和竹黄。竹青部分的竹纤维含量高于竹黄，而纤维含量又决定了竹材的力学特性，无论是去除竹青还是疏解竹材，均会削弱竹材的力学性能[14-15]。现有CLBT制备的相关研究中，所用竹篾、竹束、竹席、重组竹与展平竹均是对竹材本身加工后获得，一定程度上破坏了竹材的力学性能，目前对全竹利用制作CLBT的研究鲜有报道。

尾巨桉（E.urophylla×E.grandis）是我国三大速生树种之一，其生长快、轮伐期短，在云南省普洱市广泛种植[16]。巨龙竹（Dendrocalamus sinicus）主要分布于云南省西南部，享有“竹王”的美誉，是一种特大型工业用材竹种[17-18]。

本文以尾巨桉和巨龙竹为原料，使用不同的胶黏剂制备CLBT，对比分析了保留和去除巨龙竹竹青的CLBT及单独用尾巨桉制备的CLT在抗弯性能、胶合性能、尺寸稳定性、强重比等性能上的差异，探究“以竹代木”制造工程材料的可行性，以期为CLBT的全竹利用提供理论依据，为云南省速生材的高效利用，推进绿色可持续发展[19]提供新途径和方法。

1 材料与方法

1.1 试验材料

尾巨桉（E.urophylla×E.grandis），采集于云南省普洱市景谷林场，由云南云景林纸股份有限公司提供。巨龙竹（Dendrocalamus sinicus），采集于云南省德宏傣族景颇族自治州，由云南永利发林业有限公司提供。尾巨桉和巨龙竹的物理力学性能见表1。

表1 尾巨桉和巨龙竹的物理力学性能Tab.1 Physical and mechanical properties of E. urophylla×E. grandis and Dendrocalamus sinicus

胶黏剂分别为酚醛树脂胶黏剂、单组分聚氨酯及混合树脂胶黏剂，各胶黏剂的特性见表2。混合树脂胶黏剂为实验室自制，其中酚醛树脂与异氰酸酯（pMDI）的质量比为1∶1。单组分聚氨酯冷压周期为1.5 MPa下60 min，然后用夹紧装置夹紧24 h。

表2 胶黏剂特性Tab.2 Adhesive properties

1.2 试验设备

UTM5150型热压机，宁波力东机械科技有限公司；HWS-250B型万能力学试验机，深圳三思纵横科技股份有限公司；BY214型恒温恒湿箱，天津市泰斯特仪器有限公司；Leica 2000R型滑走式切片机，德国徕卡微系统有限公司；Leica DM2000型荧光偏光显微镜，德国卡尔·蔡司公司股份公司。

1.3 制备工艺

正交复合材试验流程如图1所示。

图1 正交复合材的制备及其性能分析流程图Fig.1 Flow chart of orthogonal composite preparation and its performance analysis

尾巨桉方板制备工艺：将气干好的尾巨桉锯解成板材，选取无节子的木板，再锯解为规格尾巨桉径面板，作为竹木和纯木CLT的芯层以及纯木CLT的表层，尺寸为50 mm×50 mm×5 mm（芯层板材料）和350 mm×50 mm×5 mm（表层板材料）。

巨龙竹含竹青/去竹青竹条制备工艺：将气干好的巨龙竹锯解成段劈开，去除竹节后劈制成一定规格尺寸的竹条，尺寸为350 mm×5 mm×5 mm ，再取竹条靠近竹青20%的位置顺纹方向继续劈制，即得到去竹青竹条[20]。

巨龙竹-尾巨桉CLBT以及尾巨桉CLT组坯结构如 表3、图2和图3所示。

图2 CLBT尺寸示意图（mm）Fig.2 CLBT size schematic diagram

图3 组坯方式侧视示意图Fig.3 Side view of the combination mode

表3 试件层板设计Tab.3 Design of laminated specimens

巨龙竹-尾巨桉CLBT（EDCLBT1～EDCLBT10，EdCLBT1～EdCLBT10）的制备工艺：将制作好的含竹青/去竹青竹条和小径尾巨桉板材经240目砂纸打磨砂光后组坯胶合。尺寸为350 mm×50 mm×15 mm（图2）。竹条的顺纹方向垂直于芯层桉木方板的顺纹方向组坯，表层为竹条，芯层为小径尾巨桉（图3）。

分别使用酚醛树脂胶黏剂、单组份聚氨酯胶黏剂以及混合树脂胶合巨龙竹竹条径向面与小径尾巨桉方板弦向面。竹条与桉木胶合的方式为2种:1）保留竹青，竹条径切面与桉木弦切面胶合；2）去竹青，竹条径切面与桉木弦切面胶合。为控制变量，3组层板试件采用统一制作工艺：热压温度180°C，热压压力1.5 MPa，热压时间10 min，施胶量为120 g/m2。

对含竹青与去竹青的竹木CLBT进行对比，研究竹青对竹木复合材料的影响。

1.4 性能检测

抗弯性能测试参照LY/T 3039—2018《正交胶合木》与GB/T 17657—2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》。结合一般短梁强度试验的受弯破坏情况[21]，探究不同胶黏剂对含竹青CLBT抗弯强度的影响。胶合性能测试参照GB/T 17657—2013进行。尺寸稳定性测试方法参考LY/T 3222—2020《木材及木基材料吸湿尺寸稳定性检测规范》与GB/T 17657—2013进行。强重比测试参考GB/T 17657—2013，试样个数为5个，加载速度为5 mm/min，记录材料破坏时的最大应力，计算材料的断裂点强度，并结合材料密度，得到强重比。

1.5 微观分析

将使用混合树脂制备的含竹青CLBT试件加工成尺寸为20 mm×20 mm×20 mm 的试样，确保胶线在试件中央。随后，将试样放入浓度为25%的氨水溶液中浸泡约24 h，软化后取出进行切片，切片厚度为20 μm，再分别用浓度为30%、50%、75%、95%、100%的乙醇溶液进行梯度脱水处理，最后在切片上滴加1～2滴浓度为0.5%的甲苯胺蓝溶液进行染色。浸泡15 min后，用蒸馏水清洗，再用中性树脂胶封片备用。

2 结果与分析

2.1 不同胶黏剂对CLBT的影响

2.1.1 不同胶黏剂对含竹青/去竹青CLBT抗弯性能的影响

含竹青/去竹青CLBT的抗弯强度如图4所示。由图可知，采用酚醛树脂（图4a）和单组分聚氨酯（图4c）制备的含竹青CLBT，其抗弯强度分别为112.25 MPa和101.5 MPa，弹性模量分别为14 571.63 MPa和8 972 MPa，均高于同条件下的尾巨桉CLT。与去竹青的CLBT相比，使用酚醛树脂和单组分聚氨酯制备的含竹青CLBT，其抗弯强度较弱，表明竹青的存在对复合材料的抗弯强度具有负面影响。

图4 不同胶黏剂对CLBT抗弯强度和弹性模量的影响Fig.4 Effect of different glue types on the flexural strength and elastic modulus of CLBT

使用混合树脂制备的含竹青CLBT，其抗弯强度达到203.14 MPa，弹性模量达到20 622.54 MPa，显著高于同等条件下的去竹青CLBT，表明竹青的存在提高了CLBT的抗弯性能。这也说明，使用混合树脂能够实现巨龙竹竹青的合理利用，而单独使用酚醛树脂或单组分聚氨酯不能使巨龙竹竹青的高强度优势在CLBT中得以发挥。

用混合树脂制备的含竹青CLBT抗弯强度优于GB/T 2241—2012《单板层积材》中180E级优等品的强度要求与LY/T 3039—2018《正交胶合木》中进口材正交胶合木抗弯承载力的E1等级。若将含竹青CLBT用作竹木复合集装箱底板，其性能也同样优于加工竹材后制备的展平竹/马尾松、展平竹/杨木、竹帘/马尾松等复合材料[22]。抗弯承载最大载荷优于竹木复合人造板[23]。

2.1.2 不同胶黏剂对含竹青CLBT胶合性能的影响

由表4可知，在相同的热压和施胶量条件下，由酚醛树脂或单组份聚氨酯制备的含竹青CLBT，其胶合强度均明显低于由混合树脂制备的含竹青CLBT。由此可见，含竹青的竹条对胶黏剂的要求更高。

表4 不同胶种对含竹青CLBT胶合强度的影响Tab.4 Effect of different glue types on CLBT adhesive strength

2.2 巨龙竹竹青对CLBT的影响

2.2.1 巨龙竹竹青对CLBT抗弯强度的影响

图5所示为正交复合材试件出现的3种破坏模式，即层间剪切破坏、滚动剪切破坏及底部受拉破坏[24]。由图5a，b可知，竹材作为CLBT的表层改善了复合材底部受拉破坏情况。巨龙竹的高抗拉性能（289.59 MPa）使得2种胶黏剂下的CLBT均未产生底部受拉破坏。但CLBT出现了滚动剪切破坏情况，提高芯层材料的抗剪能力或将进一步提高CLBT的抗弯性能。由图5c可知，使用酚醛树脂能够满足尾巨桉CLT的胶合强度（4.46 MPa），未出现层间剪切破坏，仅是由于表层材料尾巨桉的抗拉强度（107.41 MPa）不足，导致底部出现受拉破坏。综合图4、5可知，竹青的存在提高了CLBT的抗弯强度和弹性模量，避免了普通CLT板材常见的底部受拉破坏情况。

图5 不同复合材料破坏情况Fig.5 Description of different composite material damages

2.2.2 巨龙竹竹青对CLBT尺寸稳定性的影响

图6为各组正交复合材的干缩率变化。由图可知，含竹青CLBT在宽度方向的干缩率（1.76%）大于尾巨桉CLT（1.47%），而其在长度方向（0.33%）、厚度方向（4.1%）及体积（6.08%）的干缩率均小于尾巨桉CLT（0.66%、11.86%、13.5%）。这可能与竹条在CLBT宽度方向上的排列有关，且竹材自身在径向的干缩率就较大。

图6 各组正交复合材干缩率Fig.6 Each group orthogonal composite dry shrinkage rate

含竹青CLBT的体积干缩率均低于含竹青巨龙竹竹条（6.28%），小径尾巨桉木板（6.36%）和尾巨桉CLT。同时，含竹青CLBT的整体干缩率低于去竹青CLBT，表明竹青的存在提高了CLBT的尺寸稳定性。

2.2.3 巨龙竹竹青对CLBT强重比的影响

如表5所示，使用混合树脂制备的含竹青CLBT，其强重比为0.35 N·m3/kg，比去竹青CLBT的强重比（0.32 N·m3/kg）高7.13%，比尾巨桉CLT的强重比（0.18 N·m3/kg）高94.02%，这表明含竹青CLBT在同等重量下具有更高的强度。

表5 不同复合材料的强重比Tab.5 Heavy-weight ratios of different composites

2.3 含竹青CLBT胶合界面微观分析

如图7所示，显微镜下胶线清晰可见，竹材和木材2种材料胶线中心为酚醛树脂，pMDI围绕于酚醛树脂两侧并在一定程度上渗入2种材料。图中左侧均为巨龙竹，右侧均为尾巨桉。由图可见，酚醛树脂大部分固化于竹木胶合界面之间，而pMDI多固化于临近胶线部分的竹木薄壁细胞以及管孔中。pMDI比酚醛树脂在CLBT中的分布更广，说明其在薄壁细胞及管孔中的渗透性更好。此外，在胶线处竹材的基本组织薄壁细胞中，pMDI的渗透深度达到了十几个薄壁细胞，但在维管束几乎未观察到2种树脂的存在。这可能与维管束鞘中较大纤维组织密度有关，阻碍了树脂的渗透。同时这也解释了去竹青的CLBT中，使用酚醛树脂具有较高的胶合强度，而未去竹青CLBT的胶合强度低[25-34]。

图7 混合树脂胶合的含竹青CLBT胶线展示（40 倍放大）Fig.7 Mixed resin glue containing bamboo green CLBT glue line display (40 x magnification)

3 结论

本研究以尾巨桉和巨龙竹为原料，使用不同的胶黏剂制备CLBT，分析竹青对竹木间胶合能力、抗弯强度以及尺寸稳定性等性能的影响，主要得出以下结论：

1）与单独使用酚醛树脂和单组份聚氨酯相比，使用混合树脂制备CLBT，可增强含竹青竹条与尾巨桉之间的胶合强度。

2）竹青的存在提高了CLBT的抗弯强度和尺寸稳定性。

3）本研究设计的复合正交胶合竹木具有优异的强重比，力学性能满足相关标准要求，为竹青的合理利用提供了理论依据。