集成材,又稱膠合木,是將板材或方材按平行纖維方向組坯,采用膠黏劑在長度、寬度或厚度方向膠合而成的材料,不僅具有天然木材的特性,而且克服了天然木材易翹曲、變形、開裂的缺陷,與木質(zhì)工字梁、單板層積材同為3種主要的工程成材產(chǎn)品,在歐洲、北美和日本、俄羅斯等國被廣泛用于建筑、家具和裝修行業(yè)。我國生產(chǎn)膠合木的歷史也較早,但應用極少。近十幾年來,集成材產(chǎn)品日益受到重視,產(chǎn)量亦不斷上升。此外,集成材生產(chǎn)可以短材小料和小徑木為原料,不僅能緩解市場對優(yōu)質(zhì)板方材的供需矛盾,也是提高木材綜合利用率與產(chǎn)品附加值的有效途徑[1]。本研究參照日本JAS非結構集成材性能要求,以刨切薄木用集成木方相關性能要求為依據(jù),對3種樹種木材的集成膠合工藝和性能展開試驗。
1 試驗材料和方法
1.1 試驗材料與設備試材 水曲柳(Fraxinusmandshurica)、核桃楸(Juglansmandshurica)和長白魚鱗云杉(Piceajezoensisvar.komarovii)3種樹種的板材。將板材加工成尺寸為192mm×100mm×20mm(長×寬×厚)的板塊,含水率12%。膠黏劑 選用雙組分水性高分子異氰酸酯,其組分配比為主劑∶交聯(lián)劑=100∶15～20(質(zhì)量比)[2,3]。設備 QD-100壓機和自制集成木方用夾具,RCT-2TR木材萬能力學試驗機。
1.2 試驗方法集成材制造工藝流程如下:
原木鋸制→板材→干燥→縱解→(木條)平、壓刨→橫截→木塊分選→調(diào)膠→木塊涂膠→配坯→冷壓膠合→集成材鋸邊→檢驗
1.2.1 膠合試驗 水性高分子異氰酸酯系常溫固化型膠黏劑,故本試驗僅選單位壓力A、加壓時間B和涂膠量C為變化因子。長白魚鱗云杉木材的密度相對低于水曲柳和核桃楸,材質(zhì)較軟[4],故其單位壓力取值應略低。3種木材的加壓時間和涂膠量水平相同,詳見表1。按照L9(34)正交表安排試驗,每種工藝條件下制造試樣4個。
1.2.2 集成材膠合強度檢測 參照日本集成材標準(2001年7月日本農(nóng)林省水產(chǎn)省告示第991號)進行。(1)浸漬剝離試驗 取不同工藝條件下每個樹種的試樣1塊,截取長75mm的試件2個,即每個樹種組共18個試件。將試件浸沒在室溫水中6h,之后放入(40±3)℃恒溫干燥箱干燥18h,冷卻后觀察膠層有無剝離并測量剝離長度。圖1 膠層剪切試驗試件示意圖F
ig.1 Samplesizeforshearstrengthtesting(2)膠層剪切強度試驗 每個樹種取正交試驗中各種不同工藝條件下的試樣3塊,按日本集成材標準的規(guī)定制作試件(見圖1),每塊試樣制作試件6個
,即每種試驗條件下的試件共18個。其中9個用于干狀膠層剪切強度的檢測,9個浸沒在(63±3)℃的熱水中6h后,取出待冷卻后,檢測其濕狀剪切破壞時的最大載荷,并計算出膠層剪切強度。
2 試驗結果與討論
2.1 浸漬剝離試驗 3種木材的膠合試件在經(jīng)過浸泡、干燥處理后未發(fā)現(xiàn)剝離現(xiàn)象,表明試件的浸漬剝離試驗達到了JAS非結構集成材的合格要求。
2.2 膠層干狀和濕狀剪切強度3種
2.3 3種木材集成膠合試件濕狀剪切強度的方差分析
表2和表3可以看出:(1)干狀剪切強度 在本試驗范圍內(nèi),3種木材膠合試件的干狀剪切強度的平均值全部達到了JAS非結構集成材標準中相對應木材的要求。在相同工藝條件下,水曲柳和核桃楸第4、5和6次膠合試驗以及長白魚鱗云杉第7、8和9次膠合試驗所得試件的干狀剪切強度平均值分別為15.17、10.64和7.53MPa,同樣達到了JAS的要求。在相同的工藝條件下,3種木材的干狀膠層剪切強度隨木材密度的增大而增大。(2)適宜的膠合工藝參數(shù):壓力2.0MPa(水曲柳,核桃楸)、1.5MPa(長白魚鱗云杉);加壓時間60min;涂膠量250g/m2。經(jīng)F檢驗,單位壓力的影響為顯著或高度顯著,加壓時間和涂膠量的影響不顯著。木材膠合時,壓力的大小需根據(jù)膠黏劑的性質(zhì)、涂膠量以及木材樹種、表面特性進行選擇。在一定范圍內(nèi),壓力越大,滲入木材中的膠液越多,膠合面積增加,膠合強度越高;壓力過大,膠黏劑將過量滲入木材組織中去,造成膠合面缺膠,膠合強度反而下降。在本試驗范圍內(nèi),3種木材膠合強度均隨單位壓力增大而顯著提高。由于水曲柳木材密度和硬度較大,壓力對其強度的影響也最顯著,長白魚鱗云杉木材因其密度較小,所以壓力的影響程度也相對較小。在本試驗中,膠層濕狀剪切強度隨加壓時間的延長而有所提高。涂膠量的3個水平對濕狀剪切強度影響不大,只有水曲柳試件的濕狀剪切強度隨涂膠量的增加而有所提高,這是由于水曲柳木塊在加工時厚度變異大于另2種木材,且系環(huán)孔材,膠黏劑容易滲透,因而需要較大涂膠量。但從整體而言,3個水平的涂膠量均可滿足工藝要求。當涂膠量為300g/m2時,加壓過程中尚有部分膠液被擠出。
2.3 膠合試件 干、濕狀剪切強度對比及強度保存率強度保存率/%=濕狀剪切強度干狀剪切強度×100根據(jù)表2所列試件的干、濕剪切強度平均值,按上式計算強度保存率,結果見表4。
從表4可以看出,3個樹種木材膠合試件的濕狀剪切強度平均值依次排列為:核桃楸>水曲柳>長白魚鱗云杉;強度保存率排序為:核桃楸>長白魚鱗云杉>水曲柳。有關木材濕脹的研究表明:無論吸濕膨脹或吸水膨脹,均隨樹
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