黃藤是我國重點人工培育的藤種之一,盛產于海南.國產黃藤存在節間突起明顯、長度短,粗細不均等問題,不易加工出高質量的藤皮;且藤芯密度低,易彎斷,因此,目前多數利用是以整根藤條制作家具或家具骨架等.
近年來,有研究表明,可利用藤材與木材結合制作復合材料,為藤材的高附加值利用提供了新途徑[1-2].筆者采用藤芯編制的簾狀材料,與楊木單板按不同的形式組合,探討藤/木復合材料的結構及性能,以期為藤材的綜合利用,及開發輕質、性能優良的家具材料,提供技術依據.
1 材料和方法
1.11 試驗材料
1\\)黃藤\\(Daemonorops margaritae\\(Hance\\)Becc\\),規格\\(直徑@長度\\)3 mm@450 mm,海南產.熱熔膠按垂直于藤芯排列方向涂布,將藤芯加工成藤簾,幅面450 mm@450 mm.
2\\)楊木\\(Populusspp1\\)單板,幅面均為450 mm@450 mm,厚度2、3 mm,密度0145 g/cm3左右;楊木壓縮單板,厚度116 mm,密度019 g/cm3左右.含水率均為12%,購于河北文安.
3\\)膠黏劑: 聚酰胺熱熔膠網膜; 異氰酸酯,固體含量58%~64%,黏度10 000 mPa#s; 聚酰胺熱熔膠.均外購.
1.12 試驗設備
熱壓機,膠槍,萬能力學試驗機.
1.13 試驗方法
首先測試了5層藤簾板組成的藤芯重組材的各項性能,結果列于表1.
從表1可以看出,藤芯重組材的密度為0134 g/cm3,遠低于目前家具制造用人造板的密度\\(018 g/cm3\\),顯示出較高的強重比.但藤芯重組材的MOR和MOE較低,無法滿足承重家具材料的要求,需要引入增強材料,以改善其強度性能.
為此,本試驗引入楊木單板,考察了將單板配置在藤芯重組材板坯表層和芯層的2種藤/木復合材結構,同時測定和分析了不同厚度單板以及壓縮單板,對該復合材料性能變化的影響.
1.13.11 藤/木復合材料結構設計
本試驗中,復合材料的結構組成被設計成2類.
結構 使用普通2 m和3 m單板;結構 使用壓縮單板.具體組坯方式見圖1.
結構:以藤簾作表層、楊木單板為芯層進行組合.
1\\) 3層結構:按所用單板厚度的不同,分別為:
編號1-3-2:芯層單板厚2 mm,1-3-3:芯層單板厚3mm;
2\\) 5層結構:同理分別按芯層單板厚2 mm和3mm,編號分別為1-5-2、1-5-3.
3\\) 7層結構:先以2 mm厚度楊木單板組合成3層膠合板,然后在其上、下表面,分別配置2層藤簾\\(1-7\\).
結構:以5層藤簾的重組材作芯層.藤簾間采用聚酰胺熱熔膠網膜,施膠量46 g/m2,熱壓時間15min,熱壓溫度130e.由厚度規控制板坯厚度,壓縮率為10%,待冷卻至室溫后卸板,制成藤芯重組材料.
上、下表層各配置2層楊木單板,最表層和最底層配置楊木壓縮單板.
結構:復合材的各層紋理方向均互相垂直.
1.13.12 制板工藝.
1\\)結構
將異氰酸酯膠與固化劑混合均勻,分別涂布在藤簾與楊木單板的膠接面上,涂膠量為120 g/m2\\(單面\\).冷壓24 h后,放置72 h.
由厚度規控制最終厚度,壓縮率控制為10%,以保證藤芯不變形.
2\\)結構
表層施膠:同結構.
組坯:將施膠后的2塊楊木單板分別放置在藤芯重組材的上下表面,將未施膠的2塊楊木壓縮單板,分別置于已施膠的楊木單板表面,陳放5 min; 制板:板坯冷壓24 h,制成藤/木復合材.
1.14 性能檢測
參照GB/T 17657-19995人造板及飾面人造板理化性能試驗方法6,檢測材料的靜曲強度\\(MOR\\)和彈性模量\\(MOE\\).
2 結果與分析
2.11 藤/木復合材料結構 的力學性能
結構 的力學性能測試結果如表2所示.
1\\) MOR、MOE由表2可知:由于加入了楊木單板,藤/木復合材料的密度均有不同程度的增加.3層藤/木復合材料的MOR較藤芯重組材,提高31%~38%,MOE提高14%~20%.
5層結構與藤芯重組材相比,MOR提高2%~5%,MOE提高2%或下降10%;與3層結構相比,針對相同的單板厚度,MOR降低22%~23%,MOE降低10%~25%.
7層結構的MOR、MOE,較藤芯重組材分別提高約7%、3%;與3層結構相比,MOR降低19%~23%,MOE降低9%~15%;較5層結構,MOR增幅1%~4%,MOE增加1%~14%.
因此,在本試驗參數范圍內,隨著結構層數增加,藤/木復合材料的MOR和MOE均呈明顯下降趨勢,層數繼續增加,MOR和MOE略有回升.
2\\)比強度、比模量比強度、比模量,分別表示材料強度、模量與密度的比值,用來衡量材料的承載能力,值越大,說明材料質輕且強度、模量高.
表2的試驗數據顯示出:與5層藤芯重組材相比,藤/木復合材的密度提高幅度約18%~26%,MOR、MOE隨著復合材料層數的增加反而呈下降趨勢,因此,除3層結構的比強度有所提高,結構 藤/木復合材的比強度、比模量均呈先逐漸降低,后有少許增長.
從材料力學的角度分析,當復合材料受到的壓力方向與藤簾垂直時,材料的應力是以中性層為對稱面,沿厚度線性變化,即距中性面越遠的面受力亦越大[3].
因此,在結構中,楊木單板受力最小,當復合材料承受的負荷達到藤芯所能承受的最大負荷時,將產生斷裂.因此,楊木單板對材料整體的強度貢獻很小.將彎曲模量大的楊木鋪設于藤/木復合材料的上下表層,以強度較低的藤簾作為芯材,才是合理的結構設計.
在試驗中觀察到:7層結構的藤簾與單板均被破壞.藤簾順紋排列,楊木單板橫紋鋪設時,單板的橫紋方向的強度較低,且表層與底層藤簾受力最大.因此,將離中性面最遠的藤簾替換為楊木單板,可大幅增強復合材料的力學性能.
2.12 藤/木復合材料結構 的力學性能
經檢測:普通楊木單板的抗拉強度為8215 MPa,楊木壓縮單板的抗拉強度10612 MPa,提高了29%,MOE為18111 GPa.
采用楊木壓縮單板后,藤/木復合材料的性能列于表3.
從表3可以看出,與藤芯重組材相比,該結構的MOR提高了約89%,MOE提高了約3倍;而復合材料的密度僅為0147 g/cm3,使整體材料具有較高的強重比.
與結構 的7層結構相比,MOE增幅為77%,MOE提高了約3倍.主要是因為在結構 中,藤簾位于中性面,受力較小,而表層的楊木壓縮單板發揮了優勢.
此外,由于結構 的MOR、MOE均有大幅增長,其比強度、比模量較藤芯重組材分別增長35%、114倍.
3 結論
1\\)藤/木復合材結構 中,將楊木單板置于復合材料芯層時,對改善整個復合材料強度性能貢獻不大,適用于對力學性能要求不高、但有裝飾性要求的場合.
2\\)復合材料結構 的配置合理,故力學性能最好.比強度、比模量分別增長35%、114倍.
3\\)針對不同應用場合的最佳結構配置,有待進一步試驗.
參考文獻:
[1] 修英妹,崔德剛.復合材料層合板穩定性的鋪層優化設計[J].工程力學, 2005, 22\\(6\\): 212-216.
[2] 傅峰.組坯方式對竹簾板膠合板強度的影響[J].南京林業大學學報, 1995, 19\\(1\\): 33-36.
[3] 王耀先.復合材料結構設計[M].北京:化學工業出版社,2001.
[4] 蔣身學,朱一辛,張齊生.竹木復合層積材結構及其性能[J].南京林業大學學報:自然科學版,2002, 26\\(6\\): 10-12.
