（木材科学与技术专业论文）竹材的弯曲性能及浸渍塑化研究.pdf

摘要 本课题依托国家高技术研究发展计划( 8 6 3 ) 项l i _ _ l 木材竹材复合材料制造 技术，对浙江省安吉县、安徽省广德县、福建省建瓯市和江西省宜丰县四大中 国竹乡产毛竹和锯制竹片的弯曲性能进行测定分析。同时实验研究了水溶性p f 树脂的合成因素对其在浸渍过程中上胶量的影响关系，并且采用三次曲线拟和的 方法分析研究不同浸渍处理条件下的竹材弯曲性能和塑化压力的变化规律。通过 实验研究的分析表明： 在浸渍用水溶性p f 树脂的合成中采用苯酚与甲醛摩尔比1 1 9 ，催化剂与 苯酚的摩尔比为1 ：o 1 3 ，第二阶段反应时间5 0 m i n 的合成工艺所获得的树脂上 胶量更容易达到最大值。在相同的浸渍时间内醇溶性p f 树脂上胶量明显高于水 溶性p f 树脂，这种趋势随着浸渍时间的延长而逐渐减小。 毛竹的弯曲强度和弯曲模量均随着立地高度的增加而逐渐增大。毛竹的产 地、生长朝向和测量方式均对弯曲强度影响较大而对弯曲模量影响则较小。有节 处试件的弯曲强度和弯曲模量均大于无节处竹秆试件。 毛竹沿径向的弯曲强度和弯曲模量从最内层竹黄处向最外层竹青处逐渐增 大。其中最外层竹青处弯曲性能远远高于最内层竹黄处，差异非常显著。毛竹的 密度随立地高度的增加变化并不明显，沿径向在靠近竹青处增加趋势明显。弯曲 性能随着密度增加而增大。 浸渍p f 树脂处理对于竹材弯曲强度提高不显著，对弯曲模量提高明显，并 且对竹材的耐沸水性能改善具有相当大的作用。 本课题的实验研究能够为木材竹材复合材料制造过程中的结构设计和产品 性能预测以及生产工艺控制提供一定的理论依据和基本思路。 关键词：竹材；p f ；弯曲性能；浸渍塑化；上胶量：木材竹材复合材料 a b s t r a c t t h i s p r o j e c t w a s s u p p o r t e db y “8 6 3 ” ，m a n u f a c t u r i n gt e c h n o i o g yo f w o o d - b a m b o oc o m p o s i t e ，m e a s 硅f e da n da n a l y s e db e n d i n gp e r f o r m a n c eo fb a m b o o s h d o ta n ds a w e db a m b o ol u m b e rp r o d u c e df r o mt h ef o u rb i g g e s tb a m b o oh o m e t d w n s i nd o m e s t i c c o u n t r y ，a n j ic o u n t y i n p r o v i n c e o fz h e j i a n g ，g u a n g d e c o u n t yi n p r o v i n c e o fa n h u i ，j i a n o u c o u n t y i n p r o v i n c e o ff u j i a na n dy i f e n gc o u n t yi n p r o v i n c eo fj i a n g x i ，a d d i t i o n a h y ，i cw a sr 口s e a r c h e dt h a tm a n u f a c t u r i n gf a c t o r so f w a t e r s 0 1 u b i l i t yp fa f t e c t e do na d h e s i v e s o a k i n gh o w i t a d v a n c e d f u r t h e r ，p r i n c i p l e o fb e n d i n gp e r f b r m a n c ea n ds t f e n g t h e n i n gs n e s s 。w h e nd j f f 爸r e n tc o n d i t i o nw a s a d o p t e dd u f i n g t h ec o u r s eo f a d h e s i v e s o a k i n g ， w a ss t u d i e dw i t hm e a n so f t h r e e p o 、v e rc u r v e s i m u l a t i n g ，e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e d ： d u f i n g t h ec o u r s eo f m a n u f a c t u r i n gw a t e 卜s o l u b i l i t yp f ，t h em o l a rr a t i oo fp h e n o l ： f o r m a l d e h y d ea n dc a t a l y z e r ：p h e n o lw e r el ：1 9 a n dl ：o 13 r e s p e c t i v e l y ，a n d t h e a d h e s i v e s o a k i n gv a i u ew a st h eb i g g e s tw h e nr e a c t i n gt i m ew a sf i x e do n5 0 m nj n t h es e c o n dp h a s e t h ea d h e s l v e s o a k i n gv a l u e so fa l c o h o l s 0 1 u b i n t yp fw e r eb i g g e r t h a nt h a to f w a t e 卜s o i u b i l i t yp fi nt h es a m et j m eo fj m m e r s i o n ，h o w e v e r ，t h et r e n d m i n i s h e dg r a d u a l l ya st h et i m eo fi m m e r s i o nw e n t 。 b e n d i n gs t r e n g t h a n dm o d u l u so f r u p t u r ea u g m e n t e d a s h i g h n e s s i n c r e a s e d c o n c e r n i n gb a m b o o i t sp r o d u c i n ga r e a ，e x p o s e dt ot h es u na n dm e a s u r e m e n tm o d e h a dam a r k e de f f e c to n b e n d i n gs t r e n g t h ， b u ta f f e c t e dm o d u l u so f r u p t u r e i n d i s t i n c t i v e l y b e n d i n gs t r e n g t ha n dm o d u i u so fr u p t u r ew e f eb i g g e rr o u n da b o u t b o l tt h a nt h a to fs p e c i m e nw h a td i d n tc o n t a i nb 0 1 t s w i t h r e s p e c t o fb a m b o o ， b e n d i n gs t r e n g t h a n dm o d u l u so fr u p t u r ei n c r e a s e d g r a d u a l l yf o mi n b o a r db a m b o oi n n e rp l a c et oo u t b o a r db a m b o os k i ni nt h er a d i a l d j r e c t i o n b e n d i n gp e r f o r m a n c eo fo u t b o a r db a m b o os k i nw e r eb e t t e rt h a nt h a to f b a m b o oi n n e rp l a c ee v i d e n t l y s i n c et h ed i f h r e n c ew a sv e r ym a r k e d t h ed e n s i t yo f b a m b o od i dn o ti n c r e a s em a r k e d l ya sh i g h n e s si n c r e a s e d ，b u ti n c r e a s e do b v i o u s l yi n t h er a d i a ld i r e c t i o ni na c c e s st ob a m b o os k i n b e n d i n gp e r f o r m a n c ea u g m e n t e da si 亡s d e n s i t yi n c r e a s e d t h eb e n d i n gs t r e n g t ho fb a m b o od i dn o ti n c r e a s eo b v i o u s l y ，b u tm o d u j u so f r u p t u r ed i di n c f e a s em a r k e d l y ，a n dt h er e s i s t a n c et o i 】n m e r s i o ni nb o i l i n gw a t e r i m p r o v e d ，w h e nb a m b o dw a ss o a k e dw n h p fa d h e s i v e t h er e s e a r c hi nt h i sp r o j e c tc a np r o v i d es o m eb a s i cg r o u n d sa n ds c h e m e sd u r i n g t h ec o u r s eo fm a n u f a c t u r i n g c o m p o s i t e 。a tt h es a m et i m e ，i tc a nb eu s e di nt h e d e s i g n i n g c o n s t i t u t eo fw o o d b a m b o oc o m p o s i t e ，a n di nt h ef b r c a 5 t i n g p e r f b r m a f l c e o ft h ep r o d u c t k e y w o r d ：b a m b o ob e n d i n gp e r f o r m a n c ea d h e s i v e - s o a k i n gw o o d - b a m b o oc o m p d s i t e 致谢 本篇硕士学位论文是在张晓冬先生的精心指导下完成的。从论文的选题、课 题研究的开展到整篇论文的撰写完成，都凝聚着导师辛勤的汗水。导师求真务实 的工作作风、孜孜不倦的敬业精神、高瞻远瞩的真知灼见、富于创新的科学理念 必将对我将来的人生道路产生深远的影响，使学生受益终生。值此论文完成之际， 谨向导师表示深深的敬意和最衷心的感谢。 在此还要特别感谢张齐生院士对于学生在竹材工程研究开发中心求学深造 的两年时间里所给予的大量关怀和帮助。同时也深深感谢东北林业大学的陆仁书 教授和余松宝教授对学生的关怀和帮助。 感谢朱一辛和关明杰两位老师对学生生活和学业上的大量指导和帮助。感谢 竹材中心的孙丰文、蒋身学和许斌各位老师的指导和帮助。 感谢木材工业学院的各位老师对学生学业上的指导和论文实验中所提供的 支持。感谢研究生院的领导和老师长期以来在学习和生活上的关心与支持。 感谢我的同窗好友岳孔、林龙生、姚飞、贾羽中、余建等在论文实验和数据 处理过程中所给予的帮助和建议。 最后，感谢我的家人多年来对我学业上的理解、支持和鼓励。 程秀才 2 0 0 4 年6 月于南林 1 前言 1 1 世界和我国的森林资源概况 联合国粮农组织于1 9 9 5 年公布了第七次世界森林资源调查结果，就1 7 9 个 国家的森林资源现状和发展趋势进行了评估；并在1 9 9 7 年又公布了世界森林 资源状况报告，评估了世界森林资源消长、林产品状况及发展趋势，对改善森 林保护和森林生态环境作出了重大贡献，为研究世界林业可持续发展战略提供了 科学的依据。 1 9 9 5 年世界森林面积为3 4 5 4 亿h m 2 ，其中发达国家为1 4 9 3 亿h m 2 ，占 4 3 2 ；发展中国家为1 9 6 1 亿h m 2 ，占5 6 8 就国家而言，俄罗斯森林面积居 世界首位，占2 2 1 ；其次是巴西，占1 5 9 ；第三位是加拿大，占7 1 ；第四 位是美国，占6 2 ；第五位是在中国，占3 9 。上述5 国的森林面积占世界森 林总面积的5 5 2 。世界人均森林面积为0 6 h m 2 ，其中发达国家的为1 1 h m 2 ；发 展中国家为o 5 h m 2 。 1 9 9 5 年世界森林覆盖率为2 6 6 ，其中发达国家为2 7 ：发展中国家为2 6 。 苏里南和圭亚那森林覆盖率为最高，苏里南达到9 4 4 。，法属圭亚那为9 0 6 。 俄罗斯联邦、巴西、日本、芬兰、瑞典、印度尼西亚等国家的森林覆盖率均在 4 0 以上。 现在世界森林蓄积量为3 8 3 7 2 7 亿m 3 ，发达国家占4 2 6 ，发展中国家为 2 2 0 2 7 6 亿m 3 ，占5 7 4 。俄罗斯联邦森林蓄积量8 0 7 亿m 3 ，居世界之首。其次 是巴西，为6 5 0 8 8 亿m 3 。第三位是加拿大，第四位是美国，分别为2 8 6 7 l 亿 m 3 和2 4 7 3 0 亿m 3 。中国为1 1 7 _ 8 s 亿m 3 ，列第七位。世界平均每公顷森林蓄积 量为1 1 4 m 3 ，但发达国家与发展中国家之间差距甚大，分别为1 2 2m 3 和5 5m 3 。 就因家而言，法属圭亚那的平均每公顷蓄积量居各国之首，高达2 7 4m 3 。日本、 美国、加拿大、法国、巴西、瑞典等国均在1 0 0 m 3 以上。【1 儿2 1 根据第五次森林资源清查报告，全国森林面积为1 5 9 亿h m 2 ，活立木蓄积 量1 2 4 8 8 亿m 3 ，森林蓄积量1 1 2 6 7 亿m 3 。其中，用材林为9 9 3 9 5 0 万h m 2 ，蓄 积量7 2 0 6 亿m 3 ；防护林2 1 3 8 4 7 万h m 2 ，蓄积量2 1 9 3 亿m 3 ：薪炭林4 4 5 1 7 万h m 2 ，蓄积量0 8 8 亿m 3 ；特用林3 9 6 8 0 万h m 2 ，蓄积量5 9 9 亿m 3 。从森林 的林龄构成看，幼龄林4 7 5 8 2 6 万h m 2 ，蓄积量1 1 1 5 亿m 3 ，中龄林4 4 3 0 4 3 万 h m 2 ，蓄积量3 0 3 6 亿m 3 ，近熟林1 4 4 8 7 2 万h m 2 ，蓄积量15 1 2 亿m 3 ，成熟林 1 4 1 9 - 3 8 万h m 2 ，蓄积量亿m 3 ，过熟林8 6 3 1 5h m 2 ，蓄积量2 0 8 9 亿m 3 。 目前，我国森林覆盖率为1 6 5 5 ，相当于世界平均森林覆盖率2 6 6 的6 1 ； 全国人均森林蓄积量为9 0 4 8m 3 ，相当于世界人均森林蓄积量7 2m 3 的1 2 6 1 3 】， 约是美国人均森林蓄积量8 8m 3 的1 0 【4 1 。全国人均森林面积o 1 2 8h m 2 ，相当于 世界人均o 6 h m 2 的2 1 3 【3 】：全国人均木材消费量为0 2 2m 3 ，占世界人均木材 消费量o 6 5m 3 的3 4 8 。我国森林的优势树种有：栎类、马尾松、杉木、桦木、 落叶松、杨树、云杉等十种。占森林总面积的7 8 7 2 ，蓄积量的7 6 6 7 。我国 森林资源存在的主要问题有：口资源总量不足；口森林质量不高；口森林资源增 长缓慢。 1 2 我国木材工业现状 木材是人民生活不可缺少的重要再生绿色资源，因此，越来越受到各国的高 度重视和关注”】。木材又是当今四大材料( 钢材、水泥、木材、塑料) 中唯一可 再生、再用和再循环利用的生物资源。木材已成为除水以外人类最重要、应用最 广泛的原材料。随着生物技术的进步，人们可以按照木材的最终用途进行定向培 育，实现林木速生、丰产和优质持续供应的要求，所以木材是当今社会公认的可 持续供应又不易替代的绿色材料。【6 j 人造板系以木材或其他非木材植物纤维为原料，经过一定机械或( 和) 化学 加工，分离成各种单元材料，继而施加或不施加胶粘剂并加热加压后制成的板材。 人造板工业是高效利用木材等植物纤维资源、缓解木材供需矛盾的重要产业，也 是世界林产工业的支柱产业，对国民经济的可持续发展和提高人民生活有着重要 作用。【7 】从表1 1 可见，我国人造板总产量逐年递增。1 9 8 1 年，全国人造板总产 量为9 9 6 1 万m 3 ，1 9 9 0 年达到2 9 6 1 万m 3 ，年递增1 9 7 。到2 0 0 1 年，全国人 造板产量跃至2 1 1 0 8 2 万m 3 ，中国成为世界第二人造板生产大国，其中，胶合板 ( 9 0 4 0 6 万m 3 ) 和纤维板( 5 7 0 1 l 万m 3 ) 约占人造板总产量的7 0 。 表1 1 全国人造板产量( 1 9 8 l 一2 0 0 1 年) 天然林木材资源的强令控制，对我国人造板工业产生了前所未有的冲击。从 表1 1 可以看到，由于国家“天保”工程的启动，1 9 9 8 年我国人造板生产降到低潮， 其中胶合板仅4 4 6 5 2 万m 3 ( 相当于1 9 9 7 年产量的5 9 ) ，纤维板2 1 9 5 l 万m 3 ( 相当于1 9 9 7 年的产量的8 0 ) ，刨花板则从历史最高降至2 6 6 3 0 万m 3 ( 相当 于1 9 9 7 年产量的7 4 ) 。但值得注意的是，由于基础建设及房地产业的蓬勃兴起， 人造板在家具、建筑、室内、以及模板等方面的需求仍然日益提高。人造板的产 量依然呈螺旋式上升的趋势。到2 0 0 1 年，三板的产量分别达到9 0 4 万m 3 、5 7 0 万m 3 、3 4 5 万m 3 。【8 】 随着天然林的减少，人工林在世界各个国家的经济、社会和生态环境建设中 的地位、作用发生了改变，人们对人工林的发展现状、前景表示极大的关注。我 国目前现有人工林面积约3 3 4 0 万公顷，居世界首位，虽然人工林面积大，产量相 对较多，但是还没有形成工业用材林的模式，高附加值人工林木材制品少，仍处 于低附加值加工阶段。尤其是栽培面积大，产量多的杨树、杉木等表现更加突出。 用这些术材作家具、装饰材料、建筑材料，必须改善它们的表面软、强度低、材 质不均匀等问题。因此，寻求高效的加工利用手段，充分利用这些木材资源，使 其发挥更大的经济效益，拓宽应用领域，是今后研究的主要目标之一。p j 既要维护好我国的生态环境，又要满足经济持续发展是我国的国策。今后木 材工业发展的重点为进一步提高技术装备水平和产品质量、消除环境污染、解决 人工林木材开发利用、农作物秸秆和竹材资源深度开发利用及优质大径木材和装 修用珍贵硬阔叶木材的“短缺问题”，要自主开发和引进相结合。 1 3 我国竹材资源及其工业利用 在我国，竹材资源十分丰窟，据统计全国竹类植物共有4 8 个属，5 0 0 多种类， 竹林面积居世界第一位。全国现有竹林总面积5 0 0 万h m 2 ，占世界竹林总面积的 1 4 1 5 。其中毛竹林面积为3 0 0 万h m 2 ，毛竹蓄积量有5 2 6 l 亿株。全国有竹 林分布的省区达2 7 个，而且竹材资源呈增长趋势，到2 0 1 0 年，竹林产量将达到 3 1 0 0 万吨，可替代木材2 8 0 0 万m 。 竹材具有刚度好、强度大等优良的力学性质，是一种良好的工程材料。从表 1 2 可以看出：竹材的静弯曲、抗拉强度、弹性模量及硬度等数值约为一般木 材( 中软阔叶材和针叶材) 的2 倍左右，可与麻栎等硬阔叶材相媲美。【l 9 】 表1 2 毛竹与几种木材的力学性能比较 、边学性能密度( g c m 3 ) 纵向静弯曲强纵向静弯曲弹硬度( m p a ) ( 弦 材料度( m p a )性模量( m p a )向径向平均值) 毛竹 泡桐 大青杨 鱼鳞云杉( 白 松) 桦木 麻栎 0 7 8 9 0 2 8 3 0 3 9 0 o 4 5 1 o 6 1 5 0 8 4 2 1 5 2 o 3 4 8 9 5 3 8 0 7 3 6 0 8 5 7 5 “1 9 2 1 2 0 6 2 2 4 3 1 0 o 7 7 5 0 o 1 0 3 9 0 o 8 8 2 0 0 1 5 5 8 0 o 7 1 6 1 0 8 3 1 5 7 3 1 6 0 l 3 6 9 9 7 3 2 1 竹材与木材相比，具有直径较小、壁薄中空、尖削度大、易虫蛀、易霉变、 结构不均匀等特点。因而传统的加工设备和加工工艺不能直接应用于竹材加工。 为此，千百年来竹材长期停留在原竹利用和编织工艺品、生活用品、制作简易家 具等初级利用阶段，未能象木材那样，经过种种物理和化学加工，进行大规模工 业化利用。【1 o 】 竹材加工利用是竹类资源利用的最传统方式，也是最基础的开发。从二十世 纪三十年代到七十年代，竹材的加工机械日趋发展，逐渐开始制作一些简单的机 械加工设备来加工如竹筷、牙签、竹篮和棉花棒等。我国竹材加工利用已由过去 传统手工艺产品发展为机械化生产。各种竹材人造板，如竹胶合板、刨花板、纤 维板等，特别是竹胶合板的兴起和发展，为竹材的利用开辟了一个新的途径。竹 胶合板耐腐、耐虫、强度高、韧性好，可以用做车厢底板、建筑模板、包装板等， 有着十分广泛的用途。竹地板作为一种高档地面装饰材料，日益受到人们的青睐。 竹材加工利用真正在我国大规模发展始于八十年代，至九十年代达到高峰状态。 竹材大规模工业化利用技术渐趋成熟，竹材人造板生产技术，竹材制浆造纸技术， 竹材防腐防霉技术已经形成了成熟的工业化生产工艺技术和成套设备制造技术。 但是与木材相比，竹材的工业化利用水平和科学研究水平还有相当的差距，对竹 材加工利用技术的研究主要集中于竹材及竹制品的防护技术，竹基复合材料和竹 质重组材料的制造技术( 包括竹木复合板、竹材胶合板、竹材集成材、竹材刨花 板、竹材中密度纤维板等) 竹材高效利用技术等研究领域，其中某些领域已经形 成成熟的生产工艺技术和产业化技术并已经推广利用，有的领域尚需进一步的基 础研究工作，为产业化奠定坚实的理论基础。【l 3 】 随着科学技术的进步和市场的需求，竹材加工业得到了蓬勃发展，新产品层 出不穷。其中发展最快的是竹席系列产品、竹制人造板、竹地板、竹集成材，竹 制家具等系列。由于竹林受天保工程影响较小，生产潜力巨大。因此，应在现有 基础上，进一步研究开发新型复合材料，用于替代大规格木材的板方材，以缓和 大径材的供需矛盾。同时还应重视竹材精、深加工产品的开发，如旋切、刨切微 薄竹的生产和应用：重视竹材的化学利用，如纺织用竹纤维、竹醋液的生产和应 用。【2 3 】 竹材的化学利用是指通过各种化学加工的方法开发以竹材为原料的竹材化 工产品，其最大特点是主要利用竹材内含的纤维素、半纤维素、木素和各种内含 物及竹材的特殊微观结构。在各种化学加工过程中，竹材原有的直径小、壁薄中 空、各向异性、结构不均匀、内含物多、不耐腐、耐虫性差等缺陷均不构成任何 影响，而它生长快、成材周期短、再生能力强等优良生物学特性却可显示出无比 的优越性。近几年来国内外开始重视竹材的化学利用，开发了多种以竹材为主要 原料的化工产品，目前以形成工业规模的主要有竹浆造纸和竹炭系列产品。 利用现代的制浆造纸技术以竹子为原料制成的各种纸品与木浆纸相比，由于 4 竹材自身结构的特点( 竹节和竹黄中含有有机硅) 造成碱的耗用量高于木浆纸， 纸的脆性稍大于木浆纸，高漂白度难于木浆纸且易氧化发黄。但这些技术难题随 着造纸技术的发展，都以得到了较好的解决。 竹炭是近几年来刚刚兴起并迅速掀起丌发热潮的产品。竹炭系列产品在日本 民间十分盛行，市场销售的的竹炭产品主要有烧烤炭、净水炭、房问调湿炭及竹 炭风铃、炭枕、炭被等。我们在国际竹藤组织的资助下测定了不同工艺条件下竹 炭的比表面积，并进行了净化水的实验研究，初步研究结果表明，竹炭对水中二 氯酚、有机磷等有机物污染的净化能力效果十分显著。 竹醋液中化学成分十分复杂，主要含有醋酸、丙酸、丁酸、甲醇和多种有机 成分，同本目前应用在保健、饮料、动物饲料场所除臭等方面，具有关方面介绍， 在高效低毒农药方面也有很好的应用前景。竹醋液和中药有类似之处，若按照竹 醋液中的有关成分组合成一种水溶液，却没有竹醋液的同样效果，因此竹醋液的 用途还有待我们继续开发。 作为环境材料，竹炭真正大规模的应用还有待于我们科学的证明其环境效应 的机理和确定正确的使用方法后，才有可能在国内大面积的推广应用。【2 4 j 【2 5 j 【2 6 j 1 4 本课题的国内外相关研究。睛况 1 9 6 4 年，s t a m n 等人用水溶性树脂处理木材后压缩，研究发现当树脂的浓度 在l o 以上，加热温度1 3 0 口，压缩时间1 小时，木材的压缩变形几乎完全被固 定了。扫描电镜观察表明细胞腔中没有树脂残留，抗涨缩率( a s e ) 达到6 0 。 1 9 7 9 年美国学者r o w e l l r m 提出异氰酸脂处理木材改性的研究。结果表明，异 氰酸脂处理木材增重率( w p g ) 达到2 0 3 0 时，除具有较好的尺寸稳定性外， 还具有良好的抗生物侵害功能。1 9 8 2 年，r o w e l l r m 继续研究表明，大部分异 氰酸脂都能进入细胞壁并且与木材成分中的羟基起反应，改变了木材细胞壁的成 分，增强了抗生物降解的能力，但是处理材的韧性和耐磨性降低较大。低分子量 树脂浸渍处理木材时，不仅使木材细胞壁经受处理，细胞腔也被处理剂所包围。 树脂进入细胞壁，使纤维素分子链之间的距离增大，并在一定程度上形成交联， 与木材中的羟基彼此间形成氢键，提高尺寸稳定性。9 0 年代初，日本京都大学 井上雅文、则元京等将干燥的日本柳杉锯材的表层浸泡在水中预定的深度，当 水渗透到一定量以后，用微波辐射加热，使表层软化，然后放置在热压装置上压 缩、压密、干燥定型，得到表面压密的木材。这种方法制得的表面压密材虽然表 面性能得到改善，同素材相比表面耐磨度提高4 0 5 0 ，硬度提高1 2 0 l5 0 ，但是尺寸稳定性差。经水煮试验后，其压缩恢复率几乎达到1 0 0 。为了 克服这一弱点，1 9 9 1 年，井上雅文、则元京等对软质针叶树材又进行了表面压 密化处理，采用水溶性酚醛树脂代替水，以增加压缩变形的固定作用，然后再用 微波加热软化表层，压缩密实，干燥定型。1 9 9 3 年，井上雅文、尾形重行等使 用三聚氰胺甲醛树脂固定木材压缩变形，研究结果表明，随着树脂浓度的增加， 增重率( w p g ) 和抗胀缩率( a s e ) 增加，压缩恢复率减少。1 9 9 4 年k u m a r s 先生在w o o da n df i b e rs c i e n c e ( 2 6 ( 2 ) ：2 7 0 2 8 0 ) 上发表了有关木材化学改性新方 法的研究论文，论述了木材化学改性的几种重要方法及木材改性后相关性能提高 的机理。用高分子树脂对木材进行处理，是木材改性处理中最重要的方法。早在 二十世纪中期，在美国及其它欧洲国家曾经广为使用，产品有压缩木、浸渍木等。 但由于产品主要应用在军事领域，在民用领域由于成本太高而很难大量推广。 近年来，我国学者在低分子量树脂浸渍处理对木材进行功能性改良和固定木 材压缩变形等方面进行了大量的工作。1 9 8 1 年，王婉华、尹思慈等提出了木材 液相乙酰化的研究。结果表明：随着增重率( w p g ) 的增加，乙酰基( a c ) 含 量增加，并且在催化剂尿素一硫酸胺存在下乙酰化效果更好。1 9 8 8 年，尤纪雪 等人用酚醛树脂改性马尾松，并对处理材的耐腐性、尺寸稳定性和力学稳定性进 行了检测。结果表明，改性材具有优良的耐腐性能：改性材的湿胀率和干缩率随 着增重率( w p g ) 的提高而减小。改性材的顺纹抗压强度、抗弯强度和硬度均 比素材高。1 9 9 4 年在中国南京召开的速生材性能与利用国际研讨会上，国内外 专家发表了大量有关杨木加工利用的论文，以南京林业大学华毓坤教授“速生杨 木制造木质人造板的综合利用研究”为主要代表。速生杨木材质差也成为与会专 家普遍关注的问题。杨木改性处理已成为杨木加工利用不得不面对的问题。1 9 9 5 年，余权英、谭向华提出了木材氰乙基化改性研究，结果表明，杉木经过氰乙基 化改性可转化成为热塑性高分子材料。1 9 9 7 年，李坚、刘一星、方桂珍对三聚 氰胺一甲醛与木材的交联作用进行了研究，测定了木材中的不同化学组分纤维 素、半纤维素、木质素、c 纤维素、综纤维素与交联剂作用的活性。1 9 9 8 年，刘 君良、刘一星等，采用水溶性低分子量酚醛树脂对杨木、柳杉进行浸渍处理，制 得表面压密材。结果表明：随着树脂浓度的增加，木材的增重率明显增加，当树 脂浓度为2 0 时，增重率为5 2 。当树脂浓度超过1 0 时，压缩变形几乎完全 固定了。当树脂浓度一定时，表面压密材的力学性能值随着压缩率的增加而增大。 1 9 9 9 年林忠伟发表了表面强化胶合板模板的研制一文，用浸渍型水溶型酚醛树 脂胶浸渍杨木单板为表板，马尾松单板为内层单板制造表面强化胶合板模板。同 年，方桂珍发表了“低分子量酚醛树脂改性大青杨木材的研究一文，采用低分子 量酚醛树脂改性大青杨木材，处理材尺寸稳定，增容作用也较大，同时大大提高 木材的力学性能。【l 州 从研究方向上看，国内外对竹材的研究主要集中于竹材的微观解剖特征、竹 材的物理力学性质以及竹材的化学性质方面。如竹材的物理性质、化学特性与成 分、力学性质、干燥特性、生物力学特性、微观及超微观解剖构造等。竹材物理 性质的研究主要包括竹材的密度、干缩性及吸水性等；竹材的力学性质主要包括 顺纹抗拉、抗压、抗弯及剪切强度，顺拉弹性模量、顺压弹性模量及抗弯弹性模 量等；竹材的微观结构和物理力学性质之间的关系的研究主要集中在竹材显微形 态、大小及分布对竹材力学性质的影响；竹材的微观构造主要集中在薄壁组织细 6 胞、微管束在断面上的分布、细胞壁的厚薄及分层排列的方向和角度、导管的长 度及大小不等；竹材的生物物理与生物力学的研究主要是从生物材料的角度来研 究纤维束的排列方向、单位面积微管束的数量以及竹材各层面成分的变化对力学 性能的影响；竹材的化学特性与成分研究主要为竹材的基本成分、竹材木素的结 构、抽提物含量、竹材灰分和有机成分等。【”】 ”】【1 6 l 同本学者加纳瓦全1 9 2 9 年对台湾竹材材性作过一定的系统研究。日本学者 竹内叔雄1 9 3 2 著有竹的研究一书很有影响力。1 9 9 4 年德国汉堡大学的w a i t e r l i e s e 开展了竹子的结构与其性质和利用的关系研究，详细概述了竹材的解剖、 物理和化学性质，探讨了竹材的加工工艺性能和产品质量。1 9 9 6 年孟加拉农业 大学c h o w d h u r vm y 教授提出对竹材进行物理和化学处理以提高其强度和耐 腐性的研究，从竹材强度，环境的相对湿度，防腐处理工艺，真菌感染方式等方 面进行阐述。1 9 9 8 年菲律宾林产品研究所的z e u i t ab e s p i l o y 研究员讨论了竹 材材性对竹材利用的影响。除此之外，还有新加坡国立大学的a n r a o ；马来 西亚林业研究所的a b d l a t i f m o h m o d ，a b d r a z a ko t h m a n ；哥斯达黎加的b r i c a n e r i c k s o n 等人对竹材的加工利用迸行广泛研究。 我国竹业工作者对于竹子的的栽培经营研究较多，而对竹材材性的研究相对 较少。著名的林学家梁希先生在1 9 4 4 年曾对我国竹材的物理力学性质作过初步 的实验研究。李正理1 9 6 0 年曾对国产竹材的解剖特性做过比较分析。周芳纯于 1 9 7 9 年对竹材物理力学性质作过研究腰希申等1 9 9 2 年对我国主要竹种作过大量 的扫描电镜照片。我国的竹材加工利用居世界领先水平。南京林业大学竹材工程 研究中心自二十世纪八十年代开始，直从事竹材材性、结构、物理力学性能等 应用基础研究，已研究开发出了竹材胶合板、高强覆膜竹胶合模板、竹木复合集 装箱底板、竹杉复合地板等系列产品。其应用研究水平及研究成果均处世界领先 地位。同时，中国林业科学研究院在竹材基础理论研究方面取得丰硕研究成果。 2 0 0 1 年于文吉博士和王朝晖博士分别完成了“竹材表面性能及力学性能规律的研 究”、“竹材材性变异规律及加工利用研究”博士论文，其竹材基础理论研究水平 处于领先地位， 1 5 本课题研究的目的及意义 速生杨、竹材是我国本材工业领域两大重要的可再生资源，在术质基体表面 改性及复合界面性能调控技术的基础上，研究木材与竹材复合材料制造技术，充 分发挥木材、竹材的自身优势，克服其弱点，创生新型木质基复合材料，提高可 再生资源产品性能，拓宽其应用领域，扩大可再生资源的利用，从而减少天然林 采伐，对维护自然生态与环境将起到积极的作用，符合2 l 世纪可持续发展的要 求。【9 1 本课题依托“十五”国家高技术研究发展计划( 8 6 3 ) 木材，竹材复合材料制 造技术，对木材，竹材复合材料制造过程中竹材的浸渍塑化性能问题进行了比较 深入的实验研究。通过实验来研究合成适合于木材工业浸渍用的水溶性p f 树脂， 并对浙江安吉、安徽广德、福建建瓯和江西宜丰这四大具有代表性的中国竹乡产 工业用速生毛竹的竹竿弯曲性能和毛竹径向分层弯曲性能进行了实验测定，得出 其变化规律。并且对于毛竹在未经浸渍处理和分别浸渍水溶性和醇溶性p f 树脂 处理条件下其弯曲性能与塑化压力的关系进行研究，采用曲线拟合的方法对数据 有效处理。 通过本课题的分析研究，可以为木材，竹材复合材料制造过程中的结构设计 和生产工艺提供一定的理论依据和基本思路，从而按照所设计产品的预期性能优 化组织! l 产。 8 2 1 实验目的 2 不同产地毛竹弯曲性能的比较分析 1 9 9 6 年2 月，原林业部命名福建省建瓯市、顺昌县，浙江省安吉县、临安 县，江西省宜丰县、崇义县，广东省广宁县，湖南省桃江县，安徽省广德县，贵 州省赤水市等1 0 个县( 市) 为“中国竹子之乡”。被命名的县( 市) ，以其特有的 资源优势、精良的加工技术，把发展竹业当成兴县、富民的工程，取得了显著的 生态、经济和社会效益，为建设林业两大体系做出了贡献。【l 8 】 气候条件与竹子生长关系密切，从而也影响到竹材的性质，尤其是力学性能 指标【2 。本实验采集上述中国十大竹乡中的浙江省安吉县、安徽省广德县、福 建省建瓯市、江西省宜丰县四大竹乡的毛竹进行实验研究。该四大竹乡的气候条 件如表2 一l 所示：u u 表2 1 四大竹多的基本气候条件 通过采用不同的测量方式得到不同的毛竹试件弯曲性能值，进行分析比较从 而得出毛竹在不同的朝向和有无竹节的情况下弯曲性能的差异。 2 2 实验准备 9 首先，采集四大竹乡立地等级为i 等的毛竹阳坡阴坡各两根，均为六年生毛 竹。自地丽开始，每隔o 8 m 截取1 段，共截取7 段。再将竹材每段加工出2 5 0 m m 长，1 2 m m 宽的试件6 0 个，其中3 0 个为无节试件，另外3 0 个为有节试件，且 竹节处于试件的中间位胃。经过较长时间的室外放置，试件含水率达到比较均一 的程度，为2 0 2 3 。此时把试件放于5 0 士2 烘箱7 2 h 后含水率达到6 7 。 用力学实验机测量试件的弯曲性能，每组3 0 个试件中，15 个竹青向上竹黄向下 测量，竹黄部分受拉应力：另15 个竹黄向上竹青向下测量，竹青部分受拉应力。 本实验中试件弯曲强度的测量使用深圳市新三思计量技术有限公司生产的 微机控制电子万能实验机，型号为c m t 6 1 0 4 ，最大负荷1 0 k n ，精度等级为1 级，测量范围为o 4 1 0 0 ，实验力示值误差极限为示值的士1 o 以内，实验 力示值分辨率为士1 0 0 0 0 0 码，速度示值允许误差极限为示值的士1 o 以内，位移 示值测量误差为示值的士0 5 0 以内。 测量弯曲强度时测量环境的湿度为6 0 8 5 ，温度为6 1 2 。试件的 宽度为试件中间位置宽度，厚度以游标卡尺测得两端厚度的平均值计算。所执行 的标准和数掘处理方法为人造板静曲强度测定g b l 7 6 5 7 1 9 9 9 ，载荷的施加速度是 】oo m m m j n 。 图2 2 试件的弯曲性能测定 图2 1 测试用c m t 6 1 0 4 微机控制图2 3 实验机控制界面 电子万能实验机 1 0 2 3 浙江安吉产毛竹弯曲性能 2 3 1 毛竹弯曲性能测试结果 浙江安吉产毛竹弯曲性能测试结果如表2 2 、表2 3 、表2 3 和表2 4 所示如下： 表2 2 安吉产阳坡毛竹无节试件弯曲性能测试结果 注：测最时温度6 湿度6 2 表2 3 安吉产阳坡毛竹有节试件弯曲性能测试结果 4 o 4 8 5 6 竹青向上 竹黄向上 竹青向上 竹黄向上 竹青向上 1 1 3 3 0 1 4 3 1 0 1 1 3 9 0 1 4 6 9 0 1 2 7 6 0 4 3 6 7 0 0 1 1 6 7 3 3 9 5 7 6 3 4 4 4 3 8 9 ，1 6 2 0 7 4 0 4 1 2 4 8 9 ，6 1 1 1 8 5 5 5 5 9 9 7 4 5 11 9 1 2 0 0 1 0 0 1 3 9 0 8 5 2 。1 5 9 4 1 4 8 4 5 8 5 7 6 5 9 3 8 15 9 6 7 6 1 0 7 1 0 4 1 l 4 9 5 1 4 3 竹黄向上 1 5 1 2 58 ，5 25 0 41 2 0 1 6 ，2 5 i 0 9 2 7 28 【3 注：测量时温度7 ，湿度7 s 表2 4 安吉产阴坡毛竹无节试件弯性能测试结果 弯曲强度弯曲模量 立地高度测试方式均值标准差准确指数均值标准差 ( m ) ( m p a )( )( m p a ) 0 8竹青向上7 6 2 3o 3 30 3 97 9 7 4 6 018 7 5 4 6 1 6 2 4 3 2 4 0 48 5 6 平均值 竹黄向上 竹青向上 竹黄向上 竹青向上 竹黄向上 竹青向上 竹黄向上 竹青向上 竹黄向上 竹青向上 竹黄向上 竹青向上 竹黄向上 竹青向上 竹黄向上 1 2 0 9 0l6 31 2 09 1 2 3 5 51 3 0 7 9 0 9 3 4 22 7 52 6 39 1 2 5 ，2 08 5 5 6 7 1 3 2 152 、0 91 4 01 0 4 6 7 7 02 了5 3 3 1 0 3 7 5o 8 1o 7 09 4 8 3 7 03 2 3 8 6 1 4 4 6 08 、4 25 2 16 8 7 ，1 01 3 4 3 5 1 0 5 5 53 2 92 7 91 0 1 0 7 8 511 9 0 4 5 15 6 153 5 72 0 51 3 0 s 4 2 5 2 4 9 2 9 1 1 3 9 03 1 12 4 41 0 2 9 6 7 06 6 3 13 1 5 9 。6 91 3 5 07 5 61 4 0 6 8 3 51 1 0 0 6 5 1 3 6 5 54 6 33 0 31 1 4 0 i ，5 07 9 9 15 9 7 09 0 55 0 71 4 3 6 5 9 58 6 2 8 5 1 4 1 0 52 ，5 31 6 42 1 7 0 5 ，5 0】4 4 1 7 2 1 6 2 5 02 6 21 4 41 5 4 9 3 7 06 9 8 6 2 1 1 0 0 61 0 0 l3 5 8 1 4 7 9 61 1 9 2 4 6 3 准确指数 ( ) 2 1 0 4 1 2 8 2 8 3 9 2o l 3 0 5 】0 3 l o 5 3 1 7 1 5 7 6 7 0 0 0 0 6 5 3 7 1 1 0 2 4 0 3 注：测量时温度1 2 ，湿度6 8 表2 5 蜜吉产阴坡毛竹有节试件弯曲性毹测试结纂 竹黄向上 15 3 3 53 7 l 2 1 79 7 9 3 0 5 1 0 3 7 9 99 4 8 3 2竹青向上 1 2 9 3 54 7 73 3 01 0 8 6 0 3 03 7 1 0 9 竹黄向上1 5 4 1 01 0 ，2 55 9 51 0 7 0 5 4 54 7 62 0 4 o竹青向上