单板厚度对小径柚木单板层积材力学性能的影响

单板厚度对小径柚木单板层积材力学性能的影响
叶雨静;徐伟;黄琼涛;陈昌华;唐先良
【摘要】采用3.00、4.50、6.00 mm厚度小径柚木单板制备单板层积材(LVL),研究单板厚度对单板层积材力学性能的影响.结果表明:单板厚度对于层积材静曲强度和弹性模量有显著影响,随着单板厚度增加,静曲强度与弹性模量减小;强度均达到GB/T 20241—2006《单板层积材》中不同等级要求.生产相同厚度单板层积材时应根据耗胶量与所需力学强度选择合适单板厚度,寻求成本与质量的平衡.
【期刊名称】《林产工业》
【年(卷),期】2019(056)009
【总页数】5页(P6-10)
【关键词】柚木;单板厚度;单板层积材;力学性能
【作者】叶雨静;徐伟;黄琼涛;陈昌华;唐先良
【作者单位】南京林业大学家居与工业设计学院,南京 210037;南京林业大学家居与工业设计学院,南京 210037;宜华生活科技股份有限公司,汕头 515834;江苏柚尊家居制造有限公司,盐城 224000;玉环市众创人才科技创新服务中心,玉环 317605【正文语种】中文
【中图分类】TS653.2
我国优质木材资源供应结构已发生较大变化，在少量的优质木材资源中，大径级木材的供应量远小于中小径级材[1-3]。

小径材来源广泛，包括小径原木以及枝丫材
等，但同大径材相比，小径材材性缺陷具体表现在幼龄材占比高、生长应力大,易
发生变形开裂[4]。

而单板层积材（LVL)可以将缺陷降低到一定程度并提高其利用率，在保留木材天然特性的同时，提高材料的均匀性 [5-7]。

工业化生产中，常选用1～3.5 mm厚单板制备单板层积材[8-9]。

生产相同厚度的单板层积材，单板厚度越薄则耗胶量越大，在原料成本增加的同时胶黏剂甲醛释放量增大，施胶工序消耗工时增加。

为开发适用于家具构件的单板层积材及制造新技术，提高小径材出材率，实现珍贵树种中小径材高附加值利用，以小径柚木为原料，选取3～6 mm厚单板对小径柚木单板层积材力学性能进行探究。

1 材料与方法
1.1 材料
柚木（Tectona grandis L.f ）原木，采自云南省勐腊县，直径14～20 cm，材长2.2 m，树干通直无开裂翘曲，湿材含水率为102%。

粉状脲醛树脂胶（UF)：型号为DY1022的白色自由流动粉体，购自广州原野实业有限公司，水分≤1.5%，游离甲醛含量＜2.0%。

1.2 仪器与设备
桂林广隆数字测控有限公司电子数显卡尺，台湾嘉隆KL-1300PK砂光机，上海一恒科学仪器有限公司DHG-9245A电热鼓风干燥箱，常州天之平仪器设备有限公
司EL-3KJ型电子天平，佛山市先达威机械有限公司WHP160-2500型三层热压机，SANS微机控制电子万能力学试验机，型号CMT6104。

1.3 方法
1.3.1 胶黏剂配制
使用清洁、干燥的胶罐，以粉状胶黏剂∶水为5∶2的比例进行调制，充分并均匀
搅拌胶液10～20 min，静置20 min后使用。

1.3.2 制板工艺
图1 小径柚木单板层积材制板工艺Fig.1 Small-diameter teak laminated veneer lumber technology
选取干燥至含水率12%的材质较好无缺陷锯材锯制4.00、5.00、7.00 mm厚单板，用砂光机分别将其砂光至3.00、4.50、6.00 mm厚。

选取材质较好的单板，依据试验设置，使用辊涂法对单板进行单面施胶，施胶量为200 g/m2。

按照顺纹方向组坯并错开节子处，板坯铺装厚度为18 mm。

对板坯进行热压，热压温度115 ℃，时间16 min，压力1.4 MPa，使用厚度规控制层积材厚度为16 mm。

热压后在
温度21 ℃、湿度70%的环境中陈放24 h，待质量恒定后进行裁边、截取试件。

1.3.3 试验设计
根据预试验，通过单因素试验探讨3种单板厚度（3.00、4.50、6.00mm)对小径
柚木单板层积材力学性能的影响。

因素为单板厚度，因变量为单板层积材静曲强度、弹性模量及剪切强度。

参照GB/T 20241—2006《单板层积材》标准的取材要求，每种厚度的单板压制8块。

1.4 性能检测
1.4.1 胶黏剂固体含量
按照GB/T 1725—2007《色漆、清漆和塑料不挥发物含量的测定》中规定的检测方法，将铝箔制成的金属皿置入125 ℃烘箱中干燥至恒重，称取试样并记录后，
将金属皿放回温度为125 ℃干燥箱中加热60 min，取出后放置为室温，再次称重并记录数据，得出胶黏剂固体含量为61%。

1.4.2 静曲强度、弹性模量
按照GB/T 17657—2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》中的三点弯
曲法检测柚木单板层积材的静曲强度、弹性模量。

每种厚度每组指标均取8个试件，去除无效数据后检测结果取其平均值。

1.4.3 剪切强度
按照GB/T 20241—2006中6.2.3.4要求的仪器及试验程序测定柚木单板层积材
的剪切强度。

每种厚度每组指标均有16个试件，去除无效数据后检测结果取其平均值。

2 结果与分析
2.1 单板厚度对单板层积材力学性能的影响
3种不同厚度单板制成的小径柚木单板层积材静曲强度、弹性模量和剪切强度，其均值如表1所示。

表中数据显示，随着单板厚度的增加，小径柚木单板层积材的静曲强度与弹性模量均呈下降趋势，剪切强度先增大后减小。

4.50 mm厚单板制备的层积材相对于
3.00 mm厚单板制备的层积材在垂直与平行加载条件下的静曲强度分别下降1.3%和11.8%，弹性模量分别下降3.3%和18.8%，剪切强度分别增加11.6%和0.9%。

6.00 mm厚单板制备的层积材相对于3.00 mm厚单板制备的层积材在垂直与平
行加载条件下的静曲强度分别下降10.3%和17.7%，弹性模量分别下降15.5%和25.9%，垂直加载条件下的剪切强度增加5.9%，平行加载条件下的剪切强度下降0.8%。

表1 不同厚度柚木单板制备的单板层积材力学性能Tab.1 Mechanical properties of LVL with different thickness of teak注：括号内为变异系数，单位为%。

单
板厚度/mm 实测厚度/mm 密度/（g·cm-3) 静曲强度/MPa 弹性模量/MPa 剪切
强度/MPa⊥∥⊥∥⊥∥3.00 3.03 0.643 99.20 100.58 11 997.05 11 900.33
10.94 12.03（8.1）（7.1）（8.6）（9.2）（4.1）（9.9）4.50 4.63 0.632 97.92 88.69 11 602.04 9 666.48 12.21 12.14（11.6）（10.9）（8.5）（7.9）（11.9）（11.3）6.00 6.13 0.627 88.96 82.75 10 135.85 8 814.28 11.59
11.93（7.2）（5.4）（13.0）（10.0）（11.0）（8.6）
2.1.1 静曲强度
由表1 数据对照 GB/T 20241—2006中5.2.6.3.1可知，3种不同厚度柚木单板制成的单板层积材，其静曲强度均大于最高级别180E中优等品的静曲强度值（67.5 MPa)。

表2、3中单因素方差分析结果均显示P＜0.05，表明单板厚度对小径柚
木单板层积材静曲强度影响显著。

随着单板厚度增加，垂直加载与平行加载条件下静曲强度均降低，如图2所示，原因在于：1)密度是决定木材力学强度的一个重
要指标，单板层积材力学强度也受其密度影响[10]。

从表1 可知，随着单板厚度增加，小径柚木单板层积材密度逐渐降低，因此其静曲强度随之下降。

2)单板越厚，其内部含水率密度梯度越大，内部应力大，相较于薄单板稳定性不足，经过施胶、热压工艺后存在残余应力使单板发生形变，因而单板层积材随之降低。

表2 垂直加载静曲强度(⊥)的方差分析Tab.2 Analysis of variance of vertical MOR(⊥)差异源平方和自由度均方 F值显著性组间 651.584 2 325.792 4.220 0.026组内 1 930.118 25 77.205总和 2 581.703 27
表3 平行加载静曲强度(∥)的方差分析Tab.3 Analysis of variance of parallel MOR(∥)差异源平方和自由度均方 F值显著性组间 1 778.911 2 889.456
12.901 0.00组内 2 206.152 32 68.942总和 3 985.063 34
图2 单板厚度对单板层积材静曲强度的影响Fig.2 Effect of veneer thickness on MOR of LVL
2.1.2 弹性模量
由表1可知，3种单板厚度的小径柚木单板层积材垂直胶层加载条件下的弹性模量均达到了GB/T 20241—2006《单板层积材》100E～110E级平均值指标，平行
加载条件下的弹性模量达到了80E～110E级平均值指标。

由单因素方差分析得出表4、5数据。

P＜0.05，表明单板厚度对小径柚木单板层积材的弹性模量影响显著。

由图3所示，随着单板厚度增加，小径柚木单板层积材的弹性模量逐渐下降，与静曲强度下降的原因相同。

表4 垂直加载弹性模量(⊥)的方差分析Tab.4 Analysis of variance of vertical MOE(⊥)差异源平方和自由度均方 F值显著性组间 20 944 401.886 2 10 472 200.943 6.833 0.004组内 39 845 850.334 26 1 532 532.705总和 60 790 252.221 28
表5 平行加载弹性模量(∥)的方差分析Tab.5 Analysis of variance of parallel MOE(∥)差异源平方和自由度均方 F值显著性组间 54 089 636.647 2 27 044 818.323 27.259 0.000组内 30 756 113.009 31 992 132.678总和 84 845 749.655 33
图3 单板厚度对单板层积材弹性模量的影响Fig.3 Effect of veneer thickness on MOE of LVL
2.1.3 剪切强度
3种不同厚度柚木单板制成的单板层积材，其剪切强度大于GB/T 20241—2006中结构用单板层积材剪切强度的最高级别65V-55H。

表6、7单因素方差分析结果显示P＞0.10，表明单板厚度对小径柚木单板层积材剪切强度无显著影响。

单板厚度由3.00 mm增至4.50 mm时，单板层积材垂直、平行加载条件下的剪切强度均增大；单板厚度由4.50 mm增至6.00 mm时单板层积材剪切强度减小。

垂直加载时，剪切强度的变动幅度较大，水平加载时变动幅度较小，如图4显示。

这可能与胶层与中心层的位置关系有关，单板厚度为3.00、4.50 mm时胶层为单数，靠近中心层，当单板厚度为60 mm时胶层距中心层位置较远，对单板层积材剪切强度的贡献较小。

表6 垂直加载剪切强度(⊥)的方差分析Tab.6 Analysis of variance of vertical shear strength (⊥)差异源平方和自由度均方 F值显著性组间 1.353 2 0.677 0.587 0.568组内 17.278 15 1.152总和 18.631 17
表7 平行加载剪切强度(∥)的方差分析Tab.7 Analysis of variance of parallel
shear strengt h (∥)差异源平方和自由度均方 F值显著性组间 0.249 2 0.125 0.090 0.914组内 43.022 31 1.388总和 43.271 33
图4 单板厚度对单板层积材剪切强度的影响Fig.4 Effect of veneer thickness on shear strength of LVL
2.2 3种单板厚度对层积材力学性能影响组间比较
采用LSD法进行平均值间多重比较，以直观体现两种不同厚度间有无显著差异。

单板厚度不同对于小径柚木单板层积材垂直加载条件下的静曲强度有显著影响，其中3.00mm厚单板与4.50 mm厚单板制成的单板层积材垂直加载条件下的静曲强度和弹性模量无显著差异，4.50 mm厚单板与6.00mm厚单板制成的单板层积材垂直加载条件下的静曲强度、弹性模量存在显著差异。

3.00 mm厚单板与
4.50 mm和6.00 mm厚单板制成的单板层积材平行加载条件下的静曲强度和平行加载条件下的弹性模量存在显著差异，4.50 mm厚单板与6.00 mm厚单板制成的单板层积材平行加载条件下的静曲强度无显著差异。

表8 静曲强度与弹性模量的多重比较Tab.8 Multiple comparisons of MOR and MOE注：*均值差的显著性水平为 0.05。

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2.3 耗胶量
以该试验单面施胶量200 g/m2为例，3种单板厚度制造的单板层积材耗胶量如图5所示。

图5 单板厚度对单板层积材耗胶量影响Fig.5 Effect of veneer thickness on the glue amount consumed by LVL
从图5可知，随着单板厚度增加，单板层积材总耗胶量减少。

采用4.50 mm和6.00 mm厚单板制造单板层积材，耗胶量仅为使用3.00 mm厚单板的60%和40%。

同时由表1可知，随着单板厚度增加，层积材各力学性能下降。

但相比耗胶量的降幅，力学性能下降不明显。

减少胶黏剂使用不仅可降低单板层积材生产成
本，也有利于层积材环保性能提升[12]。

3 结论
采用3种不同厚度单板制成的小径柚木单板层积材，其静曲强度及剪切强度均大
于GB/T 20241—2006中结构用单板层积材最高强度指标，弹性模量级别达到80～110E。

单因素方差分析表明：单板厚度对小径柚木单板层积材静曲强度及弹性模量影响显著，对其水平剪切强度无明显影响。

LSD多重分析比较结果反映了不同单板厚度
对于层积材力学性能的影响，利于工业生产中选择更为合适的厚度制备单板层积材。

制备相同厚度单板层积材时，耗胶量变化相对于其力学强度的变动幅度更大。

选择较厚单板制造单板层积材可大幅减少胶黏剂的使用，在生产成本减少的同时，对单板层积材力学性能影响较小，强度指标仍为同一分类层级，且利于其环保性能提升。

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