竹材增强杨木单板层积材冲击性能的研究

竹材增强杨木单板层积材冲击性能的研究
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朱一辛,关明杰,张晓冬
(南京林业大学竹材工程研究中心,江苏　南京　210037)摘　要:研究了在杨木单板层积材中加入竹材作为增强材料,以提高杨木单板层积材冲击性能。

结果表明:将竹材加入杨木单板层积材,可以明显地改善杨木单板层积材的冲击韧性。

当竹篾分别加入杨木单板层积材的上下次表层和中间部位时,其冲击韧性分别增强了30.4%和27.3%;总冲击能分别提高了31.7%和28.1%。

裂纹形成能仅增长7.2%和12.8%;裂纹扩展能增长40.9%和43.4%;韧性指数值提高了27.2%和31.5%。

关键词:竹材;杨木;单板层积材;冲击性能
中图分类号:S784 文献标识码:A 文章编号:1000-2006(2005)06-0099-04
Studies on Impact Performance of B amboo Strengthened Laminated
V eneer Lumber of Poplar
ZHU Y i 2xin ,GUAN Ming 2jie ,ZHAN G Xiao 2dong
(Bamboo Engineering Research Centre Nanjing Forestry University ,Nanjing 210037,China )
Abstract :This paper dealed wit h t he feasibility of increasing t he impact of poplar laminated veneer lumber by adding bamboo veneer into to t he configuration of L VL.The result s showed t hat bamboo could obviously enhance t he impact performance of L VL compared wit h p ure poplar LVL.When bamboo was p ut on t he two surface of LVL sandwich and in t he middle of t hat ,t he impact toughness increased 30.4%and 27.3%respectively.As well as energy W t went up 31.7%and 28.1%.While crack forming energy W i slightly increased
7.2%and 12.8%respectively.Crack p ropagation energy W p increased 40.9%and 43.4%wit h ductility index increasing 27.2%and 31.5%.
K ey w ords :Bamboo ;Poplar ;Laminated veneer lumber (L VL );Impact performance
单板层积材是一种理想的承重结构材料,它既可用作屋顶桁架、门窗横梁、室内高级地板、楼梯踏步板和梯架,也可作高档家具台面的芯材或框架。

单板层积材也是优良的工业用材,可作为货架材料、车厢、枕木、脚手架、篮球架板、集装箱底板等[1]。

单板层积材在使用过程中常会承受冲击载荷,因此,在使用中对单板层积材的冲击韧性有一定要求,研究单板层积材的冲击性能十分必要。

据研究,人工林杨木的材性对单板层积材冲击韧性的贡献率较高,而胶粘剂及制造工艺对其冲击韧性影响较小,因而人工林杨木单板层积材的冲击韧性一般都不高[2,3]。

以目前的国内车厢底板的标准来衡量[4,5],杨木单板层积材在冲击韧性指标上较难达到使用要求。

笔者利用复合材料原理以及竹材的冲击韧性大的特性[6,7],对人工林杨木单板层积材中加入竹材作为增强材料进行研究,以期为提高人工林杨木单板层积材冲击性能提供理论依据。

1　材料与方法
1.1　原材料
竹篾,厚度0.5mm ,取自江苏宜兴太华;杨木单板,厚度2mm ,取自江苏丰县飞龙木制品厂;醇溶性　第29卷第6期2005年11月　南京林业大学学报(自然科学版)Journal of Nanjing Forest ry University (Nat ural Sciences Edition )
　Vol.29,No.6　Nov.,2005　3收稿日期:2005-06-30 修回日期:2005-09-27
基金项目:国家高技术研究发展计划(2002AA245171);江苏省科技攻关项目(BE2003309)
作者简介:朱一辛(1961-),男,高级工程师,硕士生导师。

酚醛树脂胶粘剂,南京金星石化实业有限公司生产,固体质量分数51.0%,相对密度1.096,恩氏粘度E 2015.12,p H 8.5;水溶性酚醛树脂胶粘剂,江苏快乐集团胶粘剂厂生产,固体质量分数47.6%,粘度180mPa ・s ,p H 11.5。

1.2　仪器与设备
BI214×8/6-10型热压机,盐城轻通机械有限公司制造;MWE -40A 型液压式木材万能试验机,济南试验机厂制造;JJ -300型计算机控制记忆式冲击试验机,长春市智能仪器设备有限公司制造。

1.3　制作工艺
将竹篾用棉线绳编织成竹帘,浸入用酒精稀释至固体质量分数28%的醇溶性酚醛树脂胶粘剂中约5min ,控制施胶量10%(绝干重),取出晾干备用。

在杨木单板上辊涂水溶性酚醛树脂胶粘剂(单面),涂胶量80g/m 2。

按图1所示的5种结构组坯,预压3h 后送入热压机热压,采用“冷进冷出”热压工艺,生产周期
1h 。

其中热压时间17min ,热压温度145℃,热压压力0.8M Pa 。

图1　竹材增强杨木单板层积材结构Fig.1　Structure sketches of poplar L VL and bamboo strengthened L VL
杨木单板;竹帘
1.4　冲击韧性测试方法
按G B/T 17657-1999标准测试5种结构板材的冲击韧性[8]。

试件尺寸:长l =(300±2)mm ;宽b =(20±1)mm ;厚h 取板厚。

按夏比冲击法[9]在计算机控制记忆式冲击试验机上测试杨木单板层积材的冲击性能。

试件采用无缺口形式,记录其冲击载荷-时间曲线,计算其多次冲击性能[10,11]。

2　结果与分析
2.1　竹材增强杨木单板层积材的冲击韧性
表1　5种结构杨木单板层积材的冲击韧性
T able 1　Impact toughness of poplar L V L in f ive struc 2ture types 结构
平均值/MPa 标准差变异系数%A 19.4 4.5623.47B 22.47.7534.62
C 22.57.4132.91
D 25.38.6934.37
E 24.7 5.7423.23 注:每种结构试件数为30。

5种结构的杨木单板层积材冲击韧性见表1。

从表1可见,相对于杨木单板层积材(结构A ),4种加入竹材的杨木单板层积材冲击韧性都有不同
程度增强。

利用t 检验法对测试的数据进行检验,结果表明,结构D 和结构E 对杨木单板层积材的冲击韧性的影响显著,达到了0.05水平,分别增强了
30.4%和27.3%;结构B 和结构C 对杨木单板层积材的冲击韧性影响差异不显著。

当杨木单板层积材受到冲击时,存在于构成单元(单板、竹篾)、胶粘剂以及构成单元/胶粘剂界面中的微裂纹在冲击载荷的作用下逐步扩展,最终导致单板层积材的破坏。

杨木单板、竹篾在受冲击时主要承受载荷的作用,它们自身的性能会对冲击性能产生很大的影响,由于结构D 拥有两层竹篾,在单板层积材中所占的体积分数大,胶层也多了2层,相应地界面增多,在受冲击时,由界面破坏而吸收的能量多,所以抗冲击的能力会大于其他4种结构;结构B 、结构C 和结构E 都只有一层竹篾,但位置不同,由于这3种结构的热压工艺相同,一般表层的胶合强度比芯层的胶合强度相对要大,所以结构B 、结构C 界面上发生剪切分层的几率要比结构E 小,耗散的冲击能量相应要少一些。

因此,5种结构冲击韧性按大小依次为:结构D ,结构E ,结构C ,结构B ,结构A 。

其中,结构C 和结构B 与结构A 的冲击韧性平均值极差不大,差异不显著。

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001—南京林业大学学报(自然科学版) 第29卷　第6期　
2.2　冲击载荷-时间曲线分析
图2　杨木单板层积材和竹材增强杨木单板层积材冲击载荷-时间曲线Fig.2　The curve of impact and time for poplar L VL and bamboo strengthened L VL 由于结构C 和结构B 与结构A 的冲击韧性差异
不显著,因此主要讨论A 、D 、E 3种结构。

按标准
G B/T 229-1999[9]进行冲击试验,在计算机控制记
忆式冲击试验机上记录的A 、D 和E 3种结构杨木单
板层积材的典型冲击载荷-时间曲线见图2。

从图2可见,3种结构的冲击载荷-时间曲线显
示了相类似的形状特征,结构A 、结构E 、结构D 的最
大冲击载荷依次增大,最大力点时间依次略向后偏
移,有效时间即冲击时间也依次延长。

表明杨木单板
层积材的冲击性能可以通过加入竹材得以提高,加入
的竹材量越大,性能提高也越显著。

这3种结构杨木
单板层积材的冲击性能见表2,相对于结构A ,结构D
和结构E 的总冲击能W t 分别提高了31.7%和28.
1%。

表2　3种结构杨木单板层积材的冲击性能
T able 2　Imp act perform ances of poplar L V L in three structure types 结构
总冲击能W t /J 裂纹形成能W i /J 裂纹扩展能W p /J 韧性指数I D 最大力点时间/ms 有效时间/ms A
88.1333.6354.50 1.62 1.988.58D
116.0637.9378.13 2.06 2.6410.23E 112.8636.0676.80 2.13 2.019.48
由表2还可以看出:裂纹形成能W i 在冲击载荷的最大值处分界,W i 反映了试件塑性变形和裂纹形成所消耗的能量,相对于结构A ,结构D 与结构E 在裂纹形成能W i 上的增强并不大,仅为7.2%和12.8%的增长;而裂纹扩展能W p 是裂纹失稳扩展至断裂所消耗的能量,它是反映材料冲击断裂韧性的关键指标,相对于结构A ,结构D 与结构E 在裂纹扩展能W p 上的增强很大,分别为40.9%和43.4%。

图3　3种结构的杨木单板层积材冲击试件的断口形态Fig.3　Types of cracks with poplar L VL in three different structures after impact test 这是由于竹材具有的较强韧性对杨木单板层积材产生
的影响。

3种结构的杨木单板层积材的冲击破坏的断
口宏观形态见图3。

试验中的所有试件的破坏形式均
为断裂破坏,由于竹材的存在,结构D 与结构E 的断
口比结构A 的断口要毛糙得多,表明竹材断裂的艰
难,它可能会产生大变形使缺口钝化,延缓了试件裂纹
的扩展,有助于材料吸收更多的能量,从而使结构D 与
结构E 的裂纹扩展能W p 高于结构A ,表现出很好的
韧性。

韧性指数I D 是衡量不同材料对冲击载荷的响应,
对于完全脆性材料,其I D 值为零。

I D 值越大,表明材
料的韧性越好[10]。

结构D 与结构E 的韧性指数I D 比
结构A 提高了27.2%和31.5%,表明杨木单板层积材
按一定的结构加入竹材可以明显地改善其冲击性能。

3　结　论
(1)将竹材加入杨木单板层积材,可以明显地改善
杨木单板层积材的冲击韧性。

将竹篾分别加入杨木单板层积材的上下次表层和中间部位,其冲击韧性分别增强了30.4%和27.3%;总冲击能W t 分别提高了31.7%和28.1%。

(2)裂纹形成能W i 反映了试件塑性变形和裂纹形成所消耗的能量,相对于杨木单板层积材,竹材增强杨木单板层积材在裂纹形成能W i 上的增强并不大,仅有7.2%～12.8%的增长;裂纹扩展能W p
　2005年　总第120期 朱一辛等:竹材增强杨木单板层积材冲击性能的研究
是反映材料冲击断裂韧性的关键指标,相对于杨木单板层积材,竹材增强杨木单板层积材在裂纹扩展能W p 上的增强很大,有40.9%～43.4%的增长。

(3)竹材增强杨木单板层积材的韧性指数高于杨木单板层积材的韧性指数,将竹篾分别加入杨木单板层积材的上下次表层和中间部位,韧性指数提高了27.2%和31.5%。

致谢:试验过程中,得到南京林业大学张心安、顾　宇、范玉凯等同学的帮助。

[参考文献]
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[2]傅　峰,鲍甫成.人工林杨木的用途选择———实木或单板层积材[J ].林业科学,1999,35(4):58-65.
[3]鲍甫成,傅　峰.人工林杨木材性对单板层积材强度的贡献率[J ].林业科学,1999,35(2):87-94.
[4]L Y/T 1055-2002,汽车车厢底板用竹材胶合板[S].
[5]L Y/T 1575-2000,汽车车厢底板用竹篾胶合板[S].
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[7]王朝晖.竹材材性变异规律及其与加工利用关系研究[D ].北京:中国林业科学研究院木材工业研究所,2001.
[8]G B/T 17657-1999,人造板及饰面人造板理化性能试验方法[S].
[9]G B/T 229-1994,金属夏比缺口冲击试验方法[S].
[10]Beaumont P W R ,Zweben C.Met hods for improving t he impact resistance of composite materials[A ].Composites Materials :Tes 2
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[11]唐振廷,白　杰.冲击能量特征值的测定及其应用[J ].物理测试,2004(6):20-25.
(责任编辑　李燕文)
简　讯
我校两项“863”国家转基因植物研究
与产业化专项通过验收
受国家科技部委托,江苏省科技厅对我校施季森教授主持的“鹅掌楸、相思树、四倍体刺槐转基因新品种
选育与开发”和诸葛强教授承担的“抗病虫、抗逆转基因杨树研究与产业化开发”课题进行了验收。

第一项课题突破了鹅掌楸体细胞胚胎发生技术关键,建立了杂交鹅掌楸体细胞胚胎发生体系;成功构建
了含有GA F P 和N P 2Ⅰ双价抗病基因的植物表达载体,建立和优化了杂交鹅掌楸遗传转化体系;经分子检测,获得了杂交鹅掌楸转化植株12株;设计并投产了2条杂交鹅掌楸体细胞胚胎发生体系产业化示范生产线。

完成了4CL 反义基因和抗冻蛋白植物表达载体的构建;建立了厚荚相思高效再生和农杆菌介导的遗传转化系统;分子检测证明,分别获得了12株4CL 反义基因植株和3株抗冻蛋白的转基因植株。

建立和优化了四倍体刺槐高频再生组培快繁技术和高效遗传转化体系,获得了37个转B A D H 基因株系;NaCl 抗性试验表明,获得的转基因植株比未转化植株不同程度地提高了耐盐性;建立了转化植株工厂化育苗技术体系,已在苗圃移栽成活苗木5000株,组织培养试管苗30000株。

第二项课题则利用生物安全选择标记磷酸甘露糖异构酶基因构建了抗病抗虫表达载体,为安全选择标
记系统应用于林木植物遗传转化提供了依据。

课题组克隆了与速生、优质、抗逆相关基因,构建了表达载体,通过转化杨树获得了一批转B T 和Cp T I 抗虫基因、转赤霉素生物合成酶素生物合成酶基因、转正义或反义4CL1基因和转mtL D 基因的杨树植株,为培育速生优质高抗杨树提供了材料,为选育适合黄淮及长江中下游和华北平原等地区杨树新品种及西部地区抗性绿化树种奠定了基础。

通过分子检测和苗期性状测定,初步选出了8个外源基因表达稳定、2个抗虫效果显著、6个速生优质和4个抗旱耐盐转基因杨树株系,利用组培和扦插繁殖育苗总计5万余株,并在江苏徐州和河北深州等地开展了抗虫、耐盐和生长田间试验。

专家组一致同意两项课题通过验收。

(科技处)
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201—南京林业大学学报(自然科学版) 第29卷　第6期　。