Effect of density on porosity and physical-mechanical properties of high-performance scrimbers

材料：辐射松，购自新西兰，胸径30~60 cm；酚醛树脂（PF）胶，购自北京太尔化工有限公司，固体含量47.49%，黏度37 Pa·s（25 ℃），pH 10.22，水溶倍数11.02，游离醛1.90 g·kg^-1，游离酚＜10.00 g·kg^-1。

主要试验设备：无卡轴单板旋切机，疏解机，热压机，全自动真密度分析仪，万能力学试验机等。

工艺流程：原木旋切→单板剪裁→疏解→干燥→浸胶与干燥→组坯→热压→冷却与卸板→砂光→板材。主要工序：①疏解单板：采用无卡轴旋切机，旋切单板厚为6 mm。利用专有的定向线裂纤维化分离装置^[8]，将旋切单板成粗细较均匀、纤维束宽度分布在1~3 mm的木单板。②浸胶与干燥：先将疏解单板干燥至含水率约8%，然后根据预浸胶试验结果，设定单板在固含量为10%的PF胶中常压浸渍2 min，再通过调控淋胶时间确保单板浸胶量在（13.0±0.5）%，最后自然晾晒至含水率8%~10%。③组坯：单板沿顺纹方向平行逐张铺放于铺装槽中，规格为450 mm × 160 mm × 12 mm，设计0.80，1.00，1.20和1.40 g·cm^-3等4个密度水平。④热压：采用“热压-冷出”的成型工艺。将板坯移至已预热（145 ℃）的压机模具中，加压至模具完全闭合。热压温度为145 ℃，闭合时间为1.0 min·mm^-1，保压25 min。⑤平衡：自然环境中平衡3周，含水率控制在7%左右。

参照GB/T 17657-2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》测定重组木的表观密度，试件6个·样品^-1，结果取平均值。采用Accupy1330型真密度全自动测试仪测定板材的实质密度。测试前，试样磨成木粉，过60~80目筛，含水率控制在7%左右。以高纯氦气为介质，试件6个·样品^-1，循环测量5次，结果取平均值。孔隙率（P）按参考文献[9]中方法计算，P＝（1-V_实/V_表）×100%＝（1-ρ_表/ρ_实）×100%。其中，V_实，ρ_实分别为材料的绝对密实体积和密度（实质密度），V_表，ρ_表分别为材料在自然状态下的体积和密度（表观密度）。

本试验设计重组木为户外结构用材，参考GB/T 30364-2013《重组竹地板》中室外用重组竹地板的耐水性测试方法。先将试件放入（100 ± 2）℃沸水中煮4 h，再在（63 ± 3）℃的干燥箱中干燥20 h，最后放入（100 ± 2）℃沸水中继续煮4 h，取出后在室温下冷却10 min。测定其吸水宽度膨胀率（WSR）、吸水厚度膨胀率（TSR）和吸水率（WAR）。各项目取试件6个·样品^-1，结果取平均值。

参照GB/T 17657-2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》测定试件的抗弯性能。试件尺寸为200 mm × 24 mm × 10 mm（长×宽×厚），支持辊跨度150 mm，加载速度5 min·mm^-1，记录静曲强度（MOR）和弹性模量（MOE）。参照GB/T 20241-2006《单板层积材》，测定试件的水平剪切强度（HSS_⊥）。试件尺寸为60 mm × 24 mm × 10 mm（长×宽×厚），支撑辊直径10 mm，跨度40 mm，加载辊直径30 mm。垂直加载，加载速度为5 min·mm^-1。各项目取试件6个·样品^-1，结果取平均值。

由表 1可知：辐射松素材的实质密度为1.50 g·cm^-3，接近软木细胞壁的平均密度（1.52 g·cm^-3）^[10]。辐射松重组木的实质密度随表观密度的增加稍有波动。表观密度从0.80 g·cm^-3增加到1.01 g·cm^-3，实质密度下降至1.39 g·cm^-3；表观密度大于1.01 g·cm^-3时，实质密度保持在1.42 g·cm^-3。素材的气干密度为0.48 g·cm^-3，此时孔隙率为68.00%，与樟子松Pinus sylvestris var. mongolica的（约67.16%）接近^[11]。辐射松重组木的表观密度为0.80，1.01，1.20和1.39 g·cm^-3时，对应的孔隙率分别为45.95%，29.37%，15.49%和2.11%；与素材的孔隙率相比，分别下降了32.43%，56.81%，77.22%和96.90%。

不同表观密度下，重组木板材内部孔隙发生不同程度的变化。在疏解单板热压胶合中，木材细胞被压缩，酚醛胶受热固化，部分空隙被封闭，形成与外界隔绝的微孔；当采用真密度测试仪测试时，惰性气体难以进入这些微孔，导致板材实质体积偏大，实质密度从1.48 g·cm^-3降至1.39 g·cm^-3。当板材密度进一步增大，部分隔绝的微孔受压破裂或被填充，使得实质密度增加至极限值1.42 g·cm^-3。辐射松素材的实质密度近乎是细胞壁的密度，这说明68.00%的孔隙率几乎全部源于细胞腔的空隙。而重组木的空隙除细胞腔外，还包含单板旋切和疏解过程中产生的裂隙。在板材热压成型过程中，除细胞腔受压缩小外，还存在纤维之间裂隙的减小。所以随表观密度的增加，细胞腔逐渐被细胞壁填充，裂隙逐渐被木纤维取代，孔隙率随之降低。

经回归分析，孔隙率与表观密度存在高度的线性关系，即y＝-72.988x+103.42（R²＝0.999 5）。其中y为孔隙率，x为表观密度。

由图 1~3可知：随着密度的增加，重组木试件的WSR，TSR和WAR均呈减小趋势。当密度为0.80 g·cm^-3时，WSR，TSR和WAR分别为4.92%，31.51%和81.82%。而当密度增至1.39 g·cm^-3时，三者指标分别为3.81%，24.72%和18.94%，同比下降了22.56%，21.55%和76.88%。表明重组木试件的尺寸稳定性和耐水性随密度增大而显著提高。

Figure 1.  Effect of density on the width swelling rate

Figure 2.  Effect of density on the thickness swelling rate

Figure 3.  Effect of density on the water absorption rate

辐射松为针叶材，主要由木纤维、木射线、轴向管胞、轴向薄壁组织和树脂道组成，其中木射线、管胞、薄壁细胞和树脂道等细胞腔大、壁薄^[12-13]，吸水性强，易膨胀。当密度较低时，板材内部空隙较大，单板纤维相对松散，木纤维之间的有效胶合面降低，致使板材无法实现完全胶合，内应力较大。在湿热作用下，板材易吸水膨胀。随着密度增加，板坯密实化程度升高，水通道减少，进入板材内部困难。密度增大时，木纤维间接触紧密，有效胶合点增多，胶合性能改善，内应力降低，使得板材耐水性和尺寸稳定性增强，WSR，TSR和WAR降低。

如图 4~6所示：密度在0.80~1.39 g·cm^-3范围内，辐射松重组木的MOR，MOE和HSS_⊥随着孔隙率的降低而增大。当密度为1.39 g·cm^-3时，试件的MOR，MOE和HSS_⊥分别高达178.72 MPa，18.71 GPa和21.16 MPa；与密度0.80 g·cm^-3的板材相比，3个力学指标分别提高了116.47%，50.52%和86.29%。这表明高密度可有效提高重组木的力学强度，与前人研究的结果一致^[14-15]。当密度为0.80 g·cm^-3时，所制重组木的MOR和HSS_⊥分别达到GB/T 20241-2006《单板层积材》中结构用单板层积材最高级180E和65V-55H的要求，MOE也能达到120E级的要求。

Figure 4.  Effect of density on the modulus of rupture

Figure 5.  Effect of density on the modulus of elasticity

Figure 6.  Effect of density on the horizontal shear strength

单板纤维间的裂隙和木材细胞腔是重组木空隙的主要来源，板材力学性能的增强与其有着密不可分的关系。木纤维是板材承受外部载荷的主体。根据复合材料细观强度理论，纤维主要起承载基体传递的载荷，防止基体屈曲，提高材料整体强度的作用^[16]。密度的增加降低了板材内部的空隙，增强细胞间的胶合性能，使得单根木纤维的承载能力提高；板坯经热压后，纤维间的裂隙缩小或数量减少，即密度增大，单位体积内的木纤维增多，提高了板材的整体承载能力。另外，源于纤维间裂隙的减少意味着纤维间的胶接点增多，胶合强度增大，也有效提高了板材的力学强度。

辐射松素材的实质密度为1.50 g·cm^-3；热压胶合成重组木后，实质密度为1.42~1.48 g·cm^-3。辐射松重组木孔隙率与表观密度存在负线性关系，即孔隙率随表观密度增大而降低。气干素材的孔隙率约68.00%，重组木的孔隙率最低为2.11%。随密度增大，辐射松重组木的耐水性和力学强度显著提高。当辐射松重组木表观密度为1.39 g·cm^-3时，辐射松重组木的物理力学性能最高，吸水厚度膨胀率（TSR），吸水率（WAR），静曲强度（MOR）和水平剪切强度（垂直加载）（HSS_⊥）分别为24.72%，18.94%，18.71 GPa和21.16 MPa。

本试验范围内，所有重组木板材的力学指标均能满足甚至超过GB/T 20241-2006《单板层积材》的结构用材要求，可根据生产和应用的实际情况合理选择板材密度，以达到高性价比产品。