竹材的物理和机械性能：干燥对酚醛树脂浸渍热处理竹束的影响

《Industrial Crops and Products》：Physical and mechanical properties of bamboo scrimber: Influence of drying on phenolic resin-impregnated heat-treated bamboo bundles

竹篾板物理力学性能受其原料PF树脂浸渍热处理竹束（PHB）干燥温度（50-80°C）和含水率（5-20%）显著影响。研究通过FT-IR、XRD、XPS分析PHB化学结构变化，发现干燥温度升高导致树脂预固化度增加，结晶度提高，但降低竹篾板抗弯强度（MOR）、弹性模量（MOE）、剪切强度（HSS/VSS）和压缩强度。含水率升高初期改善竹篾板力学性能，但过高含水率导致内部应力集中和界面脱层。最佳工艺为干燥温度70°C以下，PHB含水率10%，此时竹篾板综合性能最优。

　　竹子作为一种天然且可再生的资源，在亚洲、美洲和非洲广泛分布。它具有生长周期短、碳固存能力强、韧性高和强度显著等独特特性，因此受到了广泛的关注。然而，未经处理的竹子由于其较小的直径、较薄的壁厚和中空的结构，其应用受到一定限制。为了克服这些限制，研究人员重新设计了各种基本的竹单元，包括竹束和竹片，从而开发出关键产品如竹胶合板和竹层压材。这些创新技术已经成为推动中国竹产业发展的主要手段。竹胶合板是通过使用竹束作为主要的基质单元来制造的，经过干燥、热处理和酚醛树脂（PF树脂）浸渍等步骤，形成了PF树脂浸渍并热处理的竹束（PHB）。随后，PHB经过进一步干燥和热压处理，最终形成产品。这种工程材料表现出极高的原材料利用率，可达80%以上，并且具有优异的机械性能和尺寸稳定性以及良好的耐候性。因此，竹胶合板在户外地板、景观材料、装饰材料和建筑结构组件等多个领域具有广阔的应用前景，并且受到了学术界和工业界的高度重视。

竹胶合板的卓越物理和机械性能与制造过程密切相关，尤其是PHB的干燥阶段。干燥过程在竹胶合板的高质量和高效热压过程中起着至关重要的作用。一方面，干燥过程显著影响PHB的含水率（MC）及其分布的均匀性。先前研究表明，在PHB板的热压过程中，水分起到了“增塑剂”的作用，降低了半纤维素和木质素的玻璃化转变温度（Tg），并破坏了纤维素分子链之间的氢键连接。这种转变使竹子细胞壁从玻璃态转变为粘弹性态，适当降低了其刚度和强度，从而促进了PHB板的热压过程。因此，如果PHB干燥后的含水率不在最佳范围内，可能会影响热压过程。具体来说，当PHB干燥后的含水率过低时，板的流变性和热塑性不足，导致热传导效率降低，从而妨碍了有效的粘合。相反，当PHB的含水率过高时，水蒸气在热压阶段难以排出，导致残留的湿热应力，可能引起起泡或分层，显著降低竹胶合板的物理和机械性能。

另一方面，干燥温度在确定PHB树脂的预固化程度方面起着关键作用。较高的干燥温度显著增强了树脂的预固化程度，从而在热压过程中降低了树脂的流动性、渗透性和反应性。这最终导致胶层分布不均，进而对竹胶合板的物理和机械性能产生不利影响。此前的研究表明，随着干燥温度的升高，PHB的预固化程度呈现出显著上升的趋势。例如，当PHB在50°C至80°C范围内干燥10小时时，树脂的预固化度分别达到了20%、51%、89%和99%。这一趋势表明，干燥温度的增加会提高PHB中树脂的预固化程度，从而影响其在后续加工中的性能表现。

综上所述，从控制预固化程度的角度来看，较低的干燥温度可能更有助于在热压过程中获得性能更优的竹胶合板。然而，这种方法可能会限制生产效率的提升。从提高生产效率的角度来看，制造商通常倾向于使用相对较高的干燥温度，只要材料性能仍然令人满意。有时，干燥温度甚至会超过70°C。因此，系统研究PHB干燥温度与竹胶合板整体性能之间的结构-活性关系仍然是必要的。此外，PHB含水率变化对竹胶合板综合性能的影响也值得深入和系统的研究。

本研究旨在通过系统评估PHB干燥温度（50°C、60°C、70°C和80°C）和干燥后含水率（5%、10%、15%和20%）对竹胶合板物理性能、弯曲强度、剪切强度和抗压强度的影响，从而揭示PHB干燥处理如何影响竹胶合板的物理和机械性能。同时，利用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）等方法，进一步分析不同干燥条件下PHB的化学成分变化。此外，还使用扫描电子显微镜（SEM）观察竹胶合板断裂面的微观形态特征。本研究旨在阐明PHB干燥处理对竹胶合板物理和机械性能的影响机制，从而为优化干燥工艺和提升产品品质提供理论依据和科学支持。

本研究采用了单因素实验设计，系统地评估了PHB干燥温度和干燥后含水率对竹胶合板性能的影响。通过FT-IR、XRD和XPS分析，进一步研究了不同干燥条件下PHB的化学成分变化。同时，通过SEM观察了竹胶合板断裂面的微观形态特征。研究发现，PHB的干燥温度和含水率对其物理和机械性能有显著影响（P < 0.05）。随着干燥温度的升高，PHB的预固化程度逐渐增加，导致竹胶合板的平衡含水率（EMC）、吸水率（WA）、厚度膨胀率（TS）和宽度膨胀率（WS）逐渐上升，而弯曲强度（MOR）、弹性模量（MOE）、水平剪切强度（HSS）、垂直剪切强度（VSS）和抗压强度则下降。此外，随着PHB含水率的增加，竹胶合板的EMC先下降后上升，而WA、TS和WS则持续下降。弯曲性能、剪切强度和抗压强度在含水率增加时呈现出先提升后下降的趋势。为了实现竹胶合板的综合性能最佳，建议将干燥温度控制在70°C以下，并将PHB的含水率维持在约10%的水平。

本研究对竹胶合板的物理和机械性能进行了全面分析，以探讨PHB干燥温度和含水率对这些性能的影响。研究结果表明，PHB的干燥温度对其物理和机械性能有显著影响。随着干燥温度的升高，竹胶合板的WA、TS和WS呈现上升趋势，而MOR、MOE、HSS、VSS和抗压强度则逐渐下降。同时，干燥后的PHB含水率对竹胶合板的物理和机械性能也有显著影响。当PHB的含水率增加时，竹胶合板的EMC呈现出先下降后上升的趋势，而WA、TS和WS则持续下降。弯曲性能、剪切强度和抗压强度在含水率增加时表现出先提升后下降的趋势。为了获得综合性能良好的竹胶合板，建议将PHB的干燥温度控制在70°C以下，并将含水率维持在约10%的水平。

综上所述，本研究系统评估了PHB干燥温度和含水率对竹胶合板性能的影响，并揭示了干燥处理与竹胶合板性能之间的关系。研究结果表明，干燥温度和含水率对竹胶合板的物理和机械性能具有显著影响。较高的干燥温度和较高的PHB含水率会提高竹胶合板的吸水性和膨胀率，但会降低其机械强度和刚度。因此，为了实现竹胶合板的综合性能最佳，建议将干燥温度控制在70°C以下，并将PHB的含水率维持在约10%的水平。本研究为优化PHB的干燥处理提供了科学依据，有助于提高竹胶合板的质量和性能。