单板层积材(laminated veneer lumber, LVL)是由木材旋切的单板经涂布胶黏剂后，再将各层单板按顺纹方向组坯而制成的一种复合板材，具有强度高、韧性和稳定性良好等特点，其强度和韧性比实木锯材提高了3倍^[1-2]。由于桉木、马尾松等原木本身存在节子、裂痕等缺陷，使得直接加工的木材强度降低，质量不均匀，这些不足限制其用途。LVL尺寸可以随意调整，能够克服原木本身的缺陷，还可以通过相应的预处理^[3-4]，使其具有抗虫咬、防腐蚀、耐火、不易浸水等特殊性能。因此，越来越多的产品采用LVL制备。目前，LVL主要用于建筑结构材料、房屋横梁、汽车底板、家具制造、室内装饰装修以及各类出口产品的包装材料等。

随着人们对板材高强度需求的不断提高，研究者们尝试通过添加不同增强材料、改进生产加工工艺、原材料预处理等^[5-6]多种方法改善胶合板的层间断裂韧性。徐正东等^[7]通过正交试验的方法探究玻璃纤维对速生杨木LVL的增强作用；SONG et al^[8]通过热处理和碱处理两种方法对单板预处理，研究了桉木单板/聚乙烯薄膜胶合板复合材料的力学性能；徐丰等^[9]研究了不同长度的碳纤维构成的夹层无纺布对碳纤维增强树脂基复合材料层间韧性的增韧效果；王强等^[10]将羧基化多壁碳纳米管添加到环氧树脂中，与碳纤维无纺布复合制备层合板，研究不同含量的纳米管对层合板力学性能的影响；林荣溪^[11]研究不同类型的无纺布对LVL的影响，通过在单板之间加入未开缝的聚丙烯(polypropylene，PP)无纺布的方法制备增强型LVL，得出PP无纺布可以用于装饰型材^[12]，虽然也有学者通过人工合成树脂胶浸渍技术、碳纤维布或者金属网等^[13-15]为增强材料来提高LVL的力学性能，然而大多数方法的改善效果非常有限或者是对材料其他性能有所限制^[16-18]，因此有必要对LVL增强加工工艺方面作进一步深入的研究^[19-21]。

本研究主要利用剪切开缝处理的PP无纺布作为增强材料，速生桉木单板为基体材料，通过正交试验的方法探究热压压力、温度、时间对LVL物理力学性能的影响，寻求最优的热压3要素，并且与未加强的普通型板以及未开缝处理的PP无纺布LVL对比，旨在分析无纺布剪切处理对LVL各项性能的影响。本研究还采用傅里叶变换红外光谱仪(Fourier transform infrared spectrometer，FTIR)对无纺布LVL的增强机理进行了分析，场发射扫描电子显微镜(field emission scanning electron microscope，FESEM)观察无纺布剪切前后与单板之间的胶结性能。

试验所用的桉树单板厚度为(0.22±0.01) mm，由福建省南平市元乔木业有限公司提供；PP无纺布厚度为(0.22±0.01) mm，由瑞安市舒佳特无纺布有限公司提供；脲醛树脂胶黏剂固含量为(63±3) %，黏度为(250±10) Pa·s (20 ℃)，pH值为7.7±0.2，由福人木业(福州)有限公司提供；硅烷偶联剂(KH560)有效成分含量97%，由江苏晨光偶联剂有限公司提供。

热压机(KSH-100T，东莞市科盛实业有限公司)；万能力学试验机(CWT5504，深圳新三思材料检测有限公司)；傅里叶变换红外光谱仪(Nicolet 380，美国热电公司)；场发射扫描电子显微镜(Nova NanoSEM 230, 日本东京FEI公司)。

为了避免使用无纺布后的热压过程中形成的水蒸气膜对水蒸气介质热传导的影响，对无纺布进行开缝处理。将规格为350 mm×350 mm×0.22 mm的无纺布剪切出缝隙，如图 1所示。将已剪切开缝后的无纺布表面均匀喷涂经乙醇稀释的KH560偶联剂(偶联剂用量为无纺布质量分数的1%，用无水酒精稀释浓度为30%后备用), 将含水率为8%的单板剪切成相同的幅面尺寸(350 mm×350 mm)，然后对单板正反面均匀涂胶，施胶量为265 g·m^-2, 表板只涂单面，其涂胶量相应减半, 然后进行组坯，PP无纺布开缝方向和单板纹理方向一致，按每隔一层单板铺装一层开缝处理过的无纺布，每块层积材由7层单板和6层无纺布组成。铺装好的板坯经过预压，在15 mm的厚度规控制下进行热压, 热压成型后的PP无纺布LVL静养1 d，裁边，最后根据不同性能的测试要求制备样品，纹理方向与试件长度方向一致。

	图 1 聚丙烯无纺布开缝示意图 Fig. 1 PP non-woven slit schematic
图选项

在选择正交试验的参数水平之前，通过单因素试验考察压力(0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8 MPa)、温度(105、115、125、135、145、155、165 ℃)和时间(36、48、60、72、84 s·mm^-1)对开缝处理的PP无纺布LVL物理力学性能的影响。在单因素试验的基础上，分别选择热压温度、热压时间和热压压力影响较大的3个水平，根据正交试验的设计原理，选用L₉ (3⁴)方案，通过极差分析和方差分析两种方法，综合考虑各参数以及参数的水平对PP无纺布LVL主要力学性能的作用大小，具体因素水平如表 1所示。每组试验压制规格为350 mm×350 mm×15 mm的板材3块。

根据国家标准GB/T 20241—2006 《单板层积材》 ^[22]中关于结构用LVL的静曲强度(modulus of rupture，MOR)、弹性模量(modulus of elastic，MOE)和水平剪切强度(horizontal shear strength，HSS)测定要求制备相应的试样，采用垂直加载和平行加载两种方式，不同性能的不同加载方式分别测试3组，每组力学性能数据均为两种加载方式的平均值。MOR和MOE垂直加载和平行加载的试件尺寸分别为345 mm×90 mm×15 mm和345 mm×15 mm×15 mm，HSS垂直加载和平行加载的试件尺寸分别为90 mm×40 mm×15 mm和90 mm×15 mm×15 mm，最后分析热压工艺对物理力学性能的影响。

本试验主要采取定性分析法，称量待测样品0.001 g，KBr 0.1 g，测试不同样品在波长4 000~400 cm^-1之间的透光率, 分析不同成分混合前后官能团的变化。对于热压后芯层混合物的取样较为复杂，具体操作：先将靠近上表层的两块单板锯下，再将靠近下表层的两块单板锯下，最后将芯层部分磨粉，混合均匀，称取。

利用FESEM分析PP无纺布处理前后与单板的界面结合性能。取PP无纺布LVL样品约5 mm×5 mm，贴在载物台上，对制好的样品进行喷金处理，放入FESEM中，观察PP无纺布处理前后在单板中的分布情况。

热压压力、热压温度和热压时间对PP无纺布LVL的力学性能均有一定的影响。由MOR的极差结果可知，热压温度的极差值最大，对LVL的MOR影响最大，其次是热压压力，热压时间的极差值最小，得出较优水平组合：热压压力1.2 MPa，热压温度135 ℃，热压时间60 s·mm^-1。由MOE的极差分析结果可知，热压压力的极差值最大，对PP无纺布LVL的MOE影响最大，其次是热压温度，热压时间的极差值最小，得出较优水平组合：热压压力1.2 MPa，热压温度115 ℃，热压时间72 s·mm^-1。由HSS的极差分析可知，热压温度、热压压力和热压时间对HSS的作用大小与对MOR的一致，热压压力、热压温度和热压时间分别是1.2 MPa、135 ℃和60 s·mm^-1时层积材的物理力学性能最佳(表 2)。

由表 3的MOR的方差分析可以看出，热压温度的F值为741.664，远远大于F_0.01，F_0.01 (2, 2) =99.000，所以热压温度对MOR的影响极显著，这主要是因为热压温度是使胶黏剂固化，从而使得PP无纺布与单板在胶黏剂的作用下充分结合，从而提高板材的胶合强度；热压压力的F值为91.051，位于F_0.05 [F_0.05(2, 2) =19.000]和F_0.01之间，所以热压压力对MOR的影响较显著，原因是单板具有压缩性，在热压过程中并不是一次压到目标厚度，需要有一个压缩过程，不同压力下压机闭合从初始的板坯厚度到厚度规的限位时间各不相同，因此在一定范围内，压力对LVL的MOR有较显著影响；热压时间的F值为9.986，位于F_0.05和F_0.01之间，所以热压时间对MOR的影响较显著。由表 3的MOE的方差分析可以看出，热压压力的F值为8.882，热压温度的F值为4.853，热压时间的F值为4.553，都小于F_0.1，F_0.1 (2, 2) =9.000，所以热压压力、热压温度和热压时间对MOE的影响不显著，相比较而言，热压压力对板材的MOE的影响比热压温度和热压时间更大些。由表 3的HSS的方差分析可以看出，热压温度F值为506.000，远远大于F_0.01，所以热压温度对HSS影响极显著，这主要是高温加快了传热速度，使得涂布在内层单板的脲醛树脂胶黏剂充分固化，有利于无纺布与单板相互间的结合，从而增大了板材的HSS；热压压力F值为55.500，位于F_0.05和F_0.01之间，所以热压压力对HSS的影响较显著，在一定的热压压力下，适当的热压压力有利于提高单板－无纺布－单板之间的胶结性能，为增强表面剪切强度创造必要的条件；热压时间的F值为6.000，小于F_0.1，所以热压时间对HSS的影响不显著，主要是因为所制备的LVL较薄，在一定的热压压力下，温度在短时间内上升，所以热压时间对HSS影响不显著。通过对热压温度、热压压力以及热压时间作用明显程度的极差和方差分析，从LVL的MOR、MOE、HSS等物理力学性能^[13]的角度出发，综合考虑实际生产需要和生产成本，最终得出热压压力1.2 MPa、热压温度125 ℃、热压时间60 s·mm^-1是较佳的生产工艺条件。

为了进一步验证PP无纺布剪切处理前后对LVL力学性能的影响，采用正交试验优化出的工艺参数(热压压力1.2 MPa、热压温度125 ℃、热压时间60 s·mm^-1)重复制备剪切开缝处理的PP无纺布增强型LVL (简称增强Ⅱ型LVL)，未开缝处理的PP无纺布LVL (简称增强Ⅰ型LVL)以及未添加无纺布的普通型LVL，各项力学性能测试的平均值见表 4，试件制备及测试方法同1.3.3，每组数据是3次重复试验的平均值。普通型LVL的MOR和MOE较小，与普通型LVL相比，增强Ⅰ型LVL的MOR提高了5.52 MPa，增加幅度为13.31%，MOE提高了869.74 MPa，增加幅度为15.17%，HSS降低了0.10 MPa，减小了9.17%，原因是在高温下，水蒸气在由表层向芯层迁移过程中被无纺布阻拦，附着在无纺布表面，形成一层水蒸气膜，从而影响传热效率。通过对无纺布剪切处理，各项性能有了明显的提高，与普通型LVL相比，增强Ⅱ型LVL的MOR、MOE和HSS分别增加了20.04%、24.15%和39.45%；与增强Ⅰ型LVL相比，分别增加了5.94%、7.80%和53.54%，原因是剪切开缝处理后的无纺布能够加快热压过程中水蒸气的蒸发速率，有利于单板与无纺布之间的热传递，可见添加剪切处理的PP无纺布比添加整块PP无纺布对LVL的增强作用更明显。

在相同的条件下，对比桉木单板、KH560处理后的PP无纺布、脲醛树脂胶黏剂以及热压后的芯层混合物的红外光谱图中的吸收峰的变化(图 2) ^[23-25]。由图 2 (a)可知，在3 431 cm^-1附近的吸收峰主要为—OH的伸缩振动峰，2 900 cm^-1附近是—CH₂—的反对称伸缩振动峰，1 386 cm^-1附近是C—H的弯曲振动峰，1 739 cm^-1处为—C＝O的伸缩振动峰，说明桉木单板中可能含有—COH、—COOH—和—CH₂—OH官能团；1 450、1 500以及1 620 cm^-1出现强度不同的特征峰，说明桉木单板中有芳香化合物的存在；1 111 cm^-1为C—O的伸缩振动峰，可能是脂肪醚，说明桉木单板中可能有酚羟基，醚等官能团的存在。由图 2 (b)可知，3 431 cm^-1处的吸收峰主要为—OH的伸缩振动峰；2 900 cm^-1附近是C—H的特征峰；1 710、1 248和1 093 cm^-1处为—C＝O的特征峰，说明PP无纺布中可能含有醛基和羧基；717 cm^-1附近为偶联剂中的Si—C，端环氧基的伸缩振动峰。由图 2 (c)可知，在3 349 cm^-1出现的是—OH和N—H的伸缩振动峰；1 674~1 528 cm^-1为C＝O的伸缩振动峰；1 382和1 258~998 cm^-1处的吸收峰为C—N的伸缩振动峰，说明脲醛树脂中有—CH₂—OH，—NH₂和—CO—官能团的存在。图 2 (d)与图 2 (a)、(b)、(c)相比，在1 500 cm^-1附近的杂峰明显减弱，说明桉木单板内的芳香化合物在热压过程中发生开环反应，717 cm^-1的特征峰消失，说明KH560中的端环氧基与PP无纺布中的羟基发生开环反应^[26]。此外，与图 2 (c)相比，1 418~997 cm^-1的特征峰明显减弱，推测胶黏剂中的氨基可能与桉木中的芳香化合物发生取代反应，脲醛树脂胶黏剂加热发生缩聚反应，将无纺布与桉木单板紧密结合在一起，很可能生成了“接枝共聚物”。

	图 2 压板前后不同成分的傅里叶变换红外光谱图 Fig. 2 FTIR spectra of different components before and after mixing
图选项

图 3为PP无纺布处理前后的胶接面微观结构图，由图 3 (a)可以明显看到PP无纺布与单板之间存在未胶合的部分，说明PP无纺布与胶层间的结合程度相对较差，局部出现分层现象，是因为水分在无纺布表面停留导致胶黏剂固化延迟，甚至出现不固化层，从而使PP无纺布不能与单板之间完全连接，在外力作用下较易被破坏，使得PP无纺布的存在很可能对板材起到副作用。PP无纺布经过剪切开缝处理后，加快了水蒸气的迁移速率，从而加快传热速率，使得胶黏剂快速固化，如图 3 (b)所示，在相同倍数下观察，PP无纺布与胶黏剂结合紧密，不存在PP无纺布的断裂层，与图 3 (a)相比，其效果较好^[27-28]。这也从微观角度很好地说明了PP无纺布的不同存在形态对LVL内部结构有影响，本试验中所采用的剪切开缝后的无纺布能够进一步提高LVL的物理力学性能。

	图 3 PP无纺布处理前后的胶接面微观结构图 Fig. 3 Micrograph of the bonding surface before and after treating the PP non-woven
图选项

本研究通过正交试验研究了热压压力、热压温度、热压时间对剪切开缝处理的PP无纺布LVL力学性能的影响。结果表明，当热压压力、热压温度和热压时间分别为1.2 MPa、125 ℃和60 s·mm^-1时，PP无纺布LVL的各力学性能较佳，MOR、MOE、HSS分别为49.77、7 119.48、1.52 MPa。通过比较剪切开缝的PP无纺布增强型LVL、未开缝的PP无纺布LVL以及未添加无纺布的普通型LVL的各项力学性能，得出剪切开缝的PP无纺布添加到单板中更有利于无纺布与单板的结合。由脲醛树脂、KH560处理后的PP无纺布、桉树单板和热压后混合物的FTIR光谱分析得到，KH560处理后的PP无纺布通过脲醛树脂和桉树单板之间发生了胶合作用，增强了单板的韧性，从而提高LVL的力学性能。