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        纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料/竹木膠合界面的處理工藝1)

        2017-03-13 05:02:13范詒杰申士杰陳暑冰
        關(guān)鍵詞:濕態(tài)木材剪切

        范詒杰 申士杰 陳暑冰

        (北京林業(yè)大學(xué),北京,100083)

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        纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料/竹木膠合界面的處理工藝1)

        范詒杰 申士杰 陳暑冰

        (北京林業(yè)大學(xué),北京,100083)

        以砂光處理、等離子體處理、羥甲基間苯二酚(HMR)處理為不同因素,研究了纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料(FRP)/竹、FRP/木膠合界面處理工藝。結(jié)果表明膠合界面優(yōu)化工藝為:FRP不做處理,而竹材和木材表面以150 g/m2的涂布量涂布HMR。

        纖維增強(qiáng)樹脂;等離子體;羥甲基間苯二酚;剪切強(qiáng)度;剝離率

        We studied the treatment process of bonding interface between FRP and bamboo/wood, including sanding, plasma and hydroxymethyl resorcinol. The optimization process of the bonding interface is that wood and bamboo is treated by hydroxymethyl resorcinol of 150 g/m2and the fiber reinforced polymer was not treated.

        纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料是由纖維和樹脂基體兩種不同性能、不同形態(tài)的組分材料通過復(fù)合而成的一種多相材料[1]。纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料(FRP)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用集成材是將高強(qiáng)度、剛度、彈性模量等性能的纖維增強(qiáng)材料與結(jié)構(gòu)用集成材復(fù)合而制成的新型工程木質(zhì)材料。木材主要有強(qiáng)度和剛度較低、彈性模量小、易腐朽等缺點(diǎn),在很大程度上制約了木材在工程結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用。FRP增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用集成材可以提高該類木材的利用率和使用價(jià)值,同時(shí)在保留木材高強(qiáng)重比的基礎(chǔ)上充分利用纖維增強(qiáng)樹脂的優(yōu)良性能。用FRP增強(qiáng)后的集成材,其強(qiáng)度得到明顯提高,剛度也有一定提高[2]。

        木材和纖維增強(qiáng)樹脂這兩種材料的物理和化學(xué)性質(zhì)不同,他們之間的界面將二者有機(jī)結(jié)合為一個(gè)整體。FRP增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用集成材的最薄弱環(huán)節(jié)是木材與FRP的膠接界面,膠接界面的分層會(huì)導(dǎo)致纖維增強(qiáng)木制復(fù)合材料的永久性破壞。Y HONG[3]等人的研究結(jié)果表明:FRP/木材工程復(fù)合材料的性能在很大程度上取決于膠接界面的膠接強(qiáng)度。因此改善二者膠接界面性能對(duì)開發(fā)該種材料至關(guān)重要。木、竹材的表面改性主要是對(duì)其表面進(jìn)行等離子體、偶聯(lián)劑等處理,F(xiàn)RP表面改性主要是進(jìn)行等離子體、砂光等處理。

        等離子體是離子和電子群近似電中性的集合體,低溫等離子體通常用于改性高分子材料表面。經(jīng)等離子體處理后的材料表面會(huì)發(fā)生多種變化,物理變化產(chǎn)生刻蝕等,化學(xué)變化如產(chǎn)生自由基及引入極性集團(tuán)等,可提高材料表面的活性,改善與其他材料的膠合性能[4]。Ge等[5]使用筒型射頻等離子體發(fā)生裝置,對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(GFRP)表面進(jìn)行處理,射頻功率為80 W,處理時(shí)間5~25 min。結(jié)果表明,隨著處理時(shí)間的增加,GFRP表面的O/C比有所增加,在處理時(shí)間為15 min時(shí),達(dá)到56%。李志軍[6]研究了等離子體對(duì)玻璃纖維處理的機(jī)理,結(jié)果表明等離子體處理可以使玻璃纖維表面的官能團(tuán)發(fā)生變化,產(chǎn)生輕微刻蝕,擴(kuò)大玻璃纖維的有效接觸面積,改善基體對(duì)玻璃纖維的浸潤狀況,使玻璃纖維作為增強(qiáng)體的復(fù)合材料力學(xué)性能提高2~3倍,改善了復(fù)合材料的耐濕熱穩(wěn)定性。

        HMR在膠黏劑和木材的膠接過程中起到偶聯(lián)架橋的作用。HMR的羥甲基官能團(tuán)能分別與膠黏劑、木材中羥基形成醚鍵共價(jià)連接,使得木材經(jīng)HMR處理后大大提高了表面活性。熊陳福[7]研究了玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(BFRP)/木材復(fù)合材料剝離性能,測試結(jié)果表明:木材表面經(jīng)HMR處理后大大提高了BFRP/木材復(fù)合材料的膠合性能,HMR處理的BFRP/木材復(fù)合材料試件膠接層剝離率在0~1.03%,達(dá)到了ASTM D2559標(biāo)準(zhǔn)的要求(戶外結(jié)構(gòu)用集成材剝離率小于1%)。

        本實(shí)驗(yàn)對(duì)比砂光處理(FRP)、等離子體處理(竹、木、FRP)及HMR處理(竹、木、FRP)這3種界面處理方式對(duì)FRP/木、FRP/竹結(jié)構(gòu)用集成材膠合性能影響。參照結(jié)構(gòu)用集成材國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26899—2011及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50005—2003中規(guī)定的干、濕態(tài)剪切強(qiáng)度、木破率、浸漬剝離率及煮沸剝離率等指標(biāo)對(duì)FRP/木、FRP/竹結(jié)構(gòu)用集成材的膠合性能加以表征。得出FRP與木材及與竹材膠合界面的優(yōu)化工藝,以期為FRP增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用集成材,尤其是以竹材作為緩沖層加入木材和FRP復(fù)合的FRP增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用集成材研究提供參考。

        1 材料和方法

        1.1 材料

        木材層板:歐洲赤松,瑞典SCA公司生產(chǎn);竹材層板:毛竹展開竹板材,順紋拉伸、壓縮強(qiáng)度分別為60.52、59.02 MPa,浙江大莊實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司提供;玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂(GFRP)板狀片材:抗拉強(qiáng)度與拉伸彈性模量分別為1491.59 MPa與64.81 GPa,南京海拓纖維復(fù)合材料有限公司提供;膠黏劑:單組分聚氨酯HB S309,瑞士普邦公司生產(chǎn);羥甲基間苯二酚(HMR):自行配置。

        1.2 設(shè)備

        快速傅立葉變換彈性模量測定儀、推臺(tái)鋸、裁邊鋸、四面刨、砂光機(jī)、立式拼板機(jī)、日本島津AG-100KN-MO型萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)、南京蘇曼射流大氣低溫等離子體板材處理系統(tǒng)PG-1000ZG、水浴鍋、恒溫干燥箱、電子天平等。

        1.3 方法

        試驗(yàn)溫度為25 ℃,相對(duì)濕度為50%~60%。

        層板加工:采用目測分等及FFT彈性模量測定儀層級(jí)分等方法挑選同一強(qiáng)度等級(jí)的鋸材及竹材,將干燥后的板材在試驗(yàn)環(huán)境下養(yǎng)生一段時(shí)間,使板材含水率均一穩(wěn)定。然后經(jīng)截?cái)?、裁邊、四面刨光等工序加工成尺寸? 000 mm×50 mm×23 mm的備用木材和竹材層板。FRP板狀片材經(jīng)裁剪等工序加工成尺寸為1 000.0 mm×50.0 mm×1.4 mm的備用FRP層板。

        表面改性處理:根據(jù)試驗(yàn)組設(shè)置對(duì)竹木及FRP層板進(jìn)行相應(yīng)的表面改性處理。①等離子處理:按試驗(yàn)組設(shè)置將需要表面處理的FRP片材、竹材、木材分別放置于等離子體機(jī)傳送帶上,分別按試驗(yàn)組設(shè)置的速度通過等離子體噴槍口進(jìn)行表面改性,噴槍口距離板材表面10 mm。②砂光處理:將需要砂光處理的板材依次通過180和240目的砂帶進(jìn)行砂光處理。③HMR處理:首先配置偶聯(lián)劑HMR,配方中各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為去離子水90.43%、晶狀體間苯二酚3.34%、37%的甲醛水溶液3.79%、氫氧化鈉2.44%。HMR配置4 h后方可在竹木層板進(jìn)行涂布,涂布量為150 g/m2。HMR涂布后,層板還需靜置24 h后方可涂膠組坯。

        膠合壓制:將處理好的層板進(jìn)行涂膠、組坯、冷壓后成型。采用單面涂膠,涂膠量為180 g/m2,陳化時(shí)間0.5 h,壓力為1.1 MPa,冷壓時(shí)間為1.5 h。每個(gè)試驗(yàn)組制備3根試材。

        試驗(yàn)組設(shè)置分別見表1和表2。

        表1 FRP/木膠合界面處理試驗(yàn)組設(shè)置

        注:P6-1代表等離子射頻功率為600 W,處理速度為1.25 m/s,處理次數(shù)為5次;P4-2代表等離子射頻功率為400 W,處理速度為2.5 m/s,處理次數(shù)為5次。

        表2 FRP/竹膠合界面處理試驗(yàn)組設(shè)置

        注:P6-1代表等離子射頻功率為600 W,處理速度為1.25 m/s,處理次數(shù)為5次;P4-2代表等離子射頻功率為400 W,處理速度為2.5 m/s,處理次數(shù)為5次。

        1.4 膠合性能檢測

        參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26899—2011結(jié)構(gòu)用集成材中的相關(guān)要求制備剝離率與剪切強(qiáng)度測試試件,并進(jìn)行浸漬剝離率、煮沸剝離率、干態(tài)剪切強(qiáng)度的測定。參照GB 50005—2003木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中的相關(guān)要求進(jìn)行濕態(tài)剪切強(qiáng)度的測定。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 FRP/木膠合性能

        表3為FRP/木結(jié)構(gòu)用集成材的浸漬、煮沸剝離試驗(yàn)結(jié)果。可以看出,所有試驗(yàn)組的試件經(jīng)過兩輪浸漬干燥后膠層均未發(fā)生剝離或分層。試驗(yàn)組N/HMR、S/P4-2、P6-1/HMR和P6-1/N試件經(jīng)兩輪煮沸干燥后膠層也均未發(fā)生剝離或分層。而試驗(yàn)組N/P4-2的試件第一次煮沸干燥后未發(fā)生剝離,第二次煮沸干燥后發(fā)生剝離,其中平均總剝離率為5.37%,未達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26899—2011的要求。其他試驗(yàn)組第二次煮沸后膠層剝離,但單一膠層最大剝離率及總剝離率試驗(yàn)結(jié)果均滿足結(jié)構(gòu)用集成材國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26899—2011中規(guī)定的5%(試件兩端面的總剝離)和25%(任一膠層的最大剝離)的最低要求。

        表3 FRP/木剝離試驗(yàn)結(jié)果

        表4為試材的干態(tài)、濕態(tài)剪切強(qiáng)度結(jié)果??梢钥闯?,所有試驗(yàn)組的試件干態(tài)剪切強(qiáng)度均在7.2 MPa以上,滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小干態(tài)剪切強(qiáng)度;而且所有組的木破率均不小于85%,滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小木破率。其中組N/HMR的試件干態(tài)剪切強(qiáng)度最大,達(dá)到10.88 MPa,對(duì)應(yīng)木破率大于90%。所有試驗(yàn)組試件的濕態(tài)剪切強(qiáng)度均在4.7 MPa以上,滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小濕態(tài)剪切強(qiáng)度。濕態(tài)剪切強(qiáng)度差異性不太顯著,但對(duì)應(yīng)木破率差異較大。其中組N/HMR的試件濕態(tài)剪切強(qiáng)度達(dá)到5.18 MPa,對(duì)應(yīng)木破率為97%;而組S/N的試件濕態(tài)剪切強(qiáng)度達(dá)到5.66 MPa,對(duì)應(yīng)木破率僅為77.17%。

        表4 FRP/木干態(tài)、濕態(tài)剪切試驗(yàn)結(jié)果

        綜合考慮試材的剪切和剝離性能,優(yōu)化得到FRP與木材膠合界面改性工藝為N/HMR,即FRP表面不做處理,而木材表面以150 g/m2的涂布量涂布HMR進(jìn)行改性。

        2.2 FRP/竹膠合性能

        表5為FRP/竹結(jié)構(gòu)用集成材的浸漬、煮沸剝離試驗(yàn)結(jié)果??梢钥闯?,試驗(yàn)組N/HMR和S/HMR試件經(jīng)兩次浸漬剝離和兩次煮沸剝離檢測后,膠層均未產(chǎn)生剝離或分層。組P6-1/HMR和組N/N的試件經(jīng)過兩次浸漬剝離后膠層均未出現(xiàn)剝離現(xiàn)象,而兩次煮沸剝離時(shí)出現(xiàn)一定程度的剝離,但均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。組S/P4-2和S/N試驗(yàn)組浸漬剝離滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,但煮沸剝離達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)的最低要求。組N/P4-2、P6-1/N和P6-1/P4-2試件的浸漬剝離和煮沸剝離均達(dá)不到結(jié)構(gòu)用集成材國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26899—2011中相關(guān)規(guī)定的要求。

        表6為FRP/竹結(jié)構(gòu)用集成材試材的干態(tài)、濕態(tài)剪切強(qiáng)度結(jié)果??梢钥闯觯性囼?yàn)組的試件干態(tài)剪切強(qiáng)度均在10 MPa以上,而木破率差異較大。其中組N/HMR和組N/N的干態(tài)剪切強(qiáng)度分別達(dá)到12.58和11.87 MPa,對(duì)應(yīng)木破率分別為75.63%和86.67%;而其他組的木破率均未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小木破率。所有試驗(yàn)組的試件濕態(tài)剪切強(qiáng)度均在6.2 MPa以上,濕態(tài)剪切強(qiáng)度差異性也不太顯著,但對(duì)應(yīng)木破率差異較大。其中組N/HMR的試件濕態(tài)剪切強(qiáng)度達(dá)到7.92 MPa,對(duì)應(yīng)木破率為91.95%;組S/HMR的濕態(tài)剪切強(qiáng)度為7.72 MPa,但木破率僅為32.50%。

        表5 FRP/竹浸漬、煮沸剝離試驗(yàn)結(jié)果

        表6 FRP/竹干態(tài)、濕態(tài)剪切試驗(yàn)結(jié)果

        綜合考慮試材的剪切和剝離性能,優(yōu)化得到FRP與木材膠合界面改性工藝為N/HMR,即FRP表面不做處理,而木材表面以150 g/m2的涂布量涂布HMR進(jìn)行改性。

        3 結(jié)論

        FRP/木和FRP/竹結(jié)構(gòu)用集成材界面改性處理的優(yōu)化工藝為:FRP表面不做任何處理,而木材和竹材表面進(jìn)行HMR涂布處理,涂布量為150 g/m2。處理后的FRP/木試件干態(tài)剪切強(qiáng)度達(dá)到10.88 MPa,較對(duì)照組剪切強(qiáng)度提高22.7%,木破率達(dá)到93%以上;濕態(tài)剪切強(qiáng)度達(dá)到5.18 MPa,對(duì)應(yīng)木破率為97%。該工藝處理后的試件浸漬、煮沸剝離率均為0。處理后的FRP/竹試件干態(tài)、濕態(tài)剪切強(qiáng)度分別達(dá)到12.58和7.92 MPa,其中濕態(tài)剪切強(qiáng)度較對(duì)照組提高15.3%,對(duì)應(yīng)木破率為91.95%。該工藝處理后的試件浸漬、煮沸剝離率均為0。

        [1] 沈觀林,胡更開.復(fù)合材料力學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2006:1-17.

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        Treatment Process of Bonding Interface between FRP and Bamboo/wood//

        Fan Yijie, Shen Shijie, Chen Shubing(Beijing Forestry University, Beijing 100083, P. R. China)//

        Journal of Northeast Forestry University,2017,45(2):71-74.

        FRP; Plasma; Hydroxymethyl resorcinol; Shear strength; Delamination rate

        范詒杰,男,1987年2月生,北京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,碩士研究生。E-mail:917468635@qq.com。

        申士杰,北京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,教授。E-mail:shijies@263.net。

        2016年9月27日。

        S784;TQ433

        1)“十二五”國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)劃)(2012AA03A204-01)。

        責(zé)任編輯:戴芳天。

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