范詒杰 申士杰 陳暑冰

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人民生活水平的日益提高，人們對(duì)木質(zhì)材料的需求量在不斷增長，但是世界森林資源卻日趨匱乏，木材供需之間存在著較大的矛盾。利用人工林、速生材是緩解木材供需矛盾的主要途徑之一，但是由于速生材的徑級(jí)小、材質(zhì)疏松、強(qiáng)度低，在承重結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用受到了很大的限制[1]。因此利用纖維增強(qiáng)，將木單板或木材基材與增強(qiáng)纖維復(fù)合形成新的復(fù)合材料，以弱化木材的天然缺陷，提高木材的附加值，從而實(shí)現(xiàn)低質(zhì)木材的優(yōu)化利用，提高木材的使用率，符合建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的要求。

玄武巖纖維以天然玄武巖礦石為原料，耐化學(xué)腐蝕性好，不易燃燒，而且具有良好的力學(xué)性能，可用于制備熱絕緣材料、抗震材料、過濾材料以及復(fù)合材料等[2]。與玻璃纖維相比，玄武巖纖維的防水性、耐腐性、穩(wěn)定性更優(yōu)異，與E-玻璃纖維相比，玄武巖纖維在堿性和酸性介質(zhì)中的化學(xué)性能更好[3-5]。

木質(zhì)材料與玄武巖纖維是兩種性質(zhì)不同的材料，二者直接膠合會(huì)因材性差異較大導(dǎo)致膠合強(qiáng)度不能滿足結(jié)構(gòu)用材的要求，從而限制其利用領(lǐng)域。另外竹材的竹青面到竹黃面，彈性模量逐漸減小，顯現(xiàn)出功能梯度材料的特性。因此，將材性介于木材與玄武巖纖維之間的竹材作為緩沖性材料制備復(fù)合板材，可最大程度發(fā)揮上述3種材料各自的性能特點(diǎn)，提高復(fù)合材料整體的強(qiáng)度和剛度。

因此復(fù)合板材性能很大程度取決于竹-纖維膠層的膠合性能，筆者在李靜[5]關(guān)于以等離子體+KH550表面改性方式改性玄武巖纖維表面活性的研究基礎(chǔ)上，研究不同膠黏劑以及偶聯(lián)劑處理竹材對(duì)玄武巖纖維增強(qiáng)竹木膠合板膠合性能的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1）桉木單板：500 mm×500 mm，平均厚度：1.7 mm，含水率7.47%。

2）竹篾：500 mm×20 mm×2.5 mm。

3）連續(xù)玄武巖纖維布（Continuous Basalt Fiber）主要指標(biāo)參數(shù)：纖維平均直徑≤8μm，含水率≤0.5%，軟化溫度≥750 ℃，吸濕性≤10%，酸性系數(shù)≥1。物理性質(zhì)：厚度為0.31 mm，密度為2.63 g/cm3，絲束線密度為222 g/km，纖維直徑10.2μm，股紗為1 025根，吸水率為0.15%。

4）偶聯(lián)劑HMR：自行配置，配方中各組分質(zhì)量占比為: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%。

5）硅烷偶聯(lián)劑KH550溶液:KH550質(zhì)量百分比分別為0.5和0.8。

6）水溶性酚醛樹脂-14L963:黏度（25℃）:60～100 m Pa.s，固化時(shí)間（105 ℃）:1 000～1 500 s。

7）醇溶性酚醛樹脂膠黏劑:黏度（涂-4杯,25℃):15～30s,固含量:50%。

8）環(huán)氧樹脂膠黏劑：聚氨酯改性環(huán)氧樹脂（SL-102C-2）：環(huán)氧值=（0.37±0.02） mol/100 g，黏度=1 500～3 500 mPa·s。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

電子天平，電熱烘干箱，低溫等離子輝光放電儀，萬能試驗(yàn)壓機(jī)，推臺(tái)鋸，電熱恒溫水浴箱，萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用二次熱壓成型工藝制備玄武巖纖維增強(qiáng)竹木膠合板，即先采用水溶性酚醛樹脂膠黏劑壓制竹木膠合板，然后再將玄武巖纖維布與竹木膠合板進(jìn)行組坯，熱壓制成玄武巖纖維增強(qiáng)竹木膠合板。

玄武巖纖維增強(qiáng)竹木膠合板組坯形式如圖1所示。

1.3.1 試驗(yàn)組設(shè)置

圖1 玄武巖纖維增強(qiáng)竹木膠合板示意圖Fig.1 Conf i guration of basalt fi ber bamboo plywood

試驗(yàn)分別以不同膠黏劑和偶聯(lián)劑為變量，研究二者對(duì)玄武巖纖維增強(qiáng)竹木膠合板膠合性能的影響，試驗(yàn)組設(shè)置見表1。

表1 試驗(yàn)組設(shè)置Tab.1 Test group settings

1.3.2 竹木膠合板制備

1）竹篾處理：挑選平直的竹篾，根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案采用質(zhì)量百分比為0.5的KH550和HMR溶液對(duì)竹篾進(jìn)行處理，HMR涂刷在竹黃部分，KH550涂刷在竹青部分，施劑量為150 g/m2，常溫放置12 h，待水分蒸發(fā)完全后方可涂膠組坯。

2）熱壓：采用表2工藝參數(shù)熱壓制備竹木復(fù)合板材。熱壓結(jié)束后取出板材，冷卻，陳放備用。制成的竹木復(fù)合板材尺寸為500 mm×500 mm×9 mm。

表2 工藝參數(shù)Tab.2 Process parameter

1.3.3 玄武巖纖維增強(qiáng)竹木膠合板制備

玄武巖纖維表面處理：玄武巖纖維布放入電熱鼓風(fēng)干燥箱中，在250 ℃的條件下加熱處理30 min，然后將纖維進(jìn)行低溫等離子處理，低溫等離子處理纖維功率為250 W，處理時(shí)間為180 s；保持離子流移動(dòng)速度10 mm/s不變。然后用質(zhì)量百分比為0.8的硅烷偶聯(lián)劑KH550溶液浸泡2 h后取出，用蒸餾水清洗干凈，干燥備用。

熱壓：稱取每塊經(jīng)低溫等離子和偶聯(lián)劑處理后的纖維布的質(zhì)量m，計(jì)算每塊纖維布所需膠黏劑質(zhì)量。計(jì)算方法為：膠黏劑質(zhì)量為纖維布質(zhì)量的1.5倍。其中環(huán)氧樹脂質(zhì)量∶固化劑質(zhì)量=2∶1。然后手工分別將膠黏劑均勻涂在纖維布兩面，預(yù)固化后，與竹木膠合板組坯熱壓。環(huán)氧樹脂膠黏劑的熱壓工藝參數(shù)為：溫度80 ℃,時(shí)間2 h,壓力1.5 MPa；水溶性酚醛樹脂膠黏劑的熱壓工藝參數(shù)為:溫度140 ℃,時(shí)間15 min,壓力1.5 MPa;醇溶性酚醛樹脂膠黏劑的熱壓工藝參數(shù)為:溫度160 ℃ ,時(shí)間15 min，壓力1.5 MPa。

1.4 性能檢測

依據(jù)GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》對(duì)玄武巖纖維增強(qiáng)竹木膠合板進(jìn)行靜曲強(qiáng)度、膠合強(qiáng)度以及剝離性能檢測。

2 結(jié)果與討論

2.1 靜曲強(qiáng)度與彈性模量

表3為玄武巖纖維增強(qiáng)竹木膠合板靜曲強(qiáng)度和彈性模量檢測結(jié)果，圖2為玄武巖纖維增強(qiáng)竹木膠合板材靜曲強(qiáng)度和彈性模量直觀對(duì)比圖。

由上述圖表可以看出，同一膠黏劑條件下，竹篾經(jīng)偶聯(lián)劑HMR和KH550表面改性處理試驗(yàn)組的靜曲強(qiáng)度和彈性模量均較竹篾未經(jīng)任何處理的空白試驗(yàn)組有一定的提高。環(huán)氧樹脂膠黏劑試驗(yàn)組的靜曲強(qiáng)度由89.88 MPa提高到97.79 MPa，提高了8.8%。水溶性酚醛樹脂膠黏劑試驗(yàn)組的靜曲強(qiáng)度由117.65 MPa提高到133.19 MPa，提高了13.2%。醇溶性酚醛樹脂膠黏劑試驗(yàn)組的靜曲強(qiáng)度由135.82 MPa提高到151.05 MPa，提高了11.2%。對(duì)比3種膠黏劑可以發(fā)現(xiàn)，無論竹篾處理與否，纖維增強(qiáng)竹木膠合板的抗彎性能均表現(xiàn)為：醇溶性酚醛樹脂膠黏劑＞水溶性酚醛樹脂膠黏劑＞環(huán)氧樹脂膠黏劑。膠合性能的差異導(dǎo)致板材在抗彎試驗(yàn)中產(chǎn)生不同的破壞形式，從而靜曲強(qiáng)度產(chǎn)生差異。膠合性能較差的試驗(yàn)組大部分試件為膠層受剪破壞，這種情況下纖維增強(qiáng)層并未發(fā)揮作用，而膠合性能較好的試驗(yàn)組試件的破壞形式為板材底部先拉斷進(jìn)而外力經(jīng)過界面?zhèn)鬟f到纖維，材料底部最容易發(fā)生拉伸斷裂的拉伸層因?yàn)槔w維增強(qiáng)的作用而提高了抗彎性能，從而底部材料得到有效保護(hù)。

表3 板材彎曲性能測試結(jié)果Tab.3 Test results of bending properties of plate

圖2 玄武巖纖維增強(qiáng)竹木膠合板材靜曲強(qiáng)度和彈性模量直觀對(duì)比圖Fig.2 Comparison of bending strength and elastic modulus of basalt fi ber reinforced bamboo plywood

從數(shù)據(jù)離散率來看，靜曲強(qiáng)度和彈性模量都相對(duì)穩(wěn)定，離散程度均衡，說明試驗(yàn)誤差較小。

2.2 膠合強(qiáng)度

對(duì)制成的玄武巖纖維增強(qiáng)竹木膠合板分別進(jìn)行干態(tài)膠合強(qiáng)度、濕態(tài)（24 h冷水浸泡）膠合強(qiáng)度性能測試。測試結(jié)果見表4。

表4 膠合強(qiáng)度測試結(jié)果Tab.4 Test results of bending strength

由表4可以看出，竹篾經(jīng)偶聯(lián)劑HMR和KH550表面改性后制成的纖維增強(qiáng)竹木膠合板，無論是干態(tài)膠合性能還是濕態(tài)膠合性能都優(yōu)于未用偶聯(lián)劑處理竹篾的膠合板。其中醇溶性酚醛樹脂膠黏劑組的干態(tài)膠合強(qiáng)度由空白組的3.09 MPa提高到3.30 MPa，濕態(tài)膠合強(qiáng)度由2.31MPa提高到2.98MPa。原因是偶聯(lián)劑在膠接過程中起到偶聯(lián)架橋的作用，偶聯(lián)劑提高了竹篾的表面活性，有益于與環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂發(fā)生膠合反應(yīng)，提高了樹脂和基體界面的結(jié)合性能，從而有利于玄武巖纖維增強(qiáng)竹木膠合板膠合性能。

對(duì)比3種膠黏劑可以發(fā)現(xiàn)，醇溶性酚醛樹脂膠黏劑空白組濕態(tài)膠合強(qiáng)度2.31 MPa略低于水溶性酚醛樹脂膠黏劑空白組2.35 MPa，但其材料破壞率達(dá)到85%，整體表現(xiàn)依然優(yōu)于水溶性酚醛樹脂膠黏劑;3種膠黏劑制成的玄武巖纖維增強(qiáng)竹木膠合板的膠合強(qiáng)度與抗彎性能趨勢一致;均為醇溶性酚醛樹脂膠黏劑的膠合強(qiáng)度最大，而環(huán)氧樹脂膠黏劑壓制的板材膠合強(qiáng)度最小。其中組A的濕態(tài)膠合強(qiáng)度僅為0.59 MPa，該試驗(yàn)組的復(fù)合板經(jīng)過24 h浸漬處理后大部分膠層已經(jīng)開裂，主要原因是環(huán)氧樹脂耐高溫高濕性能差，經(jīng)水浸漬處理后，其膠合強(qiáng)度會(huì)有相當(dāng)程度的降低。

2.3 剝離性能

表5為玄武巖纖維增強(qiáng)竹木膠合板剝離性能檢測結(jié)果。

表5 剝離試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Test result of peeling

從表5可以看出，浸漬剝離試驗(yàn)的剝離率均為零。而對(duì)于煮沸剝離，環(huán)氧樹脂膠黏劑和水溶性酚醛樹脂膠黏劑竹篾經(jīng)偶聯(lián)劑處理的試驗(yàn)組板材剝離率明顯低于竹篾未經(jīng)偶聯(lián)劑處理試驗(yàn)組板材的剝離率。環(huán)氧樹脂膠黏劑壓制板材的單一膠層最大剝離率由竹篾未經(jīng)偶聯(lián)劑處理試驗(yàn)組的32%降低為竹篾經(jīng)偶聯(lián)劑處理試驗(yàn)組的8.3%；膠層總剝離率由6.1%降低為1.6%。水溶性酚醛樹脂膠黏劑壓制板材的單一膠層最大剝離率由竹篾未經(jīng)偶聯(lián)劑處理試驗(yàn)組的28.7%降低為竹篾經(jīng)偶聯(lián)劑處理試驗(yàn)組的15.1%；膠層總剝離率由7.3%降低為2.8%。而醇溶性酚醛樹脂膠黏劑膠層剝離較小，無論竹篾處理與否對(duì)剝離影響不大。

比較3種膠黏劑可以看出，采用醇溶性酚醛樹脂膠黏劑壓制的玄武巖纖維增強(qiáng)竹木膠合板的剝離性能明顯優(yōu)于其他兩種膠黏劑壓制的復(fù)合板材的剝離性能。主要原因是環(huán)氧樹脂耐高溫高濕性能差，因此經(jīng)過反復(fù)蒸煮、干燥處理產(chǎn)生膠層剝離。而與水溶性酚醛樹脂膠黏劑相比，醇溶性酚醛樹脂膠黏劑初黏力高，膠接強(qiáng)度更好。

3 結(jié)論

分別采用環(huán)氧樹脂、水溶性酚醛樹脂和醇溶性酚醛樹脂膠黏劑制備玄武巖纖維增強(qiáng)竹木膠合板，研究不同膠黏劑以及偶聯(lián)劑處理竹材對(duì)板材膠合性能的影響。通過試驗(yàn)組玄武巖纖維增強(qiáng)竹木膠合板的靜曲強(qiáng)度與彈性模量、膠合強(qiáng)度以及剝離性能檢測結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

1）采用KH550和HMR處理過的竹篾壓制而成的膠合板較未經(jīng)處理的竹篾所制得的膠合板的抗彎強(qiáng)度、膠合強(qiáng)度以及剝離性能都有顯著的改善，說明使用這兩種偶聯(lián)劑處理的竹篾更有利于竹-玄武巖纖維和竹-木的膠合。

2）采用不同膠黏劑膠合玄武巖纖維增強(qiáng)竹木膠合板，其膠合性能表現(xiàn)為：醇溶性酚醛樹脂膠黏劑＞水溶性酚醛樹脂膠黏劑＞環(huán)氧樹脂膠黏劑。竹篾經(jīng)HMR和KH550溶液表面改性后，采用醇溶性酚醛樹脂作為纖維層膠黏劑的玄武巖纖維增強(qiáng)竹木膠合板的靜曲強(qiáng)度為151.05 MPa，干態(tài)膠合強(qiáng)度為3.30 MPa，濕態(tài)膠合強(qiáng)度為2.98 MPa，浸漬剝離率為0，煮沸剝離率為0.9%。

[1]雷加富.中國竹資源和竹產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略[C]// 竺肇華.中國熱帶地區(qū)竹藤的發(fā)展（論文集第6卷).北京:中國林業(yè)出版社,2001.

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