劉紅光 申士杰 李 黎 羅 斌

由于速生材的材性相對較差，其應用范圍受到了一定的限制。我國具有豐富的竹材資源，為了提高速生材和竹材的利用率，研究人員利用高性能纖維來增強竹木復合板材，提高了復合板材的物理力學性能，從而拓寬了速生材和竹材的應用范圍[1,2]。碳纖維具有極其優(yōu)異的物理力學性能，但是由于成本較高，多用于航空航天等領域[3]。在民用領域中，較為常用的是玻璃纖維和玄武巖纖維。與玻璃纖維相比，玄武巖纖維的防水性、耐腐性和穩(wěn)定性更為優(yōu)異[4]。

不飽和聚酯樹脂(UPR)是熱固性樹脂中用量最大的樹脂品種之一，也是纖維增強樹脂材料(FRP)制品生產中用得最多的基體樹脂[5]。UPR生產工藝簡便，原料易得，耐化學腐蝕，力學性能、電性能優(yōu)良，可常溫常壓固化，具有良好的工藝性能，并且價格適中，性價比較高，已被廣泛應用于建筑、防腐、汽車、電子電器等多種復合材料中[6]，將其用于制備玄武巖纖維增強竹木復合板材具有一定的可行性。

纖維增強竹木復合板材的性能除了受纖維和竹木材料本身性能的影響外，還與膠合界面的膠合強度有關。玄武巖纖維的組成主要為無機物，與有機樹脂的膠合存在一定難度。而纖維經(jīng)過表面處理之后，其膠合性能則可以大大提高[7]。竹材由外層的竹青到內層的竹黃，其材質變化較大，也需要對其進行相應的表面處理，才能夠與玄武巖纖維和木材更好地膠合。筆者以時間、壓力及材料表面處理方式為三個影響因素設計正交試驗，利用不飽和聚酯樹脂作為膠黏劑制備玄武巖纖維布增強竹木復合板材，并對其竹/木、竹/纖維及木/纖維三個膠層的膠合性能分別進行了檢測，為今后玄武巖纖維布/不飽和聚酯增強竹木復合板材膠合工藝方面的研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1）木材：桉木單板，尺寸為500 mm×500 mm×1.5 mm，含水率：5%，大連科冕木業(yè)公司提供。

2）竹材：展開竹，尺寸為500 mm×50 mm×2.5 mm，含水率：4%，福建順昌大莊竹業(yè)有限公司提供。疏解竹：含水率：15% ，尺寸：500 mm×200 mm×5 mm，安吉竹木機械加工廠提供。

3）玄武巖纖維布：遼寧營口市建筑材料研究所提供。主要指標參數(shù)：纖維平均直徑：8 μm，含水率：≤0.5%，吸濕性：≤10%。密度為2.63 g/cm3。絲束拉伸強度（離散系數(shù)）為1 828 MPa（8.9%），拉伸模量（離散系數(shù)）為72.2 GPa（11.8%），斷裂伸長率（離散系數(shù)）為3.03%（16.5%）。

4）化學試劑：硅烷偶聯(lián)劑KH550，主要性能指標：沸點：217 ℃；比重(D254)：0.939～ 0.948；濃度為0.08 mol/L，由上海耀華化工廠提供。羥甲基間苯二酚（HMR）：自制。

5）膠黏劑：主劑為不飽和聚酯樹脂，淡黃色透明液體。黏度為350～500 mPa·s（25 ℃），固體含量：59%～63%，牌號HS-1001，生產批號：2014A4051，常州華科聚合物股份有限公司生產。促進劑：環(huán)烷酸鈷，鈷鹽含量：0.8%，固化劑：過氧化甲乙酮，活性氧含量：9.9%，均由北京市惠軒玻璃鋼制品廠提供。

各組分質量比為：不飽和聚酯樹脂∶過氧化甲乙酮∶環(huán)烷酸鈷=100∶2∶0.6。

施膠量：按照玄武巖纖維布質量的1.5倍稱取，然后均勻地涂布在纖維布的兩面。桉木單板及竹材的施膠量為250 g/m2，其中與纖維接觸的竹材和木材面不涂膠。

1.2 試驗設備

1）試驗熱壓機：型號BY302×2/15（100T），蘇州新協(xié)力機器制造有限公司。

2）電熱烘干箱：型號DGH-9140A，上海一恒科學儀器有限公司。

3）電子天平：型號BSM 3200，上海卓精電子科技有限公司。

4）電熱恒溫水浴箱：型號DZKW-S-4，北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司。

5）力學試驗機：型號S-3400N，日本日立（蘇州）有限公司生產。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗方案設置

竹木復合板材各層板的表面處理方式，膠黏劑的固化時間、溫度與壓力等工藝參數(shù)都會對最終板材的性能產生影響。該試驗是采用不飽和聚酯樹脂作為膠黏劑，可以常溫固化，因此選擇竹木復合板材各層板的處理方式、膠黏劑固化時間及壓力為三因素，設計一個三因素三水平的正交試驗。膠黏劑的固化時間和壓力根據(jù)生產廠家提供的參考工藝參數(shù)來選取。為了考察不同膠層的膠合性能，因此對不同膠層采取了不同的表面處理方式。正交試驗設計的因素和水平如表1所示。根據(jù)L9（34）正交表得出玄武巖纖維增強竹木復合板材試驗方案，如表2所示。

表1 正交試驗的因素和水平Tab.1 Factors and levels of orthogonal test

表2 竹木復合板材試驗方案Tab.2 Experimental plan of bamboo and wood composite board

1.3.2 玄武巖纖維布的處理

將裁剪好的玄武巖纖維布放入溫度為250 ℃的干燥箱中，高溫干燥30 min，去除掉玄武巖纖維布生產過程中附著在纖維表面的浸潤劑。將干燥好的纖維放入配置好的KH550溶液中，在室溫（20 ℃）條件下放置4 h，然后取出，用蒸餾水反復沖洗纖維表面3次以上，再放入溫度為110 ℃的干燥箱中，30 min后取出備用。

1.3.3 玄武巖纖維布增強竹木復合板材的組坯方式和工藝流程

為了對竹/木、竹/纖維及木/纖維三個膠層的膠合性能進行檢測，玄武巖纖維布增強竹木復合板材按照竹材、玄武巖纖維布、木材單板、竹材的順序進行組坯，試件制備的工藝流程如圖1所示，其中的竹材采用展開竹，最終制備完成的試件如圖2所示。

圖1 竹木復合板材制備工藝流程圖Fig.1 Manufacture process diagram of composite board

圖2 竹木復合板材試件Fig.2 Test specimen of composite board

1.4 檢測方法

試件的膠合強度和浸漬剝離率的檢測方法均依據(jù)國家標準GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》[8]中的相關規(guī)定進行。

2 試驗結果與分析

2.1 膠合強度試驗結果及分析

根據(jù)標準對玄武巖纖維增強竹木復合板材試件的竹/木、竹/纖維及木/纖維三個膠層的干膠合強度、濕膠合強度[試件經(jīng)過熱水浸泡預處理：將試件放置在（63±3）℃的熱水中浸漬3 h，然后在室溫下冷卻10 min]及材料破壞率進行了檢測和分析。干膠合強度及材料破壞率的檢測結果如表3所示，干膠合強度的極差分析如表4所示。

表3 干膠合強度及材料破壞率Tab.3 Dry bonding strength and material damage ratio

表4 干膠合強度的極差分析Tab.4 Range analysis of dry bonding strength

根據(jù)表4的極差分析可以看出，時間對于竹/木膠層的干膠合強度影響最大，壓力對于竹/纖維、木/纖維膠層的干膠合強度影響最大。時間對三個膠層的影響變化趨勢相同，其干膠合強度均是先增加后減小，在90 min時達到最大值。壓力對竹/木膠層和木/纖維膠層的干膠合強度的影響變化趨勢相同，均是先增加后減小，在壓力為1.0 MPa時達到最大值。而竹/纖維膠層則在壓力為1.6 MPa時達到最大值。

材料表面處理方式對干膠合強度的影響，對于竹/木膠層，木材表面進行偶聯(lián)劑HMR處理能夠提高竹木膠層的干膠合強度，且木材和竹黃都經(jīng)過表面處理后能進一步提高干膠合強度，這是因為木材和竹黃經(jīng)HMR處理后能夠增加表面活性，可以更好地與膠黏劑發(fā)生反應。對于竹/纖維布膠層，竹青表面含有一定量的無機硅類化合物，影響竹材與樹脂的結合，經(jīng)過硅烷偶聯(lián)劑KH550處理后，有效地改善了其膠合強度，提高了膠層的干膠合強度，但是經(jīng)過KH550及HMR共同處理后，其膠合強度反而有所下降。試驗先進行KH550處理，再經(jīng)HMR處理，兩種化合物的活性反應基團之間發(fā)生了反應，從而導致與樹脂之間進行反應的活性基團數(shù)量減少，因此反而沒有只經(jīng)過KH550處理時的膠合強度高。對于木/纖維膠層，木材沒有經(jīng)過任何處理時其干膠合強度最高，因為玄武巖纖維布經(jīng)過KH550處理后表面活性已經(jīng)得到提高，可以與木材有較好的膠合。

濕膠合強度及材料破壞率的檢測結果如表5所示，濕膠合強度的極差分析如表6所示。

表5 濕膠合強度及材料破壞率Tab.5 Wet bonding strength and material damage ratio

表6 濕膠合強度的極差分析Tab.6 Range analysis of wet bonding strength

根據(jù)表6的極差分析可以看出，時間對三個膠層的濕膠合強度影響最大并且變化趨勢相同，仍是先增加后減小，在90 min時達到最大值。壓力對于竹/木及木/纖維膠層濕態(tài)剪切強度的影響，隨著壓力的增加，其濕膠合強度先增加后減小，在壓力為1.0 MPa時達到最大值；壓力對于竹/纖維膠層濕態(tài)剪切強度的影響，則隨著壓力的增加其濕膠合強度呈逐漸增加的趨勢，在壓力為1.6 MPa時達到最大值。

從處理方式來看，竹/木膠層和竹/纖維膠層的試驗結果與干膠合強度的表現(xiàn)相同，而木/纖維膠層則是木材經(jīng)過HMR處理的濕膠合強度最高，原因可能是木材經(jīng)過HMR處理后表面活性得到了提高，可以與纖維有較好的膠合，但與木材未處理的情況相比，其提高幅度很小。

2.2 浸漬剝離試驗結果及分析

浸漬剝離試驗用來模擬實際使用過程中的濕熱環(huán)境，可以進一步檢測膠黏劑的膠合性能，與膠合強度檢測結果進行印證，得出更為可靠的試驗結論。浸漬剝離檢測結果如表7所示（Ⅰ、Ⅱ類浸漬剝離試驗條件及方法參照GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》中的相關規(guī)定進行）。

表7 浸漬剝離結果Tab.7 Peel test results %

Ⅱ類浸漬剝離率的極差分析如表8所示。

從表8的分析中可以看出，時間對三個膠層的Ⅱ類浸漬剝離率影響最大，竹/纖維和木/纖維膠層的變化趨勢相同，都是先減小后增加，在90 min時達到最小值，竹/木膠層在120 min時達到最小值。壓力對竹/纖維和木/纖維膠層的影響最小，其變化趨勢為隨著壓力的增加其Ⅱ類浸漬剝離率逐漸減小，在壓力為1.6 MPa時達到最小值，對于竹/木膠層，隨著壓力的增加，其Ⅱ類浸漬剝離率先減小后增加，在壓力為1.0 MPa時達到最小值。

表8 Ⅱ類浸漬剝離率的極差分析Tab.8 Range analysis of peel ratio typeⅡ

從處理方式來看，對于竹/木膠層，仍是木材及竹黃都經(jīng)過HMR處理后其Ⅱ類浸漬剝離率最低；對于竹/纖維表面，也仍是竹材只經(jīng)過KH550處理后其Ⅱ類浸漬剝離率最低；對于木/纖維膠層，木材經(jīng)過KH550和HMR共同處理后的Ⅱ類浸漬剝離率最低，但與木材未處理的情況相比，其減小幅度較小。

I類浸漬剝離率的極差分析如表9所示。

表9 I類浸漬剝離率的極差分析Tab.9 Range analysis of peel ratio type I

從表9的分析中可以看出，對于三個膠層的I類浸漬剝離率時間仍是影響最大的因素，并且三個膠層的變化趨勢與Ⅱ類浸漬剝離率的相同：竹/纖維和木/纖維膠層在90 min時達到最小值，竹/木膠層在120 min時達到最小值。

壓力對三個膠層的I類浸漬剝離率影響的變化趨勢與Ⅱ類浸漬剝離率的相同：竹/纖維和木/纖維膠層隨著壓力的增加其I類浸漬剝離率逐漸減小，在壓力為1.6 MPa時達到最小值，對于竹/木膠層，隨著壓力的增加，其I類浸漬剝離率先減小后增加，在壓力為1.0 MPa時達到最小值。

從處理方式來看，對于竹/木膠層，木材經(jīng)過HMR處理后其I類浸漬剝離率減小，而木材及竹黃都經(jīng)過HMR處理后，其I類浸漬剝離率反而略有增加，這可能是由于在煮沸條件下，HMR對于竹黃的作用有所減弱；對于竹/纖維膠層仍是竹材只經(jīng)過KH550處理后其I類浸漬剝離率達到最小值；對于木/纖維膠層，木材經(jīng)過KH550和HMR共同處理后的I類浸漬剝離率最低，但與其他兩種情況相比，其減小幅度也較小。

另外可以發(fā)現(xiàn)竹/木膠層比另外兩個膠層的I、Ⅱ類浸漬剝離率要高出很多，竹/纖維膠層比木/纖維膠層的I、Ⅱ類浸漬剝離率也要略高，分析原因可能是試驗中采用的竹材為展開竹，展開竹在生產的過程中經(jīng)過高溫整平，內部殘存有一定的內應力，在浸漬的過程中，內應力向外釋放，導致了浸漬剝離率的結果偏高。

對上述結果進行綜合比較分析，時間是對三個膠層的膠合強度和浸漬剝離率影響最大的因素，除了竹/木膠層的I、Ⅱ類浸漬剝離率在120 min條件下的結果最好外，其余都是在90 min條件下獲得最好的結果，因此時間選擇90 min。

對于壓力的選擇，在膠合強度分析中，1.0 MPa條件下膠合強度的綜合效果較好，而在浸漬剝離率分析中，1.6 MPa條件下浸漬剝離率的綜合效果較好，但是比較發(fā)現(xiàn)1.0 MPa與1.6 MPa條件下膠合強度的差別較小，因此壓力選擇1.6 MPa。

綜合分析處理方式對試驗結果的影響，對于竹/木膠層，木材及竹黃都經(jīng)過HMR處理后的試驗結果較好；對于竹/纖維膠層，竹青只經(jīng)過KH550處理后的試驗結果較好；對于木/纖維膠層，木材是否進行處理對試驗結果影響差別不大，因此可以選擇不處理。

綜上所述，優(yōu)化工藝的試驗方案為：時間為90 min，壓力為1.6 MPa，材料表面處理方式為竹/木膠層，木材及竹黃都進行HMR處理；竹/纖維膠層，竹青只進行KH550處理；木/纖維膠層，木材不處理。

2.3 驗證實驗

根據(jù)前面正交試驗得出的優(yōu)化工藝方案，同時為了驗證竹/木膠層的I、Ⅱ類浸漬剝離率較高是否由于展開竹存在較大的內應力的原因，對于竹材除了選用展開竹以外，還選用了疏解竹進行對比。按照前面圖1所示的工藝流程制備玄武巖纖維布增強竹木復合板材，測試方法也與前面相同，最終測試結果如表10所示。

從表10的測試結果中可以看出，采用優(yōu)化工藝方案制備的玄武巖纖維布增強竹木復合板材，相比前面的試驗結果，其干、濕態(tài)膠合強度都得到了較大的提高，I、Ⅱ類浸漬剝離率也有了較大幅度的下降。對比展開竹與疏解竹的復合板材試驗結果可以發(fā)現(xiàn)，二者的干、濕態(tài)膠合強度基本相同，而疏解竹試件則比展開竹試件的I、Ⅱ類浸漬剝離率有了明顯的下降，這說明展開竹加工過程中殘存的內應力確實對其浸漬剝離率產生了影響。

另外還對復合板材的靜曲強度和彈性模量進行了測量，其靜曲強度平均值為117 MPa，彈性模量平均值為7.55 GPa，遠大于竹編膠合板標準靜曲強度80 MPa，彈性模量大于5 GPa的要求[9]。

表10 驗證實驗結果Tab.10 Verif i cation experiment results

3 結論

通過正交試驗，以不飽和聚酯樹脂為膠黏劑，研究了玄武巖纖維布增強竹木復合板材的綜合優(yōu)化膠合工藝，通過試驗分析得出以下結論：

1）采用不飽和聚酯樹脂作為膠黏劑，制備玄武巖纖維布增強竹木復合板材的綜合優(yōu)化工藝方案為：時間為90 min，壓力為1.6 MPa，材料表面處理方式為竹/木膠層，竹黃與木材都采用HMR處理；竹/纖維膠層，竹青采用KH550處理；木/纖維膠層，木材不處理。

2）玄武巖纖維布增強竹木復合板材的膠合強度遠大于普通膠合板標準0.7 MPa的要求[10]，靜曲強度達到117 MPa，彈性模量達到了7.55 GPa，也遠大于竹編膠合板標準靜曲強度80 MPa，彈性模量大于5 GPa的要求，說明以不飽和聚酯樹脂為膠黏劑制備玄武巖纖維布增強竹木復合板材具有可行性，玄武巖纖維布對竹木復合板材具有較好的增強效果。

3）試驗中還發(fā)現(xiàn)展開竹復合板材試件的I、Ⅱ類浸漬剝離率較高，而疏解竹復合板材試件則比展開竹試件的I、Ⅱ類浸漬剝離率有了明顯的下降，這說明展開竹加工過程中殘存的內應力確實對其浸漬剝離率產生了不良影響。

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[8] GB/T 17657—2013 人造板及飾面人造板理化性能試驗方法[S].北京:中國標準出版社, 2013.

[9] GB/T 13123—2003 竹編膠合板[S].北京:中國標準出版社, 2003.

[10] GB/T 9846—2015 普通膠合板[S].北京:中國標準出版社, 2015.