顧少華，張文福，丁力，程海濤，王戈

(國(guó)際竹藤中心，北京100102)

竹子是一種生長(zhǎng)周期短、強(qiáng)度高、韌性強(qiáng)的森林資源，可加工成竹束、竹條、竹篾等不同的規(guī)格進(jìn)行加工利用。其中竹篾作為竹材常用的結(jié)構(gòu)單元，具有精細(xì)化、均一化、規(guī)格化等特點(diǎn)，以此研發(fā)的竹篾層積復(fù)合材料具有能耗低、產(chǎn)品質(zhì)量好、利用率高和成本低的優(yōu)點(diǎn)[1-3]。

由于竹篾組坯時(shí)易出現(xiàn)層間溝槽，尤其是層間垂直組坯工藝制備的竹篾層積材，物理力學(xué)性能會(huì)大大降低。因此，為減少孔隙對(duì)膠合性能的影響，實(shí)際生產(chǎn)中會(huì)采用單向組坯與高壓工藝，這也導(dǎo)致了產(chǎn)品的橫向強(qiáng)度遠(yuǎn)低于縱向強(qiáng)度，使用范圍受限[4]，當(dāng)該類板材在作用時(shí)間較短的沖擊載荷作用下，單元的增強(qiáng)作用不能得到有效的傳遞，韌性作用也受到削弱，易導(dǎo)致板材迅速失效，不利于在對(duì)質(zhì)量輕、均布載荷要求較高的滑板領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。

在以往借鑒工藝中，為減少孔隙影響，在保證膠合性能基礎(chǔ)上，減小橫縱向強(qiáng)度差異同時(shí)降低材料密度。杜春貴等[5]曾經(jīng)提出將材質(zhì)較軟的木單板引入進(jìn)行垂直組坯，填補(bǔ)竹篾簾所造成的溝槽痕跡，制備出密度大于0.95 g/cm3的木-竹篾復(fù)合板材；任一萍等[6]探究了組坯方式對(duì)竹篾層積材性能的影響，發(fā)現(xiàn)相同工藝條件下，相比于順向組坯板材(0.77 g/cm3)，垂直組坯板材(0.76 g/cm3)的靜曲強(qiáng)度下降了31.31%、彈性模量下降了24.96%。因此，竹篾層積材的順紋單向組坯與密度高的特征依然未得到有效解決。

在復(fù)合材料領(lǐng)域，玻璃纖維(以下簡(jiǎn)稱玻纖)由于成本低和優(yōu)異的力學(xué)性能，作為增強(qiáng)體被廣泛應(yīng)用于汽車和體育行業(yè)[7]。而使用玻纖交叉織成的玻璃纖維布(以下簡(jiǎn)稱玻纖布)具有各向延伸率高的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于建筑[8]、電子[9]、發(fā)電[10]等領(lǐng)域。尤其在建筑行業(yè)中，玻纖布的引入使外墻保溫系統(tǒng)所受的應(yīng)力均勻分散，避免由于碰撞、擠壓所造成的整個(gè)結(jié)構(gòu)的變形，其較高的經(jīng)緯向抗拉強(qiáng)度起到了“軟鋼筋”的作用[11]。

現(xiàn)有研究中，已出現(xiàn)部分關(guān)于利用玻纖、玻纖布作為增強(qiáng)材料引入木材人造板中的研究報(bào)道，如梅長(zhǎng)彤等[12]、鐘偉等[13]、崔舉慶等[14]制備的玻纖增強(qiáng)楊木單板層積材，張雙保等[15]和Song等[16]制備了玻纖布增強(qiáng)楊木質(zhì)(纖維)復(fù)合材料,并通過不同濃度硅烷偶聯(lián)劑處理玻纖布，以增強(qiáng)玻纖布與酚醛膠的界面性能研究等，但是玻纖布在竹材人造板領(lǐng)域的復(fù)合應(yīng)用較少。基于此，本研究以竹篾和環(huán)氧樹脂為原材料，選用不同規(guī)格的玻纖布，按照竹篾-玻纖布-竹篾的結(jié)構(gòu)，制備低密度玻纖布增強(qiáng)竹篾層積復(fù)合材料，測(cè)試分析復(fù)合材料的物理力學(xué)性能和抗沖擊性能，探索玻纖布對(duì)竹篾層積復(fù)合材料增強(qiáng)增韌效果和作用機(jī)制，以期為制備低密度高性能竹篾層積復(fù)合材料及其高附加值應(yīng)用提供參考借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

毛竹竹篾：四川宜賓采樣制備，平均厚度為0.96 mm，寬度為4 cm，平均密度為0.55 g/m3。

玻纖布：KH550硅烷偶聯(lián)劑處理，市購(gòu)于北京興海興網(wǎng)格布廠，指標(biāo)見表1。

表1 玻纖布面密度與強(qiáng)度參數(shù)Table 1 The glass fiber mesh surface density and strength parameters

環(huán)氧樹脂：616環(huán)氧樹脂膠，氯丙烷合成物，購(gòu)于無(wú)錫錢廣化工原料有限公司。

固化劑：H-023胺類固化劑，購(gòu)于無(wú)錫錢廣化工原料有限公司。

1.2 儀器設(shè)備

熱壓機(jī)(CARVER 3895)、力學(xué)試驗(yàn)機(jī)(INSTRON 5582)、氣流式干燥箱(DHG 9240A)、場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電鏡(FEI-ESEM XL30)、全數(shù)字落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)(Instron dynatup 9250HV)、電子數(shù)顯卡尺等。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 原料加工

竹篾片制備：為便于板材組坯，將竹篾用棉線橫向連接，制成寬160 mm、長(zhǎng)300 mm的片材，氣干至含水率10%～12%，待用。

玻纖布制備：將3種玻纖布截取成17.5 cm×30 cm片狀，待用。

環(huán)氧樹脂復(fù)配：將環(huán)氧樹脂水浴加熱至60 ℃后，與固化劑按質(zhì)量比4∶1混合攪拌。

1.3.2 復(fù)合材料制備

何良諸懷疑，這么重大的事件，消息將迅速傳遍省城，地方將立即上報(bào)中央，說(shuō)不定互聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)在就發(fā)布新聞了，而且有聲有色，夸大其辭，唯恐天下不亂。那些人，能輕易被放回來(lái)嗎？

將竹篾片順紋組坯(圖1)20層竹篾+3層玻纖布，初始厚度約為19 mm，并用膠輥在各層均勻涂膠，實(shí)驗(yàn)中板材幅面設(shè)定為300 mm×160 mm，設(shè)計(jì)密度為0.70 g/cm3。借鑒市面滑板厚度，采用14 mm厚度規(guī)格。采用“熱進(jìn)熱出”工藝參數(shù)：壓力3 MPa，熱壓15 min，保壓15 min，溫度110 ℃。

圖1 玻纖布增強(qiáng)竹篾層積材組坯結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 The layered structure diagram of G-LBSL

本次實(shí)驗(yàn)共制備4種板材，分別為竹篾層積材對(duì)照組Ⅰ以及由3種不同面密度玻纖布復(fù)合而成的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 3組玻纖布增強(qiáng)竹篾層積材(G-LBSL)，最終成品板厚度為14 mm，平均密度為(0.71±0.01)g/cm3，環(huán)氧膠分布約為290 g/m2，含水率穩(wěn)定在(4.54±0.18)%。

1.3.3 性能測(cè)試

竹篾層積復(fù)合材料在溫度(23±2)℃、相對(duì)濕度(55±3)%的環(huán)境中陳放48 h后，制備力學(xué)測(cè)試樣，每種測(cè)試有效試樣3個(gè)。

1)截取4種層積材的橫截面部分，采用場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡(FEG XL-30)觀察竹篾之間、竹篾與玻纖布之間膠合界面顯微形貌。

2)參照LY/T 1072—2002《竹篾層積材》和GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》制備并檢測(cè)試件的密度、沖擊韌性、靜曲強(qiáng)度、彈性模量、膠合強(qiáng)度。

3)由于此次實(shí)驗(yàn)原材料為連續(xù)竹篾帶鋪裝，具有層積結(jié)構(gòu)，參照GB/T 20241—2006《單板層積材》檢測(cè)試件的水平剪切強(qiáng)度，水平剪切破壞結(jié)束后，截取具有明顯破壞特征的部分進(jìn)行制樣，采用場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察微觀形貌。

4)采用全數(shù)字落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)試板材抗擊性能，試樣尺寸為100 mm×100 mm。為保證試樣的完全破壞，沖擊動(dòng)能設(shè)置為100 J，沖擊載荷與撓度由速度變化量進(jìn)行積分求出，破壞后用INFINITY顯微鏡相機(jī)記錄板材沖擊截面形貌。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合材料結(jié)合界面

圖2 竹篾層積材與玻纖布-竹篾層積材擠壓界面Fig. 2 The squeezing interface of LBSL and G-LBSL

2.2 玻纖布對(duì)竹篾層積材力學(xué)性能的影響

2.2.1 靜曲強(qiáng)度與彈性模量

玻纖布-竹篾層積材物理力學(xué)性能見表2。由表2可知，隨著玻纖布加入，彈性模量顯著提高，靜曲強(qiáng)度有所下降。這是因?yàn)殪o曲強(qiáng)度和彈性模量分別反映了材料的強(qiáng)度(抗彎曲破壞的能力)和剛度(產(chǎn)生彈性變形難易程度)，玻纖布加入部分的膠層間強(qiáng)度減弱，彎曲過程中抵抗膠層破壞的能力下降，靜曲強(qiáng)度隨之下降；但玻纖布在力學(xué)上的承載作用使得板材彈性模量顯著提高。

表2 玻纖布-竹篾層積材物理力學(xué)性能Table 2 The physical and mechanical properties of G-LBSL

注：Ⅰ為L(zhǎng)BSL對(duì)照組；Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ為G-LBSL實(shí)驗(yàn)組；采用Duncan’s multiple range test方法分析，同一列不同小寫字母表示顯著性差異(P<0.05)。下同。

圖3 竹篾層積材與玻纖布-竹篾層積材剪切界面Fig. 3 The shear-damaged interface of LBSL and G-LBSL

當(dāng)試樣Ⅱ中加入面密度為35 g/m2的玻纖布時(shí)增強(qiáng)效果較明顯，與Ⅰ組呈現(xiàn)顯著性差異，彈性模量提高26.4%，靜曲強(qiáng)度相對(duì)于Ⅲ、Ⅳ也下降最低，比Ⅰ組下降約8.9%，且靜曲強(qiáng)度值大于以往所測(cè)的市面流通竹質(zhì)滑板面板性能(約為97.6 MPa)[17]。彈性模量的提高，可能是因?yàn)楹暧^條件下，竹篾片與玻纖布層與層之間力的逐漸傳遞，而微觀條件下，在圖2b中玻纖擠入強(qiáng)度較低的薄壁細(xì)胞之中，增加的機(jī)械交聯(lián)阻止了纖維與基體界面裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展。隨著加入玻纖布面密度的提高，竹篾-玻纖布層間膠合強(qiáng)度下降，彈性模量也呈現(xiàn)略微下降的趨勢(shì)。由于在彎曲試驗(yàn)中，中性面以上受到壓應(yīng)力作用影響，以下受到拉引力影響，中性面受到最大剪切力作用，而試樣Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ破壞均為中性面滑移，因此，可推測(cè)水平剪切強(qiáng)度的變化與靜曲強(qiáng)度的變化趨勢(shì)一致。

2.2.2 水平剪切強(qiáng)度

通過短梁法垂直加載，使試件在測(cè)試過程中受壓變彎，進(jìn)而產(chǎn)生正應(yīng)力進(jìn)行剪切強(qiáng)度計(jì)算。由表2得，玻纖布的加入使得復(fù)合層積材水平剪切強(qiáng)度下降明顯，且隨著玻纖布面密度的降低依次下降了41.0%，22.8%，20.9%，其中，Ⅱ組試樣的水平剪切強(qiáng)度最接近于市面流通的竹滑板性能(約為9.65 MPa)[17]。通過觀察試樣發(fā)現(xiàn)，對(duì)照試樣Ⅰ出現(xiàn)滑移碎塊，且占整個(gè)橫截面2/3以上，說(shuō)明膠合整體性較高。而試樣Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ均為中部玻纖布與竹篾片層間滑移，與Ⅰ組試樣均呈現(xiàn)極顯著性差異，說(shuō)明玻纖布-竹篾之間的膠層強(qiáng)度遠(yuǎn)低于竹篾間膠層強(qiáng)度，玻纖布與上下竹篾難以成為一個(gè)整體區(qū)域。而隨著玻纖布面密度的降低，玻纖布上下層的竹篾片接觸膠合面增加，水平剪切強(qiáng)度也隨之提高，且與靜曲強(qiáng)度變化趨勢(shì)相同。這是因?yàn)槎塘菏軌哼^程中，玻纖布也起到受力承載作用，因此，板材的水平剪切強(qiáng)度受到了膠層強(qiáng)度與靜曲強(qiáng)度共同影響，需要進(jìn)一步利用膠合強(qiáng)度作為指標(biāo)分析。

2.2.3 膠合強(qiáng)度

通過拉伸剪切來(lái)檢驗(yàn)?zāi)z合質(zhì)量，玻纖布的加入降低了竹篾層積材拉伸剪切性能，隨著面密度增加，依次下降了18.16%，23.85%，30.35%。通過分析宏觀破壞面可以得出：試樣Ⅰ剪切面完全為竹篾帶之間膠合層破壞，甚至由于膠合層強(qiáng)度較高，出現(xiàn)了切面端部拉伸破壞的痕跡。而試樣Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ破壞均為玻纖布一側(cè)滑移，切面端部平整，所以可得出其界面抗剪性能較弱。

通過掃描電鏡觀察剪切破壞面，由圖3a可以看出，剪切界面出現(xiàn)竹篾斷裂，因此可確定對(duì)照組試樣Ⅰ剪切面為竹篾間膠合界面滑移破壞;而圖3b中玻纖布-竹篾界面平整且無(wú)竹篾拉伸斷裂，說(shuō)明了玻纖布-竹篾膠合強(qiáng)度低于竹篾間膠合;且通過電鏡照片圖3c可以看出，玻纖表面光滑，環(huán)氧裹附產(chǎn)生機(jī)械作用力較弱，受力易滑移，進(jìn)一步導(dǎo)致了玻纖布-竹篾層間膠合強(qiáng)度的降低。

2.3 玻纖布對(duì)竹篾層積材抗沖擊性能的影響

通過落錘沖擊試驗(yàn)對(duì)板材進(jìn)行沖擊性能評(píng)價(jià)，原理是落錘以一定速度下落，傳感器記錄落錘接觸試件過程中的速度變化，根據(jù)能量守恒原理計(jì)算出試件在破壞過程中沖擊載荷與撓度變化。沖擊載荷與沖擊過程中的位移(下稱沖擊撓度)分別由公式(1)與公式(2)計(jì)算：

Ft=mat=mdvt/dt

(1)

(2)

式中：Ft為沖擊載荷，N；m為落錘質(zhì)量，kg；at表示瞬時(shí)加速度；vt為試驗(yàn)過程中瞬時(shí)速度；Dt為沖擊過程中落錘的位移，m。

考慮到滑板等運(yùn)動(dòng)類器材在實(shí)際應(yīng)用中的重復(fù)、快速的受沖擊特性，因此，需在線性范圍內(nèi)得到材料的彈性變形難易程度，以此借鑒船舶隔振器所需的抗沖特性-沖擊剛度進(jìn)行測(cè)試評(píng)價(jià)[18]，原理是材料在受到?jīng)_擊載荷時(shí),通過彈性變形將沖擊能量轉(zhuǎn)為勢(shì)能并以較緩慢的形式釋放出來(lái)，即表示出材料抵抗變形的能力[19]。同時(shí)避免了組間試樣厚度影響，沖擊剛度可通過對(duì)沖擊撓度與沖擊載荷曲線(圖4a)取彈性范圍階段折線進(jìn)行Origin線性擬合(圖4b)，得到斜率進(jìn)行取值分析。

圖4 竹篾層積材與G-LBSL沖擊曲線(a)和斜率趨勢(shì)擬合圖(b)Fig. 4 The impact performance curve of LBSL and G-LBSL(a)and fitting graph of slope trend(b)

對(duì)沖擊剛度進(jìn)行方差分析，發(fā)現(xiàn)玻纖布的加入使抵抗沖擊的能力顯著增加，對(duì)照組Ⅰ與試樣Ⅱ、Ⅲ兩組呈顯著差異(表3)；而玻纖布面密度達(dá)到160 g/m2時(shí)，試樣Ⅱ的沖擊剛度最優(yōu)，相對(duì)于Ⅰ組增加了55.1%，且與Ⅱ、Ⅲ組呈現(xiàn)顯著差異。通過最大載荷進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，隨著玻纖布面密度的減小，最大載荷平均值也會(huì)隨之降低。而當(dāng)玻纖布面密度為100和160 g/m2，沖擊最大載荷、沖擊剛度二者差異性不明顯。因此，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，在避免界面強(qiáng)度下降過大的情況下，可選擇面密度為100 g/m2的玻纖布應(yīng)用。

表3 竹篾層積材與玻纖布-竹篾層積材抗沖擊性能Table 3 Impact resistance of LBSL and G-LBSL

結(jié)合組圖5對(duì)出射面的損傷形貌進(jìn)行分析，會(huì)發(fā)現(xiàn)玻纖布的存在，使得沖擊力均勻加載分散，降低單純的竹篾順紋組坯存在的各向異性影響，提高對(duì)斷裂載荷的承載。由圖5a可以看出，竹篾層積材試樣落錘出射面竹篾以拉伸斷裂為主，且出射面層層遞進(jìn)，裂紋擴(kuò)展與竹篾方向平行[20]；由圖5b可看出，交錯(cuò)的玻纖布與基體界面的不連續(xù)性有效地抑制了擴(kuò)展，利于對(duì)沖擊力進(jìn)行分散且均勻往下層遞進(jìn)。具體作用效果：內(nèi)層玻纖布使得沖擊界面在擴(kuò)展過程中進(jìn)行能量積累，提高了斷裂吸收能，增加了沖擊剛度，而下層玻纖布的抑制性使得沖擊力受到了減弱與分散[21]，出現(xiàn)了圖中的呈鼓泡狀向外擴(kuò)展的現(xiàn)象。

圖5 竹篾層積材試樣(a)和玻纖布-竹篾層積材試樣(b)破壞示意圖Fig. 5 The failure schematic of LBSL(a)and G-LBSL(b)

3 結(jié) 論

玻纖布的復(fù)合使得傳統(tǒng)竹篾層積材在降低密度(7%～21%)的基礎(chǔ)上，抗沖擊性能隨著玻纖布面密度的增加逐漸改善，其中抗沖擊載荷增加10%～29%、沖擊剛度增加25%～55%；彈性模量也得到改善，但由于玻纖層-竹篾層的膠合界面問題使得彈性模量的增量與玻纖布密度呈現(xiàn)反比例關(guān)系，增加約為21%。因此玻纖布的加入，能夠在發(fā)揮竹篾單元柔韌性優(yōu)良的基礎(chǔ)上，保持較優(yōu)的彎曲性能，也同時(shí)提高了縱橫向抵抗沖擊破壞的能力。對(duì)于彈性、韌性和穩(wěn)定性能要求較高的體育運(yùn)動(dòng)器材制備，具有一定的參考價(jià)值。