張思成,盛冬發(fā),董春雷,齊榮慶

(1. 西南林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,昆明 650224;2. 西南林業(yè)大學(xué) 材料工程學(xué)院, 昆明 650224)

0 引 言

世界上的四大基礎(chǔ)原材料分別為木質(zhì)原材料、塑料、鋼材和水泥，而其中僅僅只有木質(zhì)原材料是屬于可再生資源。然而，由于人類大規(guī)模濫砍濫伐與破壞森林等不文明行為，造成如今木材資源的嚴(yán)重不足[1]。作為木材的替代產(chǎn)品，秸塑復(fù)合材料有較好的力學(xué)性能、環(huán)保性能及可回收再利用性能，業(yè)已在各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，受到世界各國與相關(guān)環(huán)保部門高度關(guān)注。在實(shí)際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中，秸稈的生產(chǎn)量相當(dāng)驚人，僅每1kg小麥就可以產(chǎn)出1.5 kg的麥秸。而根據(jù)聯(lián)合國環(huán)境署(United Nations Environment Programme)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，世界上每年多種糧食農(nóng)作物所產(chǎn)生的秸稈產(chǎn)量高達(dá)18億噸[2]。中國作為傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國，在我國農(nóng)作物主要以小麥、水稻和棉花為主，每年產(chǎn)出的秸稈總量約為7億噸，其中小麥和水稻秸稈占60%。這些農(nóng)作物秸稈的年產(chǎn)量巨大，生物纖維含量極其豐富，可作為原材料以替代木質(zhì)原材料的重要資源[3]。然而我國對農(nóng)作物秸稈的利用處理方法還相對落后，除了造紙和作為牲畜飼料外，大多數(shù)仍是以掩埋或焚燒方法處理，不僅浪費(fèi)資源同時(shí)還造成了環(huán)境污染[4]。于是針對我國的這種現(xiàn)狀，秸稈的合理有效化利用就成為了迫切的需求。同時(shí)由于全球能源短缺與環(huán)境氣候問題的惡化等有關(guān)環(huán)境能源問題的嚴(yán)峻趨勢，利用可再生的生物資源以用來制造新型復(fù)合材料，就愈發(fā)引起了人們的高度重視[5]。

秸塑復(fù)合材料(SPC)是以植物纖維為主要成分，并通過與熱塑性塑料混合，選用合理的加工成型方法復(fù)合而形成的一種新型復(fù)合材料[6]，具有生物降解性與可再生性，可應(yīng)用于高溫、長期荷載等工作環(huán)境中，在環(huán)境保護(hù)和節(jié)約資源方等面均具有重要的意義。隨著現(xiàn)代科學(xué)研究的深入發(fā)展，秸稈基礎(chǔ)質(zhì)原料分子聚合物即秸塑復(fù)合材料已經(jīng)被研制生產(chǎn)出來[7]。秸塑復(fù)合材料可以充分利用廢舊麥秸稈與廢舊塑料實(shí)現(xiàn)了廢棄物的循環(huán)利用，達(dá)到環(huán)保的目的，因此被世界上許多國家列為新型環(huán)保節(jié)能綠色產(chǎn)品[8]。秸塑復(fù)合材料作為一種新型復(fù)合材料，其產(chǎn)品在美國、英國、法國、日本等國家的各行業(yè)特別是建筑行業(yè)簡到廣泛應(yīng)用，而在我國的應(yīng)用還有待于提高[9]。隨著秸塑復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用，其靜動(dòng)態(tài)蠕變特性已成為工程界一項(xiàng)重要課題，引起材料和力學(xué)研究人員極大興趣。美國材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)(American Society of Testing Materials)出臺(tái)了秸塑復(fù)合材料的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[10-12]。然而，國內(nèi)對秸塑復(fù)合材料的研究大都側(cè)重在材料制備方法上，而對于其材料靜動(dòng)態(tài)蠕變特性的研究相對較少，關(guān)于秸塑復(fù)合材料的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)仍未見報(bào)道[13-15]。

由于秸塑復(fù)合材料中植物纖維是與塑料相互黏結(jié)，而絕大多數(shù)塑料的性能受溫度影響較大，因此研究秸塑復(fù)合材料的蠕變特性隨溫度變化的關(guān)系顯得十分重要[16]。此外，秸塑復(fù)合材料的蠕變過程應(yīng)是應(yīng)力以及環(huán)境溫度共同作用的結(jié)果。隨著應(yīng)力的遞增秸塑復(fù)合材料的蠕變力學(xué)性能會(huì)出現(xiàn)顯著變化，因而在研究秸塑復(fù)合材料靜動(dòng)態(tài)蠕變屬性時(shí)必須顧及應(yīng)力的影響因素[17]。

本文研討秸塑復(fù)合材料在等溫不同應(yīng)力下和等應(yīng)力不同溫度下的短期蠕變行為。首先，進(jìn)行了等溫不同應(yīng)力下以及等應(yīng)力不同溫度下的蠕變試驗(yàn)，取得等溫不同應(yīng)力以及等應(yīng)力不同溫度前提下的蠕變?nèi)崃颗c時(shí)間的關(guān)系曲線。利用時(shí)間-溫度-應(yīng)力等效原理分析了秸塑復(fù)合材料的非線性蠕變行為，分別得到了在參考應(yīng)力水平下與參考溫度下的蠕變主曲線，并利用Burgers力學(xué)模型進(jìn)行擬合，得到了秸塑復(fù)合材料的蠕變?nèi)崃亢瘮?shù)表達(dá)式。充分利用WLF表達(dá)式，通過秸塑復(fù)合材料在高溫高應(yīng)力前提下的蠕變?nèi)崃客茖?dǎo)了該材料在低溫低應(yīng)力前提下的蠕變?nèi)崃?，從而可以通過在較高溫度或較高應(yīng)力水平下的短時(shí)間蠕變行為來預(yù)測在低溫或較低應(yīng)力水平下材料的長時(shí)間蠕變行為。

1 蠕變模型及時(shí)間溫度應(yīng)力等效原理

能將一個(gè)Kelvin分析模型和一個(gè)Maxwell分析模型串連起來即可獲得秸塑復(fù)合材料的Burgers蠕變力學(xué)分析模型[18]如圖1所示。

圖1 秸塑復(fù)合材料Burgers蠕變模型

該模型的應(yīng)力σ和應(yīng)變?chǔ)趴捎迷⒘勘硎緸?/p>

(1)

式中ε1為彈性變形，ε2為黏性變形，ε3為黏彈性變形，E1為瞬時(shí)彈性模量，E3為延時(shí)彈性模量，η2為黏性系數(shù)，η3為黏彈性系數(shù)。再由Laplace變換與逆變換可導(dǎo)出該力學(xué)模型的本構(gòu)關(guān)系為

(2)

對該力學(xué)模型的本構(gòu)方程(2)進(jìn)行Laplace變換與逆變換，則可推導(dǎo)出秸塑復(fù)合材料的蠕變過程的表達(dá)式為

(3)

并令

(4)

時(shí)間-溫度-應(yīng)力等效原理[19]認(rèn)為黏彈性建筑材料在不同時(shí)間尺度上的力學(xué)行為可以通過改變環(huán)境溫度來促成，其實(shí)質(zhì)在于建筑材料黏彈性松弛時(shí)間的環(huán)境溫度相關(guān)性，并且應(yīng)力前提同溫度前提條件具備等效性。根據(jù)此原理能夠?qū)⒉煌h(huán)境實(shí)驗(yàn)溫度或不同應(yīng)力下的蠕變曲線進(jìn)行平行移位，從而形成在參考溫度或參考應(yīng)力下的蠕變主曲線，進(jìn)而通過材料在較高溫度或較大應(yīng)力前提下的短期蠕變行為來預(yù)測材料在較低應(yīng)力前提水平或較低溫度前提下的長期蠕變行為。在該理論中，有著名的WLF(Williams-Landel-Ferry)方程[20]即

(5)

式中ασ為應(yīng)力移位因子，αT為溫度移位因子，C1、C2、D1、D2均為材料常數(shù)，σ為應(yīng)力，σ0為參考應(yīng)力，T為溫度，T0為參考溫度。需要說明的是，本文所求解的秸塑復(fù)合材料的WLF方程的適用溫度范圍為10～160 ℃。

2 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)儀器采用深圳三思縱橫科技股份有限公司生產(chǎn)的新型微機(jī)控制電子式蠕變持久試驗(yàn)機(jī)。實(shí)驗(yàn)原料選用德州臨邑?zé)o畏同創(chuàng)農(nóng)業(yè)科技有限公司生產(chǎn)的小麥秸稈粉(60目篩)以及杭州長惠進(jìn)出口公司生產(chǎn)的HDPE回收廢棄塑料。將秸稈粉經(jīng)干燥處理后，按照與HDPE回收廢棄塑料所占配料比約為70∶30進(jìn)行混合，再加入粘合劑采用熱壓工藝進(jìn)行制備，將所制備的秸塑復(fù)合材料通過制樣機(jī)加工后即得到實(shí)驗(yàn)所用試件，且試件尺寸為100 mm×15 mm×15 mm。將試件分成數(shù)量相等的兩批試件，同時(shí)進(jìn)行預(yù)處理即將兩批試件置于恒溫恒濕箱中密閉加熱至90 ℃，然后恒溫2 h后取出，在室溫的條件下靜置冷卻36 h，這樣預(yù)處理保證了兩批試件處于同一初始狀態(tài)。

等溫度不同應(yīng)力下的蠕變實(shí)驗(yàn)，將第一批試件進(jìn)行預(yù)處理后加熱至85 ℃，再以1 ℃/min的冷卻速率冷卻至測試溫度60 ℃，然后將試件保持恒溫60 min，再分別進(jìn)行在1.5、3、4.5和6 MPa的恒拉應(yīng)力作用下蠕變實(shí)驗(yàn)。將實(shí)驗(yàn)取得的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換演變成蠕變?nèi)崃康姆绞剑瑒t取得等溫度各異應(yīng)力下的蠕變實(shí)驗(yàn)曲線，并均以t×103s取對數(shù)作為橫坐標(biāo)的值，例如見圖2所示。從圖2中可以反映出隨著應(yīng)力的增大時(shí)，秸塑復(fù)合材料的蠕變?nèi)崃恳搽S之增大，此時(shí)該蠕變曲線反應(yīng)了秸塑復(fù)合材料的非線性黏彈性。

圖2 等溫度不同拉應(yīng)力下的蠕變?nèi)崃壳€

等拉應(yīng)力不同溫度下的蠕變實(shí)驗(yàn)，將第二批試件進(jìn)行預(yù)處理后加熱至85 ℃，再以1 ℃/min的冷卻速率分別冷卻至測試溫度60、50、40、30和20 ℃，然后將試件保持恒溫60 min，再進(jìn)行在6 MPa恒拉應(yīng)力作用下蠕變實(shí)驗(yàn)。將實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為蠕變?nèi)崃康男问?，則得到等應(yīng)力不同溫度下的蠕變實(shí)驗(yàn)曲線，并均以t×103s取對數(shù)作為橫坐標(biāo)的值，如圖3所示。從圖3中可以很容易看出秸塑復(fù)合材料的蠕變性能受溫度影響較為顯著，當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度升高時(shí)該材料的蠕變?nèi)崃侩S之增大。

圖3 等應(yīng)力不同溫度下的蠕變?nèi)崃壳€

3 結(jié)果與討論

3.1 等溫度不同應(yīng)力蠕變性能分析

以圖2中的1.5 MPa拉應(yīng)力為參考應(yīng)力，將圖2中其他應(yīng)力技術(shù)水平的蠕變曲線進(jìn)行相應(yīng)的水平移位，即可獲得秸塑復(fù)合材料的蠕變?nèi)崃恐髑€，例如見圖4所示。

圖4 蠕變?nèi)崃恐髑€

圖5 應(yīng)力移位因子與應(yīng)力的關(guān)系

在平行位移的過程中，可得到相應(yīng)的應(yīng)力移位因子ασ，據(jù)此得出應(yīng)力移位因子ασ與應(yīng)力σ-σ0之間的關(guān)系如圖5所示。對式(5)進(jìn)行非線性回歸擬合，則可得到材料常數(shù)C1=0.253、C2=-1.2 MPa。從而秸塑復(fù)合材料的WLF方程即為

(6)

接著將圖4中的蠕變?nèi)崃恐髑€利用Burgers蠕變分析模型即等式(4)展開擬合，能求得該類分析模型中的待定參數(shù)值，例如從表1所示

表1 Burgers蠕變模型擬合參數(shù)

從而秸塑復(fù)合材料的蠕變?nèi)崃亢瘮?shù)表達(dá)式為

J(t)=0.231+0.261(1-e-0.0278t)+1.128×10-8t

(當(dāng)σ0=1.5 MPa時(shí))

(7)

在表1中，Burgers蠕變分析模型的擬合相關(guān)系數(shù)為0.98557，說明該類力學(xué)模型的擬合準(zhǔn)確度中較高，通過該類力學(xué)模型取得的蠕變?nèi)崃坷碚撝蹬c實(shí)驗(yàn)數(shù)值極其趨近。對于等溫度不同應(yīng)力的其他曲線，同樣利用時(shí)間-溫度-應(yīng)力等效原理分別以3、4.5和6MPa為參考應(yīng)力進(jìn)行平行移位得到蠕變主曲線再同樣利用Burgers蠕變模型進(jìn)行擬合，則可分別得到三種參考應(yīng)力條件下的蠕變?nèi)崃亢瘮?shù)表達(dá)式，即

J(t)=0.244+0.298(1-e-0.0334t)+1.576×10-8t

(當(dāng)σ0=3 MPa時(shí))

J(t)=0.253+0.316(1-e-0.0471t)+1.739×10-8t

(當(dāng)σ0=4.5 MPa時(shí))

J(t)=0.276+0.439(1-e-0.0562t)+1.896×10-8t

(當(dāng)σ0=6 MPa時(shí))

(8)

需要說明的是，限于篇幅，這里不再贅述其他3種參考應(yīng)力條件下的蠕變主曲線。從式(7)和式(8)很容易看出秸塑復(fù)合材料的蠕變?nèi)崃亢瘮?shù)受參考應(yīng)力變化的影響，當(dāng)增大應(yīng)力時(shí)該材料的蠕變?nèi)崃侩S之增大。該理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，容易發(fā)現(xiàn)理論與試驗(yàn)結(jié)果接近。

3.2 等應(yīng)力不同溫度蠕變性能分析

以圖3中的60 ℃為參考溫度，其它應(yīng)力的蠕變曲線進(jìn)行相應(yīng)地水平移位，即可得到秸塑復(fù)合材料的蠕變?nèi)崃恐髑€如圖6所示。

圖6 蠕變?nèi)崃恐髑€

圖7 時(shí)溫移位因子與溫度的關(guān)系

并且在平行位移的過程中，可得到對應(yīng)的溫度移位因子αT。據(jù)此得到溫度移位因子αT與溫度T-T0之間的關(guān)系如圖7所示。對式(5)進(jìn)行非線性回歸擬合，則可得到材料常數(shù)D1=0.946、D2=-29.851 ℃。從而秸塑復(fù)合材料的WLF方程可寫為

(9)

對于圖6中的蠕變主曲線，可利用Burgers蠕變分析模型，即等式(4)進(jìn)行擬合，可得該類分析模型中的待定參數(shù)值，如表2所示。

表2 Burgers蠕變模型擬合參數(shù)

從而秸塑復(fù)合材料的蠕變?nèi)崃亢瘮?shù)表達(dá)式為

J(t)=0.276+0.439(1-e-0.0562t)+1.896×10-8t

(當(dāng)T0=60 ℃時(shí))

(10)

在表2中，Burgers蠕變模型的擬合相關(guān)系數(shù)R2為0.97789，說明該模型的擬合精度較高。通過此力學(xué)模型得到的蠕變?nèi)崃坷碚撝蹬c實(shí)驗(yàn)值較為接近，可為秸塑復(fù)合材料的蠕變性能分析提供一定參考依據(jù)。對于等應(yīng)力不同溫度的其余曲線，同樣利用時(shí)間-溫度-應(yīng)力等效原理分別以50、40、30、20 ℃為參考溫度進(jìn)行平行移位得到蠕變主曲線，再利用Burgers蠕變模型進(jìn)行擬合，則可得到四種不同參考溫度條件下的蠕變?nèi)崃亢瘮?shù)表達(dá)式即

J(t)=0.261+0.357(1-e-0.0483t)+1.773×10-8t

(當(dāng)T0=50 ℃時(shí))

J(t)=0.249+0.306(1-e-0.0369t)+1.614×10-8t

(當(dāng)T0=40 ℃時(shí))

J(t)=0.238+0.276(1-e-0.0297t)+1.225×10-8t

(當(dāng)T0=30 ℃時(shí))

J(t)=0.226+0.255(1-e-0.0236t)+1.116×10-8t

(當(dāng)T0=20 ℃時(shí))

(11)

需要說明的是，限于篇幅，這里也不贅述其他參考溫度條件下的蠕變主曲線。從式(10)、式(11)可以看出秸塑復(fù)合材料的蠕變?nèi)崃渴軠囟茸兓挠绊戄^為明顯，當(dāng)溫度升高時(shí)該材料的蠕變?nèi)崃侩S之增大。將理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)理論與實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果相近。

最后，可借助求解出的秸塑復(fù)合材料的時(shí)間-溫度-應(yīng)力的等效原理中的WLF方程即式(6)或式(9)，經(jīng)由該材料在較高溫度或較高應(yīng)力前提下的短時(shí)間蠕變行為來預(yù)測材料在低溫或較低應(yīng)力水平前提下的長時(shí)間蠕變行為。下面利用高溫與高應(yīng)力前提下的短時(shí)間蠕變行為，簡述預(yù)測對秸塑復(fù)合材料在低溫或較低應(yīng)力水平前提下長時(shí)間蠕變行為的推導(dǎo)過程。以式(6)中得到的參考應(yīng)力1.5 MPa下的應(yīng)力移位因子為

J(t)=0.132+0.211(1-e-0.0137t)+0.783×10-8t

(12)

圖8 20 ℃、1.5 MPa時(shí)的蠕變?nèi)崃恐髑€

已知條件，將式(11)中當(dāng)T0=20 ℃時(shí)的蠕變?nèi)崃亢瘮?shù)即進(jìn)行平行移位，得到在參考應(yīng)力1.5 MPa，溫度為20 ℃條件下的蠕變主曲線如圖8所示。此時(shí)秸塑復(fù)合材料的蠕變?nèi)崃亢瘮?shù)為經(jīng)過上面的分析探討，表明借助秸塑復(fù)合材料的時(shí)間-溫度-應(yīng)力等效性原理中的WLF公式方程，我們可以通過秸塑復(fù)合材料在高溫或高應(yīng)力水平前提下的短期蠕變行為來預(yù)測該類原材料在低溫或低應(yīng)力前提下的長期蠕變行為。

4 結(jié) 論

(1)進(jìn)行了秸塑復(fù)合材料在等溫不同拉應(yīng)力與等拉應(yīng)力不同溫度下的蠕變實(shí)驗(yàn)，利用Burgers力學(xué)模型與時(shí)間-溫度-應(yīng)力等效性原理中的WLF方程，擬合得到秸塑復(fù)合材料的蠕變表達(dá)式，通過原材料在高溫高應(yīng)力前提條件下的蠕變?nèi)崃客茖?dǎo)了秸塑復(fù)合材料在低溫低應(yīng)力條件下的蠕變?nèi)崃浚c實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證，證明本文理論可有效地推導(dǎo)該類材料在低溫低應(yīng)力條件下的蠕變?nèi)崃俊?/p>

(2)環(huán)境溫度與應(yīng)力對秸塑復(fù)合材料的蠕變性能影響顯著。隨著環(huán)境溫度的升高或應(yīng)力的遞增，秸塑復(fù)合材料的蠕變?nèi)崃烤S之增大。

(3)由于Burgers力學(xué)模型的擬合精度為0.98857與0.97789，該模型擬合度較高，說明Burgers力學(xué)模型可較好地?cái)M合秸塑復(fù)合材料的蠕變?nèi)崃恐髑€。