玄武巖纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用膠板性能研究

玄武巖纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用膠板性能研究

作為一種承受結(jié)構(gòu)的木材材料，其典型的支撐形式通常為三角形夾立式梁。當(dāng)外界應(yīng)力作用時(shí),材料的上部分受壓縮應(yīng)力、下部分受拉伸應(yīng)力,中間軸附近的材料層受剪應(yīng)力較顯著。由于木材的各向異性,材料的抗壓縮能力較強(qiáng),因此壓應(yīng)力對(duì)木材或木質(zhì)復(fù)合材的破壞較輕;相比之下,木材或木質(zhì)材料的抗拉能力十分脆弱,一旦達(dá)到或超過(guò)最大拉伸載荷將迅速斷裂破壞。使用玻璃纖維增強(qiáng)速生楊木單板層積材,研究不同參數(shù)對(duì)層積材力學(xué)性能的影響、提高楊木單板層積材的強(qiáng)度等級(jí)、對(duì)木質(zhì)材料受拉伸應(yīng)力作用的部分進(jìn)行纖維增強(qiáng)是提高材料性能最有效的方法。為了使增強(qiáng)材料玄武巖纖維布在膠合板層之間真正發(fā)揮增強(qiáng)作用,必須保證纖維布之間和纖維布與單板以及膠合板之間的膠合性能。通常是采用各種物理或化學(xué)方法對(duì)增強(qiáng)體纖維進(jìn)行處理,包括氧化處理、化學(xué)接枝,偶聯(lián)劑處理以及混合處理等,從而達(dá)到增強(qiáng)界面結(jié)合效果的目的。本研究通過(guò)將等離子體和KH550偶聯(lián)劑處理工藝應(yīng)用于玄武巖纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用膠合板的制造,提高玄武巖纖維與速生材楊木、桉木兩種單板的膠合性能,通過(guò)力學(xué)性能試驗(yàn)驗(yàn)證玄武巖纖維對(duì)結(jié)構(gòu)用膠合板彎曲性能的增強(qiáng)作用。1試驗(yàn)材料和設(shè)備1.1其他聚合物原料(1)單板:楊木單板500mm×500mm,平均厚度1.9mm,含水率4.68%;桉木單板500mm×500mm,平均厚度1.9mm,含水率7.47%,兩種單板均由科冕木業(yè)公司提供。(2)玄武巖纖維布:遼寧省營(yíng)口市建筑材料研究所提供。(3)硅烷偶聯(lián)劑KH550:上海耀華化工廠生產(chǎn)。(4)膠黏劑:1聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂(102C-2),環(huán)氧值0.37±0.02mol/100g,黏度1.5~3.5Pa·s,揮發(fā)分≤0.050%,由江蘇省姜堰市恒創(chuàng)絕緣材料有限公司提供;2環(huán)氧樹(shù)脂固化劑,聚酰胺651,胺值400±20mgKOH/g,黏度0.2~3Pa·s(40℃),由北京香山聯(lián)合助劑廠提供;3酚醛樹(shù)脂,14L960,北京太爾化工有限公司生產(chǎn);4酚醛樹(shù)脂膠黏劑填料,200目輕質(zhì)碳酸鈣及面粉。1.2儀器、設(shè)備和熱壓機(jī)(1)干燥箱:電熱鼓風(fēng)干燥機(jī),型號(hào)DGH-9140A,上海一恒科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)。(2)低溫等離子輝光放電儀:型號(hào)RFD-200(射頻單電極輻射式)。(3)熱壓機(jī):型號(hào)QD,上海人造板機(jī)器廠生產(chǎn)。(5)萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī):型號(hào)S-3400N,日本HITACHI生產(chǎn)。2人工林膠合復(fù)合材料的制備本次試驗(yàn)采用一次成型工藝制造BFRP/結(jié)構(gòu)用膠合板復(fù)合材料,即將玄武巖纖維布與制作好的膠合板以及單板進(jìn)行組坯,然后一次性熱壓或冷壓成復(fù)合板材。復(fù)合板材制作工藝流程如圖1所示。2.1纖維的處理與熱處理(1)將玄武巖纖維裁成520mm×1000mm規(guī)格尺寸,放到干燥箱中在250℃條件下烘干30min,以去除纖維表面的浸潤(rùn)劑,然后取出備用。(2)裁剪熱處理后的纖維并將其分成3組,第一組為空白組不進(jìn)行處理;第二組用質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0wt%的硅烷偶聯(lián)劑KH550溶液進(jìn)行浸泡處理;第三組纖維根據(jù)得出的最優(yōu)化工藝處理,即先用250W的低溫等離子處理30min(手柄勻速10mm/s),再用質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0wt%的硅烷偶聯(lián)劑KH550溶液進(jìn)行浸泡。2.2覆蓋板的制備(1)組坯:兩種經(jīng)過(guò)處理的連續(xù)玄武巖纖維布分別涂環(huán)氧樹(shù)脂膠后分一層和兩層堆疊于制作好的膠合板上下兩端,然后用單板基板進(jìn)行覆蓋(每種處理方式按照配筋率一層和兩層纖維布組坯)。(2)預(yù)固化及固化階段:組坯后放入熱壓機(jī)中,在80℃、接觸狀態(tài)下預(yù)固化20~30min,然后在80℃、1.8MPa條件下熱壓2h,卸壓、冷卻取出。(3)裁邊:對(duì)制成的BFRP/結(jié)構(gòu)用膠合板進(jìn)行裁邊,然后陳放備用。制成的玄武巖纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用膠合板截面如圖2所示。3復(fù)合面板彈性模量BFRP/結(jié)構(gòu)用膠合板彎曲性能參考GB/T176571999《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》中4.9.4中規(guī)定的方法進(jìn)行檢測(cè)。表1為BFRP/楊木結(jié)構(gòu)用膠合板復(fù)合板材靜曲強(qiáng)度和彈性模量檢測(cè)結(jié)果,圖3為不同纖維處理方式和配筋率條件下制成的BFRP/楊木結(jié)構(gòu)用膠合板復(fù)合板材靜曲強(qiáng)度和彈性模量的直觀對(duì)比圖。從圖3可以看出,對(duì)比未經(jīng)纖維增強(qiáng)的空白組,經(jīng)過(guò)玄武巖纖維增強(qiáng)后的楊木結(jié)構(gòu)用膠合板的靜曲強(qiáng)度和彈性模量都有大幅度增加。楊木空白組復(fù)合板材靜曲強(qiáng)度為45.35MPa,而經(jīng)過(guò)纖維增強(qiáng)后的楊木復(fù)合板材靜曲強(qiáng)度達(dá)到60MPa以上。僅經(jīng)過(guò)KH550處理組中,單層BF和雙層BF增強(qiáng)楊木結(jié)構(gòu)用膠合板的靜曲強(qiáng)度分別達(dá)到了62.71MPa和62.85MPa,相比空白組分別提高了38.3%和38.65%;而經(jīng)過(guò)低溫等離子和硅烷偶聯(lián)劑KH550雙重處理組,單層BF和雙層BF增強(qiáng)楊木結(jié)構(gòu)用膠合板的靜曲強(qiáng)度分別達(dá)到了69.46MPa和67.44MPa,相比空白組分別提高了53.2%和48.7%。兩種配筋率的復(fù)合板材靜曲強(qiáng)度相差不大,低配筋率的復(fù)合板材靜曲強(qiáng)度稍大些。楊木空白組復(fù)合板材彈性模量為5.99GPa,而經(jīng)過(guò)纖維增強(qiáng)后的楊木復(fù)合板材彈性模量明顯增大。僅經(jīng)過(guò)KH550處理組中,單層BF和雙層BF增強(qiáng)楊木結(jié)構(gòu)用膠合板的彈性模量分別達(dá)到了6.84GPa和6.77GPa,相比空白組分別提高了13.5%和13.0%;而經(jīng)過(guò)低溫等離子和硅烷偶聯(lián)劑KH550雙重處理組,單層BF和雙層BF增強(qiáng)楊木結(jié)構(gòu)用膠合板的彈性模量分別達(dá)到了7.81GPa和7.91GPa,相比空白組分別提高了31.4%和32.1%,低配筋率楊木膠合板彈性模量提高幅度稍大些。從數(shù)據(jù)離散率看,靜曲強(qiáng)度和彈性模量都相對(duì)穩(wěn)定,離散程度均衡,說(shuō)明試驗(yàn)誤差較平均。整體上看,經(jīng)過(guò)BF增強(qiáng)后的楊木結(jié)構(gòu)用膠合板板材的靜曲強(qiáng)度和彎曲模量都得到了大幅度提高,且經(jīng)過(guò)低溫等離子和KH550雙重處理后的BF/楊木結(jié)構(gòu)用膠合板的彎曲性能更好。單層BF和雙層BF增強(qiáng)的楊木膠合板彎曲性能相差不大,低配筋率產(chǎn)品彎曲強(qiáng)度略高。表2為BFRP/桉木結(jié)構(gòu)用膠合板復(fù)合板材靜曲強(qiáng)度和彈性模量檢測(cè)結(jié)果,圖4為三種纖維處理方式下制成的BFRP/桉木結(jié)構(gòu)用膠合板復(fù)合板材靜曲強(qiáng)度和彈性模量直觀對(duì)比圖。從圖4可以看出,對(duì)比未經(jīng)纖維增強(qiáng)的空白組,經(jīng)過(guò)玄武巖纖維增強(qiáng)后桉木結(jié)構(gòu)用膠合板的靜曲強(qiáng)度和彈性模量都有大幅度增加。桉木空白組復(fù)合板材靜曲強(qiáng)度為52.03MPa,而經(jīng)過(guò)纖維增強(qiáng)后的桉木復(fù)合板材靜曲強(qiáng)度在70MPa以上。僅經(jīng)過(guò)KH550處理組中,單層BF和雙層BF增強(qiáng)桉木結(jié)構(gòu)用膠合板的靜曲強(qiáng)度分別達(dá)到了70.08MPa和64.88MPa,相比空白組分別提高了34.7%和24.7%,低配筋率桉木膠合板的彎曲強(qiáng)度提高幅度更大一些;經(jīng)過(guò)低溫等離子和硅烷偶聯(lián)劑KH550雙重處理組,單層BF和雙層BF增強(qiáng)桉木結(jié)構(gòu)用膠合板的靜曲強(qiáng)度分別達(dá)到了79.55MPa和76.17MPa,相比空白組分別提高52.9%和46.4%,同樣是低配筋率桉木膠合板彎曲強(qiáng)度提高幅度更大一些。兩種配筋率的復(fù)合板材靜曲強(qiáng)度相差不大,低配筋率的復(fù)合板材靜曲強(qiáng)度稍大一些。桉木空白組復(fù)合板彈性模量為4.25GPa,而經(jīng)過(guò)纖維增強(qiáng)后的桉木復(fù)合板材彈性模量明顯升高,達(dá)到7GPa以上。僅經(jīng)過(guò)KH550處理組中,單層BF和雙層BF增強(qiáng)桉木結(jié)構(gòu)用膠合板的靜曲強(qiáng)度分別達(dá)到了7.14GPa和7.02GPa,相比空白組分別提高68%和65.2%;經(jīng)過(guò)低溫等離子和硅烷偶聯(lián)劑KH550雙重處理組,單層BF和雙層BF增強(qiáng)桉木結(jié)構(gòu)用膠合板靜曲強(qiáng)度分別達(dá)到了9.29GPa和8.10GPa,相比空白組分別提高118.6%和90.6%。低配筋率桉木膠合板彈性模量提高幅度更大一些。從數(shù)據(jù)離散率來(lái)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(shuō)明試驗(yàn)誤差較平均。整體上看,經(jīng)BF增強(qiáng)后的桉木結(jié)構(gòu)用膠合板板材的靜曲強(qiáng)度和彈性模量都得到大幅度提高,且經(jīng)過(guò)低溫等離子和KH550雙重處理的BF/桉木結(jié)構(gòu)用膠合板的彎曲性能更好;單層BF比雙層BF增強(qiáng)的桉木結(jié)構(gòu)用膠合板的彎曲性能更好,即低配筋率產(chǎn)品彎曲性能更優(yōu)。在所有被測(cè)的纖維增強(qiáng)速生材楊木和桉木結(jié)構(gòu)用膠合板試件中,破壞形式分為兩種,一種是中間層受剪破壞,另一種是底部纖維和單板拉伸斷裂,如圖5所示。試驗(yàn)中雙層BF增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用膠合板試件中大部分為中間層受剪破壞,這種情況說(shuō)明纖維增強(qiáng)層起到了作用,使材料底部最容易發(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,外力經(jīng)過(guò)界面?zhèn)鬟f給纖維,從而使底部材料得到了有效保護(hù)。但這也說(shuō)明纖維并沒(méi)有完全發(fā)揮出其應(yīng)有的作用,由于底部纖維的過(guò)增強(qiáng)導(dǎo)致中間層先于底部開(kāi)裂,從經(jīng)濟(jì)角度考慮說(shuō)明纖維使用率較低。單層BF增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)用膠合板大部分試件為底部纖維和單板拉伸破壞,這種情況說(shuō)明纖維作用得到了完全發(fā)揮,可將外力通過(guò)纖維界面?zhèn)鬟f到基板,起到了有效地增強(qiáng)作用。綜上考慮,單層BF增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用膠合板的纖維使用率相對(duì)較高,適當(dāng)降低纖維配筋率對(duì)完全發(fā)揮BF增強(qiáng)作用具有積極意義。4低配筋率材料經(jīng)過(guò)對(duì)不同纖維處理方式的BF增強(qiáng)楊木、桉木結(jié)構(gòu)用膠合板復(fù)合板材的生產(chǎn)及其靜物理性能的研究,可以得出以下結(jié)論。(1)使用連續(xù)玄武巖纖維增強(qiáng)速生楊木和桉木結(jié)構(gòu)用膠合板后,復(fù)合板材的靜曲強(qiáng)度和彈性模量都得到大幅度提高,而且單層BF比雙層BF增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用膠合板的彎曲性能更好,即低配筋率產(chǎn)品彎曲性能更優(yōu)。(2)低溫等離子處理后的BF,其制成的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用膠合板,彎曲性能得到大幅度提高。經(jīng)過(guò)低溫等離子(250W,30min)處理后再進(jìn)行KH550處理的玄武巖纖維,單層BF增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用楊木、桉木膠合板的靜曲強(qiáng)度分別提高53.2%和52.9%,彈性模量分別提高31.4%和118.6%。雙層