纖維增強樹脂復合材料/竹木膠合界面的處理工藝1)

范詒杰 申士杰 陳暑冰

(北京林業(yè)大學，北京,100083)

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纖維增強樹脂復合材料/竹木膠合界面的處理工藝1)

范詒杰 申士杰 陳暑冰

(北京林業(yè)大學，北京,100083)

以砂光處理、等離子體處理、羥甲基間苯二酚(HMR)處理為不同因素，研究了纖維增強樹脂復合材料(FRP)/竹、FRP/木膠合界面處理工藝。結果表明膠合界面優(yōu)化工藝為：FRP不做處理，而竹材和木材表面以150 g/m2的涂布量涂布HMR。

纖維增強樹脂；等離子體；羥甲基間苯二酚；剪切強度；剝離率

We studied the treatment process of bonding interface between FRP and bamboo/wood, including sanding, plasma and hydroxymethyl resorcinol. The optimization process of the bonding interface is that wood and bamboo is treated by hydroxymethyl resorcinol of 150 g/m2and the fiber reinforced polymer was not treated.

纖維增強樹脂復合材料是由纖維和樹脂基體兩種不同性能、不同形態(tài)的組分材料通過復合而成的一種多相材料[1]。纖維增強樹脂復合材料(FRP)增強結構用集成材是將高強度、剛度、彈性模量等性能的纖維增強材料與結構用集成材復合而制成的新型工程木質材料。木材主要有強度和剛度較低、彈性模量小、易腐朽等缺點，在很大程度上制約了木材在工程結構上的應用。FRP增強結構用集成材可以提高該類木材的利用率和使用價值，同時在保留木材高強重比的基礎上充分利用纖維增強樹脂的優(yōu)良性能。用FRP增強后的集成材，其強度得到明顯提高，剛度也有一定提高[2]。

木材和纖維增強樹脂這兩種材料的物理和化學性質不同，他們之間的界面將二者有機結合為一個整體。FRP增強結構用集成材的最薄弱環(huán)節(jié)是木材與FRP的膠接界面，膠接界面的分層會導致纖維增強木制復合材料的永久性破壞。Y HONG[3]等人的研究結果表明：FRP/木材工程復合材料的性能在很大程度上取決于膠接界面的膠接強度。因此改善二者膠接界面性能對開發(fā)該種材料至關重要。木、竹材的表面改性主要是對其表面進行等離子體、偶聯(lián)劑等處理，F(xiàn)RP表面改性主要是進行等離子體、砂光等處理。

等離子體是離子和電子群近似電中性的集合體，低溫等離子體通常用于改性高分子材料表面。經(jīng)等離子體處理后的材料表面會發(fā)生多種變化，物理變化產生刻蝕等，化學變化如產生自由基及引入極性集團等，可提高材料表面的活性，改善與其他材料的膠合性能[4]。Ge等[5]使用筒型射頻等離子體發(fā)生裝置，對玻璃纖維增強復合材料(GFRP)表面進行處理，射頻功率為80 W，處理時間5～25 min。結果表明，隨著處理時間的增加，GFRP表面的O/C比有所增加，在處理時間為15 min時，達到56%。李志軍[6]研究了等離子體對玻璃纖維處理的機理，結果表明等離子體處理可以使玻璃纖維表面的官能團發(fā)生變化，產生輕微刻蝕，擴大玻璃纖維的有效接觸面積，改善基體對玻璃纖維的浸潤狀況，使玻璃纖維作為增強體的復合材料力學性能提高2～3倍，改善了復合材料的耐濕熱穩(wěn)定性。

HMR在膠黏劑和木材的膠接過程中起到偶聯(lián)架橋的作用。HMR的羥甲基官能團能分別與膠黏劑、木材中羥基形成醚鍵共價連接，使得木材經(jīng)HMR處理后大大提高了表面活性。熊陳福[7]研究了玄武巖纖維增強復合材料(BFRP)/木材復合材料剝離性能，測試結果表明：木材表面經(jīng)HMR處理后大大提高了BFRP/木材復合材料的膠合性能，HMR處理的BFRP/木材復合材料試件膠接層剝離率在0～1.03%，達到了ASTM D2559標準的要求(戶外結構用集成材剝離率小于1%)。

本實驗對比砂光處理(FRP)、等離子體處理(竹、木、FRP)及HMR處理(竹、木、FRP)這3種界面處理方式對FRP/木、FRP/竹結構用集成材膠合性能影響。參照結構用集成材國家標準GB/T 26899—2011及木結構設計規(guī)范GB 50005—2003中規(guī)定的干、濕態(tài)剪切強度、木破率、浸漬剝離率及煮沸剝離率等指標對FRP/木、FRP/竹結構用集成材的膠合性能加以表征。得出FRP與木材及與竹材膠合界面的優(yōu)化工藝，以期為FRP增強結構用集成材，尤其是以竹材作為緩沖層加入木材和FRP復合的FRP增強結構用集成材研究提供參考。

1 材料和方法

1.1 材料

木材層板：歐洲赤松，瑞典SCA公司生產；竹材層板：毛竹展開竹板材，順紋拉伸、壓縮強度分別為60.52、59.02 MPa，浙江大莊實業(yè)集團有限公司提供；玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂(GFRP)板狀片材：抗拉強度與拉伸彈性模量分別為1491.59 MPa與64.81 GPa，南京海拓纖維復合材料有限公司提供；膠黏劑：單組分聚氨酯HB S309，瑞士普邦公司生產；羥甲基間苯二酚(HMR)：自行配置。

1.2 設備

快速傅立葉變換彈性模量測定儀、推臺鋸、裁邊鋸、四面刨、砂光機、立式拼板機、日本島津AG-100KN-MO型萬能力學試驗機、南京蘇曼射流大氣低溫等離子體板材處理系統(tǒng)PG-1000ZG、水浴鍋、恒溫干燥箱、電子天平等。

1.3 方法

試驗溫度為25 ℃，相對濕度為50%～60%。

層板加工：采用目測分等及FFT彈性模量測定儀層級分等方法挑選同一強度等級的鋸材及竹材，將干燥后的板材在試驗環(huán)境下養(yǎng)生一段時間，使板材含水率均一穩(wěn)定。然后經(jīng)截斷、裁邊、四面刨光等工序加工成尺寸為1 000 mm×50 mm×23 mm的備用木材和竹材層板。FRP板狀片材經(jīng)裁剪等工序加工成尺寸為1 000.0 mm×50.0 mm×1.4 mm的備用FRP層板。

表面改性處理：根據(jù)試驗組設置對竹木及FRP層板進行相應的表面改性處理。①等離子處理：按試驗組設置將需要表面處理的FRP片材、竹材、木材分別放置于等離子體機傳送帶上，分別按試驗組設置的速度通過等離子體噴槍口進行表面改性，噴槍口距離板材表面10 mm。②砂光處理：將需要砂光處理的板材依次通過180和240目的砂帶進行砂光處理。③HMR處理：首先配置偶聯(lián)劑HMR，配方中各組分質量分數(shù)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%。HMR配置4 h后方可在竹木層板進行涂布，涂布量為150 g/m2。HMR涂布后，層板還需靜置24 h后方可涂膠組坯。

膠合壓制：將處理好的層板進行涂膠、組坯、冷壓后成型。采用單面涂膠，涂膠量為180 g/m2，陳化時間0.5 h，壓力為1.1 MPa，冷壓時間為1.5 h。每個試驗組制備3根試材。

試驗組設置分別見表1和表2。

表1 FRP/木膠合界面處理試驗組設置

注：P6-1代表等離子射頻功率為600 W，處理速度為1.25 m/s，處理次數(shù)為5次；P4-2代表等離子射頻功率為400 W，處理速度為2.5 m/s，處理次數(shù)為5次。

表2 FRP/竹膠合界面處理試驗組設置

注：P6-1代表等離子射頻功率為600 W，處理速度為1.25 m/s，處理次數(shù)為5次；P4-2代表等離子射頻功率為400 W，處理速度為2.5 m/s，處理次數(shù)為5次。

1.4 膠合性能檢測

參照國家標準GB/T 26899—2011結構用集成材中的相關要求制備剝離率與剪切強度測試試件，并進行浸漬剝離率、煮沸剝離率、干態(tài)剪切強度的測定。參照GB 50005—2003木結構設計規(guī)范中的相關要求進行濕態(tài)剪切強度的測定。

2 結果與分析

2.1 FRP/木膠合性能

表3為FRP/木結構用集成材的浸漬、煮沸剝離試驗結果?？梢钥闯觯性囼灲M的試件經(jīng)過兩輪浸漬干燥后膠層均未發(fā)生剝離或分層。試驗組N/HMR、S/P4-2、P6-1/HMR和P6-1/N試件經(jīng)兩輪煮沸干燥后膠層也均未發(fā)生剝離或分層。而試驗組N/P4-2的試件第一次煮沸干燥后未發(fā)生剝離，第二次煮沸干燥后發(fā)生剝離，其中平均總剝離率為5.37%，未達到國家標準GB/T 26899—2011的要求。其他試驗組第二次煮沸后膠層剝離，但單一膠層最大剝離率及總剝離率試驗結果均滿足結構用集成材國家標準GB/T 26899—2011中規(guī)定的5%(試件兩端面的總剝離)和25%(任一膠層的最大剝離)的最低要求。

表3 FRP/木剝離試驗結果

表4為試材的干態(tài)、濕態(tài)剪切強度結果?？梢钥闯?，所有試驗組的試件干態(tài)剪切強度均在7.2 MPa以上，滿足標準規(guī)定的最小干態(tài)剪切強度；而且所有組的木破率均不小于85%，滿足標準規(guī)定的最小木破率。其中組N/HMR的試件干態(tài)剪切強度最大，達到10.88 MPa，對應木破率大于90%。所有試驗組試件的濕態(tài)剪切強度均在4.7 MPa以上，滿足標準規(guī)定的最小濕態(tài)剪切強度。濕態(tài)剪切強度差異性不太顯著，但對應木破率差異較大。其中組N/HMR的試件濕態(tài)剪切強度達到5.18 MPa，對應木破率為97%；而組S/N的試件濕態(tài)剪切強度達到5.66 MPa，對應木破率僅為77.17%。

表4 FRP/木干態(tài)、濕態(tài)剪切試驗結果

綜合考慮試材的剪切和剝離性能，優(yōu)化得到FRP與木材膠合界面改性工藝為N/HMR，即FRP表面不做處理，而木材表面以150 g/m2的涂布量涂布HMR進行改性。

2.2 FRP/竹膠合性能

表5為FRP/竹結構用集成材的浸漬、煮沸剝離試驗結果?？梢钥闯觯囼灲MN/HMR和S/HMR試件經(jīng)兩次浸漬剝離和兩次煮沸剝離檢測后，膠層均未產生剝離或分層。組P6-1/HMR和組N/N的試件經(jīng)過兩次浸漬剝離后膠層均未出現(xiàn)剝離現(xiàn)象，而兩次煮沸剝離時出現(xiàn)一定程度的剝離，但均滿足標準要求。組S/P4-2和S/N試驗組浸漬剝離滿足標準要求，但煮沸剝離達不到標準的最低要求。組N/P4-2、P6-1/N和P6-1/P4-2試件的浸漬剝離和煮沸剝離均達不到結構用集成材國家標準GB/T 26899—2011中相關規(guī)定的要求。

表6為FRP/竹結構用集成材試材的干態(tài)、濕態(tài)剪切強度結果?？梢钥闯?，所有試驗組的試件干態(tài)剪切強度均在10 MPa以上，而木破率差異較大。其中組N/HMR和組N/N的干態(tài)剪切強度分別達到12.58和11.87 MPa，對應木破率分別為75.63%和86.67%；而其他組的木破率均未達到標準規(guī)定的最小木破率。所有試驗組的試件濕態(tài)剪切強度均在6.2 MPa以上，濕態(tài)剪切強度差異性也不太顯著，但對應木破率差異較大。其中組N/HMR的試件濕態(tài)剪切強度達到7.92 MPa，對應木破率為91.95%；組S/HMR的濕態(tài)剪切強度為7.72 MPa，但木破率僅為32.50%。

表5 FRP/竹浸漬、煮沸剝離試驗結果

表6 FRP/竹干態(tài)、濕態(tài)剪切試驗結果

綜合考慮試材的剪切和剝離性能，優(yōu)化得到FRP與木材膠合界面改性工藝為N/HMR，即FRP表面不做處理，而木材表面以150 g/m2的涂布量涂布HMR進行改性。

3 結論

FRP/木和FRP/竹結構用集成材界面改性處理的優(yōu)化工藝為：FRP表面不做任何處理，而木材和竹材表面進行HMR涂布處理，涂布量為150 g/m2。處理后的FRP/木試件干態(tài)剪切強度達到10.88 MPa，較對照組剪切強度提高22.7%，木破率達到93%以上；濕態(tài)剪切強度達到5.18 MPa，對應木破率為97%。該工藝處理后的試件浸漬、煮沸剝離率均為0。處理后的FRP/竹試件干態(tài)、濕態(tài)剪切強度分別達到12.58和7.92 MPa，其中濕態(tài)剪切強度較對照組提高15.3%，對應木破率為91.95%。該工藝處理后的試件浸漬、煮沸剝離率均為0。

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Treatment Process of Bonding Interface between FRP and Bamboo/wood//

Fan Yijie, Shen Shijie, Chen Shubing(Beijing Forestry University, Beijing 100083, P. R. China)//

Journal of Northeast Forestry University，2017,45(2)：71-74.

FRP； Plasma； Hydroxymethyl resorcinol； Shear strength； Delamination rate

范詒杰，男，1987年2月生，北京林業(yè)大學材料科學與技術學院，碩士研究生。E-mail：917468635@qq.com。

申士杰，北京林業(yè)大學材料科學與技術學院，教授。E-mail：shijies@263.net。

2016年9月27日。

S784;TQ433

1)“十二五”國家高技術研究發(fā)展計劃(“863”計劃)(2012AA03A204-01)。

責任編輯：戴芳天。