玻璃纖維增強(qiáng)楊木重組木的物理力學(xué)性能1)

林雨斌 朱兆龍 那斌 梁星宇 郭曉磊

(南京林業(yè)大學(xué)，南京,210037)

玻璃纖維增強(qiáng)楊木重組木的物理力學(xué)性能1)

林雨斌 朱兆龍 那斌 梁星宇 郭曉磊

(南京林業(yè)大學(xué)，南京,210037)

采用了玻璃纖維作為增強(qiáng)材料對楊木單板重組木進(jìn)行了增強(qiáng)，研究了密度和纖維鋪裝結(jié)構(gòu)對楊木重組木物理力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：隨著玻璃纖維鋪裝層數(shù)的增加，重組木的力學(xué)性能增加，但當(dāng)玻璃纖維添加到3層時，重組木力學(xué)性能相較雙層玻璃纖維鋪裝有所降低。隨著密度的增加，玻璃纖維對重組木力學(xué)性能的增強(qiáng)效果減弱。玻璃纖維對重組木的尺寸穩(wěn)定性同樣有著顯著的增強(qiáng)效果，隨著纖維鋪裝層數(shù)的增加，玻璃纖維增強(qiáng)重組木的吸水厚度膨脹率、吸水率及線性膨脹率的抑制效果均呈增加趨勢。隨著浸水時間的增加,玻璃纖維對線性膨脹率的抑制效果也更為顯著。

重組木；力學(xué)性能；玻璃纖維；尺寸穩(wěn)定性;增強(qiáng)材料

為了解決中國市場實(shí)木短缺的現(xiàn)狀，楊木因具有較短的生產(chǎn)周期被廣泛培育種植并應(yīng)用在木材工業(yè)中。然而，楊木的材質(zhì)偏松軟，綜合力學(xué)性能較低，大大限制了其用途。如何改善和提高楊木材料的物理力學(xué)性能，進(jìn)而拓寬楊木在木材工業(yè)上的應(yīng)用范圍就變得非常迫切與重要[1-2]。

重組木是在不改變木材纖維排列方向的前提下，將木材碾壓成木束重新組合制成的具有高利用率的新型木材。重組木保留了實(shí)木的優(yōu)良性能，剔除了許多實(shí)木的缺陷。但是由于木束的厚度較大，寬度方向的脹縮率較高，導(dǎo)致了重組木的橫向力學(xué)性能較低[3]。在生產(chǎn)加工中,由于施膠不均、含水率及鋪裝不均等原因,重組木易產(chǎn)生翹曲、跳絲、表面粗糙等問題[4-5]。余養(yǎng)倫等人提出了先制備單板，再疏解纖維化單板后重組的方案，利用冷壓熱固化的方法和熱壓法制備了新型纖維化單板重組木，實(shí)現(xiàn)了重組木性能的提高[6]。

玻璃纖維是一種具有優(yōu)異性能的無機(jī)非金屬材料，具有優(yōu)異的物理力學(xué)性能和較低的成本，已經(jīng)被廣泛作為增強(qiáng)材料應(yīng)用于木制復(fù)合材料的生產(chǎn)上[7-8]。王潔等人用玻璃纖維和碳纖維對楊木單板層積材進(jìn)行了增強(qiáng)，發(fā)現(xiàn)玻璃纖維和碳纖維的添加均能顯著增強(qiáng)材料的力學(xué)性能，且玻璃纖維對復(fù)合材料在剪切強(qiáng)度上的提升最為明顯[9]。陳小輝等人采用玻璃纖維網(wǎng)布對竹材膠合板進(jìn)行了增強(qiáng)，并通過偶聯(lián)劑進(jìn)行表面處理，從而增強(qiáng)了玻璃纖維與酚醛樹脂間的黏結(jié)性能，提高了材料的綜合性能[10]。張利利用玻璃纖維網(wǎng)格布對大青楊單板層積材進(jìn)行增強(qiáng)，發(fā)現(xiàn)其力學(xué)性能得到顯著提高[11]。皮弗對玻璃纖維增強(qiáng)單板層積材的綜合性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)玻璃纖維可有效提高單板層積材的力學(xué)性能[12]。張雙保等用玻璃纖維對增強(qiáng)三倍體毛白楊木制復(fù)合材料的物理力學(xué)性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)玻璃纖維對材料的力學(xué)性能及抗老化性能均有明顯改善，甚至達(dá)到了歐洲定向結(jié)構(gòu)板的標(biāo)準(zhǔn)(PrEN300-940SB/4)[13]。特庫和卡其斯研究了4種不同的增強(qiáng)纖維對木塑復(fù)合材料的性能影響，結(jié)果表明，玻璃纖維對木塑復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和靜曲強(qiáng)度有顯著提高，但是沖擊韌性減少了7%[14]。崔舉慶運(yùn)用玻璃纖維線對楊木單板層積材進(jìn)行了增強(qiáng)，線性表面雙層順紋的玻璃纖維添加方式的增強(qiáng)效果最優(yōu)[15]。

盡管玻璃纖維增強(qiáng)木制復(fù)合材料的研究很多，但對于玻璃纖維增強(qiáng)重組木的力學(xué)性能和尺寸穩(wěn)定性的研究卻很少。筆者運(yùn)用玻璃纖維對纖維化楊木單板重組木進(jìn)行了增強(qiáng)試驗(yàn)，并探究不同密度和不同鋪裝方式對其物理力學(xué)性能的影響，以期為重組木研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

纖維化單板條：楊木單板重組木是以被輥壓設(shè)備疏解成的單板條為基材。運(yùn)用纖維可控分離技術(shù)將單板碾壓疏解成橫向不斷裂，縱向呈點(diǎn)裂或線裂，呈木簾狀的單板條，單板條寬度為20 mm，長為1 870 mm，厚度為2 mm，呈簾狀。楊木單板條由建甌東林木業(yè)有限公司提供，密度為0.4 g/cm3。玻璃纖維：玻璃纖維網(wǎng)，單位面積質(zhì)量為200 g/m2，網(wǎng)孔尺寸為5 mm×5 mm，由安平隆奧金屬絲制品廠提供。

膠黏劑與偶聯(lián)劑：酚醛樹脂膠黏劑(PF)。固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為43.5%，購于福州福維膠黏劑有限公司。偶聯(lián)劑(KH550)，購于南京奧誠化工有限公司。

萬能力學(xué)測試儀：WDW-2電子萬能試驗(yàn)儀，上海松頓電子設(shè)備有限公司提供。

擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)儀：濟(jì)南永科科技有限公司提供。

電子掃描顯微鏡SEM:日立TM-1000TM-1000。

1.2 玻璃纖維增強(qiáng)纖維化楊木單板重組木制造工藝

玻璃纖維增強(qiáng)纖維化楊木單板重組木的制造工藝流程如圖1所示。首先將玻璃纖維網(wǎng)布浸漬在2%的KH550溶液中20 min進(jìn)行表面活化處理，晾干。然后與纖維化單板條一同浸漬在酚醛樹脂溶液中20 min，而后玻璃纖維網(wǎng)布在120 ℃環(huán)境中干燥20 min，纖維化單板條則在80 ℃環(huán)境中干燥90 min。單板條的浸膠量在12%左右。成型鋪裝時，玻璃纖維被平整添加在板坯預(yù)定位置中，最后通過傳統(tǒng)熱壓方式進(jìn)行熱壓，溫度為140 ℃，壓強(qiáng)120 MPa。

圖1 玻璃纖維增強(qiáng)重組木工藝流程

玻璃纖維增強(qiáng)試件共分為4種結(jié)構(gòu)：空白件(未添加玻璃纖維增強(qiáng)層)、單層玻璃纖維鋪裝試件、雙層玻璃纖維鋪裝試件，以及3層玻璃纖維鋪裝試件。玻璃纖維層的添加位置如圖2所示。

圖2 纖維鋪裝結(jié)構(gòu)

1.3 方法

本試驗(yàn)采用GB/T20241-2006《人造板及其飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》對材料的物理力學(xué)性能和尺寸穩(wěn)定性進(jìn)行檢測。包括了靜曲強(qiáng)度、彈性模量和沖擊韌性、吸水厚度膨脹率、吸水率、線性膨脹率、2 h徑向線性膨脹率、2 h弦向線性膨脹率、24 h徑向線性膨脹率、24 h弦向線性膨脹率。

2 結(jié)果與分析

2.1 材料的力學(xué)性能

2.1.1 靜曲強(qiáng)度與彈性模量

靜曲強(qiáng)度是衡量木材抗彎強(qiáng)度的一個重要指標(biāo)。由表1可以看出，在4個不同的密度分度，單層鋪裝試件相較空白件有顯著提高，分別增強(qiáng)了18.37%、13.12%、11.39%和8.4%。因?yàn)樵鰪?qiáng)材在受到彎曲載荷時，應(yīng)力借助楊木基體相與纖維間優(yōu)良的結(jié)合力得以很好地分散，使得性能優(yōu)異的玻璃纖維承擔(dān)了大部分應(yīng)力，從而增強(qiáng)了其靜曲強(qiáng)度(纖維增強(qiáng)機(jī)理)。雙層鋪裝試件在4個不同密度分度上相較空白件的靜曲強(qiáng)度增長率均達(dá)到最高，但相比單層纖維其靜曲強(qiáng)度的增長幅度變小。這是因?yàn)樵谶M(jìn)行3點(diǎn)彎曲試驗(yàn)時，試件的底部承受了最大的拉力和剪切力并且是試件最先破壞的部位，所以玻璃纖維層添加在接近試件底部的下三分之一處的單層鋪裝試件，相較雙層鋪裝試件能更加有效提高試件的靜曲強(qiáng)度。3層鋪裝試件相比雙層鋪裝試件，靜曲強(qiáng)度有所降低。原因是添加在3層鋪裝試件中間的玻璃纖維層在受到彎曲載荷時所承受的拉力最小，因此其對靜曲強(qiáng)度增強(qiáng)的效果并不顯著，并且可能導(dǎo)致材料的分層。

表1 靜曲強(qiáng)度、彈性模量與鋪裝結(jié)構(gòu)的關(guān)系

注：表中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

玻璃纖維對重組木的靜曲強(qiáng)度和彈性模量增強(qiáng)效果在低密度(0.6、0.7 g/cm3)時效果較為顯著。如圖3可以看出，在0.6、0.7 g/cm3密度時，玻璃纖維與楊木基材結(jié)合緊密，玻璃纖維對材料增強(qiáng)效果顯著。而當(dāng)密度繼續(xù)升高，結(jié)合界面產(chǎn)生了裂隙。當(dāng)密度達(dá)到最高0.9 g/cm3時，可以看到玻璃纖維與楊木基材間裂隙較大產(chǎn)生了明顯分層，且楊木纖維也被大量壓潰，從而導(dǎo)致了高密度時，玻璃纖維對重組木增強(qiáng)效果較小。

圖3 玻璃纖維與木材結(jié)合界面電鏡SEM圖片

如表1所示，彈性模量和靜曲強(qiáng)度有著相似的趨勢，單層鋪裝試件的彈性模量相比空白件在4個密度上分別增加了12.0%、17.1%%、13.2%和6.2%，雙層鋪裝試件的增長率達(dá)到最高，而3層鋪裝試件相較雙層鋪裝試件略有減小。在4個密度分度上，密度為0.7 g/cm3時彈性模量增長率達(dá)到最高，而后隨著密度的升高，增長率呈減小趨勢。

2.1.2 沖擊韌性分析

如表2所示，隨著密度的增加，試件的沖擊韌性增加。同空白試件相比，單層鋪裝玻璃纖維增強(qiáng)件顯著增加，在4個密度下沖擊韌性分別增加了34.9%、17.5%、13.8%和4.6%。這是因?yàn)椴ＡЮw維相比楊木纖維具有更大的韌性，并且玻璃纖維網(wǎng)布中纖維方向呈正交狀；這種交織的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以更好地分散所受到的沖擊應(yīng)力，從而提高了材料的沖擊韌性。雙層鋪裝試件的增長率達(dá)到最高,同空白件相比在4個密度分度上分別增加了42.8%、21.6%、15.7%和10.8%。而3層鋪裝試件的沖擊韌性相較雙層鋪裝試件有所降低，這是因?yàn)橹虚g層玻璃纖維在實(shí)際鋪裝時，會和預(yù)想鋪裝位置有一定的偏差，破壞了試件的結(jié)構(gòu)均一性。從而在承受沖擊載荷時，其有效分散沖擊應(yīng)力的能力降低，材料的沖擊韌性也隨之降低。隨著密度的增高，玻璃纖維對重組木的增強(qiáng)效果呈降低趨勢，而在低密度時玻璃纖維的增強(qiáng)效果較顯著。

表2 試件的沖擊韌性

注：表中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2.2 材料的尺寸穩(wěn)定性

2.2.1 吸水厚度膨脹率及吸水率

表3反應(yīng)了不同鋪裝結(jié)構(gòu)對玻璃纖維尺寸穩(wěn)定性的影響情況。相較空白件，玻璃纖維增強(qiáng)試件的吸水厚度膨脹率降低。單層鋪裝試件的2h吸水厚度膨脹率相較空白件減少了39.9%。這是因?yàn)椴ＡЮw維是良好的耐水材料從而可以有效減少玻璃纖維復(fù)合材料的膨脹。雙層鋪裝和3層鋪裝試件的2 h吸水厚度膨脹率相較空白件分別減少了52.27%和58.12%。

表3 鋪裝結(jié)構(gòu)對玻璃纖維尺寸穩(wěn)定性的影響

注：表中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

單層鋪裝試件的24 h吸水厚度膨脹率相較空白件減少了11.4%。雙層鋪裝和3層鋪裝試件的2 h吸水厚度膨脹率相較空白件分別減少了16.1%和22.1%。

隨著玻璃纖維鋪裝層數(shù)的增加，重組木的吸水厚度膨脹率呈減少趨勢。相比雙層鋪裝試件，3層鋪裝試件吸水厚度膨脹率的減少趨勢有所減緩。這是因?yàn)椋瑢ΨQ結(jié)構(gòu)更能有效地限制重組木的膨脹，并且玻璃纖維層數(shù)進(jìn)一步增加，會導(dǎo)致材料內(nèi)部分層，從而限制玻璃纖維減少吸水厚度膨脹率的效果。相比2 h吸水厚度膨脹率，玻璃纖維對24 h吸水厚度膨脹率限制效果較小。

如表3所示，單層鋪裝試件的2 h吸水率相較空白件減少了25.5%。雙層鋪裝和3層鋪裝試件相比空白件分別減少了34.1%和40.9%。經(jīng)過24 h的浸泡，單層鋪裝試件的24 h吸水率相較空白件減少了13.28%，雙層鋪裝和3層鋪裝試件分別降低了24.7%和30.2%。

2.2.2 吸水線性膨脹率

如表3所示，相較空白件，玻璃纖維增強(qiáng)重組木的2 h及24 h弦向線性膨脹率的降低幅度均遠(yuǎn)低于徑向膨脹率，由此可以表明玻璃纖維對徑向線性膨脹率的限制效果較弦向更為顯著。這是因?yàn)闂钅局亟M木由縱向不斷裂的纖維化單板條為單元組成，其弦向排列較均勻，膨脹率很小，因此玻璃纖維對其增強(qiáng)的效果也并不明顯。在徑向上，單層鋪裝玻璃纖維增強(qiáng)楊木纖維化單板重組木的膨脹率較空白件有顯著的減少。而在徑向上存在疊芯，孔隙率較大，因此吸水膨脹率也較大，玻璃纖維的添加可以有效增強(qiáng)徑向方向材料的耐水性。

經(jīng)2 h浸漬，單層鋪裝、雙層鋪裝和3層鋪裝試件相較空白件，弦向線性膨脹率分別降低了26.09%、36.23%和48.79%。經(jīng)24 h浸漬，單層鋪裝、雙層鋪裝和3層鋪裝試件相較空白件，弦向線性膨脹率分別降低了29.63%、69.14%和71.62%。隨著玻璃纖維添加層數(shù)的增加，弦向線性膨脹率呈減少趨勢，當(dāng)添加到3層時，其降低幅度減緩。隨著時間的增加，玻璃纖維對重組木弦向線性膨脹率的降低效果增強(qiáng)。

3 結(jié)論

在相同密度下，隨著玻璃纖維添加層數(shù)的增加，纖維化楊木單板重組木的各項力學(xué)性能也隨之增加。相較空白試件，單層玻璃纖維增強(qiáng)試件的力學(xué)性能顯著增加。雙層玻璃纖維增強(qiáng)試件的力學(xué)性能達(dá)到最高，但增加趨勢減緩。而當(dāng)添加到3層時，其力學(xué)性能相比雙層玻璃纖維增強(qiáng)試件有所下降。

隨著密度的增加，玻璃纖維增強(qiáng)纖維化楊木單板重組木力學(xué)性能的增加比率呈現(xiàn)降低趨勢。而玻璃纖維對于重組木的增強(qiáng)效果在低密度(0.6、0.7 g/cm3)時最為顯著。

玻璃纖維的添加可以有效提高楊木纖維化單板重組木的尺寸穩(wěn)定性。隨著玻璃纖維添加層數(shù)的增加，吸水厚度膨脹率、吸水率和線性膨脹率均呈減少趨勢；3層鋪裝試件的吸水膨脹率達(dá)到最低，但減少趨勢減緩。

相比弦向線性膨脹率，玻璃纖維對于重組木徑向線性膨脹率的抑制效果更為顯著。隨著時間的增加，玻璃纖維對于線性膨脹率的抑制效果也增加。

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EvaluationofPhysicalandMechanicalPropertiesofGlassFiberReinforcedPoplarScrimber

Lin Yubin, Zhu Zhaolong, Na Bin, Liang Xingyu, Guo Xiaolei

(Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, P. R. China)Journal of Northeast Forestry University，2017,45(12)：48-52.

Scrimber; Mechanical property; Glass fiber; Dimensional stability; Reinforced material

1)江蘇省前瞻性聯(lián)合研究項目(BY2015006-04)。

林雨斌，男，1993年5月生，南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，碩士研究生。E-mail：1002543048@qq.com。

那斌，南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，教授。E-mail：Nabin8691@126.com。

2017年 6月29日。

戴芳天。

S784

We used glass fiber to reinforce Poplar fibrous veneer scrimber, and evaluated the effects of structure and density on the mechanical properties and dimensional stabilities of fiber reinforced Poplar fibrous veneer scrimber. With the increasing of fiber layers, the mechanical properties of scrimber showed an increasing trend, however, the mechanical properties of triple-layer fiber reinforced scrimber decreased compared to those of double-layer fiber reinforced scrimber. Compared to high density, the glass fiber could better improve the mechanical properties at low density. Glass fiber could also improve the dimensional stabilities of scrimber. With the increasing of layers of glass fiber, the TS showed a decreasing trend compared to the control group. With the increasing of layers of glass fiber and mass fraction of glass fiber, the water absorption rate and linear expansion rate showed a decreasing trend compared to the control group. With the increasing of water soaking time, the glass fiber could better restrict the linear expansion rate.