竹基纖維復(fù)合材料的抗彎性能和抗剪切性能

張歡歡

（中鐵貴州工程有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550003）

材料領(lǐng)域持續(xù)發(fā)展，竹基纖維復(fù)合材料成為技術(shù)人員高度關(guān)注的對(duì)象。我國(guó)在竹基纖維復(fù)合材料方面已取得較顯著的研究成果[1-2]，制得的復(fù)合材料綜合性能優(yōu)越，在建筑工程、風(fēng)電槳葉等領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用。

竹基纖維復(fù)合材料的制作工藝可選形式較多，以冷壓和熱壓最具代表性，各自制得的產(chǎn)品在性質(zhì)方面具有差異性，本文對(duì)此展開分析，以便給企業(yè)的工藝選擇提供參考。

1 試驗(yàn)材料

慈竹盛產(chǎn)于四川大邑，胸徑40～70mm，壁厚3～6mm。取該地的竹產(chǎn)品，將其置于酚醛樹脂（PF）膠內(nèi)給予浸泡處理。所用浸泡材料的主要性質(zhì)為：固體含量45.59%，黏度36mP·s，pH值10～1l，水溶倍數(shù)7～8倍。

2 竹基纖維復(fù)合材料的制備方法及流程

選取冷壓和熱壓兩種制作工藝，采用某廠生產(chǎn)線制作，基本要求為密度控制在0.85～1.20g/cm3。

2.1 冷壓生產(chǎn)工藝

工藝流程：竹束纖維可控分離→干燥→浸漬處理→計(jì)量→裝模→冷壓→升溫處理→降溫→拆?！拚尚汀?/p>

核心工藝要點(diǎn)主要有：

1）竹束纖維可控分離。作為基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，其工藝效果會(huì)對(duì)后續(xù)制造帶來明顯影響，較可行的是非連續(xù)點(diǎn)裂技術(shù)，對(duì)原竹采取可控分離處理措施，從而形成竹束纖維化單板。

2）浸漬處理。處理后得到竹束纖維材料，將其置入PF膠（要求材料中固體含量約15%）內(nèi)，并給予持續(xù)5min的浸泡處理，若無誤則進(jìn)入氣干環(huán)節(jié)，使其含水率下降至10%左右。

3）冷壓。冷壓處理的實(shí)現(xiàn)應(yīng)得到成型模具的支持，結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。經(jīng)稱量后確定材料的基礎(chǔ)信息，如密度、體積，經(jīng)過鋪裝后蓋上蓋板，檢測(cè)蓋板的位置，當(dāng)其下降至設(shè)計(jì)高度后卸壓，將成型材料取出。

圖1 冷壓成型模具

4）升溫固化與冷卻。將經(jīng)過處理的竹方坯料轉(zhuǎn)移至高溫窯內(nèi)，使其發(fā)生升溫固化反應(yīng)。溫度穩(wěn)定在132℃，持續(xù)時(shí)間以10h為宜，滿足要求后逐步降溫，50℃時(shí)將其取出，并進(jìn)入窯外冷卻。由專員卸模，給予4d～5d的靜置時(shí)間，隨后可根據(jù)需求合理修整。

2.2 熱壓生產(chǎn)工藝

主要工藝流程：竹束纖維可控分離→干燥→浸漬處理→計(jì)量→裝模→熱壓→冷卻處理→修整→成型。

相比于冷壓工藝，熱壓工藝在“計(jì)量”工序之前的操作都與之具有一致性，隨后的工藝要點(diǎn)發(fā)生變化，主要有：制得纖維化竹單板后，順紋方向排列整齊，鋪裝成板坯；溫度提升至150℃，壓力維持在4.5MPa，在此條件下組織加熱作業(yè)，按照1.3min/mm的標(biāo)準(zhǔn)確定合適的保溫時(shí)間；經(jīng)保溫處理后，向其中通入冷卻水以達(dá)到降溫的效果，檢測(cè)板材芯層的溫度情況，當(dāng)其在80℃以內(nèi)時(shí)可組織卸板作業(yè)。

2.3 竹基纖維復(fù)合材料的性能測(cè)試方法

冷壓板材沿高度方向依次切割，形成厚度均為30mm的片材，熱壓板材的切割可順長(zhǎng)度方向完成，單塊規(guī)格均設(shè)為800mm×600mm×30mm，再依據(jù)規(guī)范檢測(cè)試件的質(zhì)量，具體指標(biāo)包含復(fù)合材料的密度、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量、水平剪切強(qiáng)度。各項(xiàng)指標(biāo)均選取6個(gè)試件，得到結(jié)果后求取均值，由此得到最終結(jié)果。

耐水性能檢測(cè)選擇的是20℃水浸泡的方式，其主要操作流程為：選取待檢測(cè)的試件，將其放置在20℃的水中持續(xù)浸泡10d，期間每間隔24h取出并檢測(cè)，掌握各時(shí)間節(jié)點(diǎn)材料所對(duì)應(yīng)的吸水厚度膨脹率（TS）和吸水率（WA）。所有試件的尺寸控制標(biāo)準(zhǔn)均為50cm×50cm，經(jīng)檢測(cè)后獲得6個(gè)試件的測(cè)量結(jié)果，求取均值。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 竹基纖維復(fù)合材料的耐水性能

取密度為0.85～1.15g/cm3的試樣，分別對(duì)其展開TS和WA檢測(cè)，根據(jù)所得結(jié)果繪制圖形，如圖2所示。

圖2 竹基纖維復(fù)合材料的耐水性能

由圖2分析得知，各竹基纖維復(fù)合材料的耐水性表現(xiàn)都相對(duì)較好。

1）TS：低密度試驗(yàn)分析結(jié)果顯示，TS均控制在3%以內(nèi)，冷壓法試樣所得的TS值均控制在2%以內(nèi)；高密度試樣分析結(jié)果顯示，TS均控制在5%以內(nèi)，冷壓法試樣所得的TS值均控制在4%以內(nèi)；在浸泡時(shí)間延長(zhǎng)的條件下，TS值的變化由快速變?yōu)槁?，后續(xù)趨于平緩狀態(tài)。

2）WA：低密度試驗(yàn)分析結(jié)果顯示，WA均控制在35%以內(nèi)；高密度試樣分析結(jié)果顯示，WA均控制在20%以內(nèi)。在浸泡時(shí)間延長(zhǎng)的條件下，WA值的變化由快速變?yōu)槁?，后續(xù)趨于平緩狀態(tài)。

通過上述分析可知，若密度保持一致，通過冷壓工藝制得的材料具有更為良好的耐水性能，表現(xiàn)優(yōu)于熱壓工藝材料。此外，測(cè)試方法、原材料等因素會(huì)不同程度影響復(fù)合材料的耐水性能。

3.2 竹基纖維復(fù)合材料的抗彎性能

冷、熱壓工藝均能夠制得質(zhì)量較好的竹基纖維復(fù)合材料，且彎曲強(qiáng)度和彎曲模量的變化規(guī)律具有一致性，均與密度具有正比例關(guān)系。在密度增加的條件下，試樣的抗彎能力提升；若保持密度一致，冷壓法所得的產(chǎn)品在彎曲強(qiáng)度方面略低，但兩種工藝在彈性模量方面幾乎不存在差異。若工藝相同，影響抗彎性能的因素主要是竹束纖維體、樹脂層以及兩者所具有的界面性能。從工藝流程的角度看，冷壓材料采取的是先模具成型后固化的方式，其在固化期間未涉及施加外力的情況；而對(duì)于熱壓工藝而言，固化成型過程中伴有特定的壓力，竹束纖維與樹脂層的界面性能表現(xiàn)較為良好，基于此特性，制得的材料在彎曲強(qiáng)度方面的表現(xiàn)相對(duì)更好。在彎曲彈性模量的各類影響因素中，以竹束纖維體最為典型，兩種工藝制得的材料在此方面并無明顯差異，因此抗彎彈性模量幾乎相同。

3.3 竹基纖維復(fù)合材料的抗剪切性能

其性能試驗(yàn)如下圖3所示。

圖3 竹基纖維復(fù)合材料的剪切性能

由圖3分析可知，冷、熱壓兩種工藝制得的產(chǎn)品在剪切強(qiáng)度方面的變化規(guī)律相同，均與密度成正比關(guān)系。

熱處理對(duì)材料強(qiáng)度的影響要考慮熱處理環(huán)境中pH值的變化對(duì)生物復(fù)合材料的影響。竹單板經(jīng)高溫處理后pH值顯著降低，堿緩沖容量增大，而酸緩沖容量降低。緩沖容量的大小對(duì)膠合劑pH值的變化有著決定性作用，會(huì)影響在堿性條件下固化的酚醛樹脂的固化時(shí)間，而固化時(shí)間和pH值是影響酚醛樹脂固化和形成膠合強(qiáng)度的主要因素。而熱處理后纖維化竹單板的熱水抽提物含量顯著增加，大量抽提物沉積于竹材的表面，增加了竹材表面的污染程度，也會(huì)對(duì)界面間的膠合強(qiáng)度產(chǎn)生影響。

在材料密度相同的條件下，熱壓材料的剪切強(qiáng)度相對(duì)更高，表明其界面結(jié)合性能更為良好，相比之下冷壓方式在此方面略微遜色。

4 結(jié)語(yǔ)

基于上述力學(xué)性能分析，得以下結(jié)論：

1）通過冷、熱壓工藝均可制得綜合性能較好的竹基纖維復(fù)合材料；

2）以密度一致為前提，熱壓工藝所得的產(chǎn)品在抗彎性能和抗剪切性能方面都具有更好的表現(xiàn)，優(yōu)于冷壓工藝；

3）冷、熱壓工藝都具有可行性，企業(yè)可根據(jù)產(chǎn)品用途選擇相應(yīng)工藝。若注重鋪裝的便捷性，以冷壓生產(chǎn)工藝較為合適；若追求力學(xué)性能，則優(yōu)先選擇熱壓工藝。