木基纏繞管道結(jié)構(gòu)層的制備及其力學(xué)性能

韓健，趙濤，劉朝政,2，李萬兆,2，梅長彤,2*

(1.南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210037；2.南京林業(yè)大學(xué)林業(yè)資源高效加工利用協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210037)

管道輸送作為城市水資源綜合管理的重要一環(huán)，已被廣泛應(yīng)用于城市供水以及污水排放領(lǐng)域[1]。輸送管道作為管道輸送的載體，應(yīng)具有強度高、剛度大、抗震能力好等優(yōu)良的性能。目前，城市輸水管道主要分為塑料管道、金屬管道、混凝土管道、玻璃鋼管道和新型竹纏繞復(fù)合管道。塑料管道生產(chǎn)方便，但其強度、剛度和耐水壓性能較差，不適合長距離的液體輸送；金屬管道制造能耗高，且存在重量大、安裝運輸不便等缺點，其應(yīng)用場景具有較大的局限性[2]；混凝土管道的缺點是密封性差、自重大、易受到腐蝕而發(fā)生滲漏，對環(huán)境會產(chǎn)生污染[3-4]；玻璃鋼管道是我國近年來發(fā)展比較快的一種輸水管道，具有質(zhì)量輕和運輸成本低的優(yōu)點，但它也存在生產(chǎn)成本高、繞曲性能差的缺點，吊裝鋪設(shè)過程中容易發(fā)生內(nèi)壁開裂的問題[5]。竹纏繞復(fù)合管道是一種新型的復(fù)合管道制品，是以竹篾為基本單元，利用纏繞技術(shù)制備的一種生物基復(fù)合材料[6]。該管道產(chǎn)品具有低碳環(huán)保、抗震抗沉降能力強、保溫性能好等特點[7-8]，但制備竹篾和竹纏繞帶存在生產(chǎn)效率低、勞動強度大、原料利用率低等問題，導(dǎo)致該產(chǎn)品生產(chǎn)成本較高，市場競爭優(yōu)勢不明顯。木基纏繞管道是以木質(zhì)單板帶為基本纏繞單元，與竹纏繞管道相比具有原料來源廣、單元制備效率和自動化程度高、制造成本低等優(yōu)點，是一種基于可再生資源的新型綠色低碳輸送管道[9]。

木基纏繞制品源于木材細胞壁解剖結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計，早在20世紀(jì)90年代，日本就有學(xué)者對木基纏繞管道開展了相關(guān)試驗和研究。Hata等[10]開發(fā)了一種新型纏繞設(shè)備，并優(yōu)選出了適用于生產(chǎn)圓筒型單板層積材(cylindrical LV，C-LVL)的間苯二酚樹脂膠黏劑。Berard等[11]探索了單板帶纏繞間隙與C-LVL力學(xué)性能的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)單板帶纏繞間隙小于0.5 mm時C-LVL環(huán)剛度顯著提高。C-LVL的彈性模量與單板原料密切相關(guān)，木材單板間添加玻璃纖維帶能大幅提升產(chǎn)品的抗彎彈性模量。軸壓受力過程中，C-LVL的破壞主要集中在端頭、中部以及單板拼縫處[12]。

目前，關(guān)于木基纏繞的研究多集中在C-LVL產(chǎn)品，而在管道制品領(lǐng)域鮮有報道。本研究以楊木為原料，采用無紡布增強接長旋切單板，在實驗室纏繞設(shè)備上試制不含內(nèi)外防水層的木基纏繞管道結(jié)構(gòu)層，探索了單板帶厚度、纏繞角度、膠黏劑種類對管道結(jié)構(gòu)層抗壓和抗拉性能的影響，以期為木基纏繞管道的工業(yè)化生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選用厚度分別為0.4和1.0 mm的美洲黑楊(Populusdeltoides)單板帶(購自山東海瀾木業(yè))為試驗材料，單板帶端面開指接槽，單板背裂面粘貼無紡布(厚度0.01 mm)以實現(xiàn)單板帶接長增強。酚醛樹脂膠黏劑(固含量43.81%，pH為13，黏度5 374.9 mPa·s)購自上海太爾化工有限公司，環(huán)氧樹脂膠黏劑(HYW-CQ雙組分型，膠黏劑與固化劑質(zhì)量比為3∶1，黏度8 393.5 mPa·s)購自武漢市洪山區(qū)鼎固紀(jì)元建筑加固材料廠。

1.2 木基纏繞管道結(jié)構(gòu)層制備方法

本研究采用1.0 mm厚度、2種帶寬的無紡布增強單板和2種類型膠黏劑為原材料制備層間纖維順紋方向交錯螺旋纏繞的八層木基纏繞管道結(jié)構(gòu)層，交錯纏繞方式如圖1所示，定義各層單板帶纖維方向與加載方向之間的角度為纏繞角度。單板帶寬、管道內(nèi)徑與纏繞角度存在式(1)所示的關(guān)系[13]，管道內(nèi)徑定為300 mm，單板帶寬選擇10與16 cm兩種。將數(shù)值代入式(1)可得，使用寬度10與16 cm的單板帶制備的管道，纏繞角度分別對應(yīng)6.09°與9.78°。

W=πDcos(90°-θ)

(1)

式中：W為單板帶寬度，mm；θ為纏繞角度，(°)；D為管道內(nèi)徑，mm。

酚醛樹脂制備的管道結(jié)構(gòu)層纏繞工藝是先在模具上纏繞一層透明的光滑塑料薄膜以便于最后脫模，然后在常壓條件下使單板帶勻速通過浸膠槽，浸膠量為130 g/m2。將單板帶沿層間纖維順紋方向交錯鋪裝至纏繞設(shè)備(MJCR-1型，常州蘇風(fēng)機械有限公司)，設(shè)備自轉(zhuǎn)時牽引單板步進，通過控制單板帶張緊力使層間壓力恒定(圖2)。纏繞完成后在130 ℃條件下加熱3 h并自然冷卻至室溫狀態(tài)，之后從纏繞設(shè)備上脫模。環(huán)氧樹脂制備的管道結(jié)構(gòu)層纏繞工藝與酚醛樹脂制備的管道結(jié)構(gòu)層類似，所不同的是環(huán)氧樹脂制備的管道結(jié)構(gòu)層采用單面均勻涂膠，施膠量為130 g/m2，并沿層間纖維順紋方向交錯鋪裝至纏繞設(shè)備；采用相同單板張緊力，纏繞完成后在室溫條件下陳放6 h后從纏繞設(shè)備上脫模。

4種木基纏繞管道結(jié)構(gòu)層的具體工藝參數(shù)見表1。

圖1 木基纏繞管道結(jié)構(gòu)層單板帶纏繞方式Fig.1 Winding method of veneer curtains of wood winding pipe structure layer

圖2 木基纏繞管道結(jié)構(gòu)層制備工藝流程Fig.2 Preparation process of the structure layer of wood winding pipe

表1 木基纏繞管道結(jié)構(gòu)層基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of wood winding pipe structure layer

1.3 性能表征

1.3.1 單板帶抗拉性能和潤濕性測試

依據(jù)GB/T 1938—2009《木材順紋抗拉強度試驗方法》，測量0.4和1.0 mm厚單板帶的拉伸性能，分析含水率對單板帶及單板帶接長處拉伸性能的影響，通過浸泡和定時干燥的方法調(diào)整單板帶至目標(biāo)含水率。具體步驟是將單板帶置于水中浸泡，當(dāng)單板帶達到預(yù)設(shè)質(zhì)量時取出密封保存15 d，將單板帶含水率調(diào)整至9%～80%區(qū)間的目標(biāo)值。單板帶目標(biāo)含水率在0%～9%區(qū)間時，將單板帶置于60 ℃干燥箱內(nèi)并連續(xù)稱質(zhì)量，當(dāng)單板帶達到預(yù)設(shè)質(zhì)量時取出密封保存15 d。單板帶拉伸強度每組取6個試件的平均值。

制備厚度1.0 mm、表面積50 mm×50 mm的無紡布增強單板帶試件，調(diào)整單板含水率至(8±1)%，檢測酚醛樹脂和環(huán)氧樹脂在試件無紡布表面60 s內(nèi)的動態(tài)接觸角。

1.3.2 管道力學(xué)性能測試

根據(jù)GB/T 5352—2005《纖維增強熱固性塑料管平行板外載性能試驗方法》，試樣內(nèi)徑為300 mm，裁剪試件長度為300 mm，加載速度為5 mm/min，加載至試樣失效終止。記錄線荷載-管徑變形率曲線，計算每根木基纏繞管道結(jié)構(gòu)層所能承受的極限線荷載與環(huán)剛度(圖3a)，每種管道結(jié)構(gòu)層試件重復(fù)測試3次取平均值。線荷載(I)、環(huán)剛度(S)與管徑變形率(M)計算公式如下：

I=P/L

(2)

S=0.019 35F/ΔY

(3)

M=W/R×100%

(4)

式中：P為管道結(jié)構(gòu)層承受荷載，N；L為試件長度，m；F為管徑變形量為3%時的線荷載，N/m;ΔY為管徑變形量為3%時的變形量，m；W為管徑變形量，mm；R為管道結(jié)構(gòu)層直徑，mm。

根據(jù)ASTM D2290-16“Standard test method for apparent hoop tensile strength of plastic or reinforced”，采用A類分離盤法，定制適用于內(nèi)徑300 mm管道的分離盤，裁剪長度為50 mm的試件。在同一直徑的兩邊分別裁掉半徑為13 mm的半圓弧，剩余部分作為有效拉伸區(qū)域，防止應(yīng)力集中，測試試件環(huán)向拉伸強度(圖3b)。加載速度為5 mm/min，每種管道結(jié)構(gòu)層試件重復(fù)測試5次取均值。環(huán)向拉伸強度(F1)計算公式為：

F1=P1/(2A)

(5)

式中：P1為試件所承受的極限拉伸荷載，N；A為單側(cè)有效區(qū)域最小截面積，mm2。

根據(jù)GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》，檢測軸向拉伸和耐水性能，每種管道結(jié)構(gòu)層試件重復(fù)測試8次取平均值。參考標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的抗拉強度測試方法檢測軸向拉伸強度；分別在Ⅰ類和Ⅱ類浸漬剝離條件下檢測4種管道結(jié)構(gòu)層試件的耐水性能。

圖3 結(jié)構(gòu)層試件環(huán)剛度和環(huán)向拉伸性能測試裝置Fig.3 Test device for ring stiffness and circumferential tensile property of structural layer samples

2 結(jié)果與分析

2.1 單板帶的抗拉性能與潤濕性分析

無紡布增強單板帶厚度與其順紋方向拉伸強度和彈性模量呈正相關(guān)(圖4)。1.0比0.4 mm厚增強單板帶的拉伸強度和彈性模量分別增大41%和30%。增強單板帶沿橫紋方向的拉伸強度和彈性模量與其厚度的相關(guān)性不明顯。不同含水率條件下增強單板帶沿順紋方向的抗拉性能見圖5。當(dāng)含水率低于纖維飽和點(25%～30%)時，含水率增加會造成2種厚度增強單板帶的拉伸強度和彈性模量降低。含水率達到或接近纖維飽和點時，增強單板帶接長處抗拉強度下降明顯，拉伸強度小于5 MPa，彈性模量小于1 000 MPa。當(dāng)含水率高于纖維飽和點時，增強單板帶的拉伸強度和彈性模量與含水率的相關(guān)性不明顯。木材力學(xué)性能主要受存在于細胞壁的吸著水影響，木材導(dǎo)管內(nèi)的自由水對其力學(xué)性能影響不大。由圖5可知，增強單板帶接長處的拉伸強度明顯小于增強單板帶縱向的拉伸強度。當(dāng)含水率高于12%時，增強單板帶拉伸強度顯著下降，因此制備木基纏繞管道結(jié)構(gòu)層時增強單板帶含水率不宜高于12%。

圖4 含水率8%條件下無紡布增強單板帶的抗拉性能Fig.4 Tensile properties of non-woven reinforced veneer curtains with a moisture content of 8%

圖5 不同含水率條件下無紡布增強單板帶不同部位的抗拉性能Fig.5 Tensile properties of different parts of non-woven reinforced veneer curtains with different moisture contents

酚醛樹脂與環(huán)氧樹脂在增強型單板帶順紋與橫紋方向上的動態(tài)接觸角見圖6。2類樹脂在增強型單板帶上的接觸角隨時間延長而持續(xù)降低，順紋接觸角下降速率比橫紋快。木材表面纖維間有較多空隙，當(dāng)膠滴沿纖維方向(順紋)擴散時，受到的阻力較小；當(dāng)膠滴沿垂直纖維方向(橫紋)擴散時，受到的阻力較大。2類膠黏劑接觸角隨時間的變化趨勢類似，在0～10 s內(nèi)快速下降，隨后趨于平緩。環(huán)氧樹脂膠黏劑液滴沿順紋和橫紋方向的初始接觸角分別為138°與141°，60 s后接觸角分別下降了73%與71%。環(huán)氧樹脂分子鏈中有較多的極性基團，如醚鍵、羥基等，這些基團能提升環(huán)氧樹脂的浸潤性[14]。酚醛樹脂膠黏劑液滴沿順紋和橫紋方向的初始接觸角分別為111°與112°，60 s后接觸角分別下降了38%與29%，降幅小于環(huán)氧樹脂。

圖6 2種樹脂液滴在增強型單板帶上的接觸角Fig.6 Contact angles of two types of resin droplets on reinforced veneers

2.2 木基纏繞管道的力學(xué)性能分析

2.2.1 環(huán)剛度性能

加載初始階段，線荷載與管徑變形率呈線性正相關(guān)(圖7)，管道結(jié)構(gòu)層出現(xiàn)彈性形變。管道結(jié)構(gòu)層變形率相同條件下，環(huán)氧樹脂比酚醛樹脂制備的管道結(jié)構(gòu)層的線荷載大，且彈性變形區(qū)間更寬。環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂制備的管道結(jié)構(gòu)層在彈性區(qū)間的變形率分別為7%和5%。彈性變形后，4種管道結(jié)構(gòu)層均出現(xiàn)明顯的屈服形變，說明木基纏繞管道結(jié)構(gòu)層具有較強的承重載和抗破壞能力。GB/T 21238—2016《玻璃纖維增強塑料夾砂管》中規(guī)定的最高等級環(huán)剛度要求是10 000 N/m2。圖7中的4種管道結(jié)構(gòu)層中，除單板帶寬度為16 cm的酚醛樹脂纏繞的管道結(jié)構(gòu)層，F(xiàn)-10、H-10和H-16管道結(jié)構(gòu)層的環(huán)剛度比玻璃鋼管最高等級環(huán)剛度要求分別超出9.54%，49.98%與35.34%。這說明木基纏繞管道結(jié)構(gòu)層在內(nèi)徑為300 mm時的整體環(huán)剛度優(yōu)于相同管徑的玻璃鋼管道，在添加內(nèi)襯層與外防護層后，可以替代同管徑的玻璃鋼管道。單板帶寬10與16 cm的酚醛樹脂制備的管道結(jié)構(gòu)層比相同單板帶寬的環(huán)氧樹脂制備的管道結(jié)構(gòu)層的環(huán)剛度分別下降36.91%與57.85%。這是因為環(huán)氧基團能與木材表面的游離鍵反應(yīng)，形成化學(xué)鍵，所以環(huán)氧樹脂膠接力較強，而酚醛樹脂有一定脆性，易龜裂，膠接性能相比環(huán)氧樹脂稍差。同一膠黏劑制備的管道結(jié)構(gòu)層，單板帶寬增加會降低管道結(jié)構(gòu)層的環(huán)剛度。當(dāng)單板帶寬由10 cm提高至16 cm時，酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂管道結(jié)構(gòu)層的環(huán)剛度分別下降了21.74%和9.76%。單板帶寬直接影響管道結(jié)構(gòu)層上單板纏繞的角度，基于單板帶寬與單板帶的纏繞角度存在嚴(yán)格的數(shù)學(xué)關(guān)系，10與16 cm單板帶寬對應(yīng)的纏繞角度分別是6.09° 與9.78°。木材纖維方向承載能力遠大于其他方向，管道結(jié)構(gòu)層徑向承載時，木材纖維方向與承載方向的夾角即纏繞角度越小，則更接近于纖維方向承載，管道結(jié)構(gòu)層環(huán)剛度越高。

圖7 4種木基纏繞管道結(jié)構(gòu)層的環(huán)剛度性能Fig.7 Ring stiffness properties of four types of wood winding pipe structural layers

2.2.2 環(huán)向拉伸性能

單板帶寬增加會降低管道結(jié)構(gòu)層的環(huán)向拉伸強度(圖8)。當(dāng)單板帶寬由10 cm提高至16 cm時，酚醛樹脂與環(huán)氧樹脂制備的管道結(jié)構(gòu)層的環(huán)向拉伸強度分別下降了10.17%和36.31%。相較于酚醛樹脂制備的管道結(jié)構(gòu)層，環(huán)氧樹脂制備的管道結(jié)構(gòu)層環(huán)向拉伸強度顯著提高。這是由于酚醛樹脂的加熱固化過程為不可逆的縮聚反應(yīng)，會產(chǎn)生水分、甲醛等副產(chǎn)物，體積會先膨脹后收縮[15]。管道結(jié)構(gòu)層加熱過程中木材干縮、酚醛樹脂膨脹后收縮，易造成纏繞單板帶間隙變大，管道結(jié)構(gòu)層內(nèi)部甚至出現(xiàn)鼓泡等缺陷，降低了環(huán)向拉伸強度等力學(xué)性能。環(huán)氧樹脂在室溫條件下固化，管道結(jié)構(gòu)層不會因外部環(huán)境劇烈波動而產(chǎn)生變化，保證了管道結(jié)構(gòu)層優(yōu)異的力學(xué)性能。環(huán)氧樹脂比酚醛樹脂的接觸角小，在增強單板表面的擴散性能更好，這有利于形成更加連續(xù)牢固的膠層。單板帶寬為10 cm的環(huán)氧樹脂制備的管道結(jié)構(gòu)層環(huán)向拉伸強度最大。相較于寬單板帶，窄單板帶對應(yīng)的纏繞角度小且接近順紋方向，木材順紋拉伸強度優(yōu)異，因此10 cm寬單板帶纏繞管道結(jié)構(gòu)層的環(huán)向拉伸強度較大。由于10與16 cm單板帶寬對應(yīng)的纏繞角度分別是6.09°與9.78°，所以單板帶纏繞角度由6.09°增加到9.78°時，管道結(jié)構(gòu)層環(huán)向拉伸強度降低。

圖8 4種木基纏繞管道結(jié)構(gòu)層的環(huán)向拉伸性能Fig.8 Circumferential tensile properties of four wood winding pipe structural layers

2.2.3 軸向拉伸性能

2種膠黏劑制備木基纏繞管道結(jié)構(gòu)層的軸向拉伸強度與彈性模量見圖9。當(dāng)單板帶寬由10 cm提高至16 cm時，酚醛樹脂與環(huán)氧樹脂制備的管道結(jié)構(gòu)層的軸向拉伸強度分別提高了34.86%和27.16%，彈性模量分別提高了15.10%和17.55%。寬單板基管道結(jié)構(gòu)層的軸向拉伸強度和彈性模量更大。窄單板意味著更多的纏繞次數(shù)，這會造成管道結(jié)構(gòu)層拼縫增加并影響其軸向拉伸性能，由于10與16 cm單板帶寬對應(yīng)的纏繞角度分別是 6.09° 與9.78°，所以單板帶纏繞角度由6.09°增加到9.78°時，管道結(jié)構(gòu)層軸向拉伸強度增加。

圖9 4種木基纏繞管道結(jié)構(gòu)層的軸向拉伸性能Fig.9 Axial tensile properties of four wood winding pipe structural layers

2.2.4 耐水性能

浸漬剝離是評價木質(zhì)膠合材料耐水性能的重要指標(biāo)，4種木基纏繞管道結(jié)構(gòu)層的浸漬剝離性能見表2。依據(jù)GB/T 9846—2015《普通膠合板》中的規(guī)定：Ⅱ類條件下，部分試件發(fā)生剝離，且剝離長度均小于25 mm，因此4種木基纏繞管道結(jié)構(gòu)層均能滿足Ⅱ類膠合板的耐水性能要求；Ⅰ類條件下，試件均發(fā)生剝離或分層，且平均剝離長度超過單個試件同一膠層每邊剝離長度累計不超過25 mm的規(guī)定，因此4種木基纏繞管道結(jié)構(gòu)層均不滿足Ⅰ類膠合板的耐水性能要求。

表2 4種木基纏繞管道結(jié)構(gòu)層在Ⅰ/Ⅱ類浸漬剝離條件下的試驗結(jié)果Table 2 Experimental results of four kinds of wood winding pipe structural layers using Type Ⅰ/Ⅱ dipping and peeling conditions

3 結(jié) 論

1)增強單板帶接長區(qū)域的抗拉強度低于增強單板帶縱向拉伸強度。當(dāng)含水率高于12%時，單板帶抗拉強度顯著下降，因此制備木基纏繞管道結(jié)構(gòu)層時單板帶含水率不宜高于12%。

2)木基纏繞管道結(jié)構(gòu)層的環(huán)剛度、環(huán)向拉伸強度和軸向拉伸強度與使用的膠黏劑種類有關(guān)，相比于酚醛樹脂，環(huán)氧樹脂制備的結(jié)構(gòu)層力學(xué)性能更優(yōu)。

3)單板帶纏繞角度對管道結(jié)構(gòu)層的環(huán)剛度、環(huán)向拉伸強度和軸向拉伸強度具有較大影響，纏繞角度從6.09°增加到9.78°時：酚醛樹脂制備的管道結(jié)構(gòu)層的環(huán)剛度和環(huán)向拉伸強度分別降低了21.74% 和10.17%，軸向拉伸強度增加了34.86%；環(huán)氧樹脂制備的管道結(jié)構(gòu)層的環(huán)剛度和環(huán)向拉伸強度分別降低了9.76%和36.31%，軸向拉伸強度增加了27.16%。

4)浸漬剝離試驗表明，本研究制備的4種木基纏繞管道結(jié)構(gòu)層均能滿足Ⅱ類膠合板耐水性能的要求。