濕熱耦合環(huán)境下竹束單板層積材的力學(xué)性能

于子絢，江澤慧，王 戈，張文福，陳復(fù)明

濕熱耦合環(huán)境下竹束單板層積材的力學(xué)性能

于子絢，江澤慧，王 戈，張文福，陳復(fù)明

(國際竹藤中心，北京 100102)

為研究竹束單板層積材在不同溫濕度環(huán)境下的力學(xué)行為，利用慈竹竹束單板和酚醛樹脂制備了竹束單板層積材，通過20，36和60℃下的吸濕測(cè)試，研究了該材料的吸濕特性及濕熱過程中彎曲性能和壓縮性能變化。結(jié)果表明：竹束單板層積材吸濕前期符合Fick擴(kuò)散；室溫下隨著吸濕量和吸濕時(shí)間增加，彎曲性能和壓縮性能衰減先快后慢，最終趨于穩(wěn)定； HRH=100%時(shí)，溫度越高力學(xué)性能衰減越明顯，且高溫高濕環(huán)境下的彎曲破壞具有明顯的剪切破壞特征，表明溫度和吸濕量決定了竹束單板層積材力學(xué)性能的衰減。

重組竹；濕熱老化；吸濕特性；力學(xué)性能

竹束單板層積材是在對(duì)傳統(tǒng)的重組竹進(jìn)行生產(chǎn)工藝改進(jìn)的基礎(chǔ)上制造的一類新型竹基復(fù)合材料。它在保留傳統(tǒng)重組竹優(yōu)良性能的同時(shí)，由于采取了更加科學(xué)的竹材帚化工藝和規(guī)律的層積組坯原則，在一定程度上改善了傳統(tǒng)重組竹的密度過高與不均的缺陷，使其更好地滿足于作為工程結(jié)構(gòu)及裝飾材料的使用要求。目前，竹/木基復(fù)合材料的性能研究多集中于對(duì)其干態(tài)條件下的力學(xué)行為的探討，而在長期的濕度和溫度協(xié)同作用下，竹/木材增強(qiáng)體、樹脂基體及竹/木纖維-樹脂界面均會(huì)遭受不同程度的破壞，引起材料性能的老化，進(jìn)而影響到其耐久性甚至力學(xué)性能的衰減。竹束單板層積材作為一類以竹材單元為主要構(gòu)成部分的竹基復(fù)合材料，同樣容易遭受濕熱作用的影響而引起性能變化，因此，研究不同溫度、濕度環(huán)境作用下竹束單板層積材力學(xué)性能的變化規(guī)律對(duì)于指導(dǎo)竹木基復(fù)合材料的安全應(yīng)用和科學(xué)生產(chǎn)具有一定的實(shí)際意義。

本研究以慈竹竹束單板層積材為研究對(duì)象，進(jìn)行了不同濕熱環(huán)境下的吸濕試驗(yàn)和力學(xué)性能測(cè)試，研究了竹束單板層積材的吸濕特性，分析了不同的溫、濕度條件對(duì)竹束單板層積材彎曲性能和壓縮性能的影響，以期為竹束單板層積材在長期的濕熱環(huán)境下的耐久性評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

通過自主研制的帚化機(jī)將慈竹竹片帚化為縱向連續(xù)、橫向松散的優(yōu)質(zhì)整張化竹束單板，浸膠后，按照層積組坯、熱壓膠合的方式生產(chǎn)竹束單板層積材，竹束浸膠量10%，板材密度1.0 g/cm3，用于吸濕測(cè)試的樣品規(guī)格3 mm×50 mm×50 mm，用雙組份膠黏劑在樣品的厚度方向上進(jìn)行密封。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 吸濕測(cè)試

將樣品分別置于3組不同的濕熱環(huán)境中（HRH99%，溫度分別為20、36、60℃），周期性測(cè)試樣品的質(zhì)量增加率和力學(xué)性能。

1.2.2 力學(xué)性能測(cè)試

參照GB/T 20241-2006《單板層積材》和GB/T 17657-1999《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行彎曲強(qiáng)度、彎曲模量和壓縮強(qiáng)度的測(cè)試。其中，為在短期內(nèi)獲得彎曲性能的變化結(jié)果，用于彎曲性能測(cè)試的樣品規(guī)格為3 mm×20 mm×150 mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 竹束單板層積材吸濕特性

圖1為不同溫度條件下竹束單板層積材的吸濕曲線。吸濕初期，吸濕率與時(shí)間的平方根表現(xiàn)為線性關(guān)系，符合菲克定律的擴(kuò)散模式[1]。竹束單板層積材內(nèi)部含有大量的竹束纖維和一些微孔隙，水分子首先被纖維與樹脂上大量的親水基團(tuán)吸附，并不斷的形成多層水分子的結(jié)構(gòu)[2]，在高濕度的環(huán)境下，材料內(nèi)部毛細(xì)管表面張力的作用也加劇了水分子的吸附，并在微孔內(nèi)部聚集，因此，初始階段水分子的吸濕速率較大；隨著時(shí)間的推移，板材內(nèi)外水分子濃度梯度逐漸趨于一致，并最終達(dá)到吸濕平衡。

2.2 濕度對(duì)竹束單板層積材力學(xué)性能的影響

圖2、圖3和圖4分別為20℃測(cè)試周期為1 250 h過程中，彎曲強(qiáng)度、彎曲模量以及壓縮強(qiáng)度隨吸濕率變化情況。圖中可看出，彎曲強(qiáng)度、彎曲模量和壓縮強(qiáng)度均隨著吸濕質(zhì)量的增加而逐漸降低，含水率低于15%時(shí)，上述力學(xué)性能隨著含水率的增加而迅速衰減，當(dāng)含水率高于15%時(shí)，力學(xué)性能變化趨勢(shì)減緩。

圖1 吸濕特征曲線Fig.1 Moisture absorption feature curves

圖2 吸濕過程中彎曲強(qiáng)度變化Fig.2 Variation of MOR during moisture absorption

圖3 吸濕過程中彎曲模量變化Fig.3 Variation of MOE during moisture absorption

竹束單板層積材的力學(xué)性能在含水率15%左右開始減緩，低于竹材本身的纖維飽和點(diǎn)[3]，這可能由于一方面，竹材在帚化成竹束單板的過程中損失了一部分基本組織；另一方面，竹束單板經(jīng)浸膠、熱壓形成致密的復(fù)合結(jié)構(gòu)，改善了吸水性能和力學(xué)強(qiáng)度。

圖4 吸濕過程中壓縮強(qiáng)度變化Fig.4 Variation of CS during moisture absorption

吸濕前期竹束單板層積材性能受竹材本身影響較大。竹材主要由纖維素、半纖維素、木素等三大組分組成，大量的羥基和酚羥基官能團(tuán)使其表現(xiàn)出明顯的極性和親水性，吸濕引起竹材細(xì)胞壁之間作用力降低并開始膨脹變形，竹束單板層積材彎曲性能和壓縮性能下降明顯；在繼續(xù)吸濕的過程中，擴(kuò)散作用使水分子繼續(xù)進(jìn)入樹脂基體和竹束單板層積材內(nèi)部各類孔隙，膠黏劑也在吸濕的影響下發(fā)生塑化，進(jìn)一步降低了竹束單板層積材的力學(xué)性能；在吸濕后期，水分子在細(xì)胞腔、導(dǎo)管、界面附近聚集并飽和，吸濕基本達(dá)到平衡，故力學(xué)性能趨于穩(wěn)定。因此，對(duì)于應(yīng)用于常溫高濕環(huán)境下的竹束單板層積材，可在生產(chǎn)過程中通過提高竹束單板帚化質(zhì)量、增加比表面積、選擇合適的膠黏劑、提高浸膠量等措施改善膠黏劑對(duì)竹束單板的包裹和附著能力，以便抵抗潮濕環(huán)境對(duì)竹束單板層積材的不良影響。

2.3 濕熱耦合對(duì)竹束單板層積材力學(xué)性能的影響

圖5、圖6和圖7分別為測(cè)試周期為1 250 h過程中彎曲強(qiáng)度、彎曲模量以及壓縮強(qiáng)度受溫濕度影響情況。圖中可看出，相同濕度下（HRH99%），彎曲強(qiáng)度、彎曲模量和壓縮強(qiáng)度均隨著溫度的升高而逐漸降低。20℃環(huán)境下，竹束單板層積材的彎曲強(qiáng)度最低保持率約80%，當(dāng)溫度上升至60℃時(shí)最低保持率下降至60%，此時(shí)壓縮強(qiáng)度性能保持率僅為50%，即溫度與吸濕量的不同影響力學(xué)性能的變化，溫度越高，力學(xué)性能保持率越低。

圖5 溫度對(duì)彎曲強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of temperature on MOR

圖6 溫度對(duì)彎曲模量的影響Fig.6 Effect of temperature on flexural modulus

圖7 溫度對(duì)壓縮強(qiáng)度的影響Fig.7 Effect of temperature on CS

竹束單板層積材在高溫高濕環(huán)境下，由于竹材與酚醛樹脂的吸濕機(jī)理和吸濕能力差異，引起二者對(duì)溫濕度的敏感性不同，因而產(chǎn)生“溶脹”差異并導(dǎo)致竹束單板層積材內(nèi)部應(yīng)力、微裂紋，并隨著時(shí)間的延長產(chǎn)生更多的界面孔隙或界面脫粘，從而使竹束單板層積材界面結(jié)合強(qiáng)度降低；另一方面，溫度的持續(xù)作用，增加了水分子與竹材和樹脂基體的結(jié)合能力，水分子不但受擴(kuò)散作用進(jìn)入竹束單板層積材，還會(huì)在“毛細(xì)作用”的驅(qū)動(dòng)下沿著界面快速的滲透擴(kuò)散[4]，并一邊與界面和竹材上的極性基團(tuán)形成范德華鍵和氫鍵一邊參與界面附近化學(xué)鍵的水解，這更加削弱了竹材與基體間的鍵合作用，也降低了水分子在竹束單板層積材內(nèi)部的擴(kuò)散阻力，從而加劇了濕熱環(huán)境下竹束單板層積材力學(xué)性能的衰減。因此，溫度對(duì)竹束單板層積材的性能衰減起到催化作用。

濕熱耦合作用對(duì)竹束單板層積材的性能影響是由于吸濕量的增加和界面附近內(nèi)應(yīng)力的差異，削弱了竹束單板層積材的界面性能，因而竹束單板層積材在受外力作用時(shí)載荷傳遞能力大大降低而引起力學(xué)強(qiáng)度下降。在工藝生產(chǎn)中，可考慮通過改善界面性能的方法以增強(qiáng)其在濕熱環(huán)境中的力學(xué)性能和穩(wěn)定性。

2.4 竹束單板層積材力學(xué)性能受濕熱環(huán)境的影響差異

竹束單板層積材是由竹束單板層積組坯熱壓而成，因此其不同的力學(xué)性能受結(jié)構(gòu)和環(huán)境條件的影響不同。竹束單板層積材的彎曲性能主要由纖維和界面控制，吸濕初期，水分子對(duì)竹材和樹脂產(chǎn)生了溶脹和塑化作用，溫度升高，基體軟化、形變?cè)黾覽5]，因而彎曲性能降低，此時(shí)的破壞模式屬于拉伸破壞；吸濕后期，隨著水分子數(shù)量的增加，最終導(dǎo)致竹束單板層積材的界面脫粘（見圖8），故試樣的破壞形式為剪切破壞，此時(shí)彎曲強(qiáng)度的僅為129 MPa；對(duì)于縱向壓縮強(qiáng)度，既受纖維性能控制也受樹脂基體模量的影響，濕熱環(huán)境導(dǎo)致竹束單板層積材膨脹，體積增大，也引起酚醛樹脂的軟化及模量的顯著降低，因而壓縮強(qiáng)度明顯下降。包建文認(rèn)為，隨著溫度的升高，吸濕量增加，復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度和壓縮模量下降具有明顯趨勢(shì)[6]。

圖8 彎曲樣品界面開裂Fig.8 Interface cracking of bending sample

試驗(yàn)中，部分竹束單板層積材的力學(xué)性能在高濕高溫時(shí)的波動(dòng)較大，這可能是因?yàn)闇囟?、濕度的耦合作用?duì)其力學(xué)性能同時(shí)產(chǎn)生了積極與消極雙重影響：一方面，水蒸汽的滲透使樹脂基體產(chǎn)生了“增塑”現(xiàn)象[7]，并伴隨著溫度的作用使竹束單板與膠黏劑間的界面強(qiáng)度降低；另一方面，高溫使酚醛樹脂固化程度增加，某種程度上起到改善界面強(qiáng)度的作用。在這兩種相互矛盾的作用此消彼長的影響下，竹束單板層積材力學(xué)性能在某一階段會(huì)呈現(xiàn)波動(dòng)式的變化，而相比單純的濕或熱環(huán)境，濕熱耦合作用對(duì)竹束單板層積材力學(xué)性能影響也更加復(fù)雜化。

3 結(jié)論

(1)竹束單板層積材的吸濕是竹束單板、樹脂和界面等單元吸濕結(jié)果的集合，而竹束單板在整個(gè)吸濕過程中發(fā)揮了重要的作用。

(2)在純濕度作用下，竹束單板層積材力學(xué)性能的下降是由吸濕率決定的，前期迅速下降并在接近飽和吸濕率時(shí)趨于平緩，屬于可逆過程。

(3)在高溫濕態(tài)環(huán)境下，由于內(nèi)部竹材和酚醛樹脂的熱膨脹系數(shù)不同，引起吸濕內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生削弱了竹束單板層積材的界面性能。

(4)較大吸濕強(qiáng)度引起的竹束單板的裂紋和基體水解是不可逆過程，對(duì)力學(xué)性能的影響永久性存在，并會(huì)導(dǎo)致性能的進(jìn)一步降低。

[1] 過梅麗,陽 芳,范欣愉,等.聚合物基復(fù)合材料的濕擴(kuò)散參數(shù)研究[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào), 2001,1(18):34-37.

[2] Dent R W. Amultiayer theory for gas sorption I. sorption of a single gas[J]. Text. Res. J., 1977,40:145-152.

[3] 王漢坤,喻云水,余 雁,等.毛竹纖維飽和點(diǎn)隨竹齡的變化規(guī)律[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào).2010,30(2):112-115.

[4] 王玉林,萬怡灶,陳桂才,等.三維編織碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料的吸濕特性及外應(yīng)力影響[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2002,19(6):101-105.

[5] 潘文革,矯桂瓊,楊 杰,等.二維機(jī)織樹脂基復(fù)合材料濕熱性能研究[J].航空材料學(xué)報(bào),2007,27(1):37-40.

[6] 包建文,陳祥寶. 5284/T300復(fù)合材料濕熱性能研究[J].航空材料工藝,2000,30(4):37-40.

[7] 趙 鵬,姚衛(wèi)星.濕熱對(duì)纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料性能影響綜述[C]//第五屆長三角科技論壇及航空航天科技創(chuàng)新與長三角經(jīng)濟(jì)發(fā)展論壇.上海：上海市宇航學(xué)會(huì), 2008,238-244.

Mechanical properties of laminated bamboo scrimber in hygrothermal environment

YU Zi-xuan, JIANG Ze-hui, WANG Ge, ZHANG Wen-fu, CHEN Fu-ming
(International Center for Bamboo and Rattan, Beijing 100102, China)

For the study of mechanical properties of laminated bamboo scrimber in hygrothermal environment, Neosinocalamus affinis(Rendle) Keng f. and PF were used to produce laminated bamboo scrimber. The moisture absorption characteristics, changes in the MOR,MOE and compression strength have been studied in hygrothermal environment (20,36 and 60℃). The results show that the absorption behavior at the initial stage conformed to Fick’s law of diffusion; the bending property and compressive property of laminated bamboo scrimber weaken fast firstly then slow down and eventually tended towards stability with the increase of hygroscopic moisture content and absorption time at room temperature; When the relative humidity HRH=100%, the higher the temperature, the higher the absorption and the lower the mechanical properties, and the flexural strength presented shear failure features in hygrothermal environment. It is thus concluded that the reduction of mechanical property is related to the temperature and water absorption content of the laminated bamboo scrimber.

laminated bamboo scrimber；hygrothermal aging；moisture absorption；mechanical properties

S781.2；TS653.3

A

1673-923X(2012)08-0127-04

2012-01-12

林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201204701）；科技部農(nóng)業(yè)成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目（2009GB24320467）

于子絢，博士研究生；主要研究方向：竹木復(fù)合材性能評(píng)價(jià)；電話：010-84789907；E-mail：zixuan1118@126.com

江澤慧，女，教授，博士生導(dǎo)師；主要研究方向：竹木復(fù)合材料和竹藤材料

[本文編校：邱德勇]