不同膠黏劑對玄武巖纖維增強竹木膠合板膠合性能的影響?

范詒杰 申士杰 陳暑冰

隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展和人民生活水平的日益提高，人們對木質(zhì)材料的需求量在不斷增長，但是世界森林資源卻日趨匱乏，木材供需之間存在著較大的矛盾。利用人工林、速生材是緩解木材供需矛盾的主要途徑之一，但是由于速生材的徑級小、材質(zhì)疏松、強度低，在承重結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用受到了很大的限制[1]。因此利用纖維增強，將木單板或木材基材與增強纖維復(fù)合形成新的復(fù)合材料，以弱化木材的天然缺陷，提高木材的附加值，從而實現(xiàn)低質(zhì)木材的優(yōu)化利用，提高木材的使用率，符合建設(shè)節(jié)約型社會的要求。

玄武巖纖維以天然玄武巖礦石為原料，耐化學腐蝕性好，不易燃燒，而且具有良好的力學性能，可用于制備熱絕緣材料、抗震材料、過濾材料以及復(fù)合材料等[2]。與玻璃纖維相比，玄武巖纖維的防水性、耐腐性、穩(wěn)定性更優(yōu)異，與E-玻璃纖維相比，玄武巖纖維在堿性和酸性介質(zhì)中的化學性能更好[3-5]。

木質(zhì)材料與玄武巖纖維是兩種性質(zhì)不同的材料，二者直接膠合會因材性差異較大導致膠合強度不能滿足結(jié)構(gòu)用材的要求，從而限制其利用領(lǐng)域。另外竹材的竹青面到竹黃面，彈性模量逐漸減小，顯現(xiàn)出功能梯度材料的特性。因此，將材性介于木材與玄武巖纖維之間的竹材作為緩沖性材料制備復(fù)合板材，可最大程度發(fā)揮上述3種材料各自的性能特點，提高復(fù)合材料整體的強度和剛度。

因此復(fù)合板材性能很大程度取決于竹-纖維膠層的膠合性能，筆者在李靜[5]關(guān)于以等離子體+KH550表面改性方式改性玄武巖纖維表面活性的研究基礎(chǔ)上，研究不同膠黏劑以及偶聯(lián)劑處理竹材對玄武巖纖維增強竹木膠合板膠合性能的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1）桉木單板：500 mm×500 mm，平均厚度：1.7 mm，含水率7.47%。

2）竹篾：500 mm×20 mm×2.5 mm。

3）連續(xù)玄武巖纖維布（Continuous Basalt Fiber）主要指標參數(shù)：纖維平均直徑≤8μm，含水率≤0.5%，軟化溫度≥750 ℃，吸濕性≤10%，酸性系數(shù)≥1。物理性質(zhì)：厚度為0.31 mm，密度為2.63 g/cm3，絲束線密度為222 g/km，纖維直徑10.2μm，股紗為1 025根，吸水率為0.15%。

4）偶聯(lián)劑HMR：自行配置，配方中各組分質(zhì)量占比為: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%。

5）硅烷偶聯(lián)劑KH550溶液:KH550質(zhì)量百分比分別為0.5和0.8。

6）水溶性酚醛樹脂-14L963:黏度（25℃）:60～100 m Pa.s，固化時間（105 ℃）:1 000～1 500 s。

7）醇溶性酚醛樹脂膠黏劑:黏度（涂-4杯,25℃):15～30s,固含量:50%。

8）環(huán)氧樹脂膠黏劑：聚氨酯改性環(huán)氧樹脂（SL-102C-2）：環(huán)氧值=（0.37±0.02） mol/100 g，黏度=1 500～3 500 mPa·s。

1.2 試驗設(shè)備

電子天平，電熱烘干箱，低溫等離子輝光放電儀，萬能試驗壓機，推臺鋸，電熱恒溫水浴箱，萬能力學試驗機。

1.3 試驗方法

試驗采用二次熱壓成型工藝制備玄武巖纖維增強竹木膠合板，即先采用水溶性酚醛樹脂膠黏劑壓制竹木膠合板，然后再將玄武巖纖維布與竹木膠合板進行組坯，熱壓制成玄武巖纖維增強竹木膠合板。

玄武巖纖維增強竹木膠合板組坯形式如圖1所示。

1.3.1 試驗組設(shè)置

圖1 玄武巖纖維增強竹木膠合板示意圖Fig.1 Conf i guration of basalt fi ber bamboo plywood

試驗分別以不同膠黏劑和偶聯(lián)劑為變量，研究二者對玄武巖纖維增強竹木膠合板膠合性能的影響，試驗組設(shè)置見表1。

表1 試驗組設(shè)置Tab.1 Test group settings

1.3.2 竹木膠合板制備

1）竹篾處理：挑選平直的竹篾，根據(jù)實驗方案采用質(zhì)量百分比為0.5的KH550和HMR溶液對竹篾進行處理，HMR涂刷在竹黃部分，KH550涂刷在竹青部分，施劑量為150 g/m2，常溫放置12 h，待水分蒸發(fā)完全后方可涂膠組坯。

2）熱壓：采用表2工藝參數(shù)熱壓制備竹木復(fù)合板材。熱壓結(jié)束后取出板材，冷卻，陳放備用。制成的竹木復(fù)合板材尺寸為500 mm×500 mm×9 mm。

表2 工藝參數(shù)Tab.2 Process parameter

1.3.3 玄武巖纖維增強竹木膠合板制備

玄武巖纖維表面處理：玄武巖纖維布放入電熱鼓風干燥箱中，在250 ℃的條件下加熱處理30 min，然后將纖維進行低溫等離子處理，低溫等離子處理纖維功率為250 W，處理時間為180 s；保持離子流移動速度10 mm/s不變。然后用質(zhì)量百分比為0.8的硅烷偶聯(lián)劑KH550溶液浸泡2 h后取出，用蒸餾水清洗干凈，干燥備用。

熱壓：稱取每塊經(jīng)低溫等離子和偶聯(lián)劑處理后的纖維布的質(zhì)量m，計算每塊纖維布所需膠黏劑質(zhì)量。計算方法為：膠黏劑質(zhì)量為纖維布質(zhì)量的1.5倍。其中環(huán)氧樹脂質(zhì)量∶固化劑質(zhì)量=2∶1。然后手工分別將膠黏劑均勻涂在纖維布兩面，預(yù)固化后，與竹木膠合板組坯熱壓。環(huán)氧樹脂膠黏劑的熱壓工藝參數(shù)為：溫度80 ℃,時間2 h,壓力1.5 MPa；水溶性酚醛樹脂膠黏劑的熱壓工藝參數(shù)為:溫度140 ℃,時間15 min,壓力1.5 MPa;醇溶性酚醛樹脂膠黏劑的熱壓工藝參數(shù)為:溫度160 ℃ ,時間15 min，壓力1.5 MPa。

1.4 性能檢測

依據(jù)GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》對玄武巖纖維增強竹木膠合板進行靜曲強度、膠合強度以及剝離性能檢測。

2 結(jié)果與討論

2.1 靜曲強度與彈性模量

表3為玄武巖纖維增強竹木膠合板靜曲強度和彈性模量檢測結(jié)果，圖2為玄武巖纖維增強竹木膠合板材靜曲強度和彈性模量直觀對比圖。

由上述圖表可以看出，同一膠黏劑條件下，竹篾經(jīng)偶聯(lián)劑HMR和KH550表面改性處理試驗組的靜曲強度和彈性模量均較竹篾未經(jīng)任何處理的空白試驗組有一定的提高。環(huán)氧樹脂膠黏劑試驗組的靜曲強度由89.88 MPa提高到97.79 MPa，提高了8.8%。水溶性酚醛樹脂膠黏劑試驗組的靜曲強度由117.65 MPa提高到133.19 MPa，提高了13.2%。醇溶性酚醛樹脂膠黏劑試驗組的靜曲強度由135.82 MPa提高到151.05 MPa，提高了11.2%。對比3種膠黏劑可以發(fā)現(xiàn)，無論竹篾處理與否，纖維增強竹木膠合板的抗彎性能均表現(xiàn)為：醇溶性酚醛樹脂膠黏劑＞水溶性酚醛樹脂膠黏劑＞環(huán)氧樹脂膠黏劑。膠合性能的差異導致板材在抗彎試驗中產(chǎn)生不同的破壞形式，從而靜曲強度產(chǎn)生差異。膠合性能較差的試驗組大部分試件為膠層受剪破壞，這種情況下纖維增強層并未發(fā)揮作用，而膠合性能較好的試驗組試件的破壞形式為板材底部先拉斷進而外力經(jīng)過界面?zhèn)鬟f到纖維，材料底部最容易發(fā)生拉伸斷裂的拉伸層因為纖維增強的作用而提高了抗彎性能，從而底部材料得到有效保護。

表3 板材彎曲性能測試結(jié)果Tab.3 Test results of bending properties of plate

圖2 玄武巖纖維增強竹木膠合板材靜曲強度和彈性模量直觀對比圖Fig.2 Comparison of bending strength and elastic modulus of basalt fi ber reinforced bamboo plywood

從數(shù)據(jù)離散率來看，靜曲強度和彈性模量都相對穩(wěn)定，離散程度均衡，說明試驗誤差較小。

2.2 膠合強度

對制成的玄武巖纖維增強竹木膠合板分別進行干態(tài)膠合強度、濕態(tài)（24 h冷水浸泡）膠合強度性能測試。測試結(jié)果見表4。

表4 膠合強度測試結(jié)果Tab.4 Test results of bending strength

由表4可以看出，竹篾經(jīng)偶聯(lián)劑HMR和KH550表面改性后制成的纖維增強竹木膠合板，無論是干態(tài)膠合性能還是濕態(tài)膠合性能都優(yōu)于未用偶聯(lián)劑處理竹篾的膠合板。其中醇溶性酚醛樹脂膠黏劑組的干態(tài)膠合強度由空白組的3.09 MPa提高到3.30 MPa，濕態(tài)膠合強度由2.31MPa提高到2.98MPa。原因是偶聯(lián)劑在膠接過程中起到偶聯(lián)架橋的作用，偶聯(lián)劑提高了竹篾的表面活性，有益于與環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂發(fā)生膠合反應(yīng)，提高了樹脂和基體界面的結(jié)合性能，從而有利于玄武巖纖維增強竹木膠合板膠合性能。

對比3種膠黏劑可以發(fā)現(xiàn)，醇溶性酚醛樹脂膠黏劑空白組濕態(tài)膠合強度2.31 MPa略低于水溶性酚醛樹脂膠黏劑空白組2.35 MPa，但其材料破壞率達到85%，整體表現(xiàn)依然優(yōu)于水溶性酚醛樹脂膠黏劑;3種膠黏劑制成的玄武巖纖維增強竹木膠合板的膠合強度與抗彎性能趨勢一致;均為醇溶性酚醛樹脂膠黏劑的膠合強度最大，而環(huán)氧樹脂膠黏劑壓制的板材膠合強度最小。其中組A的濕態(tài)膠合強度僅為0.59 MPa，該試驗組的復(fù)合板經(jīng)過24 h浸漬處理后大部分膠層已經(jīng)開裂，主要原因是環(huán)氧樹脂耐高溫高濕性能差，經(jīng)水浸漬處理后，其膠合強度會有相當程度的降低。

2.3 剝離性能

表5為玄武巖纖維增強竹木膠合板剝離性能檢測結(jié)果。

表5 剝離試驗結(jié)果Tab.5 Test result of peeling

從表5可以看出，浸漬剝離試驗的剝離率均為零。而對于煮沸剝離，環(huán)氧樹脂膠黏劑和水溶性酚醛樹脂膠黏劑竹篾經(jīng)偶聯(lián)劑處理的試驗組板材剝離率明顯低于竹篾未經(jīng)偶聯(lián)劑處理試驗組板材的剝離率。環(huán)氧樹脂膠黏劑壓制板材的單一膠層最大剝離率由竹篾未經(jīng)偶聯(lián)劑處理試驗組的32%降低為竹篾經(jīng)偶聯(lián)劑處理試驗組的8.3%；膠層總剝離率由6.1%降低為1.6%。水溶性酚醛樹脂膠黏劑壓制板材的單一膠層最大剝離率由竹篾未經(jīng)偶聯(lián)劑處理試驗組的28.7%降低為竹篾經(jīng)偶聯(lián)劑處理試驗組的15.1%；膠層總剝離率由7.3%降低為2.8%。而醇溶性酚醛樹脂膠黏劑膠層剝離較小，無論竹篾處理與否對剝離影響不大。

比較3種膠黏劑可以看出，采用醇溶性酚醛樹脂膠黏劑壓制的玄武巖纖維增強竹木膠合板的剝離性能明顯優(yōu)于其他兩種膠黏劑壓制的復(fù)合板材的剝離性能。主要原因是環(huán)氧樹脂耐高溫高濕性能差，因此經(jīng)過反復(fù)蒸煮、干燥處理產(chǎn)生膠層剝離。而與水溶性酚醛樹脂膠黏劑相比，醇溶性酚醛樹脂膠黏劑初黏力高，膠接強度更好。

3 結(jié)論

分別采用環(huán)氧樹脂、水溶性酚醛樹脂和醇溶性酚醛樹脂膠黏劑制備玄武巖纖維增強竹木膠合板，研究不同膠黏劑以及偶聯(lián)劑處理竹材對板材膠合性能的影響。通過試驗組玄武巖纖維增強竹木膠合板的靜曲強度與彈性模量、膠合強度以及剝離性能檢測結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

1）采用KH550和HMR處理過的竹篾壓制而成的膠合板較未經(jīng)處理的竹篾所制得的膠合板的抗彎強度、膠合強度以及剝離性能都有顯著的改善，說明使用這兩種偶聯(lián)劑處理的竹篾更有利于竹-玄武巖纖維和竹-木的膠合。

2）采用不同膠黏劑膠合玄武巖纖維增強竹木膠合板，其膠合性能表現(xiàn)為：醇溶性酚醛樹脂膠黏劑＞水溶性酚醛樹脂膠黏劑＞環(huán)氧樹脂膠黏劑。竹篾經(jīng)HMR和KH550溶液表面改性后，采用醇溶性酚醛樹脂作為纖維層膠黏劑的玄武巖纖維增強竹木膠合板的靜曲強度為151.05 MPa，干態(tài)膠合強度為3.30 MPa，濕態(tài)膠合強度為2.98 MPa，浸漬剝離率為0，煮沸剝離率為0.9%。

[1]雷加富.中國竹資源和竹產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略[C]// 竺肇華.中國熱帶地區(qū)竹藤的發(fā)展（論文集第6卷).北京:中國林業(yè)出版社,2001.

[2]王廣健,尚德庫,胡琳娜,等.玄武巖纖維的表面修飾及生態(tài)環(huán)境復(fù)合過濾材料的制備與性能研究[J].復(fù)合材料學,2004,21(1):38.

[3]胡琳娜,尚德庫,李世杰,等.植物纖維玄武巖纖維復(fù)合材料的界面作用機理[J].高分子材料科學與工程,2004,20(6):29.

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[5]李靜,等離子處理玄武巖纖維對復(fù)合材料性能的影響[D].北京:北京林業(yè)大學,2014.