范詒杰 申士杰 陳暑冰

(北京林業(yè)大學，北京,100083)

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纖維增強樹脂復合材料/竹木膠合界面的處理工藝1)

范詒杰 申士杰 陳暑冰

(北京林業(yè)大學，北京,100083)

以砂光處理、等離子體處理、羥甲基間苯二酚(HMR)處理為不同因素，研究了纖維增強樹脂復合材料(FRP)/竹、FRP/木膠合界面處理工藝。結(jié)果表明膠合界面優(yōu)化工藝為：FRP不做處理，而竹材和木材表面以150 g/m2的涂布量涂布HMR。

纖維增強樹脂；等離子體；羥甲基間苯二酚；剪切強度；剝離率

We studied the treatment process of bonding interface between FRP and bamboo/wood, including sanding, plasma and hydroxymethyl resorcinol. The optimization process of the bonding interface is that wood and bamboo is treated by hydroxymethyl resorcinol of 150 g/m2and the fiber reinforced polymer was not treated.

纖維增強樹脂復合材料是由纖維和樹脂基體兩種不同性能、不同形態(tài)的組分材料通過復合而成的一種多相材料[1]。纖維增強樹脂復合材料(FRP)增強結(jié)構(gòu)用集成材是將高強度、剛度、彈性模量等性能的纖維增強材料與結(jié)構(gòu)用集成材復合而制成的新型工程木質(zhì)材料。木材主要有強度和剛度較低、彈性模量小、易腐朽等缺點，在很大程度上制約了木材在工程結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用。FRP增強結(jié)構(gòu)用集成材可以提高該類木材的利用率和使用價值，同時在保留木材高強重比的基礎(chǔ)上充分利用纖維增強樹脂的優(yōu)良性能。用FRP增強后的集成材，其強度得到明顯提高，剛度也有一定提高[2]。

木材和纖維增強樹脂這兩種材料的物理和化學性質(zhì)不同，他們之間的界面將二者有機結(jié)合為一個整體。FRP增強結(jié)構(gòu)用集成材的最薄弱環(huán)節(jié)是木材與FRP的膠接界面，膠接界面的分層會導致纖維增強木制復合材料的永久性破壞。Y HONG[3]等人的研究結(jié)果表明：FRP/木材工程復合材料的性能在很大程度上取決于膠接界面的膠接強度。因此改善二者膠接界面性能對開發(fā)該種材料至關(guān)重要。木、竹材的表面改性主要是對其表面進行等離子體、偶聯(lián)劑等處理，F(xiàn)RP表面改性主要是進行等離子體、砂光等處理。

等離子體是離子和電子群近似電中性的集合體，低溫等離子體通常用于改性高分子材料表面。經(jīng)等離子體處理后的材料表面會發(fā)生多種變化，物理變化產(chǎn)生刻蝕等，化學變化如產(chǎn)生自由基及引入極性集團等，可提高材料表面的活性，改善與其他材料的膠合性能[4]。Ge等[5]使用筒型射頻等離子體發(fā)生裝置，對玻璃纖維增強復合材料(GFRP)表面進行處理，射頻功率為80 W，處理時間5～25 min。結(jié)果表明，隨著處理時間的增加，GFRP表面的O/C比有所增加，在處理時間為15 min時，達到56%。李志軍[6]研究了等離子體對玻璃纖維處理的機理，結(jié)果表明等離子體處理可以使玻璃纖維表面的官能團發(fā)生變化，產(chǎn)生輕微刻蝕，擴大玻璃纖維的有效接觸面積，改善基體對玻璃纖維的浸潤狀況，使玻璃纖維作為增強體的復合材料力學性能提高2～3倍，改善了復合材料的耐濕熱穩(wěn)定性。

HMR在膠黏劑和木材的膠接過程中起到偶聯(lián)架橋的作用。HMR的羥甲基官能團能分別與膠黏劑、木材中羥基形成醚鍵共價連接，使得木材經(jīng)HMR處理后大大提高了表面活性。熊陳福[7]研究了玄武巖纖維增強復合材料(BFRP)/木材復合材料剝離性能，測試結(jié)果表明：木材表面經(jīng)HMR處理后大大提高了BFRP/木材復合材料的膠合性能，HMR處理的BFRP/木材復合材料試件膠接層剝離率在0～1.03%，達到了ASTM D2559標準的要求(戶外結(jié)構(gòu)用集成材剝離率小于1%)。

本實驗對比砂光處理(FRP)、等離子體處理(竹、木、FRP)及HMR處理(竹、木、FRP)這3種界面處理方式對FRP/木、FRP/竹結(jié)構(gòu)用集成材膠合性能影響。參照結(jié)構(gòu)用集成材國家標準GB/T 26899—2011及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GB 50005—2003中規(guī)定的干、濕態(tài)剪切強度、木破率、浸漬剝離率及煮沸剝離率等指標對FRP/木、FRP/竹結(jié)構(gòu)用集成材的膠合性能加以表征。得出FRP與木材及與竹材膠合界面的優(yōu)化工藝，以期為FRP增強結(jié)構(gòu)用集成材，尤其是以竹材作為緩沖層加入木材和FRP復合的FRP增強結(jié)構(gòu)用集成材研究提供參考。

1 材料和方法

1.1 材料

木材層板：歐洲赤松，瑞典SCA公司生產(chǎn)；竹材層板：毛竹展開竹板材，順紋拉伸、壓縮強度分別為60.52、59.02 MPa，浙江大莊實業(yè)集團有限公司提供；玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂(GFRP)板狀片材：抗拉強度與拉伸彈性模量分別為1491.59 MPa與64.81 GPa，南京海拓纖維復合材料有限公司提供；膠黏劑：單組分聚氨酯HB S309，瑞士普邦公司生產(chǎn)；羥甲基間苯二酚(HMR)：自行配置。

1.2 設(shè)備

快速傅立葉變換彈性模量測定儀、推臺鋸、裁邊鋸、四面刨、砂光機、立式拼板機、日本島津AG-100KN-MO型萬能力學試驗機、南京蘇曼射流大氣低溫等離子體板材處理系統(tǒng)PG-1000ZG、水浴鍋、恒溫干燥箱、電子天平等。

1.3 方法

試驗溫度為25 ℃，相對濕度為50%～60%。

層板加工：采用目測分等及FFT彈性模量測定儀層級分等方法挑選同一強度等級的鋸材及竹材，將干燥后的板材在試驗環(huán)境下養(yǎng)生一段時間，使板材含水率均一穩(wěn)定。然后經(jīng)截斷、裁邊、四面刨光等工序加工成尺寸為1 000 mm×50 mm×23 mm的備用木材和竹材層板。FRP板狀片材經(jīng)裁剪等工序加工成尺寸為1 000.0 mm×50.0 mm×1.4 mm的備用FRP層板。

表面改性處理：根據(jù)試驗組設(shè)置對竹木及FRP層板進行相應(yīng)的表面改性處理。①等離子處理：按試驗組設(shè)置將需要表面處理的FRP片材、竹材、木材分別放置于等離子體機傳送帶上，分別按試驗組設(shè)置的速度通過等離子體噴槍口進行表面改性，噴槍口距離板材表面10 mm。②砂光處理：將需要砂光處理的板材依次通過180和240目的砂帶進行砂光處理。③HMR處理：首先配置偶聯(lián)劑HMR，配方中各組分質(zhì)量分數(shù)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%。HMR配置4 h后方可在竹木層板進行涂布，涂布量為150 g/m2。HMR涂布后，層板還需靜置24 h后方可涂膠組坯。

膠合壓制：將處理好的層板進行涂膠、組坯、冷壓后成型。采用單面涂膠，涂膠量為180 g/m2，陳化時間0.5 h，壓力為1.1 MPa，冷壓時間為1.5 h。每個試驗組制備3根試材。

試驗組設(shè)置分別見表1和表2。

表1 FRP/木膠合界面處理試驗組設(shè)置

注：P6-1代表等離子射頻功率為600 W，處理速度為1.25 m/s，處理次數(shù)為5次；P4-2代表等離子射頻功率為400 W，處理速度為2.5 m/s，處理次數(shù)為5次。

表2 FRP/竹膠合界面處理試驗組設(shè)置

注：P6-1代表等離子射頻功率為600 W，處理速度為1.25 m/s，處理次數(shù)為5次；P4-2代表等離子射頻功率為400 W，處理速度為2.5 m/s，處理次數(shù)為5次。

1.4 膠合性能檢測

參照國家標準GB/T 26899—2011結(jié)構(gòu)用集成材中的相關(guān)要求制備剝離率與剪切強度測試試件，并進行浸漬剝離率、煮沸剝離率、干態(tài)剪切強度的測定。參照GB 50005—2003木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中的相關(guān)要求進行濕態(tài)剪切強度的測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 FRP/木膠合性能

表3為FRP/木結(jié)構(gòu)用集成材的浸漬、煮沸剝離試驗結(jié)果?？梢钥闯觯性囼灲M的試件經(jīng)過兩輪浸漬干燥后膠層均未發(fā)生剝離或分層。試驗組N/HMR、S/P4-2、P6-1/HMR和P6-1/N試件經(jīng)兩輪煮沸干燥后膠層也均未發(fā)生剝離或分層。而試驗組N/P4-2的試件第一次煮沸干燥后未發(fā)生剝離，第二次煮沸干燥后發(fā)生剝離，其中平均總剝離率為5.37%，未達到國家標準GB/T 26899—2011的要求。其他試驗組第二次煮沸后膠層剝離，但單一膠層最大剝離率及總剝離率試驗結(jié)果均滿足結(jié)構(gòu)用集成材國家標準GB/T 26899—2011中規(guī)定的5%(試件兩端面的總剝離)和25%(任一膠層的最大剝離)的最低要求。

表3 FRP/木剝離試驗結(jié)果

表4為試材的干態(tài)、濕態(tài)剪切強度結(jié)果?？梢钥闯?，所有試驗組的試件干態(tài)剪切強度均在7.2 MPa以上，滿足標準規(guī)定的最小干態(tài)剪切強度；而且所有組的木破率均不小于85%，滿足標準規(guī)定的最小木破率。其中組N/HMR的試件干態(tài)剪切強度最大，達到10.88 MPa，對應(yīng)木破率大于90%。所有試驗組試件的濕態(tài)剪切強度均在4.7 MPa以上，滿足標準規(guī)定的最小濕態(tài)剪切強度。濕態(tài)剪切強度差異性不太顯著，但對應(yīng)木破率差異較大。其中組N/HMR的試件濕態(tài)剪切強度達到5.18 MPa，對應(yīng)木破率為97%；而組S/N的試件濕態(tài)剪切強度達到5.66 MPa，對應(yīng)木破率僅為77.17%。

表4 FRP/木干態(tài)、濕態(tài)剪切試驗結(jié)果

綜合考慮試材的剪切和剝離性能，優(yōu)化得到FRP與木材膠合界面改性工藝為N/HMR，即FRP表面不做處理，而木材表面以150 g/m2的涂布量涂布HMR進行改性。

2.2 FRP/竹膠合性能

表5為FRP/竹結(jié)構(gòu)用集成材的浸漬、煮沸剝離試驗結(jié)果?？梢钥闯?，試驗組N/HMR和S/HMR試件經(jīng)兩次浸漬剝離和兩次煮沸剝離檢測后，膠層均未產(chǎn)生剝離或分層。組P6-1/HMR和組N/N的試件經(jīng)過兩次浸漬剝離后膠層均未出現(xiàn)剝離現(xiàn)象，而兩次煮沸剝離時出現(xiàn)一定程度的剝離，但均滿足標準要求。組S/P4-2和S/N試驗組浸漬剝離滿足標準要求，但煮沸剝離達不到標準的最低要求。組N/P4-2、P6-1/N和P6-1/P4-2試件的浸漬剝離和煮沸剝離均達不到結(jié)構(gòu)用集成材國家標準GB/T 26899—2011中相關(guān)規(guī)定的要求。

表6為FRP/竹結(jié)構(gòu)用集成材試材的干態(tài)、濕態(tài)剪切強度結(jié)果?？梢钥闯?，所有試驗組的試件干態(tài)剪切強度均在10 MPa以上，而木破率差異較大。其中組N/HMR和組N/N的干態(tài)剪切強度分別達到12.58和11.87 MPa，對應(yīng)木破率分別為75.63%和86.67%；而其他組的木破率均未達到標準規(guī)定的最小木破率。所有試驗組的試件濕態(tài)剪切強度均在6.2 MPa以上，濕態(tài)剪切強度差異性也不太顯著，但對應(yīng)木破率差異較大。其中組N/HMR的試件濕態(tài)剪切強度達到7.92 MPa，對應(yīng)木破率為91.95%；組S/HMR的濕態(tài)剪切強度為7.72 MPa，但木破率僅為32.50%。

表5 FRP/竹浸漬、煮沸剝離試驗結(jié)果

表6 FRP/竹干態(tài)、濕態(tài)剪切試驗結(jié)果

綜合考慮試材的剪切和剝離性能，優(yōu)化得到FRP與木材膠合界面改性工藝為N/HMR，即FRP表面不做處理，而木材表面以150 g/m2的涂布量涂布HMR進行改性。

3 結(jié)論

FRP/木和FRP/竹結(jié)構(gòu)用集成材界面改性處理的優(yōu)化工藝為：FRP表面不做任何處理，而木材和竹材表面進行HMR涂布處理，涂布量為150 g/m2。處理后的FRP/木試件干態(tài)剪切強度達到10.88 MPa，較對照組剪切強度提高22.7%，木破率達到93%以上；濕態(tài)剪切強度達到5.18 MPa，對應(yīng)木破率為97%。該工藝處理后的試件浸漬、煮沸剝離率均為0。處理后的FRP/竹試件干態(tài)、濕態(tài)剪切強度分別達到12.58和7.92 MPa，其中濕態(tài)剪切強度較對照組提高15.3%，對應(yīng)木破率為91.95%。該工藝處理后的試件浸漬、煮沸剝離率均為0。

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Treatment Process of Bonding Interface between FRP and Bamboo/wood//

Fan Yijie, Shen Shijie, Chen Shubing(Beijing Forestry University, Beijing 100083, P. R. China)//

Journal of Northeast Forestry University，2017,45(2)：71-74.

FRP； Plasma； Hydroxymethyl resorcinol； Shear strength； Delamination rate

范詒杰，男，1987年2月生，北京林業(yè)大學材料科學與技術(shù)學院，碩士研究生。E-mail：917468635@qq.com。

申士杰，北京林業(yè)大學材料科學與技術(shù)學院，教授。E-mail：shijies@263.net。

2016年9月27日。

S784;TQ433

1)“十二五”國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(“863”計劃)(2012AA03A204-01)。

責任編輯：戴芳天。