聚丙烯腈基碳纤维增强结构用桉木单板层积材的研制.pdf
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1、林业工程学报,():收稿日期:修回日期:基金项目:福建省科技计划星火项目(,)。作者简介:徐煜炜,女,研究方向为木质与非木质复合材料。通信作者:侯伦灯,男,副教授。:聚丙烯腈基碳纤维增强结构用桉木单板层积材的研制徐煜炜,侯伦灯(福建农林大学材料工程学院,植物纤维功能材料国家林业和草原局重点实验室,福州)摘 要:用普通桉木单板研究开发高强结构用木质复合材料,解决当前桉木因材性较差难以适应结构用材的需求及普通单板层积材弹性模量与静曲强度指标大多维持在 的较低水平等问题,开拓新型结构用单板层积材的应用市场。运用复合材料层合板理论、界面结合理论研制聚丙烯腈()基碳纤维增强结构用单板层积材(),采用正交
2、试验方法探究产品结构与工艺因素对复合板材各项理化性能的影响,以及分析碳纤维铺设率对力学性能的影响规律。结果表明:基碳纤维增强复合材料效果显著,各理化性能均呈提高的趋势但增幅不一。热压压力对板材浸渍剥离性能和水平剪切强度影响显著,纳米 添加与碳纤维层数及铺设结构对性能有较大影响。各工艺因素对弹性模量和静曲强度的影响趋势及较优水平基本一致,但方差分析显示试验范围各因素变化产生的影响不显著。优化工艺参数为碳纤维层数 层、纳米、热压时间 、热压压力 。为提高材料利用效率并降低成本,碳纤维铺设率的提高有利于 力学性能的提升,铺设率从增大到时,各项性能的提高幅度较大,继续增至时提高幅度有所下降,趋势表明选
3、择适当的铺设率可以达到合理利用与成本控制的目的。关键词:桉木;聚丙烯腈基碳纤维;结构用单板层积材;铺设率;理化性能中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(,):,()(),:,林 业 工 程 学 报第 卷 :;桉树是我国南方重要人工用材林树种,但因桉木材性较差难以适应结构用材的需求,桉木单板主要用于生产普通胶合板。单板层积材(,)是由多层整幅(或经拼接)单板按顺纹为主方向组坯、胶合而成的板材。国内单板层积材的生产及应用尚处于开发阶段,普通单板层积材弹性模量与静曲强度指标大多维持在 水平,用途大多局限于包装箱板、家具和室内装饰等非结构型应用领域,作为桁架、承重梁、墙、楼板等承载结构构件使用较少
4、。随着结构材料力学性能要求的不断提高,普通结构单板层积材的市场竞争力明显不足,一定程度上制约了其在工程结构特殊领域的应用发展。聚丙烯腈(,)基碳纤维是经高温氧化碳化而成的含碳量 以上的高强、高模、耐高温特种纤维,主要用途是作为增强材料与树脂、金属、陶瓷等复合,制备出比强度高、比模量大、抗腐蚀、耐久性能好的先进复合材料。将 基碳纤维与桉木单 板 结 合,制 备 增 强 结 构 用 单 板 层 积 材(,),能使其具有优异的力学性能和尺寸稳定性,拓宽产品在结构建筑、交通运输、家具制造等工程领域的应用。近年来,利用纤维增强木质复合材料性能的研究受到国内外学者的关注。对木质复合材料关于增强体的研究主要
5、集中在碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、金属网等方面。伍希志等研究发现碳纤维增强复合材料可提高重组竹梁的力学性能;吕晓东等研究了碳纤维层数结构对复合材料声学震动性能的影响;周爱萍等对碳纤维增强重组竹受弯构件进行了极限承载力试验;刘源松等采用碳纤维对桉杨复合胶合板进行表面增强,研究不同结构对其力学性能和保温性能的影响。本研究以桉木单板为基体、基碳纤维为增强体,制备高强结构用单板层积材。采用正交试验方法分析不同工艺因素对增强后单板层积材各项理化性能的影响,为开发新型复合材料提供理论基础,同时也对我国人造板产业结构调整及人造板行业技术创新、高值化利用和高效发展具有重要现实意义。材料与方法 试验材料桉树(
6、)木材单板、酚醛树脂胶黏剂由漳州明晖木业有限公司提供,单板幅面规格 ,厚度 ,含水率 ;酚醛树脂胶黏剂 ,固含量 质量分数,旋转黏度 ;基碳纤维(型单向)购于加固博士(上海)建筑科技有限公司,厚度 ,抗拉强度 ,弹性模量 ;环氧树脂(凤凰)、聚酰胺固化剂(永在)、面粉,市购;纳米二氧化硅,上海缘江化工有限公司;硅烷偶联剂,南京创世化工助剂有限公司。试验方法配制质量分数为 的硅烷偶联剂,将聚丙烯腈()基碳纤维布放入其中常温浸泡处理,随后将其自然干燥,得到经表面活性处理后的碳纤维布。将环氧树脂用其质量 的无水乙醇稀释,并加入纳米 对其增韧改性,环氧树脂和固化剂聚酰胺按质量比 进行配比。将处理后的碳
7、纤维布双面涂布环氧树脂胶黏剂。将桉木单板干燥至含水率 以下,单板与单板间涂布酚醛树脂胶,双面涂胶量均为 。将碳纤维布与桉木单板顺纹组坯压制厚度 的试件,热压温度为 。试验采用()正交设计,因素水平见表。不同层数碳纤维布铺设如图 所示。表 正交试验设计 水平碳纤维布层数()纳米()热压时间()()热压压力()图 碳纤维增强 结构 在上述试验的基础上,考虑提高材料利用效率等因素,设计产品结构如图 所示。采用面积比(表示碳纤维铺设面积,表示单板面积)定义碳纤维铺设率,通过设计碳纤维铺设率以探究其对整体力学性能的影响。第 期徐煜炜,等:聚丙烯腈基碳纤维增强结构用桉木单板层积材的研制 检测方法参照国家标
8、准 人造板及饰面人造板理化性能试验方法、单板层积材对结构用单板层积材的物理力学性能进行检测。浸渍剥离采取沸水浸渍、室温水浸泡及 干燥处理后,观测计量剥离现象;水平剪切强度采取三点弯曲检测法;静曲强度和弹性模量采取四点弯曲检测法。结果与分析按正交试验方案制备复合型单板层积材与试件,每组检测结果的值为各试件样本的平均值,各项性能检测结果如表。以下就碳纤维层数、纳米、热压时间、热压压力等工艺因素对检测结果的影响,分别展开分析讨论。表 碳纤维增强 试件各项理化性能检测结果 试验号浸渍剥离水平剪切强度(垂直)水平剪切强度(平行)弹性模量(垂直)弹性模量(平行)静曲强度(垂直)静曲强度(平行)结构与工艺因
9、素对浸渍剥离性能的影响浸渍剥离性能反映的是板材胶层间的黏结程度。随着纳米 添加,环氧树脂胶的脆性得到改善,碳纤维层与木质单板间胶层质量显著提升。从试验情况分析,主要剥离破坏发生在桉木单板之间。基碳纤维增强 的浸渍剥离性能极差分析见表。由表 分析可知,工艺因素对试件浸渍剥离性能的影响程度大小为:热压压力纳米碳纤维层数热压时间。由各因素的偏差平方和与自由度进行方差分析,通过对各因素的显著性检验可知,热压压力对浸渍剥离性能的影响最为显著,碳纤维层数和纳米 的影响表现为显著。随着压力增大,板材密实化程度提高,有助于增强单板与单板间、碳纤维与单板间的界面黏结性能和胶合强度。适当的压力使板坯单元能够充分接
10、触,促进胶液在碳纤维和单板表面传递和流展,充分发挥胶黏剂的作用,提高界面结合强度。当热压压力表 碳纤维增强 浸渍剥离性能的极差分析 水平碳纤维层数()纳米()热压时间()热压压力()极差 较优水平增大到 时,板材抗剥离性能提高,剥离率为。但随着压力的持续增大,剥离率上升导致性能下降,可认为是湿热环境下木材受到一定的压力作用产生变形,压力增大会使板材的弹性压缩变形因蠕变现象而产生一定程度的回弹。各因素对水平剪切强度的影响 基碳纤维增强 的水平剪切强度极差分析见表。由表 分析可知,各工艺因素对不同加载方式下水平剪切强度的影响趋势及较优水平基本一致,热压压力对水平剪切强度的影响较为显著,其他各因素影
11、响不显著。三点弯曲试验受力方式可视受弯杆件为简支梁,在集中荷载作用下发生的水平剪切破坏主要是由弯矩引起的应力所致,具体破坏形式体现在层合板之间的错层开裂,这是由于截面应力大于层间黏结强度。由表 可知,随着碳纤维层数增加,整体抵抗剪力破坏的能力得到提高,但碳纤维布置位置的不同对试件整体性能增强效果存在差异。受力分析可知,试件表层分别受到拉伸与压缩变形,表层增加碳纤维对试件剪切性能提高显著,中间层布局增强效果并不显著。热压压力使胶层、碳纤维、单板三者之间紧密结合,胶液渗入增强材料和基体中,为胶合创造良好的条件。随着热压压力的提高,水平剪切强度呈先增后减趋势,一定程度压力的增大使板材密度和强度提高。
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