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玄武巖纖維增強(qiáng)木質(zhì)復(fù)合材料研究
采用硅烷偶聯(lián)劑結(jié)合乳液型漿料上漿的方法對(duì)纖維進(jìn)行表面處理，使用四種規(guī)格的玄武巖纖維布，將玄武巖纖維布熱壓在木質(zhì)復(fù)合材料一面，得到的玄武巖布增強(qiáng)木質(zhì)復(fù)合材料。下面是小編搜集整理的相關(guān)內(nèi)容的論文，歡迎大家閱讀參考。
摘要:采用真空輔助成型工藝(VARI)制備連續(xù)玄武巖纖維增強(qiáng)木材復(fù)合材料，通過(guò)測(cè)試其力學(xué)性能，分析了平紋6×6、平紋9×9、斜紋6×6、斜紋9×9等四種不同類型玄武巖織物的增強(qiáng)效果，結(jié)果顯示平紋6×6玄武巖纖維布增強(qiáng)木材復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能最優(yōu)。
關(guān)鍵詞:玄武巖纖維布;復(fù)合材料;機(jī)械性能
采用高性能纖維來(lái)改善木材性能的纖維增強(qiáng)樹(shù)脂(FiberReinforcedPolymer/Plastic，簡(jiǎn)稱FRP)木材復(fù)合材料，能夠有效提高木材的強(qiáng)度、剛度、尺寸穩(wěn)定性、耐久性、耐腐蝕性等性能，在土木工程、舊建筑的加固修補(bǔ)等方面得到廣泛應(yīng)用[1-4]，但FRP用于提升速生林尺寸穩(wěn)定性、強(qiáng)度的研究相對(duì)較少[5]。目前國(guó)內(nèi)外使用的增強(qiáng)纖維材料多以玻璃纖維、碳纖維為主[6，7]。與傳統(tǒng)的高性能纖維相比，玄武巖纖維具有均衡的理化性能，如耐高溫、耐燒蝕、耐酸堿、較好的熱穩(wěn)定性能，且價(jià)格適中，綠色無(wú)污染，因而玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(BasaltFiberReinforcedPolymer/Plastic，簡(jiǎn)稱BFRP)在工程領(lǐng)域越加得到推廣[8-10]。本文利用夾層復(fù)合材料的制備原理，分別以組織為平紋和斜紋、經(jīng)緯密為6×6和9×9的四種不同類型的玄武巖纖維布為增強(qiáng)材料，24mm厚的速生林樟子松板為基材，采用真空輔助成型工藝(VacuumAssistedResinInfusion，簡(jiǎn)稱VARI)一次成型來(lái)制備BFRP/木材復(fù)合材料[11-13]。通過(guò)分析織物的組織和經(jīng)緯密對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，旨在探索一種新型的玄武巖連續(xù)纖維增強(qiáng)樹(shù)脂/木材復(fù)合材料，拓寬其在實(shí)際應(yīng)用中的領(lǐng)域。
一、實(shí)驗(yàn)部分
1.1主要原材料
環(huán)氧樹(shù)脂GCC135、W93固化劑，江蘇昆山綠循化工公司;偶聯(lián)劑:硅烷偶聯(lián)劑KH550，揚(yáng)州立達(dá)樹(shù)脂有限公司。所用木材為樟子松，尺寸為500mm×200mm×24mm，密度為0.481g/cm3，市售。試驗(yàn)前需表面處理，以使木材表面平整無(wú)雜質(zhì)，待干燥后密封備用。玄武巖織物:自行織造，所用纖維單絲直徑為9μm，紗線細(xì)度為264tex，由浙江石金玄武巖纖維有限公司提供，參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T76903-2001，采用IN-STRON3369型萬(wàn)能電子強(qiáng)力儀對(duì)玄武巖紗線進(jìn)行強(qiáng)伸性測(cè)試，拉伸速度為100mm/min，圓弧式夾具的鉗口隔距為700mm，試樣測(cè)試10次，取得玄武巖長(zhǎng)絲抗拉強(qiáng)度的平均值為10.11MPa，其拉伸斷裂曲線見(jiàn)圖1。試驗(yàn)所用織物有四種，織物組織為平紋和斜紋[14]，如圖2與圖3所示�？椢锝�(jīng)緯密(每厘米內(nèi)紗線的根數(shù))為6×6和9×9。VARI成型工藝輔助料為PET薄膜、導(dǎo)流網(wǎng)、脫模布、分離隔膜、螺旋管、真空管、注膠管、密封膠帶等，均由上海瀝高科技有限公司生產(chǎn)。
1.2主要儀器設(shè)備
真空泵:2XZ-2型，上海滬京工業(yè)泵廠;IN-STRON5582萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，美國(guó)英斯特朗公司;擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī):JB-300B型，濟(jì)南時(shí)代試金試驗(yàn)機(jī)有限公司。
1.3試樣制備
1.3.1玄武巖纖維布表面處理將玄武巖纖維布放于馬弗爐中250℃處理30min，然后用500ml、2mol/L鹽酸溶液浸漬2h，取出后用蒸餾水沖洗三次，然后置于120℃烘箱中60min。然后將纖維布浸漬于1%濃度KH550硅烷偶聯(lián)劑中15min，取出后置于120℃烘箱中60min，處理完成后將纖維布放于密封的實(shí)驗(yàn)袋中備用[15]。1.3.2玄武巖連續(xù)纖維增強(qiáng)木材復(fù)合材料的制備按照500mm×200mm尺寸裁剪經(jīng)過(guò)表面處理的玄武巖織物，然后在鋪好脫模布的模具上將裁剪好的織物和樟子松板進(jìn)行鋪裝組配成預(yù)制件。樟子松的上下兩面各鋪設(shè)一層相同種類的織物，織物的纖維走向應(yīng)保持一致。使用VARI成型工藝輔助料將組配好的預(yù)制件圍成密封系統(tǒng)，自下而上的鋪設(shè)分別是分離隔膜→預(yù)制件→脫模布→導(dǎo)流網(wǎng)→螺旋管，最后再蓋上真空袋薄膜，四周用密封膠帶密封。之后開(kāi)啟真空泵抽真空，保證密封完全。按質(zhì)量比100∶30調(diào)配環(huán)氧樹(shù)脂GCC135和W93固化劑，待攪拌均勻后，開(kāi)啟注膠管和真空泵，灌注樹(shù)脂。待浸漬完全，室溫下固化3～4h后脫模。表1為五種試樣的編號(hào)及試驗(yàn)的種類。
1.4參照標(biāo)準(zhǔn)
(1)拉伸性能測(cè)定:根據(jù)GB/T1938—2009木材順紋抗拉強(qiáng)度測(cè)試方法對(duì)試樣進(jìn)行拉伸性能檢測(cè)。(2)彎曲性能測(cè)定:根據(jù)GB/T1936.1—2009木材抗彎強(qiáng)度測(cè)試方法對(duì)試樣進(jìn)行彎曲性能檢測(cè)。(3)壓縮性能測(cè)定:根據(jù)GB/T1935—2009木材順紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法對(duì)試樣進(jìn)行壓縮性能檢測(cè)。(4)沖擊性能測(cè)定:根據(jù)GB/T1940—2009木材沖擊韌性試驗(yàn)方法對(duì)試樣進(jìn)行沖擊性能檢測(cè)。
二、結(jié)果與討論
2.1拉伸性能
表2為不同種類織物增強(qiáng)木材復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度。通過(guò)表2可知，采用BFRP增強(qiáng)的復(fù)合板材的拉伸強(qiáng)度均高于未增強(qiáng)的樟子松原木復(fù)合板材，BFRP能夠有效地起到增強(qiáng)效果。與未增強(qiáng)的試樣A相比，試樣B、C、D、E的拉伸強(qiáng)度分別提高了26.52%、18.2%、9.47%、14.25%。這是由于高性能的BFRP本身具有較高強(qiáng)度、較高模量，用BFRP增強(qiáng)樟子松能有效提高木材可以承受的最大載荷，改變其拉伸模量以及斷裂伸長(zhǎng)。從增強(qiáng)效果來(lái)看，經(jīng)緯密為9×9織物的增強(qiáng)效果不如經(jīng)緯密為6×6的織物。這是因?yàn)閷?duì)于經(jīng)緯密為9×9的織物，織物相對(duì)較厚，一定程度上影響了樹(shù)脂浸透織物，使纖維與樹(shù)脂間不能充分浸潤(rùn)，降低了復(fù)合效果。斜紋9×9織物比平紋9×9織物有更多的孔隙，樹(shù)脂可以更容易地進(jìn)入這些孔隙，更好地與纖維結(jié)合，因此斜紋9×9織物增強(qiáng)復(fù)合板的拉伸強(qiáng)度比平紋9×9織物增強(qiáng)復(fù)合板的大。對(duì)于經(jīng)緯密為6×6的織物，織物密度適中，較薄、較稀疏，樹(shù)脂液可以完全進(jìn)入經(jīng)緯紗交織的空隙中充分浸潤(rùn)纖維，纖維與樹(shù)脂的相容性良好，因而增強(qiáng)效果較好。在此情況下，平紋織物相較斜紋織物，有更多的交織點(diǎn)，受到拉伸時(shí)，這些粘合著樹(shù)脂的交織點(diǎn)能夠有效阻止裂紋的產(chǎn)生和拓展，以上作用導(dǎo)致了平紋6×6織物增強(qiáng)復(fù)合板拉伸強(qiáng)度比斜紋6×6織物增強(qiáng)復(fù)合板拉伸強(qiáng)度高。
2.2彎曲性能
表3為不同種類織物增強(qiáng)木材復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度。通過(guò)表3可知，采用BFRP增強(qiáng)的復(fù)合板材的彎曲強(qiáng)度均高于未增強(qiáng)的樟子松原木復(fù)合板材，BFRP能夠有效地起到增強(qiáng)效果。與未增強(qiáng)的試樣A相比，試樣B、C、D、E的彎曲強(qiáng)度分別提高了24%、24.58%、24.12%、23.90%，因而試驗(yàn)中斜紋6×6織物增強(qiáng)效果最好。BFRP本身具有較高的彎曲強(qiáng)度，復(fù)合BFRP后，樟子松復(fù)合板材的彎曲強(qiáng)度得到很大程度上的提高。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，織物種類對(duì)于復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度增強(qiáng)效果差別不大。本文彎曲試驗(yàn)的主要破壞形式為彎曲受拉破壞，織物增強(qiáng)復(fù)合板試樣底部的BFRP發(fā)生斷裂，試樣頂部的BFRP僅發(fā)生褶皺，破壞較小，很少出現(xiàn)被拉斷現(xiàn)象。這是由于BFRP的彎曲極限應(yīng)變大于木材的彎曲極限應(yīng)變，因而試樣頂部的BFRP對(duì)彎曲強(qiáng)度貢獻(xiàn)小，這是織物種類對(duì)復(fù)合板彎曲強(qiáng)度影響小的主要原因。
2.3壓縮性能
表4為不同種類織物增強(qiáng)木材復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度。通過(guò)表4可知，采用BFRP增強(qiáng)的復(fù)合板材的壓縮強(qiáng)度均高于未增強(qiáng)的樟子松原木復(fù)合板材，但BFRP起到的增強(qiáng)效果不是很明顯。與未增強(qiáng)的試樣A相比，試樣B、C、D、E的壓縮強(qiáng)度分別提高了10.68%、8.40%、8.94%、9.77%，試驗(yàn)中平紋6×6增強(qiáng)效果最好，織物種類對(duì)復(fù)合板壓縮強(qiáng)度影響效果差別不大。試樣受壓縮時(shí)，BFRP抗壓剛度大，能有效地抑制木材端部受壓產(chǎn)生的橫向變形，因而可以提高復(fù)合木材的壓縮強(qiáng)度。試樣在受到破壞時(shí)，也會(huì)有剝離現(xiàn)象產(chǎn)生，但其BFRP的表面粘有木屑，表明真空輔助成型工藝下，BFRP與木材的粘合性是可靠的。
2.4沖擊性能
表5為不同種類織物增強(qiáng)木材復(fù)合材料的沖擊韌性。通過(guò)表5可知，采用BFRP增強(qiáng)的復(fù)合板材的耐沖擊性能均高于未增強(qiáng)的樟子松原木復(fù)合板材，BFRP能夠有效地起到增強(qiáng)效果。與未增強(qiáng)的試樣A相比，試樣B、C、D、E的沖擊韌性分別提高了68.46%、51.68%、38.93%、44.07%，因而試驗(yàn)中平紋6×6織物增強(qiáng)效果最好。BFRP與樹(shù)脂及樟子松板材間良好的相容性直接導(dǎo)致與其他組相比，平紋6×6織物的沖擊增強(qiáng)效果優(yōu)勢(shì)較為明顯。試驗(yàn)中，試樣A受到?jīng)_擊時(shí)斷裂成兩部分，而B(niǎo)FRP增強(qiáng)的復(fù)合板材試樣受沖擊一側(cè)的BFRP只產(chǎn)生褶皺而沒(méi)有斷裂，另一側(cè)BFRP產(chǎn)生斷裂，這是由于受到木材彎曲斷裂時(shí)的沖擊，產(chǎn)生應(yīng)力集中造成的。
三、結(jié)論
本文采用真空輔助成型工藝一次成型來(lái)制備BFRP/木材復(fù)合材料，通過(guò)分析四種不同類型BFRP/木材復(fù)合材料的力學(xué)性能，得出以下結(jié)論:(1)平紋6×6織物增強(qiáng)，拉伸強(qiáng)度最高提升了26.52%，壓縮強(qiáng)度最高提升了10.68%，沖擊韌性最高提升了68.46%，織物種類對(duì)復(fù)合板壓縮強(qiáng)度影響效果差別不大;(2)斜紋6×6織物增強(qiáng)，彎曲強(qiáng)度最高提升了24.58%，但織物種類對(duì)彎曲強(qiáng)度影響較小;(3)BFRP對(duì)樟子松原木復(fù)合板材的壓縮強(qiáng)度起到的增強(qiáng)效果不明顯，對(duì)受壓木材加強(qiáng)，需慎用或開(kāi)展專門(mén)研究。
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