玄武巖纖維增強木質復合材料研究

玄武巖纖維增強木質復合材料研究

　　采用硅烷偶聯劑結合乳液型漿料上漿的方法對纖維進行表面處理，使用四種規格的玄武巖纖維布，將玄武巖纖維布熱壓在木質復合材料一面，得到的玄武巖布增強木質復合材料。下面是小編搜集整理的相關內容的論文，歡迎大家閱讀參考。

　　摘要:采用真空輔助成型工藝(VARI)制備連續玄武巖纖維增強木材復合材料，通過測試其力學性能，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效果，結果顯示平紋6×6玄武巖纖維布增強木材復合材料的綜合力學性能最優。

　　關鍵詞:玄武巖纖維布;復合材料;機械性能

　　采用高性能纖維來改善木材性能的纖維增強樹脂(FiberReinforcedPolymer/Plastic，簡稱FRP)木材復合材料，能夠有效提高木材的強度、剛度、尺寸穩定性、耐久性、耐腐蝕性等性能，在土木工程、舊建筑的加固修補等方面得到廣泛應用[1-4]，但FRP用于提升速生林尺寸穩定性、強度的研究相對較少[5]。目前國內外使用的增強纖維材料多以玻璃纖維、碳纖維為主[6，7]。與傳統的高性能纖維相比，玄武巖纖維具有均衡的理化性能，如耐高溫、耐燒蝕、耐酸堿、較好的熱穩定性能，且價格適中，綠色無污染，因而玄武巖纖維增強復合材料(BasaltFiberReinforcedPolymer/Plastic，簡稱BFRP)在工程領域越加得到推廣[8-10]。本文利用夾層復合材料的制備原理，分別以組織為平紋和斜紋、經緯密為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，簡稱VARI)一次成型來制備BFRP/木材復合材料[11-13]。通過分析織物的組織和經緯密對復合材料力學性能的影響，旨在探索一種新型的玄武巖連續纖維增強樹脂/木材復合材料，拓寬其在實際應用中的領域。

　　一、實驗部分

　　1.1主要原材料

　　環氧樹脂GCC135、W93固化劑，江蘇昆山綠循化工公司;偶聯劑:硅烷偶聯劑KH550，揚州立達樹脂有限公司。所用木材為樟子松，尺寸為500mm×200mm×24mm，密度為0.481g/cm3，市售。試驗前需表面處理，以使木材表面平整無雜質，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，紗線細度為264tex，由浙江石金玄武巖纖維有限公司提供，參考標準GB/T76903-2001，采用IN-STRON3369型萬能電子強力儀對玄武巖紗線進行強伸性測試，拉伸速度為100mm/min，圓弧式夾具的鉗口隔距為700mm，試樣測試10次，取得玄武巖長絲抗拉強度的平均值為10.11MPa，其拉伸斷裂曲線見圖1。試驗所用織物有四種，織物組織為平紋和斜紋[14]，如圖2與圖3所示。織物經緯密(每厘米內紗線的根數)為6×6和9×9。VARI成型工藝輔助料為PET薄膜、導流網、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。

　　1.2主要儀器設備

　　真空泵:2XZ-2型，上海滬京工業泵廠;IN-STRON5582萬能試驗機，美國英斯特朗公司;擺錘式沖擊試驗機:JB-300B型，濟南時代試金試驗機有限公司。

　　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驗袋中備用[15]。1.3.2玄武巖連續纖維增強木材復合材料的制備按照500mm×200mm尺寸裁剪經過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行鋪裝組配成預制件。樟子松的上下兩面各鋪設一層相同種類的織物，織物的纖維走向應保持一致。使用VARI成型工藝輔助料將組配好的預制件圍成密封系統，自下而上的鋪設分別是分離隔膜→預制件→脫模布→導流網→螺旋管，最后再蓋上真空袋薄膜，四周用密封膠帶密封。之后開啟真空泵抽真空，保證密封完全。按質量比100∶30調配環氧樹脂GCC135和W93固化劑，待攪拌均勻后，開啟注膠管和真空泵，灌注樹脂。待浸漬完全，室溫下固化3～4h后脫模。表1為五種試樣的編號及試驗的種類。

　　1.4參照標準

　　(1)拉伸性能測定:根據GB/T1938—2009木材順紋抗拉強度測試方法對試樣進行拉伸性能檢測。(2)彎曲性能測定:根據GB/T1936.1—2009木材抗彎強度測試方法對試樣進行彎曲性能檢測。(3)壓縮性能測定:根據GB/T1935—2009木材順紋抗壓強度試驗方法對試樣進行壓縮性能檢測。(4)沖擊性能測定:根據GB/T1940—2009木材沖擊韌性試驗方法對試樣進行沖擊性能檢測。

　　二、結果與討論

　　2.1拉伸性能

　　表2為不同種類織物增強木材復合材料的拉伸強度。通過表2可知，采用BFRP增強的復合板材的拉伸強度均高于未增強的樟子松原木復合板材，BFRP能夠有效地起到增強效果。與未增強的試樣A相比，試樣B、C、D、E的拉伸強度分別提高了26.52%、18.2%、9.47%、14.25%。這是由于高性能的BFRP本身具有較高強度、較高模量，用BFRP增強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。從增強效果來看，經緯密為9×9織物的增強效果不如經緯密為6×6的織物。這是因為對于經緯密為9×9的織物，織物相對較厚，一定程度上影響了樹脂浸透織物，使纖維與樹脂間不能充分浸潤，降低了復合效果。斜紋9×9織物比平紋9×9織物有更多的孔隙，樹脂可以更容易地進入這些孔隙，更好地與纖維結合，因此斜紋9×9織物增強復合板的拉伸強度比平紋9×9織物增強復合板的大。對于經緯密為6×6的織物，織物密度適中，較薄、較稀疏，樹脂液可以完全進入經緯紗交織的空隙中充分浸潤纖維，纖維與樹脂的相容性良好，因而增強效果較好。在此情況下，平紋織物相較斜紋織物，有更多的交織點，受到拉伸時，這些粘合著樹脂的交織點能夠有效阻止裂紋的產生和拓展，以上作用導致了平紋6×6織物增強復合板拉伸強度比斜紋6×6織物增強復合板拉伸強度高。

　　2.2彎曲性能

　　表3為不同種類織物增強木材復合材料的彎曲強度。通過表3可知，采用BFRP增強的復合板材的彎曲強度均高于未增強的樟子松原木復合板材，BFRP能夠有效地起到增強效果。與未增強的試樣A相比，試樣B、C、D、E的彎曲強度分別提高了24%、24.58%、24.12%、23.90%，因而試驗中斜紋6×6織物增強效果最好。BFRP本身具有較高的彎曲強度，復合BFRP后，樟子松復合板材的彎曲強度得到很大程度上的提高。從試驗結果來看，織物種類對于復合材料的彎曲強度增強效果差別不大。本文彎曲試驗的主要破壞形式為彎曲受拉破壞，織物增強復合板試樣底部的BFRP發生斷裂，試樣頂部的BFRP僅發生褶皺，破壞較小，很少出現被拉斷現象。這是由于BFRP的彎曲極限應變大于木材的彎曲極限應變，因而試樣頂部的BFRP對彎曲強度貢獻小，這是織物種類對復合板彎曲強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木材復合材料的壓縮強度。通過表4可知，采用BFRP增強的復合板材的壓縮強度均高于未增強的樟子松原木復合板材，但BFRP起到的增強效果不是很明顯。與未增強的試樣A相比，試樣B、C、D、E的壓縮強度分別提高了10.68%、8.40%、8.94%、9.77%，試驗中平紋6×6增強效果最好，織物種類對復合板壓縮強度影響效果差別不大。試樣受壓縮時，BFRP抗壓剛度大，能有效地抑制木材端部受壓產生的橫向變形，因而可以提高復合木材的壓縮強度。試樣在受到破壞時，也會有剝離現象產生，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木材復合材料的沖擊韌性。通過表5可知，采用BFRP增強的復合板材的耐沖擊性能均高于未增強的樟子松原木復合板材，BFRP能夠有效地起到增強效果。與未增強的試樣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%，因而試驗中平紋6×6織物增強效果最好。BFRP與樹脂及樟子松板材間良好的相容性直接導致與其他組相比，平紋6×6織物的沖擊增強效果優勢較為明顯。試驗中，試樣A受到沖擊時斷裂成兩部分，而BFRP增強的復合板材試樣受沖擊一側的BFRP只產生褶皺而沒有斷裂，另一側BFRP產生斷裂，這是由于受到木材彎曲斷裂時的沖擊，產生應力集中造成的。

　　三、結論

　　本文采用真空輔助成型工藝一次成型來制備BFRP/木材復合材料，通過分析四種不同類型BFRP/木材復合材料的力學性能，得出以下結論:(1)平紋6×6織物增強，拉伸強度最高提升了26.52%，壓縮強度最高提升了10.68%，沖擊韌性最高提升了68.46%，織物種類對復合板壓縮強度影響效果差別不大;(2)斜紋6×6織物增強，彎曲強度最高提升了24.58%，但織物種類對彎曲強度影響較小;(3)BFRP對樟子松原木復合板材的壓縮強度起到的增強效果不明顯，對受壓木材加強，需慎用或開展專門研究。

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