纤维增强树脂复合材料/竹木胶合界面的处理工艺1)

范诒杰 申士杰 陈暑冰

(北京林业大学，北京,100083)



纤维增强树脂复合材料/竹木胶合界面的处理工艺1)

范诒杰 申士杰 陈暑冰

(北京林业大学，北京,100083)

以砂光处理、等离子体处理、羟甲基间苯二酚(HMR)处理为不同因素，研究了纤维增强树脂复合材料(FRP)/竹、FRP/木胶合界面处理工艺。结果表明胶合界面优化工艺为：FRP不做处理，而竹材和木材表面以150 g/m2的涂布量涂布HMR。

纤维增强树脂；等离子体；羟甲基间苯二酚；剪切强度；剥离率

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.

纤维增强树脂复合材料是由纤维和树脂基体两种不同性能、不同形态的组分材料通过复合而成的一种多相材料[1]。纤维增强树脂复合材料(FRP)增强结构用集成材是将高强度、刚度、弹性模量等性能的纤维增强材料与结构用集成材复合而制成的新型工程木质材料。木材主要有强度和刚度较低、弹性模量小、易腐朽等缺点，在很大程度上制约了木材在工程结构上的应用。FRP增强结构用集成材可以提高该类木材的利用率和使用价值，同时在保留木材高强重比的基础上充分利用纤维增强树脂的优良性能。用FRP增强后的集成材，其强度得到明显提高，刚度也有一定提高[2]。

木材和纤维增强树脂这两种材料的物理和化学性质不同，他们之间的界面将二者有机结合为一个整体。FRP增强结构用集成材的最薄弱环节是木材与FRP的胶接界面，胶接界面的分层会导致纤维增强木制复合材料的永久性破坏。Y HONG[3]等人的研究结果表明：FRP/木材工程复合材料的性能在很大程度上取决于胶接界面的胶接强度。因此改善二者胶接界面性能对开发该种材料至关重要。木、竹材的表面改性主要是对其表面进行等离子体、偶联剂等处理，FRP表面改性主要是进行等离子体、砂光等处理。

等离子体是离子和电子群近似电中性的集合体，低温等离子体通常用于改性高分子材料表面。经等离子体处理后的材料表面会发生多种变化，物理变化产生刻蚀等，化学变化如产生自由基及引入极性集团等，可提高材料表面的活性，改善与其他材料的胶合性能[4]。Ge等[5]使用筒型射频等离子体发生装置，对玻璃纤维增强复合材料(GFRP)表面进行处理，射频功率为80 W，处理时间5～25 min。结果表明，随着处理时间的增加，GFRP表面的O/C比有所增加，在处理时间为15 min时，达到56%。李志军[6]研究了等离子体对玻璃纤维处理的机理，结果表明等离子体处理可以使玻璃纤维表面的官能团发生变化，产生轻微刻蚀，扩大玻璃纤维的有效接触面积，改善基体对玻璃纤维的浸润状况，使玻璃纤维作为增强体的复合材料力学性能提高2～3倍，改善了复合材料的耐湿热稳定性。

HMR在胶黏剂和木材的胶接过程中起到偶联架桥的作用。HMR的羟甲基官能团能分别与胶黏剂、木材中羟基形成醚键共价连接，使得木材经HMR处理后大大提高了表面活性。熊陈福[7]研究了玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)/木材复合材料剥离性能，测试结果表明：木材表面经HMR处理后大大提高了BFRP/木材复合材料的胶合性能，HMR处理的BFRP/木材复合材料试件胶接层剥离率在0～1.03%，达到了ASTM D2559标准的要求(户外结构用集成材剥离率小于1%)。

本实验对比砂光处理(FRP)、等离子体处理(竹、木、FRP)及HMR处理(竹、木、FRP)这3种界面处理方式对FRP/木、FRP/竹结构用集成材胶合性能影响。参照结构用集成材国家标准GB/T 26899—2011及木结构设计规范GB 50005—2003中规定的干、湿态剪切强度、木破率、浸渍剥离率及煮沸剥离率等指标对FRP/木、FRP/竹结构用集成材的胶合性能加以表征。得出FRP与木材及与竹材胶合界面的优化工艺，以期为FRP增强结构用集成材，尤其是以竹材作为缓冲层加入木材和FRP复合的FRP增强结构用集成材研究提供参考。

1 材料和方法

1.1 材料

木材层板：欧洲赤松，瑞典SCA公司生产；竹材层板：毛竹展开竹板材，顺纹拉伸、压缩强度分别为60.52、59.02 MPa，浙江大庄实业集团有限公司提供；玻璃纤维增强环氧树脂(GFRP)板状片材：抗拉强度与拉伸弹性模量分别为1491.59 MPa与64.81 GPa，南京海拓纤维复合材料有限公司提供；胶黏剂：单组分聚氨酯HB S309，瑞士普邦公司生产；羟甲基间苯二酚(HMR)：自行配置。

1.2 设备

快速傅立叶变换弹性模量测定仪、推台锯、裁边锯、四面刨、砂光机、立式拼板机、日本岛津AG-100KN-MO型万能力学试验机、南京苏曼射流大气低温等离子体板材处理系统PG-1000ZG、水浴锅、恒温干燥箱、电子天平等。

1.3 方法

试验温度为25 ℃，相对湿度为50%～60%。

层板加工：采用目测分等及FFT弹性模量测定仪层级分等方法挑选同一强度等级的锯材及竹材，将干燥后的板材在试验环境下养生一段时间，使板材含水率均一稳定。然后经截断、裁边、四面刨光等工序加工成尺寸为1 000 mm×50 mm×23 mm的备用木材和竹材层板。FRP板状片材经裁剪等工序加工成尺寸为1 000.0 mm×50.0 mm×1.4 mm的备用FRP层板。

表面改性处理：根据试验组设置对竹木及FRP层板进行相应的表面改性处理。①等离子处理：按试验组设置将需要表面处理的FRP片材、竹材、木材分别放置于等离子体机传送带上，分别按试验组设置的速度通过等离子体喷枪口进行表面改性，喷枪口距离板材表面10 mm。②砂光处理：将需要砂光处理的板材依次通过180和240目的砂带进行砂光处理。③HMR处理：首先配置偶联剂HMR，配方中各组分质量分数为去离子水90.43%、晶状体间苯二酚3.34%、37%的甲醛水溶液3.79%、氢氧化钠2.44%。HMR配置4 h后方可在竹木层板进行涂布，涂布量为150 g/m2。HMR涂布后，层板还需静置24 h后方可涂胶组坯。

胶合压制：将处理好的层板进行涂胶、组坯、冷压后成型。采用单面涂胶，涂胶量为180 g/m2，陈化时间0.5 h，压力为1.1 MPa，冷压时间为1.5 h。每个试验组制备3根试材。

试验组设置分别见表1和表2。

表1 FRP/木胶合界面处理试验组设置

注：P6-1代表等离子射频功率为600 W，处理速度为1.25 m/s，处理次数为5次；P4-2代表等离子射频功率为400 W，处理速度为2.5 m/s，处理次数为5次。

表2 FRP/竹胶合界面处理试验组设置

注：P6-1代表等离子射频功率为600 W，处理速度为1.25 m/s，处理次数为5次；P4-2代表等离子射频功率为400 W，处理速度为2.5 m/s，处理次数为5次。

1.4 胶合性能检测

参照国家标准GB/T 26899—2011结构用集成材中的相关要求制备剥离率与剪切强度测试试件，并进行浸渍剥离率、煮沸剥离率、干态剪切强度的测定。参照GB 50005—2003木结构设计规范中的相关要求进行湿态剪切强度的测定。

2 结果与分析

2.1 FRP/木胶合性能

表3为FRP/木结构用集成材的浸渍、煮沸剥离试验结果。可以看出，所有试验组的试件经过两轮浸渍干燥后胶层均未发生剥离或分层。试验组N/HMR、S/P4-2、P6-1/HMR和P6-1/N试件经两轮煮沸干燥后胶层也均未发生剥离或分层。而试验组N/P4-2的试件第一次煮沸干燥后未发生剥离，第二次煮沸干燥后发生剥离，其中平均总剥离率为5.37%，未达到国家标准GB/T 26899—2011的要求。其他试验组第二次煮沸后胶层剥离，但单一胶层最大剥离率及总剥离率试验结果均满足结构用集成材国家标准GB/T 26899—2011中规定的5%(试件两端面的总剥离)和25%(任一胶层的最大剥离)的最低要求。

表3 FRP/木剥离试验结果

表4为试材的干态、湿态剪切强度结果。可以看出，所有试验组的试件干态剪切强度均在7.2 MPa以上，满足标准规定的最小干态剪切强度；而且所有组的木破率均不小于85%，满足标准规定的最小木破率。其中组N/HMR的试件干态剪切强度最大，达到10.88 MPa，对应木破率大于90%。所有试验组试件的湿态剪切强度均在4.7 MPa以上，满足标准规定的最小湿态剪切强度。湿态剪切强度差异性不太显著，但对应木破率差异较大。其中组N/HMR的试件湿态剪切强度达到5.18 MPa，对应木破率为97%；而组S/N的试件湿态剪切强度达到5.66 MPa，对应木破率仅为77.17%。

表4 FRP/木干态、湿态剪切试验结果

综合考虑试材的剪切和剥离性能，优化得到FRP与木材胶合界面改性工艺为N/HMR，即FRP表面不做处理，而木材表面以150 g/m2的涂布量涂布HMR进行改性。

2.2 FRP/竹胶合性能

表5为FRP/竹结构用集成材的浸渍、煮沸剥离试验结果。可以看出，试验组N/HMR和S/HMR试件经两次浸渍剥离和两次煮沸剥离检测后，胶层均未产生剥离或分层。组P6-1/HMR和组N/N的试件经过两次浸渍剥离后胶层均未出现剥离现象，而两次煮沸剥离时出现一定程度的剥离，但均满足标准要求。组S/P4-2和S/N试验组浸渍剥离满足标准要求，但煮沸剥离达不到标准的最低要求。组N/P4-2、P6-1/N和P6-1/P4-2试件的浸渍剥离和煮沸剥离均达不到结构用集成材国家标准GB/T 26899—2011中相关规定的要求。

表6为FRP/竹结构用集成材试材的干态、湿态剪切强度结果。可以看出，所有试验组的试件干态剪切强度均在10 MPa以上，而木破率差异较大。其中组N/HMR和组N/N的干态剪切强度分别达到12.58和11.87 MPa，对应木破率分别为75.63%和86.67%；而其他组的木破率均未达到标准规定的最小木破率。所有试验组的试件湿态剪切强度均在6.2 MPa以上，湿态剪切强度差异性也不太显著，但对应木破率差异较大。其中组N/HMR的试件湿态剪切强度达到7.92 MPa，对应木破率为91.95%；组S/HMR的湿态剪切强度为7.72 MPa，但木破率仅为32.50%。

表5 FRP/竹浸渍、煮沸剥离试验结果

表6 FRP/竹干态、湿态剪切试验结果

综合考虑试材的剪切和剥离性能，优化得到FRP与木材胶合界面改性工艺为N/HMR，即FRP表面不做处理，而木材表面以150 g/m2的涂布量涂布HMR进行改性。

3 结论

FRP/木和FRP/竹结构用集成材界面改性处理的优化工艺为：FRP表面不做任何处理，而木材和竹材表面进行HMR涂布处理，涂布量为150 g/m2。处理后的FRP/木试件干态剪切强度达到10.88 MPa，较对照组剪切强度提高22.7%，木破率达到93%以上；湿态剪切强度达到5.18 MPa，对应木破率为97%。该工艺处理后的试件浸渍、煮沸剥离率均为0。处理后的FRP/竹试件干态、湿态剪切强度分别达到12.58和7.92 MPa，其中湿态剪切强度较对照组提高15.3%，对应木破率为91.95%。该工艺处理后的试件浸渍、煮沸剥离率均为0。

[1] 沈观林,胡更开.复合材料力学[M].北京：清华大学出版社,2006:1-17.

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[7] 熊陈福.玄武岩连续纤维增强塑料(BFRP)/木材复合材料的研究[D].北京：北京林业大学,2005.

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

范诒杰，男，1987年2月生，北京林业大学材料科学与技术学院，硕士研究生。E-mail：917468635@qq.com。

申士杰，北京林业大学材料科学与技术学院，教授。E-mail：shijies@263.net。

2016年9月27日。

S784;TQ433

1)“十二五”国家高技术研究发展计划(“863”计划)(2012AA03A204-01)。

责任编辑：戴芳天。