玄武岩纤维布/不饱和聚酯增强竹木复合板材胶合性能研究∗

刘红光 申士杰 李 黎 罗 斌

由于速生材的材性相对较差，其应用范围受到了一定的限制。我国具有丰富的竹材资源，为了提高速生材和竹材的利用率，研究人员利用高性能纤维来增强竹木复合板材，提高了复合板材的物理力学性能，从而拓宽了速生材和竹材的应用范围[1,2]。碳纤维具有极其优异的物理力学性能，但是由于成本较高，多用于航空航天等领域[3]。在民用领域中，较为常用的是玻璃纤维和玄武岩纤维。与玻璃纤维相比，玄武岩纤维的防水性、耐腐性和稳定性更为优异[4]。

不饱和聚酯树脂(UPR)是热固性树脂中用量最大的树脂品种之一，也是纤维增强树脂材料(FRP)制品生产中用得最多的基体树脂[5]。UPR生产工艺简便，原料易得，耐化学腐蚀，力学性能、电性能优良，可常温常压固化，具有良好的工艺性能，并且价格适中，性价比较高，已被广泛应用于建筑、防腐、汽车、电子电器等多种复合材料中[6]，将其用于制备玄武岩纤维增强竹木复合板材具有一定的可行性。

纤维增强竹木复合板材的性能除了受纤维和竹木材料本身性能的影响外，还与胶合界面的胶合强度有关。玄武岩纤维的组成主要为无机物，与有机树脂的胶合存在一定难度。而纤维经过表面处理之后，其胶合性能则可以大大提高[7]。竹材由外层的竹青到内层的竹黄，其材质变化较大，也需要对其进行相应的表面处理，才能够与玄武岩纤维和木材更好地胶合。笔者以时间、压力及材料表面处理方式为三个影响因素设计正交试验，利用不饱和聚酯树脂作为胶黏剂制备玄武岩纤维布增强竹木复合板材，并对其竹/木、竹/纤维及木/纤维三个胶层的胶合性能分别进行了检测，为今后玄武岩纤维布/不饱和聚酯增强竹木复合板材胶合工艺方面的研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1）木材：桉木单板，尺寸为500 mm×500 mm×1.5 mm，含水率：5%，大连科冕木业公司提供。

2）竹材：展开竹，尺寸为500 mm×50 mm×2.5 mm，含水率：4%，福建顺昌大庄竹业有限公司提供。疏解竹：含水率：15% ，尺寸：500 mm×200 mm×5 mm，安吉竹木机械加工厂提供。

3）玄武岩纤维布：辽宁营口市建筑材料研究所提供。主要指标参数：纤维平均直径：8 μm，含水率：≤0.5%，吸湿性：≤10%。密度为2.63 g/cm3。丝束拉伸强度（离散系数）为1 828 MPa（8.9%），拉伸模量（离散系数）为72.2 GPa（11.8%），断裂伸长率（离散系数）为3.03%（16.5%）。

4）化学试剂：硅烷偶联剂KH550，主要性能指标：沸点：217 ℃；比重(D254)：0.939～ 0.948；浓度为0.08 mol/L，由上海耀华化工厂提供。羟甲基间苯二酚（HMR）：自制。

5）胶黏剂：主剂为不饱和聚酯树脂，淡黄色透明液体。黏度为350～500 mPa·s（25 ℃），固体含量：59%～63%，牌号HS-1001，生产批号：2014A4051，常州华科聚合物股份有限公司生产。促进剂：环烷酸钴，钴盐含量：0.8%，固化剂：过氧化甲乙酮，活性氧含量：9.9%，均由北京市惠轩玻璃钢制品厂提供。

各组分质量比为：不饱和聚酯树脂∶过氧化甲乙酮∶环烷酸钴=100∶2∶0.6。

施胶量：按照玄武岩纤维布质量的1.5倍称取，然后均匀地涂布在纤维布的两面。桉木单板及竹材的施胶量为250 g/m2，其中与纤维接触的竹材和木材面不涂胶。

1.2 试验设备

1）试验热压机：型号BY302×2/15（100T），苏州新协力机器制造有限公司。

2）电热烘干箱：型号DGH-9140A，上海一恒科学仪器有限公司。

3）电子天平：型号BSM 3200，上海卓精电子科技有限公司。

4）电热恒温水浴箱：型号DZKW-S-4，北京市永光明医疗仪器有限公司。

5）力学试验机：型号S-3400N，日本日立（苏州）有限公司生产。

1.3 试验方法

1.3.1 试验方案设置

竹木复合板材各层板的表面处理方式，胶黏剂的固化时间、温度与压力等工艺参数都会对最终板材的性能产生影响。该试验是采用不饱和聚酯树脂作为胶黏剂，可以常温固化，因此选择竹木复合板材各层板的处理方式、胶黏剂固化时间及压力为三因素，设计一个三因素三水平的正交试验。胶黏剂的固化时间和压力根据生产厂家提供的参考工艺参数来选取。为了考察不同胶层的胶合性能，因此对不同胶层采取了不同的表面处理方式。正交试验设计的因素和水平如表1所示。根据L9（34）正交表得出玄武岩纤维增强竹木复合板材试验方案，如表2所示。

表1 正交试验的因素和水平Tab.1 Factors and levels of orthogonal test

表2 竹木复合板材试验方案Tab.2 Experimental plan of bamboo and wood composite board

1.3.2 玄武岩纤维布的处理

将裁剪好的玄武岩纤维布放入温度为250 ℃的干燥箱中，高温干燥30 min，去除掉玄武岩纤维布生产过程中附着在纤维表面的浸润剂。将干燥好的纤维放入配置好的KH550溶液中，在室温（20 ℃）条件下放置4 h，然后取出，用蒸馏水反复冲洗纤维表面3次以上，再放入温度为110 ℃的干燥箱中，30 min后取出备用。

1.3.3 玄武岩纤维布增强竹木复合板材的组坯方式和工艺流程

为了对竹/木、竹/纤维及木/纤维三个胶层的胶合性能进行检测，玄武岩纤维布增强竹木复合板材按照竹材、玄武岩纤维布、木材单板、竹材的顺序进行组坯，试件制备的工艺流程如图1所示，其中的竹材采用展开竹，最终制备完成的试件如图2所示。

图1 竹木复合板材制备工艺流程图Fig.1 Manufacture process diagram of composite board

图2 竹木复合板材试件Fig.2 Test specimen of composite board

1.4 检测方法

试件的胶合强度和浸渍剥离率的检测方法均依据国家标准GB/T 17657—2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》[8]中的相关规定进行。

2 试验结果与分析

2.1 胶合强度试验结果及分析

根据标准对玄武岩纤维增强竹木复合板材试件的竹/木、竹/纤维及木/纤维三个胶层的干胶合强度、湿胶合强度[试件经过热水浸泡预处理：将试件放置在（63±3）℃的热水中浸渍3 h，然后在室温下冷却10 min]及材料破坏率进行了检测和分析。干胶合强度及材料破坏率的检测结果如表3所示，干胶合强度的极差分析如表4所示。

表3 干胶合强度及材料破坏率Tab.3 Dry bonding strength and material damage ratio

表4 干胶合强度的极差分析Tab.4 Range analysis of dry bonding strength

根据表4的极差分析可以看出，时间对于竹/木胶层的干胶合强度影响最大，压力对于竹/纤维、木/纤维胶层的干胶合强度影响最大。时间对三个胶层的影响变化趋势相同，其干胶合强度均是先增加后减小，在90 min时达到最大值。压力对竹/木胶层和木/纤维胶层的干胶合强度的影响变化趋势相同，均是先增加后减小，在压力为1.0 MPa时达到最大值。而竹/纤维胶层则在压力为1.6 MPa时达到最大值。

材料表面处理方式对干胶合强度的影响，对于竹/木胶层，木材表面进行偶联剂HMR处理能够提高竹木胶层的干胶合强度，且木材和竹黄都经过表面处理后能进一步提高干胶合强度，这是因为木材和竹黄经HMR处理后能够增加表面活性，可以更好地与胶黏剂发生反应。对于竹/纤维布胶层，竹青表面含有一定量的无机硅类化合物，影响竹材与树脂的结合，经过硅烷偶联剂KH550处理后，有效地改善了其胶合强度，提高了胶层的干胶合强度，但是经过KH550及HMR共同处理后，其胶合强度反而有所下降。试验先进行KH550处理，再经HMR处理，两种化合物的活性反应基团之间发生了反应，从而导致与树脂之间进行反应的活性基团数量减少，因此反而没有只经过KH550处理时的胶合强度高。对于木/纤维胶层，木材没有经过任何处理时其干胶合强度最高，因为玄武岩纤维布经过KH550处理后表面活性已经得到提高，可以与木材有较好的胶合。

湿胶合强度及材料破坏率的检测结果如表5所示，湿胶合强度的极差分析如表6所示。

表5 湿胶合强度及材料破坏率Tab.5 Wet bonding strength and material damage ratio

表6 湿胶合强度的极差分析Tab.6 Range analysis of wet bonding strength

根据表6的极差分析可以看出，时间对三个胶层的湿胶合强度影响最大并且变化趋势相同，仍是先增加后减小，在90 min时达到最大值。压力对于竹/木及木/纤维胶层湿态剪切强度的影响，随着压力的增加，其湿胶合强度先增加后减小，在压力为1.0 MPa时达到最大值；压力对于竹/纤维胶层湿态剪切强度的影响，则随着压力的增加其湿胶合强度呈逐渐增加的趋势，在压力为1.6 MPa时达到最大值。

从处理方式来看，竹/木胶层和竹/纤维胶层的试验结果与干胶合强度的表现相同，而木/纤维胶层则是木材经过HMR处理的湿胶合强度最高，原因可能是木材经过HMR处理后表面活性得到了提高，可以与纤维有较好的胶合，但与木材未处理的情况相比，其提高幅度很小。

2.2 浸渍剥离试验结果及分析

浸渍剥离试验用来模拟实际使用过程中的湿热环境，可以进一步检测胶黏剂的胶合性能，与胶合强度检测结果进行印证，得出更为可靠的试验结论。浸渍剥离检测结果如表7所示（Ⅰ、Ⅱ类浸渍剥离试验条件及方法参照GB/T 17657—2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》中的相关规定进行）。

表7 浸渍剥离结果Tab.7 Peel test results %

Ⅱ类浸渍剥离率的极差分析如表8所示。

从表8的分析中可以看出，时间对三个胶层的Ⅱ类浸渍剥离率影响最大，竹/纤维和木/纤维胶层的变化趋势相同，都是先减小后增加，在90 min时达到最小值，竹/木胶层在120 min时达到最小值。压力对竹/纤维和木/纤维胶层的影响最小，其变化趋势为随着压力的增加其Ⅱ类浸渍剥离率逐渐减小，在压力为1.6 MPa时达到最小值，对于竹/木胶层，随着压力的增加，其Ⅱ类浸渍剥离率先减小后增加，在压力为1.0 MPa时达到最小值。

表8 Ⅱ类浸渍剥离率的极差分析Tab.8 Range analysis of peel ratio typeⅡ

从处理方式来看，对于竹/木胶层，仍是木材及竹黄都经过HMR处理后其Ⅱ类浸渍剥离率最低；对于竹/纤维表面，也仍是竹材只经过KH550处理后其Ⅱ类浸渍剥离率最低；对于木/纤维胶层，木材经过KH550和HMR共同处理后的Ⅱ类浸渍剥离率最低，但与木材未处理的情况相比，其减小幅度较小。

I类浸渍剥离率的极差分析如表9所示。

表9 I类浸渍剥离率的极差分析Tab.9 Range analysis of peel ratio type I

从表9的分析中可以看出，对于三个胶层的I类浸渍剥离率时间仍是影响最大的因素，并且三个胶层的变化趋势与Ⅱ类浸渍剥离率的相同：竹/纤维和木/纤维胶层在90 min时达到最小值，竹/木胶层在120 min时达到最小值。

压力对三个胶层的I类浸渍剥离率影响的变化趋势与Ⅱ类浸渍剥离率的相同：竹/纤维和木/纤维胶层随着压力的增加其I类浸渍剥离率逐渐减小，在压力为1.6 MPa时达到最小值，对于竹/木胶层，随着压力的增加，其I类浸渍剥离率先减小后增加，在压力为1.0 MPa时达到最小值。

从处理方式来看，对于竹/木胶层，木材经过HMR处理后其I类浸渍剥离率减小，而木材及竹黄都经过HMR处理后，其I类浸渍剥离率反而略有增加，这可能是由于在煮沸条件下，HMR对于竹黄的作用有所减弱；对于竹/纤维胶层仍是竹材只经过KH550处理后其I类浸渍剥离率达到最小值；对于木/纤维胶层，木材经过KH550和HMR共同处理后的I类浸渍剥离率最低，但与其他两种情况相比，其减小幅度也较小。

另外可以发现竹/木胶层比另外两个胶层的I、Ⅱ类浸渍剥离率要高出很多，竹/纤维胶层比木/纤维胶层的I、Ⅱ类浸渍剥离率也要略高，分析原因可能是试验中采用的竹材为展开竹，展开竹在生产的过程中经过高温整平，内部残存有一定的内应力，在浸渍的过程中，内应力向外释放，导致了浸渍剥离率的结果偏高。

对上述结果进行综合比较分析，时间是对三个胶层的胶合强度和浸渍剥离率影响最大的因素，除了竹/木胶层的I、Ⅱ类浸渍剥离率在120 min条件下的结果最好外，其余都是在90 min条件下获得最好的结果，因此时间选择90 min。

对于压力的选择，在胶合强度分析中，1.0 MPa条件下胶合强度的综合效果较好，而在浸渍剥离率分析中，1.6 MPa条件下浸渍剥离率的综合效果较好，但是比较发现1.0 MPa与1.6 MPa条件下胶合强度的差别较小，因此压力选择1.6 MPa。

综合分析处理方式对试验结果的影响，对于竹/木胶层，木材及竹黄都经过HMR处理后的试验结果较好；对于竹/纤维胶层，竹青只经过KH550处理后的试验结果较好；对于木/纤维胶层，木材是否进行处理对试验结果影响差别不大，因此可以选择不处理。

综上所述，优化工艺的试验方案为：时间为90 min，压力为1.6 MPa，材料表面处理方式为竹/木胶层，木材及竹黄都进行HMR处理；竹/纤维胶层，竹青只进行KH550处理；木/纤维胶层，木材不处理。

2.3 验证实验

根据前面正交试验得出的优化工艺方案，同时为了验证竹/木胶层的I、Ⅱ类浸渍剥离率较高是否由于展开竹存在较大的内应力的原因，对于竹材除了选用展开竹以外，还选用了疏解竹进行对比。按照前面图1所示的工艺流程制备玄武岩纤维布增强竹木复合板材，测试方法也与前面相同，最终测试结果如表10所示。

从表10的测试结果中可以看出，采用优化工艺方案制备的玄武岩纤维布增强竹木复合板材，相比前面的试验结果，其干、湿态胶合强度都得到了较大的提高，I、Ⅱ类浸渍剥离率也有了较大幅度的下降。对比展开竹与疏解竹的复合板材试验结果可以发现，二者的干、湿态胶合强度基本相同，而疏解竹试件则比展开竹试件的I、Ⅱ类浸渍剥离率有了明显的下降，这说明展开竹加工过程中残存的内应力确实对其浸渍剥离率产生了影响。

另外还对复合板材的静曲强度和弹性模量进行了测量，其静曲强度平均值为117 MPa，弹性模量平均值为7.55 GPa，远大于竹编胶合板标准静曲强度80 MPa，弹性模量大于5 GPa的要求[9]。

表10 验证实验结果Tab.10 Verif i cation experiment results

3 结论

通过正交试验，以不饱和聚酯树脂为胶黏剂，研究了玄武岩纤维布增强竹木复合板材的综合优化胶合工艺，通过试验分析得出以下结论：

1）采用不饱和聚酯树脂作为胶黏剂，制备玄武岩纤维布增强竹木复合板材的综合优化工艺方案为：时间为90 min，压力为1.6 MPa，材料表面处理方式为竹/木胶层，竹黄与木材都采用HMR处理；竹/纤维胶层，竹青采用KH550处理；木/纤维胶层，木材不处理。

2）玄武岩纤维布增强竹木复合板材的胶合强度远大于普通胶合板标准0.7 MPa的要求[10]，静曲强度达到117 MPa，弹性模量达到了7.55 GPa，也远大于竹编胶合板标准静曲强度80 MPa，弹性模量大于5 GPa的要求，说明以不饱和聚酯树脂为胶黏剂制备玄武岩纤维布增强竹木复合板材具有可行性，玄武岩纤维布对竹木复合板材具有较好的增强效果。

3）试验中还发现展开竹复合板材试件的I、Ⅱ类浸渍剥离率较高，而疏解竹复合板材试件则比展开竹试件的I、Ⅱ类浸渍剥离率有了明显的下降，这说明展开竹加工过程中残存的内应力确实对其浸渍剥离率产生了不良影响。

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[9] GB/T 13123—2003 竹编胶合板[S].北京:中国标准出版社, 2003.

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