木橡复合层积材对横向周期性压载的响应特性1)

2017-09-03徐舒徐信武吕吉宁

东北林业大学学报 2017年8期

关键词：单板木材橡胶

徐舒徐信武吕吉宁

(南京林业大学，南京，210037)

姜彬

(浙江德华兔宝宝装饰新材研究院)

王敏

(江苏德华兔宝宝装饰新材有限公司企业研究生工作站)

木橡复合层积材对横向周期性压载的响应特性1)

徐舒徐信武吕吉宁

(南京林业大学，南京，210037)

姜彬

(浙江德华兔宝宝装饰新材研究院)

王敏

(江苏德华兔宝宝装饰新材有限公司企业研究生工作站)

为拓展木质复合材料在铁路轨枕、机电产品包装等特殊工程领域的应用，研制了9层木橡复合层积材(LLVR)。设计了5种木/橡层积结构，单元为杨木单板和氯丁橡胶(CR)片。采用分层施胶的工艺，即异氰酸酯PAPI用于木橡间胶合，涂布量80 g·m-2，添加质量分数9%硅烷偶联剂KH69；酚醛树脂PF用于杨木单板间胶合，涂布量200 g·m-2。热压工艺为温度160 ℃、压力1.5 MPa、时间10 min。根据国家标准GB/T 17657测试了胶合强度、弯曲强度、弯曲模量及24 h吸水厚度膨胀率。模拟实际承载特征，设计了5周期“加载—卸载”加压试验，重点揭示LLVR对周期性横向压载的力变及吸能响应特性。结果表明：木材与橡胶层积复合开发铁路轨枕、机电产品包装等特殊工程材料是可行的；LLVR具有优异的力学强度、湿稳定性和残余弹性形变吸能缓冲性能；推荐采用表层橡胶包覆的层积结构。

橡胶；杨木；层积材；木橡复合材料；周期性载荷

//Journal of Northeast Forestry University，2017,45(8)：70-75.

We developed nine-layer laminated lumbers of wood veneers and rubber sheets (LLVRs) to functionally extend traditional wood composites to such special engineering applications as railway sleepers or heavy electromechanical packaging cases. Planted poplar (PopulusdeltoidsBartr. cv.Lux) veneers (Marked as W) and Chloroprene rubber (CR) sheets (Marked as R) were glued layer by layer into LLVRs of five balanced laminated constructions. Polyaryl polymethylene isocyanate (PAPI) and phenol formaldehyde (PF) resins were used as bonding agents for wood-rubber and inter-wood veneers adhesives, respectively. KH69 silane was chosen as coupling agent to reinforce wood-rubber adhesion with PAPI resin. PAPI and PF resins spread content were, respectively, 80 and 200 g·m-2, and KH69 Silane content was 9% based on PAPI resin. Hot-pressing temperature and pressure were set as 160 ℃ and 1.5 MPa, respectively, while pressing time was 10 min. The physic-mechanical properties of the above-fabricated LLVRs were evaluated. General physical and mechanical properties including boding strength (Shear strength), bending modulus (MOE) and strength (MOR), and 24-h thickness swelling (24 h-TS) were tested according to the Chinese national standard GB/T17657. To disclose the responding behaviors of LLVRs to frequent compressing loads perpendicular to surface in such applications as railway sleepers or heavy-load packaging cases, LLVRs samples were subjected to a self-designed five-cyclic compression loading experiment. LLVRs combining wood veneers and rubber sheets are feasible for engineering applications such as railway sleepers and heavy-load electromechanical packaging cases with strong shear strength, sound dimensional stability, and favorable energy absorption performances. The construction with covering rubber sheets was recommended.

现代木质复合材料是基于木材(主要是速生木材)、竹材等易生物降解的可再生材料，通过单元改性、结构设计和异质复合而成的，具有高强度、稳定性和耐久性，为解决铁道轨枕或机电产品包装等领域对高安全性、高稳定性、高环保性新材料的需求提供了新的选择。在实际使用中，铁道轨枕或装备包装箱板等材料均需承受各种复杂载荷，其中沿厚度方向的横向动态或准静态压缩是较常见的受力形式。充分掌握材料在载荷下的形变与回弹、阻尼与吸能等响应特性，对于构建安全、稳定的工程结构体系至关重要。

木材是天然的黏弹性高分子材料，在不同承载形式(大小、频次、持续时间等)、不同预处理(如湿热处理)和不同承载阶段(线性、非线性)下，对外力做功输入能量的响应机制不同。对于压载荷，在线性变形阶段木材吸能小，外力释放后以100%弹性回复而释放外来做功；在非线性变形阶段，外力释放后主要以毛细管系统的永久性压缩变形乃至溃陷(宏观体现为木材的压缩密实化)耗散外来做功，且吸能值高[1]。如采用蒸汽等方法对木材进行预处理后再压缩，能量吸收和耗散的途径则除了上述途径外，还可能发生半纤维素降解等化学变化[2]。竹材与木材类似，能量耗散同样是通过基本组织(如导管)的压缩变形乃至压溃等方式实现[3-4]。因此，无论是木材还是竹材，耗散能量主要通过塑性变形甚至成分演变实现，而不是主动通过弹性形变实现吸收和释放。考虑到轨枕、包装箱等对阻尼减振和形状稳定性的特殊需求，可考虑引入橡胶材料。庞宝君等的研究表明，在准静态压缩载荷下，橡胶高聚物材料在较宽应变范围内(如小于40%)“应力-应变”曲线均呈现高度线性关系，而在大于40%应变条件下“应力-应变”曲线出现“上凹”特征，即硬化现象[5]。基于上述特性，混凝土、金属等材料也通过复合橡胶颗粒以提高阻尼抗振性能，尤其是受到冲击载荷时[6-7]。将橡胶引入木质复合材料是近年来兴起的新研究方向。橡胶可以为固态(颗粒状、薄板状)或液态，可与实体木材、单板、刨花、木丝、纤维，乃至木粉进行复合；也可用于胶黏剂改性，从而构建具有一定功能导向的木质复合材料[8-12]。而木材与橡胶复合，最简捷的方式莫过于橡胶片与木材单板层积复合。周坤以液体橡胶与脲醛(UF)树脂均混作为胶黏剂，热压制造胶合板，板材的强度未大幅度衰减，但弹性显著提高[13]。此外，乒乓球拍也是木材与橡胶片层积复合的典型案例[14-16]。

基于上述研究，笔者尝试研制木材单板/橡胶片复合层积材，通过层积结构变化，揭示该材料的物理力学特性，特别是对于横向周期压载下的力变及吸能响应特性，为该材料在轨枕、大型机电包装等领域的潜在应用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料

杨木单板(PopulusdeltoidsBartr. cv. Lux，下文标记为W)取自江苏省泗阳县，厚度1.8 mm，含水率12%。氯丙橡胶(CR)片(下文标记为R)，厚度2 mm，购自上海。胶黏剂：异氰酸酯(PAPI)用于W-R界面胶合，而酚醛树脂(PF)用于W-W界面胶合。W-R界面胶合偶联剂采用KH69，分子式：(C2H5O)3-Si-(CH2)3-S4-(CH2)3-Si-(C2H5O)3，硫质量分数22.5%。

1.2 制备工艺

根据前期工艺试验，采用如下优化工艺制备木橡复合层积材(LLVR)：PAPI施加量为80 g·m-2(以PAPI施加量为基础，偶联剂KH69的施加量为9%，均混于PAPI胶液后再涂布)；PF施加量为200 g·m-2。热压工艺为温度160 ℃，压力1.5 MPa，时间10 min。设计了5种结构，即①R-7W-R、②W-R-5W-R-W、③2W-R-3W-R-2W、④W-R-2W-R-2W-R-W、⑤2W-R-W-R-W-R-2W。所有木材单板均顺纹组坯。为方便对比，采用相同热压工艺制备了9层结构单板层积材LVL。

1.3 性能测试

1.3.1 常规物理力学性能

产品性能测试前，所有板材均在室温条件下陈放48 h。参照国标GB/T 17657—2013，基本测试性能指标包括W-R及W-W层间胶合强度、静曲强度、弹性模量、24 h吸水厚度膨胀率。

1.3.2 横向周期性压载试验设计

为了揭示木橡复合层积材在经历多次横向压缩后的稳定性，设计了5周期横向压载测试(图1)。采取30 mm×30 mm×厚度的试件，利用万能力学试验机的压载荷模式，按照图1所示的“缓慢加载—快速卸载”模式，对试件沿厚度方向进行重复压缩试验，加载速率为3 mm/min，最大载荷5 kN。到达最大载荷后立即卸载，进入下一个压载周期。

1.4 数据处理

如图2所示，根据每个压缩周期试验输出的“载荷(L)-位移(d)”曲线，获取线性加载段斜率值(f)和整个周期压缩过程中材料吸收的能量值。

如图2所示，每个周期将载荷视为位移的函数，表示为：

L=f(d)。

(1)

5种结构的LLVR加载曲线，均选取压载荷L=1～3 kN范围进行一元线性拟合，获取斜率值。f值越大，表明材料的刚性越强，而相同材料的f值变化则反应了材料在压缩承载过程中刚性的变化。在L=1～3 kN范围内，有：

ΔL=f·Δd+c。

(2)

式中：Δd为位移步进值(mm)；ΔL为对应Δd的载荷增加值(kN)；f为斜率值(kN/mm);c为截距常数(kN)。

在整个周期内对L-d函数进行积分获取能量吸收值或压载荷做功值。需要注意的是，该积分值包含了LLVR试件在整个受压过程中暂时储存(弹性变形)和永久耗散(塑形变形)的两部分能量值。考虑到实际测试时，万能力学试验机压头采用步进方式(步长为0.015 mm)加载，获得的位移和载荷值均为单调递增离散数据，故采用梯形积分方法，引入Matlab软件积分函数trapz(d,L)，求解整个周期的吸能(做功)数值解(见式3)。式中，E为能量吸收值(J)。

(3)

图1 木橡复合层积材的横向压缩5周期“加载—卸载”试验

图2 单周期载荷(L)-位移(d)曲线及吸能分析示意图

2 结果与分析

2.1 常规物理力学性能

表1比较了5种结构木橡复合层积材的力学性能和尺寸稳定性能。从胶层剪切强度看，使用了PAPI树脂作为胶黏剂(采用9% KH69)的木材/橡胶界面胶合强度(1.4～1.6 MPa)均高于使用PF树脂胶黏剂的木材单板间胶合强度(0.9～1.4 MPa)，说明PAPI胶黏剂具有优越性。相对于纯木材单板层积材(LVL)，橡胶单层板的加入显著降低了板材的抗弯性能，尤其是弹性模量(静曲强度降低约60%～65%；弹性模量降低约75%～80%)，却提高了板材整体的尺寸稳定性(24 h吸水厚度膨胀率从7.8%减小到2.0%～4.1%，降低47%～74%)。

针对板材结构对性能的影响的单因素方差分析(显著因子α=0.01)表明，5种结构的4个性能指标均存在显著差异。在包含两层橡胶片的3种结构中，结构①(即：将橡胶片分别置于上下次表层)性能最优；再增加一层橡胶片后，板材的24 h吸水厚度膨胀率降低约2%，静曲强度变化不大，但弹性模量降低。

表1 木橡复合层积材的物理力学性能对比

注：表中数值为平均值±标准差；标准差为重复测试6次的标准差值。

2.2 木橡复合层积材的横向压缩力变过程

图3显示了5种结构木橡复合层积材在5个循环加载下横向压缩响应特征的变化趋势。无论哪种结构，到达最大压载(5 kN)时，只有第一个循环的总位移量(即：5个循环的位移量总和)最大，而2—5循环的位移量则显著降低。实际测试表明，5个周期后，所有板材中的橡胶片厚度均未发生显著变化，与文献[5]的研究是相符的。这表明，层积材中的木材单元在经历第一个周期的压缩过程中发生了密实化塑形变形，导致层积材的整体刚性增强。但既然橡胶单元维持原状，则其通过压缩变形暂时吸收外力做功的功能仍然存在。

图3充分体现出外力对分层结构和黏弹性材料作用的特点。外来载荷先作用于表层单元，被衰减后再依次向芯层传递。材料的各层单元发挥不同的功用。表层单元通过弹性或塑形变形吸收外来做功，其中：弹性变形暂时吸收外力输入能量，待外力撤销时100%释放，从而保护内部单元过度承载；塑形变形则耗散吸收的能量，发挥阻尼功效。因此，表层单元的材料选择至关重要。内部单元则作为层积材的主体，经过密实化后材料的整体强度也随之增强。本研究制备的5种结构LLVRs，结构①将橡胶片置于外层，则可充分发挥弹性体的主动变形特性，吸收外力做功的同时将外力衰减，充分保护内部单元免受过载，尤其是面对高频率、瞬时性的冲击载荷时优势更为明显。当然，如果外来压载为静态载荷或维持时间足够长，层积材会由表及里、逐层密实化，最终达到力平衡，此时方可运用经典力平衡理论分析各层次的受力情况。而现实情况中，黏弹性材料承载难以达到力平衡，而是伴随对外力做功的吸收和消耗，将外力逐步衰减。这也能解释木材密实化过程中不同厚度位置压缩率不同[17]、木质复合材料经过热压后在厚度方向存在断面密度梯度等现象[18]。因此，对于黏弹性材料，从能量角度分析材料的力变特性更合适。

图3 5周期循环加载条件下木橡复合层积材的力变过程

2.3 木橡复合层积材的横向刚性变化

从L-d曲线线性阶段的f值分析几种结构材料在多次压缩下黏弹性的变化(表2)。纯木材层积材LVL在经历第一个循环后f值降低，这可能是固化的脆性胶层缺乏弹性体的保护发生了细微破坏，导致材料的刚性降低；但后续循环中f值逐步上升，则应归因于木材的密实化，导致材料的刚性整体增强。木橡复合层积材的刚性普遍低于纯木材层积材LVL，显然是橡胶单层板的弹性所致。橡胶弹性体的“主动性”变形既赋予材料整体优异的阻尼抗振性能，又保护了木材免于过度塑形压缩。对比5种LLVR材料，结构①的刚性最接近纯木材层积材LVL，而结构④f值最小。值得关注的是，从表1可以看出，经历2～3个“加载—卸载”循环后，不管是纯木材层积材LVL还是木橡复合层积材，其f值都趋于稳定，这对于保障材料在实际应用中的长期稳定性是有利的。

表2 5周期循环加载条件下木橡复合层积材的L-d曲线线性段斜率值

结构类型f/kN·mm-1周期1周期2周期3周期4周期5LVL5.164.454.684.754.82R-7W-R4.964.954.644.364.27W-R-5W-R-W3.593.353.653.703.662W-R-3W-R-2W4.693.793.753.653.63W-R-2W-R-2W-R-W2.272.572.672.652.742W-R-W-R-W-R-2W3.452.872.392.922.97

注：表中数据为同结构3个试件在相同周期“载荷-压缩变形”曲线获取的斜率平均值。

2.4 木橡复合层积材的横向压缩变形量

图4比较了不同结构木橡复合层积材在5循环加载过程中的累计压缩形变特征。在5次压缩载荷下，5种结构LLVR的压缩位移量均逐渐降低，其中结构①的1—5个循环的压缩位移从1.9 mm降低到1.6 mm(变化0.3 mm)，结构②从2.9 mm降低到2.1 mm(变化0.8 mm)，结构③从3.1 mm降低到2.0 mm(变化0.9 mm)，结构④从3.9 mm降低到3.1 mm(变化0.8 mm)，结构⑤从2.8 mm降低到2.2 mm(变化0.6 mm)；从5次循环加载的累计总位移看，5种结构中，结构④超过16 mm，其次为结构②和⑤，约为11.7 mm，而只有结构①最小，仅为8.6 mm。可见，结构①的变化最小、最稳定，而结构③最大、最不稳定，表明结构①最能保持厚度，或换言之最能维持材料在厚度上的力变特性。

事实上，木材单板受压缩(本试验中近于径向压缩)时会发生塑形变形，尤其是承受多次、高频或长时间的载荷时，木材会发生密实化变形。对于多层结构的层积材，表层木材先发生压缩变形。在5种结构的木橡复合材中，仅结构①表层为弹性体，保护了内侧木材，因此总体压缩变形量最小。结构④和⑤采用了3层橡胶，故而总变形量比其他3种结构大。倘若将本产品用于轨枕，从列车运行安全角度考虑，选择结构①更合宜。同时。结构①将橡胶片置于表层，能有效保护内侧木材，延缓木材的使用寿命，对于降低木橡复合材整体的强度衰减也是有利的。

图4 5周期循环加载条件下木橡复合层积材的累积变形

2.5 木橡复合层积材的吸能变化趋势

在承受外来载荷时，无论是静态、准静态、动态，甚至冲击载荷，能否通过能量吸收化解是决定一种材料可否用于抗振和缓冲用途的关键。如前文所述，材料对能量的吸收分为弹性变形“暂时吸收”和塑形变形“永久耗散”。如果既要满足吸能需要，又要保证材料不发生永久尺寸变化，显然兼具黏、弹特性的木材难以兼顾，而需要借助纯弹性体材料(如：硫化橡胶)，当外力撤销时可以迅速释放储存的全部能量。

从表3可以看出，经历了第一个压载周期后，木橡复合层积材小试件(30 mm×30 mm×厚度)的能量吸收值近乎稳定。从能量耗散值看，除了第一个周期较为显著外(1.01～6.27 J)，后续周期均逐步趋于0。因而可以认为，如果忽略胶层可能发生的细微破坏，施加一个周期峰值5 kN的准静态压载荷，LLVRs中的木材单元均基本完成密实化(图3亦可佐证)；而后续加载周期中，能量吸收基本由橡胶单元的纯弹性变形完成。换言之，木橡复合层积材具有抗振缓冲功能的长期稳定性，这也为实际生产轨枕、包装箱用木橡复合层积材提供了有用信息。

表3 木橡复合层积材的5循环吸能值 J

注：能量耗散值近似计算为前后加载周期能量吸收总量之差；表中出现的能量耗散负值，应为测量和积分产生的误差所致。

对比分析橡胶单元数量的影响。结构①—结构③采用了两层橡胶，故而达到稳定状态后，能量吸收值(2.47～3.99 J，2—5周期平均3.21 J)普遍低于层积3层橡胶的结构④—结构⑤(3.71～4.88 J，2—5周期平均4.24 J)。对比层积结构的影响。结构①采用橡胶包覆结构，橡胶片首先受到压缩、变形和硬化，将载荷传递给内侧紧挨单板，而在芯部单板尚未发生显著密实化变形前，载荷值已快速达到峰值5 kN，所以实际压缩进程短，能量吸收总量最低；而其他结构均将木材单板外置，橡胶片被包覆，外层木材先受压、压缩，而内侧橡胶片受载滞后，所以压缩进程长，能量吸收值高。因此，从尽快消耗外来载荷做功、保护内部木材单元过载，以及兼顾材料尺寸稳定来看，结构①是具有优势的。

3 结论

采用异氰酸酯和酚醛树脂分层施加的工艺，将木材与橡胶层积复合开发用于铁路轨枕、机电产品包装等特殊工程材料是可行的，木橡复合层积材具有优异的力学强度和湿稳定性。

周期性压载荷下，木橡复合层积材通过木材单元的密实化塑形变形，刚性有变大的趋势，但橡胶单元赋予木橡复合层积材整体长期的尺寸和弹性稳定性。

木橡复合材对外来载荷输入能量的吸收包括弹性形变暂存及塑形变形耗散两种方式，其中前一种方式占主体且具有长期有效性，后一种方式主要在初始周期占主体作用而后期则可忽略。

从压缩恢复性能及兼顾生产工艺和后期维护性能看，推荐采用上下层橡胶覆盖的层积结构。

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Response Characteristics of Laminated Lumbers of Wood Veneers and Rubber sheets (LLVRs) to Periodic Transverse Compressing Loadings//

Xu Shu, Xu Xinwu, Lü Jining

(Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, P. R. China);

Jiang Bin

(Dehua Tubaobao Institute of Decoration Materials);

Wang Min

(Jiangsu Dehua Tubaobao Co. Ltd of New Materials Graduate Students Workstation)

Rubber; Poplar; Laminated lumber; Wood rubber composite; Periodic loading

徐舒，女，1993年8月生，南京林业大学材料科学与工程学院，硕士研究生。E-mail:1422048721@qq.com。