竹基纤维复合材料的抗弯性能和抗剪切性能

2021-06-30张欢欢

中国建材科技 2021年1期

关键词：耐水性热压复合材料

张欢欢

（中铁贵州工程有限公司，贵州贵阳 550003）

材料领域持续发展，竹基纤维复合材料成为技术人员高度关注的对象。我国在竹基纤维复合材料方面已取得较显著的研究成果[1-2]，制得的复合材料综合性能优越，在建筑工程、风电桨叶等领域都得到广泛应用。

竹基纤维复合材料的制作工艺可选形式较多，以冷压和热压最具代表性，各自制得的产品在性质方面具有差异性，本文对此展开分析，以便给企业的工艺选择提供参考。

1 试验材料

慈竹盛产于四川大邑，胸径40～70mm，壁厚3～6mm。取该地的竹产品，将其置于酚醛树脂（PF）胶内给予浸泡处理。所用浸泡材料的主要性质为：固体含量45.59%，黏度36mP·s，pH值10～1l，水溶倍数7～8倍。

2 竹基纤维复合材料的制备方法及流程

选取冷压和热压两种制作工艺，采用某厂生产线制作，基本要求为密度控制在0.85～1.20g/cm3。

2.1 冷压生产工艺

工艺流程：竹束纤维可控分离→干燥→浸渍处理→计量→装模→冷压→升温处理→降温→拆模→修整→成型。

核心工艺要点主要有：

1）竹束纤维可控分离。作为基础环节，其工艺效果会对后续制造带来明显影响，较可行的是非连续点裂技术，对原竹采取可控分离处理措施，从而形成竹束纤维化单板。

2）浸渍处理。处理后得到竹束纤维材料，将其置入PF胶（要求材料中固体含量约15%）内，并给予持续5min的浸泡处理，若无误则进入气干环节，使其含水率下降至10%左右。

3）冷压。冷压处理的实现应得到成型模具的支持，结构组成如图1所示。经称量后确定材料的基础信息，如密度、体积，经过铺装后盖上盖板，检测盖板的位置，当其下降至设计高度后卸压，将成型材料取出。

图1 冷压成型模具

4）升温固化与冷却。将经过处理的竹方坯料转移至高温窑内，使其发生升温固化反应。温度稳定在132℃，持续时间以10h为宜，满足要求后逐步降温，50℃时将其取出，并进入窑外冷却。由专员卸模，给予4d～5d的静置时间，随后可根据需求合理修整。

2.2 热压生产工艺

主要工艺流程：竹束纤维可控分离→干燥→浸渍处理→计量→装模→热压→冷却处理→修整→成型。

相比于冷压工艺，热压工艺在“计量”工序之前的操作都与之具有一致性，随后的工艺要点发生变化，主要有：制得纤维化竹单板后，顺纹方向排列整齐，铺装成板坯；温度提升至150℃，压力维持在4.5MPa，在此条件下组织加热作业，按照1.3min/mm的标准确定合适的保温时间；经保温处理后，向其中通入冷却水以达到降温的效果，检测板材芯层的温度情况，当其在80℃以内时可组织卸板作业。

2.3 竹基纤维复合材料的性能测试方法

冷压板材沿高度方向依次切割，形成厚度均为30mm的片材，热压板材的切割可顺长度方向完成，单块规格均设为800mm×600mm×30mm，再依据规范检测试件的质量，具体指标包含复合材料的密度、弯曲强度、弯曲模量、水平剪切强度。各项指标均选取6个试件，得到结果后求取均值，由此得到最终结果。

耐水性能检测选择的是20℃水浸泡的方式，其主要操作流程为：选取待检测的试件，将其放置在20℃的水中持续浸泡10d，期间每间隔24h取出并检测，掌握各时间节点材料所对应的吸水厚度膨胀率（TS）和吸水率（WA）。所有试件的尺寸控制标准均为50cm×50cm，经检测后获得6个试件的测量结果，求取均值。

3 试验结果与讨论

3.1 竹基纤维复合材料的耐水性能

取密度为0.85～1.15g/cm3的试样，分别对其展开TS和WA检测，根据所得结果绘制图形，如图2所示。

图2 竹基纤维复合材料的耐水性能

由图2分析得知，各竹基纤维复合材料的耐水性表现都相对较好。

1）TS：低密度试验分析结果显示，TS均控制在3%以内，冷压法试样所得的TS值均控制在2%以内；高密度试样分析结果显示，TS均控制在5%以内，冷压法试样所得的TS值均控制在4%以内；在浸泡时间延长的条件下，TS值的变化由快速变为慢速，后续趋于平缓状态。

2）WA：低密度试验分析结果显示，WA均控制在35%以内；高密度试样分析结果显示，WA均控制在20%以内。在浸泡时间延长的条件下，WA值的变化由快速变为慢速，后续趋于平缓状态。

通过上述分析可知，若密度保持一致，通过冷压工艺制得的材料具有更为良好的耐水性能，表现优于热压工艺材料。此外，测试方法、原材料等因素会不同程度影响复合材料的耐水性能。

3.2 竹基纤维复合材料的抗弯性能

冷、热压工艺均能够制得质量较好的竹基纤维复合材料，且弯曲强度和弯曲模量的变化规律具有一致性，均与密度具有正比例关系。在密度增加的条件下，试样的抗弯能力提升；若保持密度一致，冷压法所得的产品在弯曲强度方面略低，但两种工艺在弹性模量方面几乎不存在差异。若工艺相同，影响抗弯性能的因素主要是竹束纤维体、树脂层以及两者所具有的界面性能。从工艺流程的角度看，冷压材料采取的是先模具成型后固化的方式，其在固化期间未涉及施加外力的情况；而对于热压工艺而言，固化成型过程中伴有特定的压力，竹束纤维与树脂层的界面性能表现较为良好，基于此特性，制得的材料在弯曲强度方面的表现相对更好。在弯曲弹性模量的各类影响因素中，以竹束纤维体最为典型，两种工艺制得的材料在此方面并无明显差异，因此抗弯弹性模量几乎相同。

3.3 竹基纤维复合材料的抗剪切性能

其性能试验如下图3所示。

图3 竹基纤维复合材料的剪切性能

由图3分析可知，冷、热压两种工艺制得的产品在剪切强度方面的变化规律相同，均与密度成正比关系。

热处理对材料强度的影响要考虑热处理环境中pH值的变化对生物复合材料的影响。竹单板经高温处理后pH值显著降低，碱缓冲容量增大，而酸缓冲容量降低。缓冲容量的大小对胶合剂pH值的变化有着决定性作用，会影响在碱性条件下固化的酚醛树脂的固化时间，而固化时间和pH值是影响酚醛树脂固化和形成胶合强度的主要因素。而热处理后纤维化竹单板的热水抽提物含量显著增加，大量抽提物沉积于竹材的表面，增加了竹材表面的污染程度，也会对界面间的胶合强度产生影响。

在材料密度相同的条件下，热压材料的剪切强度相对更高，表明其界面结合性能更为良好，相比之下冷压方式在此方面略微逊色。