毛竹/杨木复合材料界面胶合性能及其影响因素研究

【摘要】： 随着我国木材资源供需矛盾不断加大,政府出台了一系列提倡木材节约代用的政策。竹木复合材料能够充分发挥竹材和人工林木材优势,利用我国丰富的人工林资源,提高了人工林木材附加值。目前竹木复合材料研究多以产品研发、工艺性能为主,而对于其界面性能的研究较少。因此,本论文主要以漂白毛竹、碳化毛竹(Phyllostachys pubescens Mazel ex H.de Lehaie)和杨木单板(Populus deltoids Bartr. CL.‘zhonghan 17’)为原料,以双组分异氰酸酯乳液型胶粘剂(EPI)和三聚氰胺改性脲醛树脂(UF)为胶粘剂,探讨复合材料制备工艺、温湿度环境对界面力学性能及其复合材料胶合强度和尺寸稳定性的影响。具体研究内容和结果如下: 1)研究了主要工艺参数对毛竹/杨木单板复合材料胶合性能的影响,并探讨了单元材料表面性能以及复合材料界面胶粘剂渗透性能与复合材料胶合性能的关系。 研究结果表明,以EPI为胶粘剂的毛竹/杨木复合材料,较优涂胶量为250g/m2,压板压力为1.6MPa;以UF为胶粘剂的毛竹/杨木复合材料,较优涂胶量为300g/m2,压板压力为1.2MPa,面粉添加量为0%。UF胶合竹木复合材料的胶合性能略高于EPI,但两者差异不显著。几种复合材料胶合强度大小依次为:漂白竹材/漂白竹材碳化竹材/碳化竹材漂白竹材/杨木单板碳化竹材/杨木单板杨木单板。 分别采用接触角测定仪、X射线光电子能谱(XPS)和红外光谱仪测定了单元材料表面润湿性能、表面活性和表面化学成份;通过荧光显微镜观察了两种胶粘剂在毛竹/杨木复合材料界面的渗透性能。研究结果表明材料表面润湿性能和胶粘剂在材料表面渗透性能对材料胶合性能的提高有一定作用,其中EPI在杨木单板表面的渗透性能和UF在竹材表面的渗透性能与胶合强度关系更为密切。 2)通过数字散斑相关法和有限元方法研究了毛竹/杨木复合界面微观应力应变分布情况,并探讨与宏观胶合性能间的关系。 研究结果表明,相对于EPI,UF胶合界面剪切应变和剥离应变较小,相应剪切应力和剥离应力较大,与UF弹性模量大有关。不同基材复合材料最大应力应变为:杨木单板/杨木单板碳化竹材/碳化竹材漂白竹材/漂白竹材,其中漂白竹材/杨木单板胶合试件各项最大应力应变介于漂白竹材/漂白竹材和杨木单板/杨木单板之间,说明提高基材弹性模量可以降低界面各项应变应力值。 3)探讨了水分和湿度对毛竹/杨木单板复合材料尺寸稳定性和胶合性能的影响。 在温度80℃,相对湿度分别为40%和90%的周期湿度变化条件下,单元材料的尺寸变化以弹性变形为主。漂白竹材与杨木单板的尺寸变化幅度更为接近,碳化竹材的尺寸变化幅度较大;周期湿度变化条件下,漂白竹材/杨木单板和碳化竹材/杨木单板尺寸与单元材料中的竹材变化程度接近。EPI胶合材料三个方向尺寸变化大于UF胶合材料。漂白竹材/杨木单板的胶合强度大于碳化竹材/杨木单板。UF胶合竹材/杨木单板胶合强度随周期湿度增加呈降低趋势; EPI胶合两种竹材/杨木湿状拉伸强度随着处理周期增加变化不大,甚至略有增加。 4)研究了温度在80℃和室温之间周期变化对毛竹/杨木复合材料及其单元材料尺寸变化和胶合强度的影响。 研究结果表明周期温度变化条件下单元材料径向尺寸弦向顺纹方向。单元尺寸稳定性杨木单板碳化竹材漂白竹材。复合材料在顺纹方向和径向上的尺寸整体呈降低趋势,弦向的尺寸在开始两个热处理周期中变化较大,后面三个周期中基本不变。EPI胶合复合材料顺纹方向尺寸变化小于UF胶合材料,径向和弦向的尺寸变化大于UF胶合材料。复合材料湿状拉伸强度受温度影响均有不同程度的降低,但温度周期对胶合强度影响差异不显著。 5)采用有限元法模拟了碳化竹材/杨木单板复合材料在瞬态非等温加热条件下温度、应力应变变化情况。 研究结果表明,在非等温条件下,复合材料从加热面到非加热面温度逐渐降低。复合材料的剥离应变大于剪切应变,最大剥离应力大于剪切应力。各项应变和应力均随温度的传递以某一值为中心呈阶段性振荡变化。非等温加热条件导致材料产生沿顺纹方向的瓦弯;最大剥离应力和剪切应力均位于复合材料的端部。碳化竹材/碳化竹材最大变形大于碳化竹材/杨木单板,最大应力应变也大于后者。