CN104772806A

CN104772806A - Frp材料与竹木胶合界面改性处理方法

Info

Publication number: CN104772806A
Application number: CN201510163455.XA
Authority: CN
Inventors: 申士杰; 邱晨; 王希俊; 李龙; 李�杰; 张扬
Original assignee: Beijing Forestry University
Current assignee: Beijing Forestry University
Priority date: 2015-04-08
Filing date: 2015-04-08
Publication date: 2015-07-15

Abstract

本发明公开了一种FRP材料与竹木胶合界面改性处理方法，用于制备由FRP材料与竹材、木材胶合而成的复合结构，包括：对FRP材料胶合表面不作处理；对木材胶合表面以2.5m/min的送料速度进行5次射频功率为400W的等离子体处理，然后在处理后木材胶合表面以150g/m²的涂布量涂布羟甲基间苯二酚，完成对木材胶合表面处理；对竹材胶合表面以1.25m/min的送料速度进行5次射频功率为400W的等离子体处理，然后在处理后竹材胶合表面以150g/m²的涂布量涂布羟甲基间苯二酚，完成对竹材的胶合表面处理。该方法处理过程简单，成本低，可有效增强由FRP材料与竹材、木材胶合而成的复合结构的胶合界面的性能。

Description

FRP材料与竹木胶合界面改性处理方法

技术领域

本发明涉及FRP材料与竹木复合材料制备领域，特别是涉及一种FRP材料与竹木胶合界面改性处理方法。

背景技术

随着外界环境温度与相对湿度的变化，木材在横纹方向上将产生明显的干缩或湿胀，而FRP材料(即Fiber Reinforced Plastics，纤维增强复合塑料材料)尺寸几乎不因外界环境温湿度的变化而变化；FRP材料与木材力学性能差异较大，同等变形条件下，FRP材料层产生的应力远大于木材层产生的应力。FRP材料与木材层间较大的层剪应力易致FRP材料与木材的分层剥离。木材顺纹抗剪强度较小，平均只有顺纹抗压强度的10％～30％，竹材的顺纹抗剪强度明显优于木材，且由竹青至竹黄其材质的致密度逐步递减，可充作FRP材料与木材间缓冲过渡层以有效减缓FRP与木材层间的应力梯度。FRP材料增强结构用集成材复合梁体在承载受弯过程中，若FRP材料与木梁主体间因层剪应力过大而致层间变形不协调或胶层滑移，则梁体将过早破坏失效。为此应优化FRP材料与木梁主体间胶合工艺参数以确保胶层的胶结强度。

FRP材料与木材力学性能差异较大，同一应变水平下FRP材料层产生的应力远大于木材产生的应力，FRP材料层与木材层间过高的层间应力差易导致FRP材料与木材的分层剥离或木材层本身的顺纹剪切破坏。竹材的顺纹抗剪强度明显高于木材，且由竹青至竹黄面其材质致密度逐步递减，若将竹材竹青一侧贴合FRP材料层、竹黄一侧贴合木材层，也即将竹材充作缓冲过渡层。在FRP材料与结构用集成材木梁主体间加置竹材过渡层可有效减缓FRP材料与木梁主体间的层剪应力梯度，降低FRP材料与木梁主体分层剥离的风险。但如何解决竹材与FRP材料及木梁主体间的胶合，是竹材与FRP材料增强结构用集成材木梁的复合要解决的首要问题。

发明内容

基于上述现有技术所存在的问题，本发明提供一种FRP材料与竹木胶合界面改性处理方法，能增强竹材与FRP材料及木梁主体间胶合的性能，提高竹材与FRP材料增强结构用集成材木梁的复合结构性能。

为解决上述技术问题，本发明提供一种FRP材料与竹木胶合界面改性处理方法，用于制备由FRP材料与竹材、木材胶合而成的复合结构，包括：

对所述FRP材料的胶合表面不作处理；

对所述木材的胶合表面以2.5m/min的送料速度进行5次射频功率为400W的等离子体处理，然后在处理后的所述木材的胶合表面以150g/m²的涂布量涂布羟甲基间苯二酚，完成对所述木材的胶合表面处理；

对所述竹材的胶合表面以1.25m/min的送料速度进行5次射频功率为400W的等离子体处理，然后在处理后的所述竹材的胶合表面以150g/m²的涂布量涂布羟甲基间苯二酚，完成对所述竹材的胶合表面处理。

本发明的有益效果为：在制备由FRP材料与竹材、木材胶合而成的复合结构时，通过应用该胶合界面处理方法，使得FRP材料与竹材胶合的浸渍剥离率为0，竹材层仅在第二轮煮沸剥离循环时有些微剥离，干态、湿态剪切木破率均在97％以上；竹材与木材胶合后在经两轮浸渍、煮沸剥离循环后胶层均未产生剥离，干湿态剪切木破率均高于96％。该方法处理过程简单，成本低，可有效增强由FRP材料与竹材、木材胶合而成的复合结构的胶合界面的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的方法涉及的由FRP材料与竹材、木材胶合而成的复合结构示意图；

图1中各标号表示：1-FRP材料层；2-木材层；3-竹材层。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种FRP材料与竹木胶合界面改性处理方法，用于制备由FRP材料与竹材、木材胶合而成的复合结构，包括以下步骤：

对FRP材料的胶合表面不作处理；

对木材的胶合表面以2.5m/min的送料速度进行5次射频功率为400W的等离子体处理，然后在处理后的木材的胶合表面以150g/m²的涂布量涂布羟甲基间苯二酚，完成对木材的胶合表面处理；

对竹材的胶合表面以1.25m/min的送料速度进行5次射频功率为400W的等离子体处理，然后在处理后的竹材的胶合表面以150g/m²的涂布量涂布羟甲基间苯二酚，完成对竹材的胶合表面处理。

经过上述处理后的木材、竹材即可与FRP材料复合，制成FRP材料与竹材、木材胶合成的复合结构。

上述处理方法中，由FRP材料与竹、木材胶合而成的复合结构为：中间层为FRP材料层，FRP材料层两侧胶合竹材层，两个竹材层的外侧分别胶合木材层。

上述处理方法中，采用等离子体表面处理系统对木材、竹材的胶合表面进行等离子体处理。

上述处理方法中，采用等离子体表面处理系统对木材、竹材的胶合表面进行等离子体处理为：等离子体表面处理系统设有两个电极，在两个电极施加交流高频高压，使两个电极间的空气产生气体弧光放电形成等离子区，被处理的木材或竹材的胶合表面设在两个电极间形成的等离子区内，等离子区内的等离子体炬在气流的吹动下到达被处理的木材或竹材的胶合表面完成改性，通过变频器控制的输送装置调整被处理的木材或竹材向两个电极间形成的等离子区内的进给速度。

上述处理方法中，采用由以下方式制成的羟甲基间苯二酚，包括：

以按质量百分比的去离子水90.43％、晶体状间苯二酚3.34％、质量浓度为37％的甲醛溶液3.79％和氢氧化钠2.44％为原料；

将氢氧化钠加入去离子水中形成碱性反应溶液，然后向碱性反应溶液中加入晶体状间苯二酚和甲醛溶液，室温条件下反应4小时即制得羟甲基间苯二酚。

下面结合具体实施例对本发明的处理方法作进一步说明。

本实施例中所用的木材、竹材和FRP材料如下:

木材层板：欧洲赤松(pinus sylvestris)，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60.52MPa、59.02MPa，由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，即FRP材料：抗拉强度与拉伸弹性模量分别为1491.59MPa与64.81GPa，由南京海拓纤维复合材料有限公司提供；

胶粘剂：瑞士普邦单组分聚氨酯HB S309；

羟甲基间苯二酚(HMR)：按下述方式配置而成，配方中各组分按质量百分比分别为：去离子水90.43％、晶体状间苯二酚3.34％、质量浓度为37％的甲醛溶液3.79％，氢氧化钠2.44％；预先将2.44％的NaOH加入90.43％的去离子水中以形成碱性反应环境，再顺次加入3.34％的间苯二酚和3.79％的甲醛溶液，室温条件下反应4小时再用于涂布等离子处理后的木材或竹材的胶合表面。

处理所有的设备如下：

推台锯、裁边锯、四面刨、砂光机、立式拼板机、快速傅立叶变换(FFT)弹性模量测定仪等设备由大连龙华木业有限公司提供。

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，天平等设备由北京林业大学工程木质材料实验室提供。

处理方法如下：

(1)制备胶合试材：

择取公称锯材，经目测分等及FFT弹性模量测定仪测定对锯材进行分等拣选，所选锯材分属同一个强度等级且均为弦切板材，再经截断定长、裁边定宽、四面刨光定厚等工序加工成尺寸规格为1000×50×23mm的备用木材层板。竹板材经目测拣选、端头截断、宽面裁边、砂光等工序加工成尺寸规格为1000×50×4mm的备用竹材层板。FRP板状片材经裁剪等工序加工成尺寸规格为1000×50×1.4mm的备用FRP层板。

将备用木材层板、备用竹材层板及备用FRP层板按如表1所示试验组设置预先进行表面改性处理。表中N代表表面未经任何处理；HMR涂布处理的涂布量为150g/m²，涂布完HMR的材表需静置24小时后再行组坯胶合；P6(10)-1代表射频功率为600W，传送进给速度为1.25/min的等离子体处理，处理次数为10；P4(5)-2HMR代表预先进行射频功率为400W、传送进给速度为2.5m/min的等离子体处理5次，再行HMR涂布处理。所用等离子体表面处理系统采用电极两端施加交流高频高压，使两电极间的空气产生气体弧光放电而形成等离子区，等离子体炬在气流的吹动下到达被处理材料而实现对其表面进行改性的目的，通过变频器控制的输送设备来调整材料的进给速度。

表1 为FRP/竹木胶合界面改性处理试验组设置

将备用木材层板、备用竹材层板及备用FRP板状片材按图1所示方式进行组坯胶合，形成截面结构为FRP材料层1在中间，FRP材料层1两侧面胶合竹材层3，两竹材层外侧面胶合木材层的复合结构，胶合组坯前对竹材材表进行喷雾润湿处理，材质较为致密的竹青一侧靠向FRP材料层。层板的单面涂胶量为180g/m²，陈化时间小于30min，压力为1.1MPa，压合时间为90min，胶合环境的温度为23℃、相对湿度为60％，胶合试材的尺寸规格为1000×50×56mm，每个试验组胶合试材数为3。

(2)胶合性能检测：

参照结构用集成材国家标准GB/T26899-2011中的相关要求制备剥离率测试试件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。参照木结构设计规范GB50005-2003中的相关要求进行湿态剪切强度的测定。每根胶合试材共制备2的试验样，每个试验组试样数为6。

总剥离率与单一胶层最大剥离率按下式算定：

胶层剪切强度按下式算定：

f_{V} = \frac{Q_{v}}{Q_{v}}

式中，fv为胶层剪切强度，单位为兆帕(MPa)；Qv为胶层的剪切破坏荷载，单位为牛顿(N)；Av为胶层受剪面积，单位为平方毫米(mm²)。

(3)处理结果如下：

(31)FRP/竹胶合性能测试：

(311)浸渍/煮沸剥离测试：

表2所示为FRP/竹的浸渍/煮沸剥离试验结果，空白对照组1(N/N)试材在经两轮浸渍剥离循环后胶层均未产生剥离，但在经第二轮煮沸剥离循环后胶层有较大剥离，总剥离率为9.85％，超过了国家标准关于总剥离率的5％上限规定。若仅对竹材材表进行HMR涂布处理如组2，试材胶层抵抗干缩湿胀应力的能力得到提升，煮沸剥离率有显著下降。若对FRP表面进行射频功率为600W的等离子处理10次如组4，煮沸剥离率相较于对照组有了较大上升，这可能由于等离子体对FRP材表刻蚀过度，损伤了FRP基体。试验组3试材在经两轮浸渍、煮沸剥离循环后胶层剥离率最低，只在第二轮煮沸剥离循环后产生了些许剥离。

表2 为FRP/竹浸渍/煮沸剥离率测试结果

(312)干态/湿态剪切测试：

如表3所示为FRP/竹材胶合试件的干态/湿态剪切强度测试结果。所有组别胶合试材干态、湿态剪切强度的差异性较小，而木破率则有较为明显的差异。对比组1与组2，HMR涂布处理虽能改善试材的湿态剪切木破率，但对干态剪切木破率有较大的折损作用，这可能由于HMR处理降低了胶粘剂在材表上的润湿性进而影响了试材的胶合性能^[11]。试验组3的干态剪切木破率与湿态剪切木破率均高于97％，效果最佳。

表3 FRP/竹干态/湿态剪切强度测试结果

(32)竹/木胶合性能测试：

(321)浸渍/煮沸剥离测试：

表4所示为竹/木胶合试件的浸渍、煮沸剥离试验结果，对照组1胶合试件在经第一轮浸渍/煮沸剥离循环后剥离率仍合格，但在经第二轮浸渍/剥离循环后试材单一胶层最大剥离率、总剥离率分别高于标准中规定的25％、5％上限，除对照组以外的试验组在经两轮浸渍、煮沸剥离循环后，试材胶层均未产生剥离。

表4 竹/木浸渍/煮沸剥离率测试结果

(322)干态/湿态剪切测试：

表5所示为竹、木干态、湿态剪切强度试验结果。所有组别胶合试材的干态剪切强度均大于8MPa、干态剪切木破率均达95％以上，差异性较小。每个试验组的湿态剪切强度均高于标准规定的3.9MPa上限，其中试验组4的湿态剪切木破率为100％，这可能由于等离子体可有效活化材料表面进而提高材表的润湿性以弥补HMR对材表润湿性的折损^[7]。试验组5湿态剪切木破率为81％，远低于试验组4，说明过度的等离子体处理会损伤材表基体，对胶合性能有所损伤。

表5 竹/木干态/湿态剪切强度测试结果

结论：综合剥离率与剪切强度等胶合性能评价指标，得出FRP增强竹木复合结构用集成材木梁的胶合界面优化处理工艺为：FRP表面不作处理；木材与竹材表面分别预先以2.5m/min、1.25m/min的送料速度进行5次射频功率为400W的等离子体处理，随即以150g/m²的涂布量涂布HMR。遵此胶合界面工艺，FRP/竹胶合试材的浸渍剥离率为0，试材胶层仅在第二轮煮沸剥离循环时有些微剥离，干态、湿态剪切木破率均在97％以上；竹/木胶合试材在经两轮浸渍、煮沸剥离循环后胶层均未产生剥离，干湿态剪切木破率均高于96％。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims

1.一种FRP材料与竹木胶合界面改性处理方法，其特征在于，用于制备由FRP材料与竹材、木材胶合而成的复合结构，包括：

对所述FRP材料的胶合表面不作处理；

2.根据权利要求1所述的FRP材料与竹木胶合界面改性处理方法，其特征在于，所述由FRP材料与竹、木材胶合而成的复合结构为：中间层为所述FRP材料层，所述FRP材料层两侧胶合所述竹材层，两个所述竹材层的外侧分别胶合所述木材层。

3.根据权利要求1或2所述的FRP材料与竹木胶合界面改性处理方法，其特征在于，所述方法中，采用等离子体表面处理系统对所述木材、竹材的胶合表面进行所述等离子体处理。

4.根据权利要求3所述的FRP材料与竹木胶合界面改性处理方法，其特征在于，所述采用等离子体表面处理系统对所述木材、竹材的胶合表面进行所述等离子体处理为：等离子体表面处理系统设有两个电极，在所述两个电极施加交流高频高压，使两个电极间的空气产生气体弧光放电形成等离子区，被处理的木材或竹材的胶合表面设在所述两个电极间形成的等离子区内，所述等离子区内的等离子体炬在气流的吹动下到达被处理的木材或竹材的胶合表面完成改性，通过变频器控制的输送装置调整被处理的木材或竹材向所述两个电极间形成的等离子区内的进给速度。

5.根据权利要求1或2所述的FRP材料与竹木胶合界面改性处理方法，其特征在于，所述方法中采用由以下方式制成的羟甲基间苯二酚，包括：

将所述氢氧化钠加入所述去离子水中形成碱性反应溶液，然后向所述碱性反应溶液中加入所述晶体状间苯二酚和所述甲醛溶液，室温条件下反应4小时即制得羟甲基间苯二酚。