CN107363955A

CN107363955A - 钢板外包碳纤维改性速生杨木的施工工艺

Info

Publication number: CN107363955A
Application number: CN201710805567.XA
Authority: CN
Inventors: 王玉镯; 黄颖; 李雪玲; 曹加林; 赵秀云
Original assignee: Shandong Xiehe University
Current assignee: Shandong Xiehe University
Priority date: 2017-09-08
Filing date: 2017-09-08
Publication date: 2017-11-21
Anticipated expiration: 2037-09-08
Also published as: CN107363955B

Abstract

本发明属于速生板材改性技术领域，尤其涉及一种钢板外包碳纤维改性速生杨木的施工工艺。包括以下有效步骤：a、选材；b、切割；c、深处理；d、晾干；e、热改性；f、烘干；g、裁剪；h、配置结构胶；i、浸渍；j、组合；k、包裹；l、养护；m、切割。与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于，本发明提供了一种钢板外包碳纤维改性速生杨木的施工工艺，通过碳纤维、钢板、结构胶以及一系列施工工艺对速生杨木加工、粘结、养护、预压、后处理等方法进行改性处理，进而改变速生杨木的抗压强度、弹性模量、变形率、抗震性能等力学性能，使之满足建筑结构构件(柱、梁、板、墙)的使用要求。

Description

钢板外包碳纤维改性速生杨木的施工工艺

技术领域

本发明属于速生板材改性技术领域，涉及速生杨木改性，尤其涉及一种钢板外包碳纤维改性速生杨木的施工工艺。

背景技术

木材及木质材料作为社会经济建设中的重要生产资源，不仅广泛应用于日常生活中的各个领域，还广泛应用于交通、建筑和航天等工业领域。随着世界范围内森林资源日益短缺，特别是珍贵木材数量日益锐减，近年来大量的速生树木被广泛种植。速生树木具有出材时间短、产量高等优点，但由于其生长年限较短，例如：一般人工速生杨木成材时间为5～6年，所以大部分速生树木具有密度低、木质松软、物理力学强度差、含水率高且分布不均和易产生干缩变形等缺陷，从而限制了速生树木品种的使用范围，通常人工速生林多用来生产纸浆，一次性筷子等低经济附加值产品，而在高附加值加工领域的应用较少。

随着国家颁布相关政策大力推行绿色建筑、装配式施工，并在文件中特别提到关于木结构装配化施工的问题。但现如今木结构的发展却因为天然木材的禁止采伐而受到限制。大部分人工材却因力学性能较差其应用范围受到限制。速生杨木本身具有纹理直、易加工、生长快、环境适应性强等特点，且具有环保、美观等优势，且在我国具有广泛的种植基础。但是速生杨木由于其力学性能较低，耐腐蚀能力差和不稳定性大等特点，一直没有应用于建筑结构中。目前，如何通过钢板外包碳纤维改性将速生杨木应用于建筑结构构件中，拓宽其应用范围的研究较少。

发明内容

本发明针对上述的将速生杨木应用于建筑结构构件中所存在的技术问题，提出一种设计合理、工艺简单、加工方便且物理强度高、耐腐朽的钢板外包碳纤维改性速生杨木的施工工艺。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为，本发明提供一种钢板外包碳纤维改性速生杨木的施工工艺，包括以下有效步骤：

a、选材：选取速生杨木树干通直、树径20cm左右原木，并放于阴凉处放置；

b、切割：将选好的速生杨木切割成厚度为10mm的板材，剔除不满足要求的板材，处理板长、宽为构件所需尺寸；

c、深处理：将处理好的板材进行深加工处理，在板材表面做凹槽和凸起处理；

d、晾干：将深加工处理后的板材放于阴凉处晾干3-5天或采用烘干机在65℃-85℃作用下烘干8h以上；

e、热改性：将处理过后的板材置放入氮气室内，升温氮气室温度至180℃～260℃对板材做热改性处理；

f、烘干：将热改性处理后的板材用烘干箱在105℃烘干24h以上，进行含水率试验测试，控制含水率在9～15％之间，备用；

g、裁剪：根据板材上凹槽的尺寸裁剪相应大小的碳纤维布以及用于包裹杨木的钢板，备用；

h、配置结构胶：所述结构胶包括用于粘接碳纤维布的碳布胶以及用于粘接钢板的钢板胶，所述碳布胶包括A、B两组重要组份，其中，A组为改性环氧树脂，B组为乙二胺改性的酚醛氨固化剂和芳香胺固化剂的混合剂，按照质量比A:B＝3：1，将A、B两组份混合均匀，备用；所述钢板胶包括C、B两组重要组份，其中，C组为丙烯酸改性环氧树脂，按照质量比C:B＝3：1，将C、B两组份混合均匀，备用；

i、浸渍：将烘干后的板材放入到真空浸渍罐内，加入部分配置好的碳布胶，控制真空浸渍罐为1MPa，控制温度75℃，浸渍3h；

j、组合：将浸渍过后的板材取出，快速刮去板材表面的碳布胶，将g步骤中裁剪好的碳纤维布快速的涂覆到板材的凹槽内，并另取一块板材，使其凸起镶嵌在凹槽内，使两块板材之间的凹槽和凸起配合形成一个整体，依此类推，组合好所需要的厚度；

k、包裹：将g步骤中裁剪好的钢板通过钢板胶交错粘贴在组合好的板材的外围；

l、养护：在粘结好钢板的板材的四周用模具压紧，控制温度在40～50℃进行养护，养护时间为1～2周的时间；

m、切割：将养护好的板材外围的钢板切除并将相邻的钢板焊接，即得到成品。

作为优选，所述c步骤中，所述凹槽沿板材的长边方向间隔设置。

作为优选，所述c步骤中，所述凹槽沿板材的短边方向交错设置。

作为优选，所述e步骤中，首先将处理过后的板材置放入氮气室内，然后升温氮气室温度至140℃，开始注入氮气，控制温度在180℃～260℃，保温2h，然后关闭氮气注入，关闭温度控制，放置使氮气室温度降至40℃后，将板材取出。

作为优选，所述B组份乙二胺改性的酚醛氨固化剂和芳香胺固化剂按照质量比1:2～5的比例混合。

作为优选，所述i步骤中，首先将板材放入到真空浸渍罐内，然后用真空泵将真空浸渍罐抽成-0.2MPa真空，然后就打开进口阀门，利用大气压将碳布胶压入到真空浸渍罐内，待碳布胶浸没板材后，将真空浸渍罐调到1MPa，控制温度75℃，浸渍3h。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本发明提供了一种钢板外包碳纤维改性速生杨木的施工工艺，通过碳纤维、钢板、结构胶以及一系列施工工艺对速生杨木加工、粘结、养护、预压、后处理等方法进行改性处理，进而改变速生杨木的抗压强度、弹性模量、变形率、抗震性能等力学性能，使之满足建筑结构构件(柱、梁、板、墙)的使用要求。

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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例1提供的钢板外包碳纤维改性速生杨木的施工工艺制备成品的结构示意图；

图2为实施例1提供的单个杨木板材的结构示意图；

图3为实施例1提供的钢板交错粘贴在组合好的板材的外围的状态图；

图4为实施例2提供的单个杨木板材的结构示意图；

图5为实施例3提供的钢板外包碳纤维改性速生杨木的施工工艺制备成品的结构示意图；

以上各图中，1、钢板；2、板材；21、凹槽；22、凸起。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开说明书的具体实施例的限制。

实施例1，如图1、图2所示，本实施例提供一种钢板外包碳纤维改性速生杨木的施工工艺，包括以下有效步骤：

首先，选材，考虑到本实施例所提供的改性速生杨木是用于建筑中，故在本实施例中，材料的选择对后期成品的强度也起到至关重要的作用，首先，选取速生杨木树干通直、树径20cm左右原木，并放于阴凉处放置，选用树干通直的杨木主要是考虑到树干通直的杨木其在加工时要更为方便，选用树径20cm左右原木主要考虑到本实施例施工所需，而放置阴凉处设置，主要是为了避免暴晒，造成杨木的开裂，影响其强度。

然后，将选好的速生杨木切割成厚度为10mm的板材2，剔除不满足要求的板材，处理板长、宽为构件所需尺寸，在本实施例中，需要配置的长度2400mm，宽度为140mm的板材，如果板材的长度和宽度无法达到相应尺寸，可以通过粘结的方式得到所需板材的尺寸，粘结为现有速生板材常用的手段，故在本实施例中，不进行详细的描述。将处理好的板材2进行深加工处理，在板材2表面做凹槽21和凸起22设置，其实就是在板材2的表面做凹槽21，凹槽21的两侧就是凸起22，当然，在同一块板材的前后两个面上的凹槽21和凸起22是相对设置的，这样设置主要是为了使相邻的两块板材形成榫卯的结构，增加两个板材2之间的强度，在本实施例中，凹槽21沿板材2的长边方向间隔设置，凹槽21沿板材2的短边方向交错设置，这样，在板材上就形成纵横交错的凹槽21，由于交错设置，这样，板材的凹槽21和凸起22不用根据每块板材单独设置，反过来就可以使得两个板材扣合在一起，当然，处于最外部的两块板材的外表面是不需要做凹槽设置的。

为了进一步增加板材的强度，除去板材的水分，将深加工处理后的板材放于阴凉处晾干3～5天或采用烘干机在65℃～85℃作用下烘干8h以上，进行除水处理，这样做的目的，主要使水分能够缓慢的从板材中挥发出来，避免水分快速的流失，造成板材的开裂。

接着，将处理过后的板材置放入氮气室内，升温氮气室温度至180℃～260℃对板材做热改性处理，杨木中纤维素含量约为木质纤维原料的40％～50％，纤维素是D-葡萄糖β-1，4苷键联接起来的链状高分子化合物，纤维素的聚合度从几百至几千甚至一万以上，木材细胞壁中的纤维素含量和性质是木材力学性能的重要影响因素，而半纤维素同纤维素一样均为多糖类，但是半纤维素不是均一聚糖，而是多种复合聚糖的组成，一般半纤维素的聚合度为200到300，半纤维的排列较为松散，能形成结晶区单元，半纤维素结构上具有较多的亲水基键(主要为羟基和羰基)，因此对木材细胞壁的湿胀性能等尺寸稳定性具有较大的影响，半纤维素作为木材组分中的粘合剂，与纤维素中的羟基相比，通常半纤维素中的无定形区中含有大量的羟基，这些羟基热稳定性较差，在高温下容易分解，使木材的韧性增加，对木材的粘弹性具有重要的影响，为了提高板材的强度，在本实施例中，先对板材进行热处理，具体的说，将处理过后的板材置放入氮气室内，然后升温氮气室温度至140℃，开始注入氮气，控制温度在180℃～260℃，保温2h，然后关闭氮气注入，关闭温度控制，放置使氮气室温度降至40℃后，将板材取出，即可完成板材的热处理工序，热处理工序有效的提高了板材的韧性，进而提高了其强度。

为了进一步除去水分，在本实施例中，将热改性处理后的板材用烘干箱在105℃烘干24h以上，进行含水率试验测试，控制含水率在9～15％之间，备用，如果木材的含水量过高，对其后期强度存在很大的影响，因此，一定要控制好木材的含水量，在本实施例中，控制含水率在12％，当然在9～15％均可以。

为了更进一步的增强其强度，在本实施例中，根据板材上凹槽的尺寸裁剪相应大小的碳纤维布2张，在本实施例中，碳纤维布用于板材的抗拉、抗剪和抗震加固，该材料与配套碳布胶共同使用成为碳纤维复合材料，可构成完整的性能卓越的碳纤维布片材增强体系。

同时，根据所需要成品的的长、宽、高切割相应尺寸的钢板，在本实施例中，钢板根据所处的位置，应超过成品的宽或高100mm左右，这样的设计主要是为了实现交错压紧，当然，也可以按照成品的尺寸进行切割后，焊接呈具有中空的框型结构。

为了进一步使碳纤维布、钢板以及板材之间形成一个整体，在本实施例中，还专门配置了相应的结构胶，结构胶包括用于粘接碳纤维布的碳布胶以及用于粘接钢板的钢板胶，其中，碳布胶包括A、B两组重要组份，A组为改性环氧树脂，本实施例所提供的改性环氧树脂按质量份数包括90份的环氧树脂、16.2份羧基丁腈胶乳、6份聚丙烯酸酯胶乳、7份石英粉、1.3份硅酸铝、2.5份防沉剂、35份聚酰胺固化剂和1.1份γ-氨丙基三乙氧基硅烷制成；具体加工方法为将羧基丁腈胶乳破乳后，烘干备用；将聚丙烯酸酯胶乳破乳后，烘干备用；将烘干后的羧基丁腈胶乳加入到环氧树脂中，在温度为120℃的条件下反应2h，依次加入烘干后的聚丙烯酸酯胶乳和γ-氨丙基三乙氧基硅烷，在温度为120℃的条件下反应1h，得到常温下为可流淌的粘稠液体的环氧树脂；最后在粘稠液体的环氧树脂中依次加入防沉剂、硅酸铝和石英粉，搅拌40min后，即得A组组份改性环氧树脂。

B组为乙二胺改性的酚醛氨固化剂和芳香胺固化剂的混合剂，具体的说，B组份乙二胺改性的酚醛氨固化剂和芳香胺固化剂按照质量比1:2～5的比例混合而成，在本实施例中，配比为1:2，芳香胺固化剂的量主要根据未来环境的需要设置，比如，北方的天气，按照1:2即可，南方潮湿多热的天气，要达到1:5才行，其中，乙二胺改性的酚醛氨固化剂和芳香胺固化剂均由庆达丰工程技术有限公司提供，然后，按照质量比A:B＝3：1的比例，将A、B两组份混合均匀，备用。

钢板胶包括C、B两组重要组份，B组份和碳布胶的B组份一致，C组为丙烯酸改性环氧树脂，本实施例所提供的丙烯酸改性环氧树脂按质量份数取双酚F二缩水甘油醚30份、甲基丙烯酸甲酯5份、甲基丙烯酸乙酯5份、甲基丙烯酸6份、苯乙烯4份、甲基丙烯酸月桂酯1份进行混合后，在保护气体氛围下90℃油浴温度下，添加0.5质量份数的BPO促进剂进行反应，至反应放热结束，即得接枝聚合的环氧树脂和丙烯酸共聚物，然后，在向接枝聚合的环氧树脂和丙烯酸共聚物中添加粒径是800～1000目的重钙5份、粒径是800～5000的高岭土4份、粒径是2000～8000的活性轻钙10份，搅拌混合均匀后得到粘稠液体，即为C组份丙烯酸改性环氧树脂，然后，按照质量比C:B＝3：1，将C、B两组份混合均匀，备用。

接着，将烘干后的板材放入到真空浸渍罐内，加入部分配置好的碳布胶，控制真空浸渍罐为1MPa，控制温度75℃，浸渍3h，控制温度75℃主要是为了避免所制备的碳布胶凝固，而选择浸泡的方式，主要是因为速生杨木是一种多孔的毛细材料，由各种永久管状单元(巧毛细管)和瞬时管状单位(微毛细管)相互连接起来的一种复合毛细管系统，所以木材具有一定的渗透性，真空浸渍就是利用这一特点，通过物理方式，将一定量的碳布胶浸渍到木材内部，通过填充提高木材密度、物理力学强度、耐热性能和防腐阻燃等性能，在本实施例中，为了达到真空浸渍的目的，先将板材放入到真空浸渍罐内，然后用真空泵将真空浸渍罐抽成-0.2MPa真空，然后就打开进口阀门，利用大气压将碳布胶压入到真空浸渍罐内，待碳布胶浸没板材后，将真空浸渍罐调到1MPa，控制温度75℃，浸渍3h，在本实施例中，选用碳布胶作为浸渍胶主要考虑到碳布胶相对于钢板胶的流动性较好，相对于碳布胶而言，钢板胶较为粘稠一些。

将浸渍过后的板材取出，快速刮去板材表面的碳布胶，将裁剪好的碳纤维布快速的涂覆到板材的凹槽内，粘结过程中要保证平整、顺直。第一层碳纤维布施工后粘贴第二层碳纤维布，粘贴时，先在第一层碳纤维布的表面涂刷碳布胶，然后按前述方法粘贴第二层碳纤维布，以确保碳布胶的饱满度。最后，在碳纤维布表面再涂抹层碳布胶。并另取一块板材，使其凸起部镶嵌在凹槽内，使两块板材之间的凹槽和凸起配合形成一个整体，依此类推，组合好所需要的厚度，在本实施例中，为10块板材叠加而成，即得到组合好的板材。

按照图3的方式，将切割好的钢板通过钢板胶交错粘贴在组合好的板材上，并用模具将板材压紧，控制温度40～50℃，进行养护，养护时间为1～2周的时间，即得到所需的成品，养护时，用压紧模具将钢板紧紧的压在组合好的板材上，养护期一般为1-2周为达到设计强度，(平均气温约40℃时养护2周左右，平均气温约50℃时养护1周左右)，养护期间应进行遮挡封闭养护，最后，将多余的钢板进行切除，然后，成品的表面进行刨光处理即可。

当然，也可以按照组合好的板材的尺寸，裁剪钢板，并将钢板焊接呈中空的长方体状，然后再将组合好的板材放置到固定架内，并用钢板胶补足空隙，然后，进行养护也可。

实验检测：

实验过程中，采用100T YPE3000-4Z电子压力试验机进行实验，实验过程采用位移加载的实验方法，试件尺寸为100mm×100mm、厚度为105mm，加载速度为2mm/min。加载到最大试验荷载时，反复加载5次，计算弹性模量，然后加载至试件破坏，测试不同碳纤维配纤率的情况下，配钢板(3mm)改性的力学性能。

表1不同碳纤维配纤率下，实施例1所提供的杨木成品的力学性能

通过上述检测结果来看，本实施例所提供工艺制得的改性杨木，完全满足现有建筑需要。

实施例2，本实施例提供一种钢板外包碳纤维改性速生杨木的施工工艺

如图4所示，本实施例与实施例1所提供的钢板外包碳纤维改性速生杨木的施工工艺的区别在于板材的凹槽21和凸起22的设置，相较于实施例1所提供的凹槽21沿杨木板材2长边间隔设置，沿短边方向交错设置的结构，本实施例所提供的凹槽21为贯穿板材2设置，即凹槽21仅沿杨木板材2的长边方向间隔设置。

表2不同碳纤维配纤率下，实施例2所提供的杨木成品的力学性能

配纤率	试件编号	峰值(kN)	抗压强度(MPa)	变形(mm)	弹性模量(MPa)
						0.0017	A-12	378.2	35	6.417	1501.3
0.0034	A-22	385.6	32	8.697	1147.5
						0.0051	A-32	402.7	31	5.936	1066.4

通过上述检测结果来看，本实施例所提供方法所改性制得的杨木，完全满足现有建筑需要。

实施例3，本实施例提供一种钢板外包碳纤维改性速生杨木的施工工艺

如图5所示，本实施例与实施例1、实施例2所提供的钢板外包碳纤维改性速生杨木的施工工艺的区别在于钢板的包裹方式的设置，相较于实施例1、实施例2钢板1整个包裹在组合板材2外，本实施例所提供的方式为间隔包裹，使钢板1形成一个个方形的圈间隔均匀的包裹在板材2外，进而达到提高整体强度的目的，本实施例相较于实施例1和实施例2的结构设计，大大减少了钢板的使用量。

表3不同碳纤维配纤率下，实施例3所提供的杨木成品的力学性能

配纤率	试件编号	峰值(kN)	抗压强度(MPa)	变形(mm)	弹性模量(MPa)
						0.0017	A-13	368.4	31	6.804	1480.4
0.0034	A-23	377.5	31	8.703	1100.5
						0.0051	A-33	398.2	28	6.023	1021.4

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种钢板外包碳纤维改性速生杨木的施工工艺，其特征在于，包括以下有效步骤：

2.根据权利要求1所述的钢板外包碳纤维改性速生杨木的施工工艺，其特征在于，所述c步骤中，所述凹槽沿板材的长边方向间隔设置。

3.根据权利要求2所述的钢板外包碳纤维改性速生杨木的施工工艺，其特征在于，所述c步骤中，所述凹槽沿板材的短边方向交错设置。

4.根据权利要求3所述的钢板外包碳纤维改性速生杨木的施工工艺，其特征在于，所述e步骤中，首先将处理过后的板材置放入氮气室内，然后升温氮气室温度至140℃，开始注入氮气，控制温度在180℃～260℃，保温2h，然后关闭氮气注入，关闭温度控制，放置使氮气室温度降至40℃后，将板材取出。

5.根据权利要求4所述的钢板外包碳纤维改性速生杨木的施工工艺，其特征在于，所述B组份乙二胺改性的酚醛氨固化剂和芳香胺固化剂按照质量比1:2～5的比例混合。

6.根据权利要求5所述的钢板外包碳纤维改性速生杨木的施工工艺，其特征在于，所述i步骤中，首先将板材放入到真空浸渍罐内，然后用真空泵将真空浸渍罐抽成-0.2MPa真空，然后就打开进口阀门，利用大气压将碳布胶压入到真空浸渍罐内，待碳布胶浸没板材后，将真空浸渍罐调到1MPa，控制温度75℃，浸渍3h。