湿热耦合环境下竹束单板层积材的力学性能

于子绚，江泽慧，王 戈，张文福，陈复明

湿热耦合环境下竹束单板层积材的力学性能

于子绚，江泽慧，王 戈，张文福，陈复明

(国际竹藤中心，北京 100102)

为研究竹束单板层积材在不同温湿度环境下的力学行为，利用慈竹竹束单板和酚醛树脂制备了竹束单板层积材，通过20，36和60℃下的吸湿测试，研究了该材料的吸湿特性及湿热过程中弯曲性能和压缩性能变化。结果表明：竹束单板层积材吸湿前期符合Fick扩散；室温下随着吸湿量和吸湿时间增加，弯曲性能和压缩性能衰减先快后慢，最终趋于稳定； HRH=100%时，温度越高力学性能衰减越明显，且高温高湿环境下的弯曲破坏具有明显的剪切破坏特征，表明温度和吸湿量决定了竹束单板层积材力学性能的衰减。

重组竹；湿热老化；吸湿特性；力学性能

竹束单板层积材是在对传统的重组竹进行生产工艺改进的基础上制造的一类新型竹基复合材料。它在保留传统重组竹优良性能的同时，由于采取了更加科学的竹材帚化工艺和规律的层积组坯原则，在一定程度上改善了传统重组竹的密度过高与不均的缺陷，使其更好地满足于作为工程结构及装饰材料的使用要求。目前，竹/木基复合材料的性能研究多集中于对其干态条件下的力学行为的探讨，而在长期的湿度和温度协同作用下，竹/木材增强体、树脂基体及竹/木纤维-树脂界面均会遭受不同程度的破坏，引起材料性能的老化，进而影响到其耐久性甚至力学性能的衰减。竹束单板层积材作为一类以竹材单元为主要构成部分的竹基复合材料，同样容易遭受湿热作用的影响而引起性能变化，因此，研究不同温度、湿度环境作用下竹束单板层积材力学性能的变化规律对于指导竹木基复合材料的安全应用和科学生产具有一定的实际意义。

本研究以慈竹竹束单板层积材为研究对象，进行了不同湿热环境下的吸湿试验和力学性能测试，研究了竹束单板层积材的吸湿特性，分析了不同的温、湿度条件对竹束单板层积材弯曲性能和压缩性能的影响，以期为竹束单板层积材在长期的湿热环境下的耐久性评价提供基础数据和理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

通过自主研制的帚化机将慈竹竹片帚化为纵向连续、横向松散的优质整张化竹束单板，浸胶后，按照层积组坯、热压胶合的方式生产竹束单板层积材，竹束浸胶量10%，板材密度1.0 g/cm3，用于吸湿测试的样品规格3 mm×50 mm×50 mm，用双组份胶黏剂在样品的厚度方向上进行密封。

1.2 试验方法

1.2.1 吸湿测试

将样品分别置于3组不同的湿热环境中（HRH99%，温度分别为20、36、60℃），周期性测试样品的质量增加率和力学性能。

1.2.2 力学性能测试

参照GB/T 20241-2006《单板层积材》和GB/T 17657-1999《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》进行弯曲强度、弯曲模量和压缩强度的测试。其中，为在短期内获得弯曲性能的变化结果，用于弯曲性能测试的样品规格为3 mm×20 mm×150 mm。

2 结果与分析

2.1 竹束单板层积材吸湿特性

图1为不同温度条件下竹束单板层积材的吸湿曲线。吸湿初期，吸湿率与时间的平方根表现为线性关系，符合菲克定律的扩散模式[1]。竹束单板层积材内部含有大量的竹束纤维和一些微孔隙，水分子首先被纤维与树脂上大量的亲水基团吸附，并不断的形成多层水分子的结构[2]，在高湿度的环境下，材料内部毛细管表面张力的作用也加剧了水分子的吸附，并在微孔内部聚集，因此，初始阶段水分子的吸湿速率较大；随着时间的推移，板材内外水分子浓度梯度逐渐趋于一致，并最终达到吸湿平衡。

2.2 湿度对竹束单板层积材力学性能的影响

图2、图3和图4分别为20℃测试周期为1 250 h过程中，弯曲强度、弯曲模量以及压缩强度随吸湿率变化情况。图中可看出，弯曲强度、弯曲模量和压缩强度均随着吸湿质量的增加而逐渐降低，含水率低于15%时，上述力学性能随着含水率的增加而迅速衰减，当含水率高于15%时，力学性能变化趋势减缓。

图1 吸湿特征曲线Fig.1 Moisture absorption feature curves

图2 吸湿过程中弯曲强度变化Fig.2 Variation of MOR during moisture absorption

图3 吸湿过程中弯曲模量变化Fig.3 Variation of MOE during moisture absorption

竹束单板层积材的力学性能在含水率15%左右开始减缓，低于竹材本身的纤维饱和点[3]，这可能由于一方面，竹材在帚化成竹束单板的过程中损失了一部分基本组织；另一方面，竹束单板经浸胶、热压形成致密的复合结构，改善了吸水性能和力学强度。

图4 吸湿过程中压缩强度变化Fig.4 Variation of CS during moisture absorption

吸湿前期竹束单板层积材性能受竹材本身影响较大。竹材主要由纤维素、半纤维素、木素等三大组分组成，大量的羟基和酚羟基官能团使其表现出明显的极性和亲水性，吸湿引起竹材细胞壁之间作用力降低并开始膨胀变形，竹束单板层积材弯曲性能和压缩性能下降明显；在继续吸湿的过程中，扩散作用使水分子继续进入树脂基体和竹束单板层积材内部各类孔隙，胶黏剂也在吸湿的影响下发生塑化，进一步降低了竹束单板层积材的力学性能；在吸湿后期，水分子在细胞腔、导管、界面附近聚集并饱和，吸湿基本达到平衡，故力学性能趋于稳定。因此，对于应用于常温高湿环境下的竹束单板层积材，可在生产过程中通过提高竹束单板帚化质量、增加比表面积、选择合适的胶黏剂、提高浸胶量等措施改善胶黏剂对竹束单板的包裹和附着能力，以便抵抗潮湿环境对竹束单板层积材的不良影响。

2.3 湿热耦合对竹束单板层积材力学性能的影响

图5、图6和图7分别为测试周期为1 250 h过程中弯曲强度、弯曲模量以及压缩强度受温湿度影响情况。图中可看出，相同湿度下（HRH99%），弯曲强度、弯曲模量和压缩强度均随着温度的升高而逐渐降低。20℃环境下，竹束单板层积材的弯曲强度最低保持率约80%，当温度上升至60℃时最低保持率下降至60%，此时压缩强度性能保持率仅为50%，即温度与吸湿量的不同影响力学性能的变化，温度越高，力学性能保持率越低。

图5 温度对弯曲强度的影响Fig.5 Effect of temperature on MOR

图6 温度对弯曲模量的影响Fig.6 Effect of temperature on flexural modulus

图7 温度对压缩强度的影响Fig.7 Effect of temperature on CS

竹束单板层积材在高温高湿环境下，由于竹材与酚醛树脂的吸湿机理和吸湿能力差异，引起二者对温湿度的敏感性不同，因而产生“溶胀”差异并导致竹束单板层积材内部应力、微裂纹，并随着时间的延长产生更多的界面孔隙或界面脱粘，从而使竹束单板层积材界面结合强度降低；另一方面，温度的持续作用，增加了水分子与竹材和树脂基体的结合能力，水分子不但受扩散作用进入竹束单板层积材，还会在“毛细作用”的驱动下沿着界面快速的渗透扩散[4]，并一边与界面和竹材上的极性基团形成范德华键和氢键一边参与界面附近化学键的水解，这更加削弱了竹材与基体间的键合作用，也降低了水分子在竹束单板层积材内部的扩散阻力，从而加剧了湿热环境下竹束单板层积材力学性能的衰减。因此，温度对竹束单板层积材的性能衰减起到催化作用。

湿热耦合作用对竹束单板层积材的性能影响是由于吸湿量的增加和界面附近内应力的差异，削弱了竹束单板层积材的界面性能，因而竹束单板层积材在受外力作用时载荷传递能力大大降低而引起力学强度下降。在工艺生产中，可考虑通过改善界面性能的方法以增强其在湿热环境中的力学性能和稳定性。

2.4 竹束单板层积材力学性能受湿热环境的影响差异

竹束单板层积材是由竹束单板层积组坯热压而成，因此其不同的力学性能受结构和环境条件的影响不同。竹束单板层积材的弯曲性能主要由纤维和界面控制，吸湿初期，水分子对竹材和树脂产生了溶胀和塑化作用，温度升高，基体软化、形变增加[5]，因而弯曲性能降低，此时的破坏模式属于拉伸破坏；吸湿后期，随着水分子数量的增加，最终导致竹束单板层积材的界面脱粘（见图8），故试样的破坏形式为剪切破坏，此时弯曲强度的仅为129 MPa；对于纵向压缩强度，既受纤维性能控制也受树脂基体模量的影响，湿热环境导致竹束单板层积材膨胀，体积增大，也引起酚醛树脂的软化及模量的显著降低，因而压缩强度明显下降。包建文认为，随着温度的升高，吸湿量增加，复合材料的压缩强度和压缩模量下降具有明显趋势[6]。

图8 弯曲样品界面开裂Fig.8 Interface cracking of bending sample

试验中，部分竹束单板层积材的力学性能在高湿高温时的波动较大，这可能是因为温度、湿度的耦合作用对其力学性能同时产生了积极与消极双重影响：一方面，水蒸汽的渗透使树脂基体产生了“增塑”现象[7]，并伴随着温度的作用使竹束单板与胶黏剂间的界面强度降低；另一方面，高温使酚醛树脂固化程度增加，某种程度上起到改善界面强度的作用。在这两种相互矛盾的作用此消彼长的影响下，竹束单板层积材力学性能在某一阶段会呈现波动式的变化，而相比单纯的湿或热环境，湿热耦合作用对竹束单板层积材力学性能影响也更加复杂化。

3 结论

(1)竹束单板层积材的吸湿是竹束单板、树脂和界面等单元吸湿结果的集合，而竹束单板在整个吸湿过程中发挥了重要的作用。

(2)在纯湿度作用下，竹束单板层积材力学性能的下降是由吸湿率决定的，前期迅速下降并在接近饱和吸湿率时趋于平缓，属于可逆过程。

(3)在高温湿态环境下，由于内部竹材和酚醛树脂的热膨胀系数不同，引起吸湿内应力的产生削弱了竹束单板层积材的界面性能。

(4)较大吸湿强度引起的竹束单板的裂纹和基体水解是不可逆过程，对力学性能的影响永久性存在，并会导致性能的进一步降低。

[1] 过梅丽,阳 芳,范欣愉,等.聚合物基复合材料的湿扩散参数研究[J].复合材料学报, 2001,1(18):34-37.

[2] Dent R W. Amultiayer theory for gas sorption I. sorption of a single gas[J]. Text. Res. J., 1977,40:145-152.

[3] 王汉坤,喻云水,余 雁,等.毛竹纤维饱和点随竹龄的变化规律[J].中南林业科技大学学报.2010,30(2):112-115.

[4] 王玉林,万怡灶,陈桂才,等.三维编织碳纤维环氧复合材料的吸湿特性及外应力影响[J].复合材料学报,2002,19(6):101-105.

[5] 潘文革,矫桂琼,杨 杰,等.二维机织树脂基复合材料湿热性能研究[J].航空材料学报,2007,27(1):37-40.

[6] 包建文,陈祥宝. 5284/T300复合材料湿热性能研究[J].航空材料工艺,2000,30(4):37-40.

[7] 赵 鹏,姚卫星.湿热对纤维增强树脂基复合材料性能影响综述[C]//第五届长三角科技论坛及航空航天科技创新与长三角经济发展论坛.上海：上海市宇航学会, 2008,238-244.

Mechanical properties of laminated bamboo scrimber in hygrothermal environment

YU Zi-xuan, JIANG Ze-hui, WANG Ge, ZHANG Wen-fu, CHEN Fu-ming
(International Center for Bamboo and Rattan, Beijing 100102, China)

For the study of mechanical properties of laminated bamboo scrimber in hygrothermal environment, Neosinocalamus affinis(Rendle) Keng f. and PF were used to produce laminated bamboo scrimber. The moisture absorption characteristics, changes in the MOR,MOE and compression strength have been studied in hygrothermal environment (20,36 and 60℃). The results show that the absorption behavior at the initial stage conformed to Fick’s law of diffusion; the bending property and compressive property of laminated bamboo scrimber weaken fast firstly then slow down and eventually tended towards stability with the increase of hygroscopic moisture content and absorption time at room temperature; When the relative humidity HRH=100%, the higher the temperature, the higher the absorption and the lower the mechanical properties, and the flexural strength presented shear failure features in hygrothermal environment. It is thus concluded that the reduction of mechanical property is related to the temperature and water absorption content of the laminated bamboo scrimber.

laminated bamboo scrimber；hygrothermal aging；moisture absorption；mechanical properties

S781.2；TS653.3

A

1673-923X(2012)08-0127-04

2012-01-12

林业公益性行业科研专项（201204701）；科技部农业成果转化项目（2009GB24320467）

于子绚，博士研究生；主要研究方向：竹木复合材性能评价；电话：010-84789907；E-mail：zixuan1118@126.com

江泽慧，女，教授，博士生导师；主要研究方向：竹木复合材料和竹藤材料

[本文编校：邱德勇]