摘要:采用真空辅助成型工艺(VARI)制备连续玄武岩纤维增强木材复合材料，通过测试其力学性能，分析了平纹6×6、平纹9×9、斜纹6×6、斜纹9×9等四种不同类型玄武岩织物的增强效果，结果显示平纹6×6玄武岩纤维布增强木材复合材料的综合力学性能最优。
关键词:玄武岩纤维布;复合材料;机械性能
中图分类号:TB332 文献标识码:A 文章编号:1003－0999(2016)01－0079－04
采用高性能纤维来改善木材性能的纤维增强树脂(FiberReinforcedPolymer/Plastic，简称FRP)木材复合材料，能够有效提高木材的强度、刚度、尺寸稳定性、耐久性、耐腐蚀性等性能，在土木工程、旧建筑的加固修补等方面得到广泛应用［1-4］，但FRP用于提升速生林尺寸稳定性、强度的研究相对较少［5］。目前国内外使用的增强纤维材料多以玻璃纤维、碳纤维为主［6，7］。与传统的高性能纤维相比，玄武岩纤维具有均衡的理化性能，如耐高温、耐烧蚀、耐酸碱、较好的热稳定性能，且价格适中，绿色无污染，因而玄武岩纤维增强复合材料(BasaltFiberReinforcedPolymer/Plastic，简称BFRP)在工程领域越加得到推广［8-10］。本文利用夹层复合材料的制备原理，分别以组织为平纹和斜纹、经纬密为6×6和9×9的四种不同类型的玄武岩纤维布为增强材料，24mm厚的速生林樟子松板为基材，采用真空辅助成型工艺(VacuumAssistedResinInfusion，简称VARI)一次成型来制备BFRP/木材复合材料［11-13］。通过分析织物的组织和经纬密对复合材料力学性能的影响，旨在探索一种新型的玄武岩连续纤维增强树脂/木材复合材料，拓宽其在实际应用中的领域。
1实验部分
1.1主要原材料
环氧树脂GCC135、W93固化剂，江苏昆山绿循化工公司;偶联剂:硅烷偶联剂KH550，扬州立达树脂有限公司。所用木材为樟子松，尺寸为500mm×200mm×24mm，密度为0.481g/cm3，市售。试验前需表面处理，以使木材表面平整无杂质，待干燥后密封备用。玄武岩织物:自行织造，所用纤维单丝直径为9μm，纱线细度为264tex，由浙江石金玄武岩纤维有限公司提供，参考标准GB/T76903-2001，采用IN-STRON3369型万能电子强力仪对玄武岩纱线进行强伸性测试，拉伸速度为100mm/min，圆弧式夹具的钳口隔距为700mm，试样测试10次，取得玄武岩长丝抗拉强度的平均值为10.11MPa，其拉伸断裂曲线见图1。试验所用织物有四种，织物组织为平纹和斜纹［14］，如图2与图3所示。织物经纬密(每厘米内纱线的根数)为6×6和9×9。VARI成型工艺辅助料为PET薄膜、导流网、脱模布、分离隔膜、螺旋管、真空管、注胶管、密封胶带等，均由上海沥高科技有限公司生产。
1.2主要仪器设备
真空泵:2XZ-2型，上海沪京工业泵厂;IN-STRON5582万能试验机，美国英斯特朗公司;摆锤式冲击试验机:JB-300B型，济南时代试金试验机有限公司。
1.3试样制备
1.3.1玄武岩纤维布表面处理将玄武岩纤维布放于马弗炉中250℃处理30min，然后用500ml、2mol/L盐酸溶液浸渍2h，取出后用蒸馏水冲洗三次，然后置于120℃烘箱中60min。然后将纤维布浸渍于1%浓度KH550硅烷偶联剂中15min，取出后置于120℃烘箱中60min，处理完成后将纤维布放于密封的实验袋中备用［15］。1.3.2玄武岩连续纤维增强木材复合材料的制备按照500mm×200mm尺寸裁剪经过表面处理的玄武岩织物，然后在铺好脱模布的模具上将裁剪好的织物和樟子松板进行铺装组配成预制件。樟子松的上下两面各铺设一层相同种类的织物，织物的纤维走向应保持一致。使用VARI成型工艺辅助料将组配好的预制件围成密封系统，自下而上的铺设分别是分离隔膜→预制件→脱模布→导流网→螺旋管，最后再盖上真空袋薄膜，四周用密封胶带密封。之后开启真空泵抽真空，保证密封完全。按质量比100∶30调配环氧树脂GCC135和W93固化剂，待搅拌均匀后，开启注胶管和真空泵，灌注树脂。待浸渍完全，室温下固化3～4h后脱模。表1为五种试样的编号及试验的种类。
1.4参照标准
(1)拉伸性能测定:根据GB/T1938—2009木材顺纹抗拉强度测试方法对试样进行拉伸性能检测。(2)弯曲性能测定:根据GB/T1936.1—2009木材抗弯强度测试方法对试样进行弯曲性能检测。(3)压缩性能测定:根据GB/T1935—2009木材顺纹抗压强度试验方法对试样进行压缩性能检测。(4)冲击性能测定:根据GB/T1940—2009木材冲击韧性试验方法对试样进行冲击性能检测。
2结果与讨论
2.1拉伸性能
表2为不同种类织物增强木材复合材料的拉伸强度。通过表2可知，采用BFRP增强的复合板材的拉伸强度均高于未增强的樟子松原木复合板材，BFRP能够有效地起到增强效果。与未增强的试样A相比，试样B、C、D、E的拉伸强度分别提高了26.52%、18.2%、9.47%、14.25%。这是由于高性能的BFRP本身具有较高强度、较高模量，用BFRP增强樟子松能有效提高木材可以承受的最大载荷，改变其拉伸模量以及断裂伸长。从增强效果来看，经纬密为9×9织物的增强效果不如经纬密为6×6的织物。这是因为对于经纬密为9×9的织物，织物相对较厚，一定程度上影响了树脂浸透织物，使纤维与树脂间不能充分浸润，降低了复合效果。斜纹9×9织物比平纹9×9织物有更多的孔隙，树脂可以更容易地进入这些孔隙，更好地与纤维结合，因此斜纹9×9织物增强复合板的拉伸强度比平纹9×9织物增强复合板的大。对于经纬密为6×6的织物，织物密度适中，较薄、较稀疏，树脂液可以完全进入经纬纱交织的空隙中充分浸润纤维，纤维与树脂的相容性良好，因而增强效果较好。在此情况下，平纹织物相较斜纹织物，有更多的交织点，受到拉伸时，这些粘合着树脂的交织点能够有效阻止裂纹的产生和拓展，以上作用导致了平纹6×6织物增强复合板拉伸强度比斜纹6×6织物增强复合板拉伸强度高。
2.2弯曲性能
表3为不同种类织物增强木材复合材料的弯曲强度。通过表3可知，采用BFRP增强的复合板材的弯曲强度均高于未增强的樟子松原木复合板材，BFRP能够有效地起到增强效果。与未增强的试样A相比，试样B、C、D、E的弯曲强度分别提高了24%、24.58%、24.12%、23.90%，因而试验中斜纹6×6织物增强效果最好。BFRP本身具有较高的弯曲强度，复合BFRP后，樟子松复合板材的弯曲强度得到很大程度上的提高。从试验结果来看，织物种类对于复合材料的弯曲强度增强效果差别不大。本文弯曲试验的主要破坏形式为弯曲受拉破坏，织物增强复合板试样底部的BFRP发生断裂，试样顶部的BFRP仅发生褶皱，破坏较小，很少出现被拉断现象。这是由于BFRP的弯曲极限应变大于木材的弯曲极限应变，因而试样顶部的BFRP对弯曲强度贡献小，这是织物种类对复合板弯曲强度影响小的主要原因。
2.3压缩性能
表4为不同种类织物增强木材复合材料的压缩强度。通过表4可知，采用BFRP增强的复合板材的压缩强度均高于未增强的樟子松原木复合板材，但BFRP起到的增强效果不是很明显。与未增强的试样A相比，试样B、C、D、E的压缩强度分别提高了10.68%、8.40%、8.94%、9.77%，试验中平纹6×6增强效果最好，织物种类对复合板压缩强度影响效果差别不大。试样受压缩时，BFRP抗压刚度大，能有效地抑制木材端部受压产生的横向变形，因而可以提高复合木材的压缩强度。试样在受到破坏时，也会有剥离现象产生，但其BFRP的表面粘有木屑，表明真空辅助成型工艺下，BFRP与木材的粘合性是可靠的。
2.4冲击性能
表5为不同种类织物增强木材复合材料的冲击韧性。通过表5可知，采用BFRP增强的复合板材的耐冲击性能均高于未增强的樟子松原木复合板材，BFRP能够有效地起到增强效果。与未增强的试样A相比，试样B、C、D、E的冲击韧性分别提高了68.46%、51.68%、38.93%、44.07%，因而试验中平纹6×6织物增强效果最好。BFRP与树脂及樟子松板材间良好的相容性直接导致与其他组相比，平纹6×6织物的冲击增强效果优势较为明显。试验中，试样A受到冲击时断裂成两部分，而BFRP增强的复合板材试样受冲击一侧的BFRP只产生褶皱而没有断裂，另一侧BFRP产生断裂，这是由于受到木材弯曲断裂时的冲击，产生应力集中造成的。
3结论
本文采用真空辅助成型工艺一次成型来制备BFRP/木材复合材料，通过分析四种不同类型BFRP/木材复合材料的力学性能，得出以下结论:(1)平纹6×6织物增强，拉伸强度最高提升了26.52%，压缩强度最高提升了10.68%，冲击韧性最高提升了68.46%，织物种类对复合板压缩强度影响效果差别不大;(2)斜纹6×6织物增强，弯曲强度最高提升了24.58%，但织物种类对弯曲强度影响较小;(3)BFRP对樟子松原木复合板材的压缩强度起到的增强效果不明显，对受压木材加强，需慎用或开展专门研究。
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作者：时艳玲 贾涛芳 单位：山东格瑞德集团有限公司
