第38卷第1期 林业机械与木工设备 V01 38 No.1 2010年1月. FORESTRY MACHINERY&WOODWORKING EQUIPMENT Jan.2010 纤维增强树脂/集成材复合材料耐久性研究进展 翟志文, 申世杰,姜忠华,许小芳 (北京林业大学材料科学与技术学院,北京100083) 摘要:介绍了纤维增强树脂/集成材复合材料耐久性的研究进展以及玄武岩纤维增强树脂创新用于集成材 的增强,并指出复合材料的发展趋势。 关键词:纤维增强树脂,集成材复合材料;耐久性;玄武岩纤维 中图分类号:TS612 文献标识码:A 文章编号:1001-4462(2010)01~0015—03 Research Progress of Durability of Fiber Reinforced Polymer/laminated and Composite Materials ZHAI Zhi—wen,SHEN Shi-jie,JIANG Zhong-hua,XU Xiao—fang (College of Material Science and Technology,Beijing Forestry University,Beijing 100083,China) Abstract:The research progress of ifber reinforced polymer(FRP),Jaminated and composite materials and the innovative use of basalt ifber reinforced polymer(BFRP)for the reinforcement of laminated materials are introduced,with the development trend of composites pointed out. Key words:ifber reinforced polymer(FRP) ̄aminated and composite material;durability;basalt fiber reifnorced polymer (BFRP) 集成材也称胶合木,是应森林资源结构变化的需 腐、阻燃、拒水处理后再指接、层积胶压而成的胶合木 要而产生的一种层积复合材。集成材使用短而窄的锯 所构建。 切板材进行层积胶压,其制造工艺与LVL大同小异,技 纤维增强树脂(fiber reinforced polymer,简称FRP) 术重点在于将短窄材料加长、加宽和加厚。集成材具有 是以纤维为增强材料的树脂基复合材料,具有比木材 良好的物理力学性能,与成材相比,其强度大,许用弯 更高的强度和刚度,可用于传统木质复合材料的增强。 曲应力可提高50%,而且结构均匀;含水率比具有相同 只要对复合材料的结构进行合理设计,用FRP增强木 断面的成材含水率均匀,内应力小,不易开裂和变形, 材所制成的_丁程木质复合材料可以表现出比传统的工 尺寸稳定性好;大断面的集成材还有良好的阻燃性能 。 程木质复合材料更好的性能[3 ,FRP增强集成材将会对 就利用现有木材资源设计高效建筑构件而言,集成材 集成材_『业产生巨大的影响。 无疑是最优选择之一,它可以满足绝大多数结构的要 求。集成材不是什么新材料,早在19世纪90年代,德 1纤维增强树脂/集成材复合材料耐久性研究 国和瑞士就已经出现了集成材的相关专利,1906年德 国一份专利标志着该木制品正式应用于建筑结构中; 】.1纤维增强树脂 1934年,位于美国威斯康辛州的森林制品研究中心建 人们对纤维增强树脂复合材料在不同环境下的耐 立了一座实验室,是集成材最早应用于建筑领域的实 久性进行J『大量研究。Fujji发现,对于玻璃纤维增强乙 例之一,至今仍在使用中E2 3;我国北京亚运村康乐宫嬉 烯树脂复合材料,在酸性条件下,玻璃纤维迅速发生破 水乐园的网状木结构屋顶也是由4cm厚的木板经防 坏,在碱性条件下.只是界面发生破坏。研究者认为发 收稿日期:2009—09—24 生破坏的原因是受到水分子、离子的攻击。清水的水分 林业机械与木工设备 子能更快地进人材料中而使材料在较短时间内发生破 坏,酸、碱和盐溶液通过离子加速氧化过程而使材料发 生破坏。温度对于材料的破坏也扮演着重要的角色,因 第38卷 Abdel—Magid进行了一项研究,将碳纤维/苯酚板和 玻璃纤维/苯酚板分别通过苯酚一间苯二酚胶接于加拿 大铁杉表面,根据ASTMD905对复合材料进行剪切试 验。结果表明,使用玻璃纤维/苯酚板可以达到与木材本 为纤维与基质材料的热膨胀系数不一致【 ,高温一低温 循环会对界面产生有效的破坏。Zhang指出,玻璃纤维 身相当的剪切强度,而碳纤维/苯酚板由于没有表面毛 毡只能形成较低强度的粘结。试验所获得的最佳工艺 为:FRP板使用8O~100目的砂纸打磨;晾置20~30min、 叠合10mim;在室温下加压固化24h以上 。 增强单向乙烯树脂材料在室温下浸泡350天,强度降 低26%,在40 ̄C下浸泡350天拉伸强度降低41%。在碱 性(pH=13)、40℃温度及浸泡350天条件下强度分别降 低30%和69%[ 。 一些研究者还得出老化材料力学性能与含水率间 的关系。Pritehard认为,杨氏模量和拉伸强度的变化只 与水分吸收量有关,与浸渍的温度无关。因此,他应用 室温下水分吸收动力学原理来预测材料的耐久性。这 种预测非常原始,因为它忽略了即便是在水分不变的 情况下,纤维、基质及界面也会发生破坏。水分能持续 地使树脂分解,使纤维破坏。水分子攻击玻璃纤维表 面,促使游离羟基的形成,进~步使二氧化硅表面发生 降解。基质中的水分子塑性增强,润滑基质,发生宏观 分子链的运动。所有这些都改变着界面区域,基质的降 解和界面的剥离导致材料在水分饱和后继续吸收水 分,这可能是试验中无法测量的。然而,这一预测表明 了水分的重要性,因为材料的吸水性很大程度依赖于 基质,所以对耐久性而言,基质较增强体更为重要㈣。 1.2纤维增强树脂,集成材复合材料 Sellers和Miller(1997)对CCA处理板材制成的集 成材进行了剥离试验,用以评价所选胶粘剂在该条件 下的胶合性能。试验选取南方松板材,经CCA处理后, 分别使用问苯二酚胶粘剂(RF)、水性异氰酸酯胶粘剂 (EPI)和改性间苯二酚胶粘剂制得集成材。按结构用集 成材检测手册AITC200—92(1996)的要求,制取试件并 进行剥离试验。结果显示,间苯二酚及水性异氰酸酯的 剥离率可达到要求,其中间苯二酚的胶合性能最为优 异 Gardnel"等研究了拉挤成型纤维增强塑料与木材 间的胶接性能,将北美鹅掌楸与纤维聚酯增强材料及 纤维乙烯树脂增强材料进行胶接,使用的胶粘剂有 间苯二酚、水性异氰酸酯和环氧树脂。试样按修改的 ASTMD905进行干剪和湿剪试验,对于胶层的整体性还 要根据修改后的ASTMD1101进行五次真空一压力一浸 渍一干燥循环试验。干剪及湿剪的结果均显示,问苯二 酚较之其它两种胶粘剂更适合FRP,木材复合材料的制 作。五次循环试验用来评价胶层的整体性,而非对试样 实际强度进行测定。研究人员指出,三种胶粘剂均可用 于室内环境,间苯二酚还可用于室外隅 。 GangaRao通过在锯材梁和集成材梁表面缠绕E玻 璃纤维编织布来考察胶接性能。试验以间苯二酚为基 底,使用环氧树脂胶粘剂。试样经历六次循环的加速老 化过程,按ASTMD905进行试验,确定剪切强度。结果 表明,适当的基底/胶粘剂组合为采用黏度较低的基底, 如间苯二酚,它可以填充管孔为玻璃纤维提供一个可 以胶接的表面“ 。 偶联剂的使用是为了改善纤维增强材料与木材问 的粘结性能,Vick(1996)指出在环氧树脂等热固性胶粘 剂使用中引入羟甲基间苯二酚(RMR)可以提高复合材 料的耐久性_lI],乌云其其格则探讨了偶联剂的作用机 理及处理方法n 。 2玄武岩纤维在集成材中的新应用 玄武岩是地壳中最为常见的岩石之一。俄罗斯玄 武岩储存量极其丰富,仅30个开采活跃的矿场就已达 到1.97亿m,13]。在美国,华盛顿、俄勒冈及爱达荷州覆 盖着数以千计平方英里的玄武岩层 。哥伦比亚玄武 岩高原大约有lO万平方英里被玄武岩覆盖。玄武岩的 颜色随着铁含量的不同在褐色与暗绿色间变化。玄武 岩纤维由玄武岩在1300~1700 ̄C下熔融拉丝制成El5-161, 在解决纤维制作过程中存在的逐步结晶化和熔融不均 问题后。连续玄武岩纤维在近年来得到了大规模的应 用Il7]。20世纪80年代末,前苏联建立了第一家玄武岩 加工厂。1991年,玄武岩纤维生产进行了专利注册 。 玄武岩纤维具有良好的物理性能,其拉伸强度与 无碱玻璃纤维相近,弹性模量为无碱玻璃纤维的1.5 倍,与S玻璃纤维相近。玄武岩纤维不仅耐热性高于无 碱玻璃纤维、s玻璃纤维和碳纤维,而且耐腐蚀性优异, 因此得到了世界范围内的普遍关注[19]。连续玄武岩纤 维(CBF)2002年被列入我国863高科技项目 。以CBF 为增强体可制成各种性能优异的复合材料,可广泛应 用于消防、环保、航空航天、军工、车船制造、工程塑料、 建筑等军工和民用领域,故CBF被誉为21世纪的新材 料E2H。玄武岩纤维作为一种无机非金属材料将在我国 国民经济各个领域发挥积极的作用。 随着玄武岩纤维应用的推广,国内对其性能也进 第1期 翟志文,等:纤维增强树脂/集成材复合材料耐久性研究逑星 [5]Zhang,S.a…K Vistasp M.,et a1.Investigation of Environmental Efiects on Pultruded E—Glass/Vinyl ester Composites lA J. Technology convergence in composites applications:Proceedings 行了相关研究。黄根来等对一种国产玄武岩纤维及其 复合材料的基本力学性能进行了实验研究,并对纤维 的化学组成和表面状态进行了分析 ]。王明超等通过 考察玄武岩纤维在蒸馏水、氢氧化钠溶液及盐酸中煮 沸3h后的强度与质量变化,及其复合材料在8种化学 介质中分别浸泡l5天、3O天和90天后的力学性能与 表面形态变化,对一种国产连续玄武岩纤维及其复合 材料的耐化学介质腐蚀性能进行了实验研究∞ 。近年 来,北京林业大学申世杰教授一直致力于使用玄武岩 纤维增强集成材的研究,在胶合性能方面取得了一定 进展。将玄武岩纤维用于集成材增强,是一项创新,因 为纤维本身的特性使复合材料具有一些明显的优势, 所以这种复合材料势必会获得长足的发展。 3小结 横观世界、纵观历史,集成材的发展已取得重大突 破。作为工程木质材料家族的一员,它势必为推动全球 经济发展起到积极促进作用。但随着相关领域对集成 材应用要求的进一步提高,我们必须加强其基础研究, 探索创新点,以满足发展的需要。FRP增强集成材是实 际应用对研究人员提出的新要求,同时,该课题的研究 又进一步推动了集成材的应用。国内外对于纤维增强 聚合物用于结构件增强已进行了相关研究,将其用于 集成材的增强是一种较新且又极具发展空间的尝试。 针对各种使用要求,选择适当的纤维种类、确定合理的 增强方式和拟定最佳的生产工艺以降低成本这些都将 是研究的重点。 集成材在性能上具有可设计性,纤维增强研究的 发展更拓展了其使用范围。开发集成材可有效利用人 工林。提高产品附加值,同时还能满足科学发展观、循 环经济、建设资源节约型社会等可持续发展的要求。针 对国内实际情况,集成材研究的总原则是既要借鉴国 外先进成果,又要具有自身特色的创新。. 主要参考文献: [1]李坚.走向2l世纪的木质复合材料[J]_世界林业研究,1995,8 (3):34—40. [2 3 Alshurafa,Sami Abedalkareem.An experimental and computational investigation into GFRP reinforced gtulaminated Tudor arch and curved beams[D].Halifax:Dalhousie University, 2oo5. 、 一 [3]丁杰,徐伟涛,张双保,等.纤维增强树脂在工程木质复合材料中 的应用[J].中国人造板,2007,14(1):17—20. [4]Fujii,Y.,Mizoguchi,M.,Hamada,H.,Durability and degradation mechanism of E and ECR glass reifnorced vinylester resin under acid and alkali conditions[A].Durability Analysis of Composite Systems 2001:Proceedings Of The 5th International Conference, Tokyo,November 6—9,2001:137—140. 0f the ACUN一3 Intenrational Composites"Conference,University of New South Wales,Sydney,February 5-9,2001. [6] Qiang Liu.Basalt Fiber Reifnorced Polymer Composites— Processing and Properties [D].Connecticut:University of Connecticut,2006: [7]Sellesr Jr.,T.and Miller Jr.,G.D.,Evlauation of Three Adhesive Systems for CCA—Treated Lumber[J].Forest Products Journal, 1997,47(10):73—76. [8]Gardner,D.J.,Davalos,J…F Munipalle,U.M.Adhesive bonding of puhruded fiebr—reinforced plsatic to wood lJ j.Forest products Journal,1994,44(5):62—66. [9]Abdel—Magid,B.,Schotsky,K.,Shaler,S.et a1.Interfacial Bonding Between Phenolic Matrix Composites and Wood【A J.Proceedings of the Fisrt International Conference on Composites in Ifnrastructure (ICCI’96),Tucson,AZ,January 5-7,1996:54—58. [10]GangaRao,H.V.S.Sawn and laminated w0od Beans Wrapped with Fiber Reifnorced Plastic Composites 【Jj.Wood Design Focus,Fall 1997,13-18. [1 1]Vick,C.B.,I ̄ydroxymethylated Resoerinol Coupling Agent for Enhanced Adhesion of Epoxy and Other Thermosetting Adhesives to wood[A],Proceeding ofthe 1996 symposium by uS Department 0f A culture Forest Service,Forest Products Laboratory and the Forest Products Society,Portland,OR,June 29-30,1995:47-55. [12]乌云其其格.偶联剂对玻璃纤维增强塑料的界面作用[J].玻璃 钢,复合材料,2000(4):ll—l4. [13 j Artemenko,S.E.,Polymer Composites Materials Made From Carbon,Basalt,And GIass Fibers[J J.Structure and Properties— Fiber Chemistry,2003,35(3):226—229. [14]Subramanian,R.V.,Basalt Fiber—A New Cost Mineral Fiber For Composites[A].Advanced Composites Technoloyg-Cofnerence on Advanced Composite Technology,1978. 【l5 J Militky,J.K.,V1adimir,Ultimate Mechanical Properties of Basalt Filaments[J].Textile Research Journal,1996,66(4):225—229. 1 l6j Cater,S,Editorila Intemational Composites News,March 2002:40. 1 17 J Haeberle,D.C.,Senne,J.L.,Lesko,J.J.et a1.Performance and International Stresses In The Polymer Wear Surface/FRP Deck Bond Due to Thermal Loading l A j.Advanced Composite Materials In Bridges and Structures: 3rd International Conference.2000. I l8 J Imamutdinov,M.a.P.,G.Russia.2001:64—67. [19]贾丽霞,蒋喜志,吕磊,等.玄武岩纤维及其复合材料性能研究 [J].纤维复合材料,2o05(4):4—13. [20]石钱华.国外连续玄武岩纤维的发展及其应用[J].玻璃纤维, 2003(4):29—33. [21]胡显奇,申屠年.连续玄武岩纤维在军工及民用领域的应用[J]. 高科技纤维与应用,2005,30(6):7-13. [22]黄根来,孙志杰,王明超,等.玄武岩纤维及其复合材料基本力 学性能实验研究[J].玻璃钢,复合材料,2006(1):25-28. [23]王明超,张佐光,孙志杰,等.连续玄武岩纤维及其复合材料耐 腐蚀特性[J].北京航天航空大学学报,2006,32(10):133—136.