玻璃纤维增强杨木重组木的物理力学性能1)

林雨斌 朱兆龙 那斌 梁星宇 郭晓磊

(南京林业大学，南京,210037)

玻璃纤维增强杨木重组木的物理力学性能1)

林雨斌 朱兆龙 那斌 梁星宇 郭晓磊

(南京林业大学，南京,210037)

采用了玻璃纤维作为增强材料对杨木单板重组木进行了增强，研究了密度和纤维铺装结构对杨木重组木物理力学性能的影响。结果表明：随着玻璃纤维铺装层数的增加，重组木的力学性能增加，但当玻璃纤维添加到3层时，重组木力学性能相较双层玻璃纤维铺装有所降低。随着密度的增加，玻璃纤维对重组木力学性能的增强效果减弱。玻璃纤维对重组木的尺寸稳定性同样有着显著的增强效果，随着纤维铺装层数的增加，玻璃纤维增强重组木的吸水厚度膨胀率、吸水率及线性膨胀率的抑制效果均呈增加趋势。随着浸水时间的增加,玻璃纤维对线性膨胀率的抑制效果也更为显著。

重组木；力学性能；玻璃纤维；尺寸稳定性;增强材料

为了解决中国市场实木短缺的现状，杨木因具有较短的生产周期被广泛培育种植并应用在木材工业中。然而，杨木的材质偏松软，综合力学性能较低，大大限制了其用途。如何改善和提高杨木材料的物理力学性能，进而拓宽杨木在木材工业上的应用范围就变得非常迫切与重要[1-2]。

重组木是在不改变木材纤维排列方向的前提下，将木材碾压成木束重新组合制成的具有高利用率的新型木材。重组木保留了实木的优良性能，剔除了许多实木的缺陷。但是由于木束的厚度较大，宽度方向的胀缩率较高，导致了重组木的横向力学性能较低[3]。在生产加工中,由于施胶不均、含水率及铺装不均等原因,重组木易产生翘曲、跳丝、表面粗糙等问题[4-5]。余养伦等人提出了先制备单板，再疏解纤维化单板后重组的方案，利用冷压热固化的方法和热压法制备了新型纤维化单板重组木，实现了重组木性能的提高[6]。

玻璃纤维是一种具有优异性能的无机非金属材料，具有优异的物理力学性能和较低的成本，已经被广泛作为增强材料应用于木制复合材料的生产上[7-8]。王洁等人用玻璃纤维和碳纤维对杨木单板层积材进行了增强，发现玻璃纤维和碳纤维的添加均能显著增强材料的力学性能，且玻璃纤维对复合材料在剪切强度上的提升最为明显[9]。陈小辉等人采用玻璃纤维网布对竹材胶合板进行了增强，并通过偶联剂进行表面处理，从而增强了玻璃纤维与酚醛树脂间的黏结性能，提高了材料的综合性能[10]。张利利用玻璃纤维网格布对大青杨单板层积材进行增强，发现其力学性能得到显著提高[11]。皮弗对玻璃纤维增强单板层积材的综合性能进行了研究，发现玻璃纤维可有效提高单板层积材的力学性能[12]。张双保等用玻璃纤维对增强三倍体毛白杨木制复合材料的物理力学性能进行了研究，发现玻璃纤维对材料的力学性能及抗老化性能均有明显改善，甚至达到了欧洲定向结构板的标准(PrEN300-940SB/4)[13]。特库和卡其斯研究了4种不同的增强纤维对木塑复合材料的性能影响，结果表明，玻璃纤维对木塑复合材料的抗拉强度和静曲强度有显著提高，但是冲击韧性减少了7%[14]。崔举庆运用玻璃纤维线对杨木单板层积材进行了增强，线性表面双层顺纹的玻璃纤维添加方式的增强效果最优[15]。

尽管玻璃纤维增强木制复合材料的研究很多，但对于玻璃纤维增强重组木的力学性能和尺寸稳定性的研究却很少。笔者运用玻璃纤维对纤维化杨木单板重组木进行了增强试验，并探究不同密度和不同铺装方式对其物理力学性能的影响，以期为重组木研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

纤维化单板条：杨木单板重组木是以被辊压设备疏解成的单板条为基材。运用纤维可控分离技术将单板碾压疏解成横向不断裂，纵向呈点裂或线裂，呈木帘状的单板条，单板条宽度为20 mm，长为1 870 mm，厚度为2 mm，呈帘状。杨木单板条由建瓯东林木业有限公司提供，密度为0.4 g/cm3。玻璃纤维：玻璃纤维网，单位面积质量为200 g/m2，网孔尺寸为5 mm×5 mm，由安平隆奥金属丝制品厂提供。

胶黏剂与偶联剂：酚醛树脂胶黏剂(PF)。固体质量分数为43.5%，购于福州福维胶黏剂有限公司。偶联剂(KH550)，购于南京奥诚化工有限公司。

万能力学测试仪：WDW-2电子万能试验仪，上海松顿电子设备有限公司提供。

摆锤式冲击试验仪：济南永科科技有限公司提供。

电子扫描显微镜SEM:日立TM-1000TM-1000。

1.2 玻璃纤维增强纤维化杨木单板重组木制造工艺

玻璃纤维增强纤维化杨木单板重组木的制造工艺流程如图1所示。首先将玻璃纤维网布浸渍在2%的KH550溶液中20 min进行表面活化处理，晾干。然后与纤维化单板条一同浸渍在酚醛树脂溶液中20 min，而后玻璃纤维网布在120 ℃环境中干燥20 min，纤维化单板条则在80 ℃环境中干燥90 min。单板条的浸胶量在12%左右。成型铺装时，玻璃纤维被平整添加在板坯预定位置中，最后通过传统热压方式进行热压，温度为140 ℃，压强120 MPa。

图1 玻璃纤维增强重组木工艺流程

玻璃纤维增强试件共分为4种结构：空白件(未添加玻璃纤维增强层)、单层玻璃纤维铺装试件、双层玻璃纤维铺装试件，以及3层玻璃纤维铺装试件。玻璃纤维层的添加位置如图2所示。

图2 纤维铺装结构

1.3 方法

本试验采用GB/T20241-2006《人造板及其饰面人造板理化性能试验方法》对材料的物理力学性能和尺寸稳定性进行检测。包括了静曲强度、弹性模量和冲击韧性、吸水厚度膨胀率、吸水率、线性膨胀率、2 h径向线性膨胀率、2 h弦向线性膨胀率、24 h径向线性膨胀率、24 h弦向线性膨胀率。

2 结果与分析

2.1 材料的力学性能

2.1.1 静曲强度与弹性模量

静曲强度是衡量木材抗弯强度的一个重要指标。由表1可以看出，在4个不同的密度分度，单层铺装试件相较空白件有显著提高，分别增强了18.37%、13.12%、11.39%和8.4%。因为增强材在受到弯曲载荷时，应力借助杨木基体相与纤维间优良的结合力得以很好地分散，使得性能优异的玻璃纤维承担了大部分应力，从而增强了其静曲强度(纤维增强机理)。双层铺装试件在4个不同密度分度上相较空白件的静曲强度增长率均达到最高，但相比单层纤维其静曲强度的增长幅度变小。这是因为在进行3点弯曲试验时，试件的底部承受了最大的拉力和剪切力并且是试件最先破坏的部位，所以玻璃纤维层添加在接近试件底部的下三分之一处的单层铺装试件，相较双层铺装试件能更加有效提高试件的静曲强度。3层铺装试件相比双层铺装试件，静曲强度有所降低。原因是添加在3层铺装试件中间的玻璃纤维层在受到弯曲载荷时所承受的拉力最小，因此其对静曲强度增强的效果并不显著，并且可能导致材料的分层。

表1 静曲强度、弹性模量与铺装结构的关系

注：表中数值为平均值±标准差。

玻璃纤维对重组木的静曲强度和弹性模量增强效果在低密度(0.6、0.7 g/cm3)时效果较为显著。如图3可以看出，在0.6、0.7 g/cm3密度时，玻璃纤维与杨木基材结合紧密，玻璃纤维对材料增强效果显著。而当密度继续升高，结合界面产生了裂隙。当密度达到最高0.9 g/cm3时，可以看到玻璃纤维与杨木基材间裂隙较大产生了明显分层，且杨木纤维也被大量压溃，从而导致了高密度时，玻璃纤维对重组木增强效果较小。

图3 玻璃纤维与木材结合界面电镜SEM图片

如表1所示，弹性模量和静曲强度有着相似的趋势，单层铺装试件的弹性模量相比空白件在4个密度上分别增加了12.0%、17.1%%、13.2%和6.2%，双层铺装试件的增长率达到最高，而3层铺装试件相较双层铺装试件略有减小。在4个密度分度上，密度为0.7 g/cm3时弹性模量增长率达到最高，而后随着密度的升高，增长率呈减小趋势。

2.1.2 冲击韧性分析

如表2所示，随着密度的增加，试件的冲击韧性增加。同空白试件相比，单层铺装玻璃纤维增强件显著增加，在4个密度下冲击韧性分别增加了34.9%、17.5%、13.8%和4.6%。这是因为玻璃纤维相比杨木纤维具有更大的韧性，并且玻璃纤维网布中纤维方向呈正交状；这种交织的网状结构可以更好地分散所受到的冲击应力，从而提高了材料的冲击韧性。双层铺装试件的增长率达到最高,同空白件相比在4个密度分度上分别增加了42.8%、21.6%、15.7%和10.8%。而3层铺装试件的冲击韧性相较双层铺装试件有所降低，这是因为中间层玻璃纤维在实际铺装时，会和预想铺装位置有一定的偏差，破坏了试件的结构均一性。从而在承受冲击载荷时，其有效分散冲击应力的能力降低，材料的冲击韧性也随之降低。随着密度的增高，玻璃纤维对重组木的增强效果呈降低趋势，而在低密度时玻璃纤维的增强效果较显著。

表2 试件的冲击韧性

注：表中数值为平均值±标准差。

2.2 材料的尺寸稳定性

2.2.1 吸水厚度膨胀率及吸水率

表3反应了不同铺装结构对玻璃纤维尺寸稳定性的影响情况。相较空白件，玻璃纤维增强试件的吸水厚度膨胀率降低。单层铺装试件的2h吸水厚度膨胀率相较空白件减少了39.9%。这是因为玻璃纤维是良好的耐水材料从而可以有效减少玻璃纤维复合材料的膨胀。双层铺装和3层铺装试件的2 h吸水厚度膨胀率相较空白件分别减少了52.27%和58.12%。

表3 铺装结构对玻璃纤维尺寸稳定性的影响

注：表中数值为平均值±标准差。

单层铺装试件的24 h吸水厚度膨胀率相较空白件减少了11.4%。双层铺装和3层铺装试件的2 h吸水厚度膨胀率相较空白件分别减少了16.1%和22.1%。

随着玻璃纤维铺装层数的增加，重组木的吸水厚度膨胀率呈减少趋势。相比双层铺装试件，3层铺装试件吸水厚度膨胀率的减少趋势有所减缓。这是因为，对称结构更能有效地限制重组木的膨胀，并且玻璃纤维层数进一步增加，会导致材料内部分层，从而限制玻璃纤维减少吸水厚度膨胀率的效果。相比2 h吸水厚度膨胀率，玻璃纤维对24 h吸水厚度膨胀率限制效果较小。

如表3所示，单层铺装试件的2 h吸水率相较空白件减少了25.5%。双层铺装和3层铺装试件相比空白件分别减少了34.1%和40.9%。经过24 h的浸泡，单层铺装试件的24 h吸水率相较空白件减少了13.28%，双层铺装和3层铺装试件分别降低了24.7%和30.2%。

2.2.2 吸水线性膨胀率

如表3所示，相较空白件，玻璃纤维增强重组木的2 h及24 h弦向线性膨胀率的降低幅度均远低于径向膨胀率，由此可以表明玻璃纤维对径向线性膨胀率的限制效果较弦向更为显著。这是因为杨木重组木由纵向不断裂的纤维化单板条为单元组成，其弦向排列较均匀，膨胀率很小，因此玻璃纤维对其增强的效果也并不明显。在径向上，单层铺装玻璃纤维增强杨木纤维化单板重组木的膨胀率较空白件有显著的减少。而在径向上存在叠芯，孔隙率较大，因此吸水膨胀率也较大，玻璃纤维的添加可以有效增强径向方向材料的耐水性。

经2 h浸渍，单层铺装、双层铺装和3层铺装试件相较空白件，弦向线性膨胀率分别降低了26.09%、36.23%和48.79%。经24 h浸渍，单层铺装、双层铺装和3层铺装试件相较空白件，弦向线性膨胀率分别降低了29.63%、69.14%和71.62%。随着玻璃纤维添加层数的增加，弦向线性膨胀率呈减少趋势，当添加到3层时，其降低幅度减缓。随着时间的增加，玻璃纤维对重组木弦向线性膨胀率的降低效果增强。

3 结论

在相同密度下，随着玻璃纤维添加层数的增加，纤维化杨木单板重组木的各项力学性能也随之增加。相较空白试件，单层玻璃纤维增强试件的力学性能显著增加。双层玻璃纤维增强试件的力学性能达到最高，但增加趋势减缓。而当添加到3层时，其力学性能相比双层玻璃纤维增强试件有所下降。

随着密度的增加，玻璃纤维增强纤维化杨木单板重组木力学性能的增加比率呈现降低趋势。而玻璃纤维对于重组木的增强效果在低密度(0.6、0.7 g/cm3)时最为显著。

玻璃纤维的添加可以有效提高杨木纤维化单板重组木的尺寸稳定性。随着玻璃纤维添加层数的增加，吸水厚度膨胀率、吸水率和线性膨胀率均呈减少趋势；3层铺装试件的吸水膨胀率达到最低，但减少趋势减缓。

相比弦向线性膨胀率，玻璃纤维对于重组木径向线性膨胀率的抑制效果更为显著。随着时间的增加，玻璃纤维对于线性膨胀率的抑制效果也增加。

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EvaluationofPhysicalandMechanicalPropertiesofGlassFiberReinforcedPoplarScrimber

Lin Yubin, Zhu Zhaolong, Na Bin, Liang Xingyu, Guo Xiaolei

(Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, P. R. China)Journal of Northeast Forestry University，2017,45(12)：48-52.

Scrimber; Mechanical property; Glass fiber; Dimensional stability; Reinforced material

1)江苏省前瞻性联合研究项目(BY2015006-04)。

林雨斌，男，1993年5月生，南京林业大学材料科学与工程学院，硕士研究生。E-mail：1002543048@qq.com。

那斌，南京林业大学材料科学与工程学院，教授。E-mail：Nabin8691@126.com。

2017年 6月29日。

戴芳天。

S784

We used glass fiber to reinforce Poplar fibrous veneer scrimber, and evaluated the effects of structure and density on the mechanical properties and dimensional stabilities of fiber reinforced Poplar fibrous veneer scrimber. With the increasing of fiber layers, the mechanical properties of scrimber showed an increasing trend, however, the mechanical properties of triple-layer fiber reinforced scrimber decreased compared to those of double-layer fiber reinforced scrimber. Compared to high density, the glass fiber could better improve the mechanical properties at low density. Glass fiber could also improve the dimensional stabilities of scrimber. With the increasing of layers of glass fiber, the TS showed a decreasing trend compared to the control group. With the increasing of layers of glass fiber and mass fraction of glass fiber, the water absorption rate and linear expansion rate showed a decreasing trend compared to the control group. With the increasing of water soaking time, the glass fiber could better restrict the linear expansion rate.