湿热老化对树脂增强生物板蠕变性能影响及其时间-应力等效性研究

李玉果，罗迎社，彭万喜

（中南林业科技大学 a.工程流变学湖南省重点实验室；b.土木工程学院；c.材料科学与工程学院，湖南 长沙 410004）

近年来，随着我国经济的快速发展，我国已成为世界上人造板年产量最高的国家[1]。但我国是个少林国家，为了保护森林资源，国家提出了实施“天然林保护工程”的重大举措。自天然林保护工程实施以来，我国林木采伐量大幅度降低，木材资源出现较严重的短缺，导致木材供需矛盾日益突出。其中，主要依靠消耗传统天然林资源而存在的木材工业受到较大的冲击[2]，我国的许多人造板企业面临原料危机，急需开辟新的原料来源。而人工速生林木材及人工速生林培育过程中的间伐林不仅能弥补传统天然林的不足，还能够充分利用小径材、弯曲材、人工速生材等将其加工成优质人造板材从而替代原木大径材，已经逐步成为解决当今木材供需矛盾的重要途径[3]。

速生柳作为一种重要的速生用材及能源树种[4]，具有萌芽能力强[5]、适应性强、抗逆性强[6]等优点。但速生柳依旧存在着人工速生林木材所普遍具有的不足之处，比如：材质松软、强度低、尺寸变异性大[7]。为了对速生柳更合理、有效的利用，南通锻压设备有限公司创新性地利用速生柳木单板和酚醛树脂，通过一系列的制备工艺将其制成树脂增强生物板，用于家具、建筑领域。然而，不论是用于建筑行业的用材还是用于室内的家具和装饰材，木质材料作为一种黏弹性材料因对环境条件（温度、水和水蒸气、太阳辐射等）有着较高的敏感性均无可避免的受到各种环境条件的影响而更易发生流变老化现象[8-9]。

目前，我国对树脂增强生物板的研究历史不长，而且研究的主要方向偏重于对树脂增强生物板的制备上，在其流变老化方面的研究比较少见。基于此，研究物理老化对树脂增强生物板蠕变性能的影响不仅丰富了树脂增强生物板的老化研究，同时也对预测其寿命、分析结构的变形和破坏、指导树脂增强生物板的制备及其使用，降低事故的发生机率和延长服役期限都具有非常重要的意义。

1　实　验

1.1　实验材料

实验材料为南通锻压设备有限公司所制造的树脂增强生物板，含水率：12%～13%，尺寸：1 200 mm ×300 mm × 19 mm（长×宽×高），如图1（a）所示。利用机械加工，将表面无明显缺陷的树脂增强生物板材裁剪加工成尺寸为300 mm × 19 mm × 19 mm（长×宽×高）的试样，如图1（b）所示。

图1　树脂增强生物板及其力学试件Fig.1　Rein forced bioboard and its mechanical test sample

1.2　树脂增强生物板湿热老化试验

木质材料的湿热老化试验是用于评价和研究各种材料在高温、高湿度环境下的耐老化性能和老化规律的一种手段。老化试验方法主要分为大气自然老化法和人工加速老化法两大类[10]，对于树脂增强生物板将采用人工加速老化试验方法。人工加速湿热老化试验方法又分为恒温恒湿法和交变温湿度循环法。相较于恒温恒湿法，交变温湿度循环法的试验效果较好，一般采用24 h为一周期[11]。

基于此，本试验对于经机械加工后的树脂增强生物板采用交变温湿度循环法进行湿热老化试验，即利用高低温交变湿热试验箱进行120 h的湿热老化试验。具体实验参数设置如表1所示。湿热老化采用上海林频仪器股份有限公司的LP/GDJS-500高低温交变湿热试验箱，试验仪器如图2所示。

湿热老化试验设定为12个小时的单一循环方案如表1所示，本试验设定每2次循环（24 h）为一个周期，对树脂增强生物板进行5种不同周期的湿热老化，探讨不同老化时长对树脂增强生物板的影响。5种不同周期的湿热老化时间分别为：0—24 h、24—48 h、48—72 h、72—96 h、96—120 h。

表 1　单一循环试验方案Table 1　A single cycle experimental scheme

1.3　树脂增强生物板弯曲蠕变性能试验

在木质材料的弯曲蠕变试验中，一般选用材料弯曲极限强度的40%～60%作为蠕变试验加载的应力水平[12]。这主要是因为：如果在蠕变试验中选择加载的应力水平过高，材料试件将很快达到蠕变的第三阶段，即加速蠕变阶段，这将出现材料断裂的情况。对于木质材料来说，材料断裂意味着材料的报废，因此本试验重点研究材料前两个阶段的蠕变性能。

图2　高低温交变湿热试验箱及内腔试件放置情况Fig. 2　Programmable temperature and humidity chamber where samples placement in it

为了选择适当的应力水平，先按照GB/T 17657-2013规定的试验方法，利用电子万能试验机（MWD-W10）对经历不同老化时间的树脂增强生物板进行弯曲性能测试。再根据树脂增强生物板弯曲性能试验结果，选取材料极限强度的40%、50%、60% 3个应力水平作为试验的恒定应力。采用三点弯曲加载方法，利用电子万能试验机（SANS-10t），装置跨度为240 mm，在室温下对经过不同湿热老化时间的树脂增强生物板进行弯曲蠕变试验，加载时间5 h。

2　结果与分析

2.1　实验结果

在室温（25±5 ℃）下测试经历相同老化时间的树脂增强生物板在69.2、86.5、103.8 MPa 3种不同应力水平下的弯曲蠕变行为。得到经历不同老化时间的树脂增强生物板在不同应力水平下应变与时间的关系曲线，如图3所示。

由图3可知，经历相同老化时间的树脂增强生物板在不同应力水平下的蠕变规律相似，具有标准蠕变曲线第一、二阶段的典型特征，即可观测到初始蠕变阶段和稳态蠕变阶段。可见，所选择的3种应力水平是合适的。

为了用蠕变柔量来表示蠕变试验结果，引入蠕变柔量函数J(t)，即将蠕变试验中得到的随时间变化的应变除以外加恒定应力便可以得到树脂增强生物板在恒定应力水平下的蠕变柔量函数[13]。图4分别表示为3种不同应力水平（69.2、86.5、103.8 MPa）下经历不同老化周期的树脂增强生物板所对应的蠕变柔量与时间的关系曲线。

由图4可知，在不同应力水平下，经历相同老化时间的树脂增强生物板的蠕变柔量曲线均不重合。这表明在本试验所考虑的应力水平范围内，树脂增强生物板的蠕变柔量函数不仅仅是加载时间的函数，还与加载的恒定应力有关。可见，树脂增强生物板的蠕变行为呈现出明显的非线性。而且，在相同老化条件下，材料的蠕变速率随着外加的恒定应力水平的增大而增大。这种提高外加恒定应力水平加速材料蠕变的现象与提高温度加速材料蠕变的现象相类似。因此，可以利用时间—应力等效原理对此现象进行分析。

图3　不同老化时间和应力水平下的蠕变曲线Fig. 3　Creep curves under different aged times and stress levels

图4　不同应力水下蠕变柔量曲线Fig. 4　Creep compliance-time curves under different stress levels

2.2　时间-应力等效性分析

时间-应力等效原理认为，材料在较低应力水平下的长期蠕变行为能够由较高应力水平下的短期实验数据通过应力移位因子移位来获得，这使得以短期实验预测材料的长期力学性能变为可能[14]。这不仅为材料长期力学性能的加速表征提供一种研究手段和方法，也是时间-应力等效原理的主要应用价值。

利用时间-应力等效原理，选取本试验所考虑的应力水平范围内的最低应力水平为参考应力。即图4中经历不同老化时间的树脂增强生物板在应力水平为69.2 MPa下的蠕变柔量曲线为参考曲线，将经历相同老化时间的树脂增强生物板在其他应力水平下的蠕变柔量曲线向参考曲线进行水平移位，使所有曲线尽可能的叠合在一起。在3种不同应力水平下（69.2、86.5、103.8 MPa），经历不同老化时间的树脂增强生物板的蠕变柔量曲线通过水平移位后，所构建的在参考应力水平下（σ=69.2 MPa）材料的蠕变柔量主曲线如图5所示。

图5　不同老化时间和应力水平下的蠕变柔量主曲线Fig. 5　Creep compliance master curves under different aged times and stress levels

本弯曲蠕变试验时间为5 h（18 000 s）。对比图4与图5可以看出：利用时间-应力等效原理对蠕变柔量曲线进行水平移位后，未经湿热老化处理的树脂增强生物板蠕变柔量主曲线的时间坐标为105.235 27 s，约为实际蠕变试验时间的9.5倍；经历24 h老化处理的树脂增强生物板蠕变柔量主曲线的时间坐标为105.813 27 s，约为实际蠕变试验时间的36.1倍；经历48 h老化处理的树脂增强生物板蠕变柔量主曲线的时间坐标为106.105 27 s，约为实际蠕变试验时间的70.8倍；经历72 h老化处理的树脂增强生物板蠕变柔量主曲线的时间坐标为106.235 27 s，约为实际蠕变试验时间的95.5倍；经历96 h老化处理的树脂增强生物板蠕变柔量主曲线的时间坐标为106.155 27 s，约为实际蠕变试验时间的79.4倍；经历120 h老化处理的树脂增强生物板蠕变柔量主曲线的时间坐标为106.575 27 s，约为实际蠕变试验时间的208.9倍。

因此，依据时间-应力等效原理所构建的以σ=69.2 MPa为参考应力水平下经历不同老化时间的树脂增强生物板蠕变柔量主曲线能较好的达到在一个较长时间范围内描述、预测材料蠕变行为的效果。

图6表示的是利用时间-应力等效原理，在对经历不同老化时间（0、24、48、72、96、120 h）的树脂增强生物板蠕变柔量曲线进行水平移位时，相应的应力移位因子φ与应力水平之间的关系。

利用线性方程y=ax+b分别对其进行拟合。其中，线性方程中的y和x分别表示为对数坐标下各个不同老化时间下的应力移位因子和应力水平。

表2表示的为不同老化时间下（0、24、48、72、96、120 h），利用线性方程y=ax+b所拟合的应力移位因子随应力变化的数学表达式，式中y为应力移位因子，x为应力水平。

根据图6及表2可知，经历不同老化时间的树脂增强生物板蠕变柔量主曲线水平移位距离的大小与应力水平相关，工作应力水平（σ=69.2 MPa、σ=86.5 MPa、σ=103.8 MPa）与参考应力水平（σ=69.2 MPa）相差越大，水平移位因子的绝对值就越大，表明将蠕变柔量曲线水平移位到参考应力水平处所需要的移位距离越大。

图6　应力移位因子在不同老化时间下随应力的变化Fig.6　Variation of stress factor with stress levels under different aged times

表 2　不同老化时间下线性拟合方程具体参数Table 2　Parameters of linear fitting equation under different aged times

3　结论与讨论

本研究以流变学的基本理论作为出发点，选用树脂增强生物板为研究对象，利用高低温交变湿热试验箱对树脂增强生物板进行了不同老化时长的湿热老化试验，研究了经历不同湿热老化时间的树脂增强生物板在不同应力水平下的弯曲蠕变性能及其时间-应力等效性，得到以下主要结论：

（1）经历相同湿热老化时间的树脂增强生物板在本研究所选取的3种应力水平下的弯曲蠕变规律相似，均具有标准蠕变曲线的第一、二阶段典型特征，即可观测到初始蠕变阶段和稳态蠕变阶段，表明本研究所采用的实验方案是合适的。

（2）经历相同湿热老化时间的树脂增强生物板在不同应力水平下的蠕变性能各不相同，应力水平对材料蠕变性能具有一定的影响。在相同老化条件下，材料的蠕变速率随着外加的恒定应力水平的增大而增大。

（3）利用时间-应力等效原理，将不同应力水平下材料的蠕变柔量曲线沿对数时间轴水平移位，构建了经历不同湿热老化时间的树脂增强生物板在参考应力水平下（σ=69.2 MPa）的蠕变柔量主曲线，从而可以通过较高应力水平下的短期蠕变行为来预测材料在较低应力水平下的较长期的蠕变行为。

然而，影响树脂增强生物板物理老化的因素有很多。本研究仅考虑了湿热耦合作用对树脂增强生物板蠕变性能的影响，尚未探讨太阳辐射单因素以及温度、湿度、太阳辐射等多因素耦合作用对树脂增强生物板蠕变性能的影响，这将是下一阶段的研究重点。