（木材科学与技术专业论文）高品质公交车底板耐老化性能研究.pdf

摘要 本次论文的研究对象为依据国家“8 6 3 ”课题“木材竹材复合材料制造技术”开发并 在连云港东森科技发展有限公司生产的一种底板。由于该种底板应用在运行条件比较复杂 的城市公交车上，对性能要求很高，并具有一定的使用周期，因此有必要对这种新产品的 使用性能进行一个综合的分析。 本次研究主要分两部分，首先根据现在木质产品使用性能评价上采用比较多的老化 方法a s t md 1 0 3 7 ，对该板进行六周期循环人工老化试验，分析板材的耐水性、尺寸 稳定性、各项力学性能值以及加速老化过程中力学性能的衰减程度，对产品的耐候性 能进行一个比较详细的分析；第二，在南京跃进汽车集团公司汽车研究所将板材跟随车 架进行模拟装载分析，根据车架适用性能检测方法，将板与车架一起进行4 s 万次扭转、 5 0 万次弯曲试验、以及3 0 0 0 公里可靠性路面试验，分析板材的实际使用教果，从而为 该类板的生产改进和实际应用提供一个可靠的测试手段和评价方法。 经过a s t md 1 0 3 7 六个老化周期，调质4 8 小时处理后，板材的耐水性、尺寸稳定性 表现的非常好。2 4 小时吸水性为8 3 9 ，厚度膨胀率变化为5 1 l ，2 4 小时吸水厚度 膨胀率分别为2 8 3 。 对板材的静态力学性能进行分析，试验采用老化处理前后两种厚度进行分析。采用起 始厚度计算的结果，各项性能的保留率大部分在8 5 以上，计算结果在各老化周期中变 化不明显。采用老化后试件的实际厚度进行计算，各项性能的保留率在7 0 以上，。扳材 的衰减规律较为明显。厚度对试验结果影响非常大。采用曲线参数估计法对板材m o r 、 m o e 进行回归分析，通过分别采用的曲线指数和对数曲线分析检验，发现采用指数回归 趋势线拟合效果较好。 在板材模拟装载分析方面，进行测试的几块板材的外观变化均未出现分层、开裂等 破坏现象，同未进行试验的板材进行比较，5 0 万次弯曲试验后，板材的各项力学性能 保留率均在9 0 以上，4 5 万次扭转试验和模拟装载进行3 0 0 0 k m 可靠性路面试验后的 各项力学性能保留率在8 5 以上。 总的来说，若产品无质量问题，该种底板可以很好的满足公交车上的使用要求j 板 材的性能寿命使用周期甚至超过车架的寿命使用周期。 关键词：公交车底板；竹木复合：加速老化；耐候性：模拟装载； a b s t r a c t 1 1 1 i sp r o j e c tw a ss p o n s o r e db yn a t i o n a ln a t u r a lf o u n d a t i o no fc h i n af o r8 6 3p r o g r a m , m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yo fw o o d b a m b o oc o m p o s i t e s t h i sp a p e rf o c u s e do nak i n do f f l o o r i n gp a n e lu s e di nc i t yb u s w h i c hw a sm a n u f a c t u r e di nd o n g s e ns c i e n c e & t e c h n o l o g y l t d c o ，l i n y u n g a n g b e c a u s eo ft h ec o m p l e xc o n d i t i o ni nt h ec i t yb u sr u n n i n g ，i ti sn e c e s s a r yt o e v a l u a t ea n da n a l y s i st h ea p p l i c a t i o np r o p e r t i e sa n dt h ep e r i o d so f t h i sn e wp r o d u c t s t h i sp a p e rh a dt w op a r t s ：f i r s t ，a c c o r d i n gt oa s t md1 0 3 7a c c e l e r a t e d 孵n gm e t h o d w h i c hw a su s e dw i d e l yi nt h ef i e l do fw o o d - b a s e dp r o d u c t s ，w ee v a l u a t e dt h ed i m e n s i o n s s t a b i l i t y , t h e 喀n g r e s i s t a n c eo fw a t e r , t h ea g i n g - r e s i s t a n c eo fb e n d i n gp e r f o r m a n c eo ft h i s p a n e l ，a n da p p e a r a n c ec h a n g ei ne a c ha c c e l e r a t e d - a g i n gc y c l i n g d e t a i l e dc o m p a r e da n a l y s i so f c o n t r o lp a n e l sa n dp a n e l sa f t e ra c c e l e r a t e d - a g i n gw a si n c l u d e di nt h i sp a p e r s e c o n d ，s i m u l a t e d l o a d i n gw i t ha c t u a lv e h i c l e d e s kw a si n c l u d e dw h i c hc o n t a i n e d4 5 0 ，0 0 0t i m e st o m i o n ，5 0 0 ，0 0 0 t i m e sb e n d i n ge x p e r i m e n t s ，a n d3 , 0 0 0k i l o m e t e r sr e l i a b l er o a ds u r f a c ee x p e r i m e n t s ，a l s o c o m p a r e d w i t hn o n - l o a d i n gp a n e l s t h ea i mw a st oe v a l u a t et h ea c t u a la p p l i c a t i o np e r f o r m a n c e a n dg i v eh e l pf o rt h eq u a l i t yi m p r o v e m e n t a f t e ra s t md1 0 3 7 6 - c y c l e a c c e l e r a t e da g i n g ，a n d4 8 - h o u r se q u i l i b r i u m ，t h e p e r f o r m a n c e ss h o w e dw e l l t h e2 4 h o u r sw a t e ra b s o r p t i o nw a s8 3 9 ，t h et h i c k n e s ss w e l l i n g w a s5 1 l 。t h e t h i c k n e s ss w e l l i n g a f t e r 2 4 h o u r s w a t e r a b s o r p t i o n w a s 2 8 3 t h es t a t i cb e n d i n gp r o p e r t i e s 、e r ea n a l y z e da n dc a l c u l a t e di nt h ea c t u a lt h i c k n e s sa n d t h i c k n e s sb e f o r ea c c e ! e r a t e d - a g i n g t h er e s u l t so ft w ok i n d so f t h i c k n e s sw e r ed i f f e r e n tg r e a t l y t h ep r e s e r v e dv a l u e sb a s e d - o nt h i c k n e s sb e f o r ea c c e l e r a t e d - a g i n gw a sa b o v e8 5 ，m o r et h a n v a l u e so na c t u a lt h i c k n e s s ( a b o v e7 0 、t h et h i c k n e s sa f f e c t e dr e s u l t sg r e a t l y - a c c o r d i n gt o c u r v ee s t i m a t i o nm e t h o d ，t h ee x p o n e n t i a lr e g r e s s i o nr e s u l t sw e r eb e t t e rt h a nl o g a r i t h m i c r e g r e s s i o n i ns i m u l a t e dl o a d i n gw i t ha c t u a lv e h i c l e - d e s k ，t h e r ew e r en od e l a m i n a t i o u sa n ds p l i t si nt h e t e s t e dp a n e l s c o m p a r e dw i t hc o n t r o lp a n e l s ( n o ti n v o l v e di ns i m u l a t e dl o a d i n g ) ，t h ep r e s e r v e d v a l u e sa f t e r5 0 0 ，0 0 0t i m e sb e n d i n gw e r ea b o v e9 0 ，a n da b o v e8 5 a f t e r4 5 0 ，0 0 0t i m e s t o r s i o na n d3 ，0 0 0k i l o m e t e r sr e l i a b l er o a ds u r f a c ee x p e r i m e n t s i ng e n e r a l ，t h ep a n e l s p r o p e r t i e sc a ng r e a t l ys a t i s f yr e q u i r e m e n t si nc i t yb u sf l o o r i n g p a n e l s , s o m ea s p e c t se v e nl o n g e rt h a nt h ev e h i c l e - d e s ka p p l i c a t i o nl o n g e v i t y k e yw o r d s ：b u s - f l o o r i n gp a n e l s ；w o o d b a m b o oc o m p o s i t e s ； r e s i s t a n c e ；a c t u a ls i m u l a t e d - l o a d i n g 致谢 y 9 0 6 3 12 本论文承蒙国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 课题资助，特致殷切谢意! 两年的研究生涯，一段不长不短的光阴，不仅是个人历练的成长，更是一段相当丰富 的回忆。回首往昔，点点滴滴，师恩难忘。时值此文完成、毕业之际，我衷心地感谢导师 张晓冬副教授两年来对我在学业上的精心指导和在生活上的深切关怀。 衷心的感谢竹材工程研究中心朱一辛、关明杰两位老师在研究生阶段给予我的关心和 帮助。 感谢竹材中心的张齐生院士、孙丰文、蒋身学、秦拎等各位老师在试验研究及论文撰 写方面给予的指导和帮助。 感谢同窗好友林龙生、郑秀华、程丽美、范玉凯，师弟张毕蒙，师妹吕林卉、顾东兰、 林举媚，室友曹仁勇、武超、胡东峰，同学陈振兴、李瑜、高峰、眭斌、商宝龙等在研究 生阶段给予我的无私帮助，在这里我衷心向他们致以诚挚的祝福。 特别感谢我的家人多年来对我学业上的理解和鼓励，他们的支持是我成长的最大动 力! 最后，感谢对论文给予评审的各位专家和老师! 班磊 二0 0 六年六月十九日 1 前言 1 1 木竹复合材料的研究发展 天然林保护工程的实施，使我国木材资源供应紧张，随着我国经济的发展和人民生活 水平的提高，人们对木材资源的需求有增无减，出现了木材供需矛盾日益加剧的局面。为 缓解这一矛盾，人们把耳光转向了与木材具有相似组织的竹材资源。竹材被誉为第二森林 资源，是木材的重要替代材料，我国竹材资源丰富，面积和产量占世界第一位。生产结构 复合材，竹材是木材非常有发展前景的替代材料。竹材具有力学强度高、韧性好、耐磨损 等特点，但也有径级小、出材率低、加工效率低等缺点。而人工速生林如杨木、杉木等， 具有加工容易、生产效率高等优点，但同时也存在机械强度差、表面硬度低、残余应力大 等缺点，不宜做工程结构用材。竹木复合材料可有效地发挥木材和竹材各自的优良特性， 通过科学的确定组合形式和胶合工艺，能够获得既降低生产成本，又保证产品内在和外观 质量的双重效果，具有极大的发展潜力。竹木复合材料的研究和开发促进了竹材和人工速 生林的优化利用，在一定程度上缓解了木材的供需矛盾【”。 通过使竹材与木材以相同或不同的结构单元形式进行组合及胶接制成竹木复合材料， 主要指结构用层状竹木复合板。通过复合能使这种复合板具有良好的力学性能，实现轻质 高强的目的。由于它具有足够的强度、刚度和耐久性，可很好地满足结构用材在使用过程 中主要承受外力的作用的要求，同时发挥竹材和木材各自的优良特性，获得既降低生产成 本，又保证产品内在、外观质量的双重效果。通过合理选择木材的材种，科学地确定表面 层竹片的厚度和正确的胶合工艺，现有的汽车车厢底板用竹材胶合板、铁路平车底板、各 种建筑用竹胶合水泥模板等各项技术要求都可以充分地得到满足 2 1 。 1 1 1 国外木竹复合材料的研究 在国外，对竹材物理力学性能及其加工利用的研究主要集中于亚洲一些国家，但总的 来说有关竹木复合材料的研究报道很少。 印度和泰国是世界上生产商品竹较多的国家，其竹子主要是用来造纸，另一个用途是 将竹子与混凝土复合制成竹筋混凝土构件用于建筑，但更深入的研究并没有进行。印度林 o 业研究所的j a i n 等以胶合板为面层、竹材为芯层制造竹木复合板，并测试了其抗压和抗 弯性能以及吸音性能。结果表明：这种结构的竹木复合板质量轻、强度高、吸音性能优良 【3 】。 印度尼西亚国家科学院( l i p i ) 的有关人员对竹木复合胶合板和刨花板进行过初步的探 索。印尼与日本的研究人员合作，对柳木( s a l i xs p p ) 与竹条复合制造高强材料进行过研究， 结果表明：竹材除去竹青和竹黄，将其与柳木条复合，使用酚醛树脂胶或异氰酸酯胶，可 以制造具有很高力学强度的板材。 日本的竹类利用已有上千年的历史，在开发竹类资源和竹材利用方面的研究异常活 跃。日本京都大学木质科学研究所的科研人员对竹木纤维复合材料的性能以及加工设备进 行了研究。该所研究人员还利用有限元法对3 层竹木复合板的应力状态进行分析，结果发 现：板材的应力及其分布与竹木纤维的表，芯层：另外还开展了竹纤维和木纤维按不同比 例混合，分析纤维不同比率对板材物理力学性能的影响，结果表明：增加竹纤维的比率有 助于m o r 和m o e 的提高，但沸水煮后板材的线性膨胀也相应增加。日本s h i m a n e 大学 研究人员通过增强木材胶合板的机械性能进行研究，胶合板的上下层之间，并按不同角度 配置组坯胶合，结果显示：竹条长度方向与胶合板单板的纹理成4 5 。c 胶合时，其各项力 学性能都有很大提高，尤其是剪切强度提高最为显著，认为这种方法可以扩大应用到其它 竹木复合材料中【引。 1 1 2 国内木竹复合材料的研究 在国内，无论竹木复合材料研究的内容、范围、还是深度，我国一直都处于世界的领 先地位。 以南京林业大学张齐生院士为代表的科研人员在竹材胶合板研究的基础上成功地研 制开发了竹木复合集装箱底板。该研究是以毛竹和速生材马尾松为原料，应用正交异性复 合层板的弯曲理论，对竹木复合集装箱底板的结构和性能进行了理论设计和试验验证，系 统地研究了压缩率和成型工艺对竹木复合集装箱底板性能的影响，并与传统热带阔叶树材 底板的性能进行了对比分析通过模拟装载、加速老化、疲劳破坏及循环滚压破坏试验， 对集装箱底板的新型替代品竹木复合集装箱底板的机械性能进行了研究，并与现 行使用的阿必东胶合板底板作了对比分析【3 l 。 在车厢底板方面：南京林业大学的朱一辛、蒋身学采用马尾松作芯板、竹片作表板、 酚醛树脂作胶粘剂，制造汽车车厢底板用竹木复合板。在确定的涂胶量、热压温度、 热压时间条件下，研究了不同的热压压力与竹木复合板性能的关系，得出了适宜的热 压工艺条件。研究结果表明，竹木复合板的物理力学性能达到林业行业标准l y t 1 0 5 5 2 0 0 2 汽车车厢底板用竹材胶合板规定的指标值，为充分、合理、经济、有效地 利用竹木资源提供了依据1 4 j 。 王思群【5 】等对竹木复合定向刨花板强度性能进行了探索，发现：胶种对竹木复合定 向刨花板的强度影响不大；降低刨花厚度或提高板密度均可提高板材强度；提高竹材 的比率可明显改善板材强度，但不宜过高。殷苏州等用竹席和竹帘对定向刨花板基材 进行覆面处理，结果表明：竹材覆面o s b 的物理力学性能和耐劳化性能较基材均有很 大改善。 在竹木复合地板开发方面，通常是以竹材作为表层材料( 利用其强度大、装饰性好 的优点) ，以木条、木单板、中纤板作为芯层材料。产品按表面结构分为弦切和径切竹 木复合地板；按颜色可分为素色和炭化竹木复合地板。竹木复合地板可以充分利用径 级小、材质较差的人工林木材，竹材利用率高、投资少、见效快，国内已有许多厂家 生产此类产品 5 1 。 在产品开发方面，南京林业大学竹材研究中心通过与企业合作，完成了复合材料结 构设计模型及复合技术体系构建，同时建立了木竹复合结构材料示范工厂“连云港市东 森科技发展有限公司”，研制生产的高品质公交车底板、顶板、围板，具有很好的耐火、 耐腐蚀性且力学性能优良，已在南京市公交总公司完成了装车试验1 6 】。 1 2 本课题研究的目的及意义 在汽车、火车车厢底板上很长一段时间用的多为竹材胶合板，由于竹材在力学性能 较普通木材优越，成为制造车厢底板的理想材料。随着竹材工业化利用的广泛开展，毛 竹大幅度增值，竹材胶合板制造成本也随之大幅度上升，竹材胶合板的生产和使用因而面 临着严峻的考验。为充分合理利用竹材的优良性能，研究采用以价格较毛竹低廉且资源丰 富的速生杨木等材料代替部分竹材生产竹木复合板，应用于汽车车厢底板，达到功能不变 而成本下降的目的，这对促进竹木资源的合理、经济、高效利用，具有一定的现实意义1 4 】。 本次研究的高品质竹木复合材料为连云港市东森科技发展有限公司生产，现已在南京 市公交总公司完成了装车试验。这种材料是由速生杨木和竹材复合而成。该板充分利 用竹篾具有在承受很大压力并产生极大挠度时不易折断的特性，将其以网状的形式均匀 铺装于杨木单板间，起到类似钢筋混凝土中钢筋的作用，具有很高的抗冲击韧性，能够 可靠地保证如大型公交客车在超员并紧急刹车情况下乘客对底板产生很大的冲击，使底板 不易发生断裂，从而保证了乘客的安全【6 】。 目前我国城市公交车辆的车身结构型式主要为半承载式，车内乘客的分布是极不均匀 的，车辆主要承受随机性的交变载荷，应力变化多端，而在设计、试验时，又往往都按均 布载荷处理，显然与实际使用情况的受力情况有较大的差异，再加上城市公交车辆运行交 通条件复杂，起步、制动、停车较频繁，交通运能与运量增长比例严重失调，使大多数车 辆处于超负荷运行状态【3 j 。 本次研究拟通过对该种底板跟随实际车架进行4 5 万次扭转、5 0 万次弯曲试验、以 及在满载情况下的3 0 0 0 公里可靠性路面试验，同时依据a s t md 1 0 3 7 对材料进行加速 老化实验，对该种新产品的具体使用性能主要是耐候性模拟作一个详细的评价和分析， 同时为该类板的生产改进和实际应用提供一个可靠的测试手段和评价方法。 1 3 国内外木质复合材料耐候性的相关研究情况 木质复合材料( w o o d - - b a s e dc o m p o s i t e s ) 是以木材其各种形式( 包括纤维、单板和刨 花等) 为基体材料，再加上其他的结构材料或功能材料复合而成的、具有某些特定性能的 复合材料1 9 j 。木质复合材料不仅可以减少或克服木材的不良性质，而且能够使这种新型材 料具有原来单一组分材料所不具有的优良品质，从而扩展了木材的应用领域【1 0 】。 木质复合材料不仅包括各种人造板、层积复合制品、大型成材、木结构等，也包括许 多木质与非木质材料的复合材料。木质复合材料的生产一方面可以提高木材的利用率，更 主要的是利用其复合的效果，以改善材料的物理力学特性，例如提高体积和形状的稳定性， 减少各向异性，使密度减小而刚度增大，增加材料的隔热、防火、耐磨、耐腐蚀性能等【l ”。 材料和产品的使用寿命是材料研究和设计使用共同关心的问题，对于一种新开发的产 品，人们都期望用加速的方法在试验室用较短时间获得的试验数据预测，估算材料和产品 的寿命【1 2 l 。随着人造板工业的发展，人造板产品的用途也愈来愈广，人造板在使用时的 性能变化规律便是人们所关注的问题。木质复合材料的耐老化性能是衡量产品使用性能的 一项重要指标，它是指木质复合材料交接后抵抗热、水、光等环境因素作用的最大承受能 力，是综合评价木质复合材料实际使用质量优劣的最有说服力的性能指标。由于老化研究 的周期较长及木质复合材料胶接制品的老化机理十分复杂，使之进展缓慢，近年来随着研 究的不断深入细致，多学科间的交融渗透和新技术及新方法的不断涌现，促进了木质复合 材料耐老化性能研究的发展 1 3 】。人工加速老化研究是根据板材使用时须经受不同季节的 不同气候变化，如雷雨、高温、霉雨、下雪等相应地选择具有干燥、喷蒸、浸泡和冰冻等 标准来模拟。人们通过加速老化和室外自然老化的对比，探讨人造板的物理力学性能随气 候变化的规律、产生性能变化的原因以及不同的外界环境因素对性能的影响频度。 1 3 1 国外木质复合材料耐候性研究情况 本世纪五十年代起，世界上一些国家，如美国、法国、西德、日本、前苏联和英国等 许多科学工作者相继开展了术质复合材料耐久性的研究。其中，美国在质复合材料耐久性 方面的研究较为领先，而其它一些国家根据本国的一些气候特点，也相继开展了这一方面 的研究，并制定了一些相应人工加速老化的方法。 瑞典林产品研究实验室的e b a c k 和e s a n d s t r o m 1 4 1 研究一些加速老化方法预测木质人 造板的耐候性需要考虑的因素时，认为在设计和选择比较好的加速老化方法来预测板材的 耐老化性时，需要全面的了解含水率、温度以及胶层的化学变化对木质产品的影响。在进 行力学性能如弯曲强度、弯曲破坏应力的测定时，应该对老化前后的厚度进行全面的衡量， 对于弯曲性能的测定，试件的含水率是最重要的影响因素。 自从1 9 世纪三十年代，美国国家标准局( t h en a t i o n a lb u r e a uo fs t a n d a r d s ) 定义了 a s t md 1 0 3 7 六周期循环加速老化方法后【l ”，人们对它的关切程度一直没有降低。a s t m d 1 0 3 7 主要用来研究酚醛胶类木质人造板产品的耐老化性，但其使用过程中最大的问题就 是花费的时间太长，至少要两周半的时间，再一方面就是条件非常的苛刻，而且试验结束 后在测定试件的强度和刚度时还需要至少4 8 小时的调质处理，因此在产品的质量控制 检查中得不到广泛的应用。人们对a s t md 1 0 3 7 的主要研究方向也主要集中在如何缩短 加速老化时间，简化试验条件，一般环境下即可进行。 一些研究人员通过研究认为，在a s t md 1 0 3 7 每一周期中，可以去掉2 0 小时的冷冻 环节，因为其对结果的影响不大【1 4 】。美国西海岸胶粘剂协会于1 9 6 8 年提出了一种新的 w c a m a 六循环老化法，这种老化法与a s t m 老化法以及室外老化5 年所得的结果几乎 没有差别，w c a m a 老化法只需六天就可完成试验【1 6 】。而且c h o w 和j a n o w i a k 1 7 】通过研 究发现w c a m a 和a s t m d l 0 3 7 之间的统一性。c a s t e r 【1 8 1 发现a s t m d 3 4 3 4 的2 0 个连续 4 循环的自动煮沸试验和a s t md 1 0 3 7 老化后的结果相同，但时间上只需要2 3 天。 k n u d s o n 和r o s e n b e r g 1 9 】采用2 小时蒸煮、l 小时冷水浸泡、2 4 小时烘干后的结果和a s t m d 1 0 3 7 的结果具有很好的相关性。l e h m a n n 2 0 采用五周期循环的2 4 小时烘干、2 小时真 空处理、2 2 小时加压浸渍后衰减酚醛胶类刨花板试件的弯曲性能和刚度的衰减与a s t m d 1 0 3 7 六循环结果基本相同，内结合强度的衰减要大于a s t md 1 0 3 7 。r i v e d 2 1 】发现 l e h r n a n n 的五周期循环法和a s t md 1 0 3 7 相比较，不同种类的板材结果会不同。j d o b b i n m e n a t t 、c a r o ll l i n k 通过不同板类的大量试验研究发现：六个老化周期同四个老化周期 对板材的弯曲强度和刚度影响不大，去掉2 0 小时冷冻环节对试验结果没有影响，去掉3 小时蒸汽处理，板材的老化衰减变小，步骤2 0 小时冷冻、3 小时蒸汽处理都去掉的话， 和去掉2 0 小时冷冻的结果差不多，因此有些场合可以换一种方式，节省老化时间；讨论 弯曲强度和刚度时决定于结果计算时采用的起始厚度还是老化后的实际厚度，两者相差很 大【1 卿。 r o n a l dw j o k e r s t 口2 】在研究木糖醇该性的酚醛树脂胶压制的刨花板时，经过一年的户外 耐老化性试验，使用该性的酚醛胶刨花板与未经过该性的刨花板静态弯曲强度及内结合强 度两者变化不大，但经过该性后的酚醛胶刨花板2 4 小时吸水性及厚度膨胀率要小于未经 过该性的，通过加入木糖醇产生的耐水效果和加入石蜡效果相似，从而导致了板材试件对 液态水的吸湿降低，但对水蒸气效果不明显。 r l k r a h m e r 、e c l w e l l l 2 3 】等人采用五中不同的人工加速老化处理( 真空水泡、标准 方法蒸煮2 ，5 ，1 0 ，2 5 个循环、a s t md 3 4 3 4 煮沸法2 0 ，4 0 ，1 0 0 ，2 0 0 个循环、a s t m g 2 3 6 9 老化法以及干湿处理) 与1 0 年室外暴露自然老化的华夫刨花板进行对比，发现真 空水泡、a s t mg 2 3 6 9 老化法、干湿处理三种方法与十年后的结果相差较大，前三者较 为温和，a s t m d 3 4 3 4 煮沸法则和1 0 年自然老化处理的结果相近，能够和1 0 老化的结果 符合8 5 的水平。而且木质产品种类的不同，对不同的人工加速老化方法处理后的结果 也不同。 j a m e sa k x o p o l l l e s 【2 4 】在加拿大不同地点跟踪五年杨木华夫刨花板的自然老化，同几种 典型的人工加速老化方法( a s l md 1 0 3 7 六循环、加拿大标准c s a 2 小时煮沸、法国的 a f n o rv 3 1 3 、美国胶合板协会的a p a 六循环) 处理进行比较分析，认为四种人工老化方 法中后两者比较缓和，而c s a 2 小时煮沸法最剧烈，经过加速老化处理，试件的m o r ， a s t m d l 0 3 7 保留率7 6 5 ，m o e 保留率8 7 9 ，a f n o r 处理m o r 保留率9 0 ，m o e 保留率为9 2 4 ，a p a 处理m o r 保留率8 9 4 ，m o e 保留率9 4 8 ，c s a 处理m o r 、 m o e 保留率分别为5 4 4 、6 9 5 ；比较自然老化，人工加速老化方法产生的厚度膨胀 率变化非常大，对于板材长期室外暴露的弯曲性能变化，a s t md 1 0 3 7 和c s a 2 小时煮沸 模拟效果最好：在室外自然老化过程中，第一年产生的厚度增加及弯曲性能的衰减变化最 大。 1 3 2 国内木质复合材料耐候性研究情况 国内对人造板老化试验的研究，主要集中在9 0 年代前后，其中又以刨花板的研究较 多，胶合板与纤维板的研究相对较少，研究机构又主要集中在国内几所林业院校，福建林 学院、南京林业大学、东北林业大学、中南林学院及中国林业科学研究院等，但系统的研 究较少。 华毓坤、殷苏, ，i , i 1 2 5 l 等人选用美国a s t m 快速老化试验法和法国v 3 1 3 快速老化试验法 对定向刨花板进行快速老化试验，研究意大利杨定向刨花板在老化试验中的性能变化规 律，以及施胶量对定向刨花板耐久性的影响。试验结果表明：老化试验对板性能的影响主 要在试验前期：老化试验对弹性模量( m o e ) 的影响大于静曲强度( m o r ) ，纵向弹性模量和 静曲强度受老化试验的影响小于横向；施胶量增加，可提高酚醛胶刨花板的耐久性，而脲 醛胶刨花板的耐久性与施胶量关系不大；a s t m 快速老化试验条件比v 3 1 3 快速老化试验 条件苛刻，只适用于酚醛胶刨花板，对脲醛胶刨花板进行a s t m 试验，在第一周期的第 二阶段试件完全破坏，因此很难得出确切结论。 张齐生【2 6 】院士选用美国a s t md 1 0 3 7 标准对三层和五层水溶性酚醛树脂胶竹材胶合 板进行耐老化性能试验，经过六个周期后，发现：三层竹材胶合板m o r 的残留率为8 0 1 ， 五层竹材胶合板为6 1 8 ，而a s t md 1 0 3 7 标准规定，当m o r 残留率在5 0 以上时，即 认为可以承受室外条件下使用三年以上的时间，因此认为可满足汽车车厢底扳的使用要 求。 李兰亭【2 7 1 选用国外文献报导的人工促进老化试验条件对d n - 8 号低毒脲醛胶稻壳板老 化性能进行了研究，试件经五个老化周期处理，每个老化周期对胶接强度的影响，相当于 该胶接制品在通常的气候条件下使用2 年所具有的胶接强度，五个周期相当使用1 0 年后 所具有的胶接强度。试验结果表明：经五个老化周期处理后，稻壳板的平面抗拉强度降低 率为1 5 6 3 ，静曲强度最高的降低率为5 1 9 ，这两种强度的降低率都低于3 0 的评价 标准，同时经各周期处理的试件未发现表层稻壳有自动脱落现象，说明在通常气候条件下 6 使用1 0 年仍具有较高的强度。 范毡仔、余德新两人分别对木质人造板【2 8 l 和非木质人造板( 蔗渣刨花板) 1 2 9 进行过系 统的研究。在木质人造板耐候性研究中，通过三年的自然老化和人t a n 速老化( 美国 a s t m 、德国d i n 、英国b s 5 6 6 9 ) 结果对比分析，得出：室外自然老化和加速老化都对 人造板的物理力学性能有显著的影响，厚度膨胀率增大，密度减少；开始曝露时的性能变 化很剧烈，尔后随着陈放年数或循环次数的增加，性能下降幅度逐渐减少；3 年的室外自 然老化与b s 5 6 6 9 的程度相当，但b s 5 6 6 9 加速老化法时间较长。采用a s t md 1 0 3 7 、英 国的b s5 6 6 9 和德国的d i n 6 8 7 3 三种加速老化法来评估人造板的耐候性，以条件严酷的 a s t m 和d i n 法评定具有耐水、耐热性能的胶粘剂制成的人造板和靠木素和氢键等胶结 为主的硬质纤维板，而以条件缓和的b s 5 6 6 9 法评定耐水、耐热性较差的胶粘剂制成的人 造板为宜。在蔗渣刨花板地耐劳化性研究中，老化规律同木质人造板相近，性能下降幅度 随着循环次数地增加而逐渐减少，而且不管哪种加速老化方法，m o e 敏感于m o r 。 龙玲、陈士英【3 0 】对酚醛刨花板进行过加速老化试验研究，结果表明：循环数、冷冻、 喷蒸、干燥等因素对老化结果有不同程度的影响，不同的老化方法对刨花板的m o r ，i b ( 内结合强度) 和t s ( g 度膨胀率) 的影响程度不一样；可采用热水浸泡一干燥循环法 代替a s t md1 0 3 7 的6 循环加速老化试验。经老化处理后，i b 损失率比m o r 损失率要 大，m o r 保留率一般高于5 5 ，m 保留率一般低于4 5 ，t s 一般不超过3 0 。 许莹、宋立民1 3 i 】等人对中密度纤维板和胶合板放置在室外1 2 年自然老化分析板材 各项物理力学性能，发现：经室外自然老化后，板材外观变化较大，中密度纤维板表面结 构疏松，纤维突起；胶合板板面颜色变成深灰，端尖有霉变现象；中密度纤维板随室外自 然老化年限的延长，板厚不断增加，板材密度继续下降；m o r 第一年降低率为5 1 9 ， 第二年降低率为8 1 9 ；胶合板材的i b ，随着老化年度的增加，三层胶合板第一年降低 率为6 7 5 ，第二年为6 0 7 ；五层胶合板第一年降低率为4 3 2 ，第二年降低率为5 3 。 孙丰文1 3 2 等选用a s t md 1 0 3 7 对竹木复合集装箱底板与阿必东胶合板底板的耐老化 性能进行试验研究和对比分析：在加速老化试验过程中，第1 、两个周期对底板的性能 影响最大；随着循环次数的增加，处理条件对试件的作用逐渐减弱。计算m o r 和m o e 时发现若采用原始厚度，得出的结果曲线上下波动，因此考虑每一老化周期后，试件的厚 度发生变化，采用实际厚度，进行测量，结果比较平稳。因此在试验过程应该考虑厚度增 加引起的偏差，这样结果会比较符合实际。 2 高品质公交车底板的生产 2 i 产品介绍： 该产品是利用南京林业大学承担的国家高技术研究发展计划8 6 3 计划课题“木材竹 材复合材料制造技术”课题的主要研究成果，充分利用竹材强度高、韧性好等优势，结合 杨木的低密度特性，运用木竹复合材料产品设计及复合工艺研究结论，经科学合理的 结构设计及复合工艺制造而成。 产品由杨木单板构成基体，竹篾条及高耐水合成树脂构成强化体，辅以装饰性较好的 表面材料经科学的复合工艺压缩、塑化而成。产品由沪东中华造船集团与南京林业大学共 同投资兴建的连云港市东森科技发展有限公司生产【6 】。 该产品现己在南京市公交总公司公交2 6 路车上完成了装车试验，并获得了明年的 订单；并将于近期在北京公交总公司为迎接2 0 0 8 年奥运会而最新研制的单节长1 3 7 米大运力、高科技含量、适合在高速公路上快速行使的环保型公交车上进行装车试验 ( 产品已应北京公交总公司的要求送到北京) 。 2 2 产品特点引： 1 、以高耐水合成树脂并辅以强渗透剂浸渍杨木单板，使杨木单板的木材管孔及缝隙 中浸入一定量的高耐水合成树脂，使得成品板具有极好的耐水性能( 板的表面及侧面几乎 不吸收水分) 从而解决了底板长期使用后，由于水分的渗入而导致的底板腐朽，强度丧失 的问题。具有阻燃、防腐、使用寿命长等优点。 2 、根据公交车的载客及行驶特点，利用竹木复合材料技术，以浸渍酚醛树脂的速生 杨木单板或普通速生杨木单板及竹材为构成元，充分利用竹篾具有在承受很大压力并产生 极大挠度时不易折断的特性，将高强度、高韧性的竹篾条浸渍高耐水合成树脂后按一定规 则的网状结构均匀地置于杨木单板的夹层问，起到类似于钢筋混凝土中钢筋的作用，热压 复合后板材的冲击韧性可以由普通杨木胶合板的4 0 j d 提高到8 0 j 群以上。使产品的抗 冲击性能得以极大的提高。能够保证在公交车辆超员并遇紧急情况刹车乘客对底板产生极 大冲击时，底板的本体不受到破坏，从而保证了乘客的安全。 r 3 、底板表面采用0 2 m m a l 2 0 3 强耐磨层及特殊的轻微不平面处理，使产品表面具有 很好的耐磨性能又具有较大的摩擦系数。同时改变了以往普通底板上铺地板革的安装方 式，降低了安装工时及成本，同时也提高了底板的使用寿命。 图2 - 1 高品质公交车底板在南京公交车上的应用情况 9 2 3 产品生产： 2 3 1 原料： 杨木单板：产自江苏涟水，南京林业大学7 0 年代从意大利引进的黑杨派新无性系品 种( y o p u l u sn i g r al ) 。目前已在中国南方的多数省区进行了大面积试种。生长8 1 0 年， 胸径可达3 0 c m 以上，密度0 2 8 0 4 0 9 c m 3 ，平均纤维长度1 0 4 1 1 3 m m ，长宽比在4 1 o 4 9 6 之间，纤维形态比针叶材差，但接近一般阔叶材水平。木材色泽浅( 边材) 、无气 味、纹理直、材质软【3 3 l 。生产所用单板厚度为两种，o 7 m m 及1 1 m m 。 竹片：毛竹，产自安徽广德，将结构均匀一致的竹材加工成宽2 0 m m 、厚度为1 0 o 0 4 m m 的竹片。胶粘剂：扬州快乐木业生产，水溶性酚醛树脂胶，固含量5 0 ，外观： 棕红色粘稠状液体。 浸胶木浆牛皮纸、浸胶钛白装饰纸、浸胶耐磨纸； 2 3 2 板材生产工艺 板材在连云港市东森科技有限公司生产完成，加工后每张板的幅面2 4 4 0 m m x 1 2 2 0 r a m ，厚度为15 r a m ； 其生产工艺流程为： 区互h 互 叵 口一 叵 哐寸1 互旧h 上 团一固一囡其复合主要工艺参数为： 温度1 3 5 ( 3 - - 1 4 5 。c ； 压力1 o m p a 一4 2m p a ： 时间1 i m i 旷1 3 m i n 每n l i n 板坯厚： 1 0 组坯时由多层杨木单板及四层竹片纵横向交错，竹片分布在板的上下两侧，纵横向交 错成网状结构，结构及产品剖面如下图2 2 、2 3 所示： 图2 2 板材结构中竹材分布示意图 图2 - 3 生产出来的产品剖面图 3 板材的耐老化性能分析 3 1 木质人造板老化机理分析 随着世界人造板工业的发展，其用途也越来越广，由原有用作生产家具、室内装饰材 料转向室外要求较高的建筑业【勰】上用的模板、环境复杂的汽车底板、船舶运输的集装箱 底板等，因此这就要求木质人造板在复杂外界环境( 如：冷、热、干、湿、阳光、紫外线 辐射、氧气、特殊情况下还要受到化学药品、试剂、以及各类微生物等) 的使用的过程中， 具备一定的耐劳化性能。 有关资料研究表明，影响木质人造板耐久性能的几个主要因子为：第一，产品所应用 的外部环境因子的影响，包括温度( 热) 、湿度( 水) 、负荷( 应力) 以及昆虫、微生物侵 袭等：第二，木质复合材料用基体一胶粘剂因子的影响 3 4 1 ；第三，木质材料、制各工艺 的影响【3 5 j ，在胶合过程中，材料的性质如材种、密度、水分、表面润湿性能、表面加工 状态、木材抽提物以及加工工艺均可影响木材胶合性能，原则上也均影响到产品的耐久性 甜蚓。 3 1 1 环境因子的影响 温度( 热) 对材料性能变化的影响主要表现为：环境温度的提高【3 4 1 造成强度损失主 要是热量使材料内部发生各种化学反应( 如分子链断裂、氧化、失水及水解等) ，使分子 由大变小，由于强度损失需时较长，可以认为氧化作用影响不大。温度的提高促进水或水 蒸汽在木材和胶层中的传导和扩散而使木材和胶粘剂之间产生解附作用，降低材料的使用 性能。 水以水蒸气的形式普遍存在于大气之中，尤其是在潮湿而炎热的地区，大气中水分的 含量是很高的，水分子的体积很小，极性又很大，这就决定了它能够渗透到胶层和界面中 去，而木材又是多孔性材料，水分子就更容易沿着木材中的毛细管道向胶接界面及胶层中 渗透【3 5 】，引起材料内部发生化学反应( 分子之间的水解、热解和某些价键的断裂) 和物 理老化作用( 影响玻璃化温度) 1 3 4 ，再有就是引起胶层及木材膨胀，产生应力，从而引 起材料的使用性能下降，强度损失。j d m e n a t t 、t l l a u f e n b e r ：g 【3 q 通过对工字梁以及结 1 2 构用材的研究发现，高湿环境( 相对湿度超过8 0 ) 下会降低木质人造板的力学性能，在荷 载作用下会加快试件的变形。 板材生产过程中产生的内应力、所处环境的温度和湿度变化对板材产生的膨胀干缩应 力、以及板材使用过程中经受长期载荷交变力使材料内部产生的塑性形变是材料性能损失 的另一个因素。 内应力的产生有三个方面瞰】：一是胶层固化过程中因体积收缩而产生的收缩应力： 二是胶粘剂这一基体与木质材料两者的热膨胀系数不同，在受热或冷却时由于尺寸的不同 变化而产生的热应力；三是胶接接头在环境介质中，由于基体胶粘剂或被粘物吸收介质后 导致体积膨胀的程度不同，在界面区常会产生膨胀应力。 我们知道，木质材料和胶粘剂( 尤其是u f 、p f 、m f 等) 都具有o h 、c h 2 0 h 等亲水 基团，当环境的温度和湿度不断地发生变化时，木质材料与基体都不断地吸湿和解析，体 积也不断地膨胀和干缩，由于二者的膨胀、干缩量的差异而产生膨胀、干缩应力3 5 】。随 着时间的延伸，板材在此种循环应力的作用下，材料抵抗破坏的能力逐渐下降，直至完全 破坏。 板材在长期使用过程中，作为承受件受到荷载的连续作用，在恒温、恒湿的条件下叫】， 在负荷小于其破坏应力时，