竹復(fù)合管材濕熱老化性能及其機(jī)理

吳志琴 蘇安雙 張家陽(yáng) 費(fèi)本華 馬建新

(1 黑龍江省水利科學(xué)研究院 哈爾濱 150080；2 國(guó)際竹藤中心 北京 100102；3 浙江鑫宙竹基復(fù)合材料科技有限公司 杭州 311253)

竹纏繞技術(shù)是我國(guó)自主研發(fā)、擁有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)、達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平的先進(jìn)技術(shù)，是我國(guó)乃至全球綠色發(fā)展的代表性民生需求技術(shù)，是充分利用竹資源、精準(zhǔn)扶貧和減緩氣候變化的有效途徑，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有重要地位和作用[1]。竹纏繞復(fù)合管是以竹材作為增強(qiáng)材料、合成樹脂作為黏合劑、采用往復(fù)式機(jī)械纏繞工藝復(fù)合而成、可產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的新型生物基管道[2-3]。竹纏繞復(fù)合管具有拉伸強(qiáng)度高、柔韌性好、耐腐蝕性能強(qiáng)、抗壓能力強(qiáng)、管壁光滑水力阻力系數(shù)小、施工安裝方便等特點(diǎn)，在地埋條件下，能適應(yīng)一定的不均勻沉降，特別是能克服鑄鐵管生銹、腐蝕、結(jié)垢、堵塞等需經(jīng)常維修的缺點(diǎn)，已在黑龍江、新疆、浙江、山東等地的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人民生活中推廣使用[4-7]。實(shí)際服役埋設(shè)和敷設(shè)的竹纏繞復(fù)合管，由于輸送介質(zhì)和服役環(huán)境的多樣化而導(dǎo)致竹纏繞復(fù)合管不可避免地接觸到光、熱、氧、水以及微生物酸堿環(huán)境，在交變應(yīng)力場(chǎng)合下出現(xiàn)熱氧化老化和應(yīng)力開裂，使其力學(xué)性能降低，使用壽命縮短。研究表明，濕熱老化是復(fù)合材料的主要腐蝕失效形式[8-11]，我國(guó)學(xué)者對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的濕熱耐久性能進(jìn)行了一系列研究，但大多數(shù)基于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的改性以及改性后的短期性能[12-14]，沒有考慮改性后在濕熱環(huán)境下的長(zhǎng)期退化規(guī)律。Chen等[15]研究指出，竹纖維增強(qiáng)乙烯基聚酯在濕熱環(huán)境處理后界面剪切強(qiáng)度下降迅速，纖維樹脂界面產(chǎn)生破壞。國(guó)外學(xué)者[16-18]研究表明，纖維濕熱老化后，力學(xué)性能衰減。Kim[19]認(rèn)為，天然植物纖維的吸濕性能遠(yuǎn)大于碳纖維和玻璃纖維。竹子含60%的纖維素，纖維撓度為2°～10°，是重要的植物纖維，其在結(jié)構(gòu)差異性、機(jī)械性能、纖維提取、化學(xué)改性以及熱性能等方面的特性使其能夠廣泛應(yīng)用于纖維復(fù)合材料行業(yè)[20-22]。竹復(fù)合管材能否抵御濕熱老化，關(guān)乎實(shí)際服役管線“生命線”的安全，本文采用加速老化試驗(yàn)方法，探究了不同濕熱老化歷時(shí)下竹復(fù)合管材的拉伸、壓縮和彎曲等性能的變化，以期為加快竹纏繞復(fù)合管的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為竹復(fù)合管材，由浙江鑫宙竹基復(fù)合材料科技有限公司制備。竹復(fù)合管材主要由竹篾、樹脂、防輻射填料、固化劑、網(wǎng)格布等組成，其規(guī)格為300 mm × 300 mm(長(zhǎng)×寬)、厚度10.0～12.0 mm。根據(jù)試驗(yàn)尺寸要求切割試件，試件的切割面采用與板材相同的樹脂封邊。

1.2 濕熱老化

參照GB/T2573-2008《玻璃纖維增強(qiáng)塑料老化性能試驗(yàn)方法》[23]中交變濕熱試驗(yàn)進(jìn)行。將試件置于恒溫恒濕箱內(nèi)(圖1)，濕熱控制以24 h為1個(gè)試驗(yàn)周期，每個(gè)周期分為升溫、高溫高濕、降溫和低溫高濕4個(gè)連續(xù)階段。升溫階段：在1.5～2.5 h間，箱內(nèi)溫度從(25±2) ℃連續(xù)均勻升到(60±2) ℃，相對(duì)濕度除最后15 min不可低于90%外，其余時(shí)間均不低于95%，試件表面應(yīng)出現(xiàn)凝露；高溫高濕階段：箱內(nèi)溫度保持(60±2) ℃，相對(duì)濕度除初始或最后15 min可在90%～100%外，其余時(shí)間均為93%±3%，從循環(huán)開始算起直至(12±0.5) h為止，升溫階段和高溫高濕階段總時(shí)間為(12±0.5) h；降溫階段：在1.5～2.5 h內(nèi)，箱內(nèi)溫度從(60±2) ℃連續(xù)均勻降至(25±2) ℃，相對(duì)濕度除最后15 min可不低于90%外，其余時(shí)間均不低于95%；低溫高濕階段：箱內(nèi)溫度保持在(25±2) ℃，相對(duì)濕度不低于95%，直到24 h循環(huán)結(jié)束，降溫階段和低溫高濕階段總時(shí)間為(12±0.5) h。第1周期起算時(shí)間從試驗(yàn)箱內(nèi)溫度達(dá)到低溫值(25±2) ℃、溫度開始上升時(shí)算起，試驗(yàn)進(jìn)行濕熱老化循環(huán)0、1、5、14、21和28次。

圖1 竹復(fù)合管材的濕熱老化裝置Fig.1 The hygrothermal aging device for bamboo composite pipes

1.3 物理力學(xué)性能測(cè)試

根據(jù)試驗(yàn)周期，分別取出不同濕熱老化歷時(shí)的試件，對(duì)其進(jìn)行狀態(tài)太調(diào)節(jié)24 h后，參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1447-2005[24]、GB/T1448-2005[25]和GB/T 1449-2005[26]，采用CMT5105系列電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、位移傳感器和數(shù)據(jù)采集儀等儀器，測(cè)定不同濕熱老化歷時(shí)的試件物理力學(xué)性能，包括拉伸、壓縮和彎曲性能。

根據(jù)公式(1)計(jì)算試件的拉伸強(qiáng)度，公式(2)和(3)計(jì)算試件的壓縮強(qiáng)度和壓縮彈性模量，公式(4)和(5)計(jì)算試件的彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

在上述公式中：σt：拉伸強(qiáng)度，MPa；F：屈服荷載，N；b：試件寬度，mm；d：試件厚度，mm；σFN：壓縮強(qiáng)度，MPa；P：壓縮屈服荷載，N；EFN：壓縮彈性模量，MPa；σFN″：彈性變形終點(diǎn)ε″FN對(duì)應(yīng)的壓縮應(yīng)力，MPa；σ′FN：彈性變形起點(diǎn)ε′FN對(duì)應(yīng)的壓縮應(yīng)力，MPa；σf：彎曲強(qiáng)度，MPa；P：破壞荷載或最大荷載(在撓度或等于1.5倍試件厚度下呈現(xiàn)破壞的材料，記錄最大荷載或破壞荷載，在撓度等于1.5倍試件厚度下不呈現(xiàn)破壞的材料，記錄該撓度下的荷載)；l：跨距，mm；Ef：彎曲彈性模量，MPa；σ″：彈性變形終點(diǎn)ε″對(duì)應(yīng)的彎曲應(yīng)力，MPa；σ′：彈性變形起點(diǎn)ε′對(duì)應(yīng)的彎曲應(yīng)力，MPa。

1.4 顯微觀測(cè)

采用DSX500光學(xué)數(shù)碼顯微鏡，放大100倍，分別觀測(cè)不同濕熱老化歷時(shí)的試件的微觀結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與分析

2.1 試件質(zhì)量和厚度變化

在交變濕熱老化28次后，試件表面無(wú)龜裂、裂紋，表面光澤，結(jié)構(gòu)層樹脂牢牢粘覆在竹篾表面，外觀與初始狀態(tài)一致，不同老化歷時(shí)的試件質(zhì)量變化率見圖2。可以看出，隨著交變濕熱歷時(shí)的增加，試件質(zhì)量增大，初期質(zhì)量變化率較大，隨著老化歷時(shí)的增加，試件吸水趨于飽和，質(zhì)量變化率變化緩慢，濕熱老化28次后，質(zhì)量變化率大于80%。不同老化歷時(shí)試件厚度變化率見圖3，可以看出，試件初期吸水率大，厚度變化率較大，隨著老化歷時(shí)的增加，試件吸水趨于飽和，試件厚度變化率變化緩慢，盡管試件吸水率較大，但試件的厚度膨脹膨脹率僅為3.33%，比28 h循環(huán)處理法[試件浸入(100±2) ℃沸水中煮4 h，然后在(63±3) ℃的鼓風(fēng)干燥箱干燥20 h，再浸入(100±2) ℃沸水中煮4 h]竹材的吸水厚度膨脹率7.65%減小了約56.86%，按重組竹28 h循環(huán)處理法分級(jí)為T5.0級(jí)。盡管竹復(fù)合管材試件吸水率較大，但試件的厚度膨脹率小于4%，說明竹復(fù)合管材厚度變形比較穩(wěn)定。

圖2 不同濕熱老化歷時(shí)試件的質(zhì)量變化率Fig.2 The mass change rate of specimens with different hygrothermal aging time

圖3 不同濕熱老化歷時(shí)試件的厚度變化率Fig.3 The thickness change rate of specimens with different hygrothermal aging time

2.2 試件的拉伸性能

由圖4可知，經(jīng)不同時(shí)間濕熱老化后，試件的拉伸強(qiáng)度逐漸降低，當(dāng)濕熱老化28次后，拉伸強(qiáng)度降為21.67 MPa，拉伸強(qiáng)度降低34.11%。試件拉伸強(qiáng)度與濕熱老化時(shí)間的擬合方程見公式(6)，可見交變濕熱應(yīng)力使竹復(fù)合管材的拉伸強(qiáng)度呈冪指數(shù)降低。

(6)

式中：σt：拉伸強(qiáng)度，MPa；F：屈服荷載，N；t：濕熱老化時(shí)間，d。

圖4 不同濕熱老化歷時(shí)試件的拉伸強(qiáng)度Fig.4 The tensile strength of specimens with different hygrothermal aging time

2.3 試件的壓縮性能

試件的壓縮強(qiáng)度和壓縮彈性模量隨濕熱老化歷時(shí)變化見圖5。由圖5可知，壓縮強(qiáng)度和壓縮彈性模量均隨老化歷時(shí)的增加而減小，當(dāng)濕熱老化28次后，壓縮強(qiáng)度和壓縮彈性模量分別為18.44 MPa和4.88 GPa，分別降低25.64%和26.39%。壓縮強(qiáng)度和壓縮彈性模量與濕熱老化時(shí)間的擬合方程見公式(7)和(8)，可見交變濕熱應(yīng)力使竹復(fù)合管材壓縮性能呈冪指數(shù)降低。

(7)

(8)

式中：σFN：壓縮強(qiáng)度，MPa；EFN：壓縮彈性模量，MPa；t：濕熱老化時(shí)間，d。

2.4 試件的彎曲性能

試件彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量隨濕熱老化歷時(shí)的變化見圖6。由圖6可知，隨著濕熱老化時(shí)間的延長(zhǎng)，彎曲強(qiáng)度逐漸降低，當(dāng)濕熱老化28次后，彎曲強(qiáng)度降為24.58 MPa，彎曲強(qiáng)度降低26.14%，彎曲彈性模量降為1.53 GPa，彎曲彈性模量降低27.83%。彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量與濕熱老化時(shí)間的擬合方程見(9)和(10)，可以看出，交變濕熱應(yīng)力使竹復(fù)合管材彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量呈冪指數(shù)降低。

(9)

(10)

式中：σf：彎曲強(qiáng)度，MPa；Ef：彎曲彈性模量，MPa；t：濕熱老化時(shí)間，d。

圖5 不同濕熱老化歷時(shí)試件的壓縮性能Fig.5 The compression properties of specimens with different hygrothermal aging time

圖6 不同濕熱老化歷時(shí)試件的彎曲性能Fig.6 The bending properties of specimens with different hygrothermal aging time

2.5 試件的微觀結(jié)構(gòu)

竹復(fù)合管材屬于多孔復(fù)合材料，孔隙包括竹材本身的細(xì)胞腔、細(xì)胞間隙、紋孔、大毛細(xì)管空隙、小毛細(xì)管空隙和加工缺陷等，在竹纖維束、裂紋、薄壁細(xì)胞和細(xì)胞腔之間均形成了膠合界面，基本組織和纖維之間的界面性能以及與結(jié)構(gòu)層樹脂之間的膠合性能直接影響竹纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能。采用DSX500光學(xué)數(shù)碼顯微鏡對(duì)不同濕熱老化歷時(shí)后的試件放大100倍，其超景深微觀結(jié)構(gòu)見圖7。由圖7可知，在交變濕熱應(yīng)力作用下，水通過擴(kuò)散過程進(jìn)入界面，吸附在試件細(xì)胞壁表面的親水基團(tuán)上，通過已吸附的水膜傳遞，在竹材細(xì)胞壁表面產(chǎn)生多層吸附，形成多層水膜，細(xì)胞壁組分中的自由羥基借助氫鍵力和分子間力吸附環(huán)境中的水分子，形成多層吸附水，使結(jié)構(gòu)層樹脂和竹纖維橫向、縱向均發(fā)生濕脹。已有研究指出，竹纖維橫向濕脹是縱向的30倍，縱向濕脹可忽略不計(jì)，結(jié)構(gòu)層樹脂的橫向濕脹率小于竹纖維，不均勻的橫向濕脹使結(jié)構(gòu)層樹脂受拉、竹纖維受壓、結(jié)構(gòu)層樹脂纖維界面產(chǎn)生剪切力，隨著剪切力的增加，結(jié)構(gòu)層樹脂開裂、脫落，纖維樹脂界面形成孔洞和微裂紋，當(dāng)剪切力大于界面粘結(jié)力時(shí)，纖維樹脂界面形成的孔洞和微裂紋有效降低了應(yīng)力傳遞，使纖維/基體界面脫粘以及剪切分層。

注：a) 濕熱老化0 d；b) 濕熱老化1 d；c) 濕熱老化5 d；d) 濕熱老化14 d；e) 濕熱老化21 d；f) 濕熱老化28 d。圖7 不同濕熱老化歷時(shí)試件的微觀結(jié)構(gòu)Fig.7 The microstructure of specimens with different hygrothermal aging time

3 小結(jié)

試驗(yàn)結(jié)果顯示，竹復(fù)合管材在交變濕熱應(yīng)力作用下，其老化性能和老化機(jī)理如下：

1) 初始力學(xué)性能下降較快，隨著交變濕熱老化時(shí)間延長(zhǎng)，其力學(xué)性能趨于平緩，且力學(xué)性能呈冪指數(shù)下降，拉伸劣化大于彎曲，彎曲劣化大于壓縮，模量劣化大于強(qiáng)度，竹復(fù)合管材壓縮濕熱耐久性優(yōu)于彎曲和拉伸。

2) 樹脂和竹纖維均發(fā)生不均勻濕脹，樹脂受拉、竹纖維受壓、界面產(chǎn)生剪切力，樹脂開裂、脫落，纖維樹脂界面形成孔洞和微裂紋，當(dāng)剪切力大于界面粘結(jié)力時(shí)，纖維樹脂界面形成的孔洞和微裂紋降低了有效應(yīng)力傳遞，使纖維/樹脂界面脫粘以及剪切分層。