一种碳纤维布增强杨木单板层积材及其制备方法

摘要

一种碳纤维布增强杨木单板层积材及其制备方法，它涉及单板层积材及其制备方法。本发明的目的是要解决现有杨木单板层积材的力学强度不高，碳纤维和木材的界面结合能力差，易出现品层离的问题。一种碳纤维布增强杨木单板层积材由7块杨木单板和2块碳纤维布制备而成，且由上至下依次为杨木单板、表面处理后的碳纤维布、杨木单板、杨木单板、杨木单板、杨木单板、杨木单板、表面处理后的碳纤维布和杨木单板。制备方法：首先对碳纤维布预处理，然后再进行涂胶，最后进行热压，得到碳纤维布增强杨木单板层积材。本发明可获得一种碳纤维布增强杨木单板层积材及其制备方法。

说明书

技术领域

本发明涉及单板层积材及其制备方法。

背景技术

自1976年芬兰Finfores公司与Rate公司合作建成世界上第一条单板层积材生产线以来，单板层积材得到了快速发展，我国从上世纪80年代中期开始研究这种产品，但当时还主要研究的非结构用单板层积材。伴随着经济的迅猛发展和对建筑结构用材的高要求，非结构用单板层积材明显不能满足工程结构需求，亟待把研究目标转向结构用单板层积材，从而提升产品力学强度，扩大其应用范围。

碳纤维具有比重小、耐热性极好、热膨胀系数小、导热系数大、耐腐蚀性和导电性良好等优点，可作为一种增强材料应用到单板层积材产品领域。但碳纤维和木材表面具有相反的极性(碳纤维表面光滑)，即使在两者界面添加胶黏剂的情况下，胶合强度也不甚理想，这成为制约单板层积材产品强度升级的关键技术难题之一。

发明内容

本发明的目的是要解决现有杨木单板层积材的力学强度不高，碳纤维和木材的界面结合能力差，易出现品层离的问题，而提供一种碳纤维布增强杨木单板层积材及其制备方法。

一种碳纤维布增强杨木单板层积材由7块杨木单板和2块碳纤维布制备而成，且由上至下依次为杨木单板、表面处理后的碳纤维布、杨木单板、杨木单板、杨木单板、杨木单板、杨木单板、表面处理后的碳纤维布和杨木单板。

一种碳纤维布增强杨木单板层积材的制备方法，具体是按以下步骤完成的：

一、向硅烷偶联剂KH550中加入溶剂，得到浓度为1.0％～2.5％的硅烷偶联剂KH550溶液；将碳纤维布浸入到浓度为1.0％～2.5％的硅烷偶联剂KH550溶液中5min～15min，再将碳纤维布从浓度为1.0％～2.5％的硅烷偶联剂KH550溶液中取出，再在温度为100℃～130℃下干燥15min～25min，得到表面处理后的碳纤维布；

二、将7块杨木单板按照顺纹组坯，得到顺纹组坯后的7块杨木单板；再将2块表面处理后的碳纤维布分别放置在顺纹组坯后的7块杨木单板的第1块杨木单板与第2块杨木单板之间和第6块单板与第7块单板之间；再对顺纹组坯后的7块杨木单板中间的5块杨木单板和2块表面处理后的碳纤维布的上下表面进行涂胶；再对顺纹组坯后的7块杨木单板的第1块杨木单板的下表面和第7块杨木单板上表面进行涂胶，再进行陈化20min～30min，得到涂胶后的组坯；

步骤二中所述的涂胶量为140g/m²～150g/m²；

三、将涂胶后的组坯在温度为120℃～140℃和压力为6.0MPa～6.5MPa下热压9min～13min，再自然冷却至室温，得到碳纤维布增强杨木单板层积材。

本发明的优点：

一、本发明得到的碳纤维布增强杨木单板层积材具有强度高，适用范围广，不易层离等优点；

二、本发明得到的碳纤维布增强杨木单板层积材的静曲强度为62MPa～65MPa，弹性模量为8808MPa～8810MPa，剪切强度为8MPa～9MPa。

本发明可获得一种碳纤维布增强杨木单板层积材及其制备方法。

附图说明

图1为试验一步骤三得到的碳纤维布增强杨木单板层积材的结构示意图；图1中1为杨木单板，2为表面处理后的碳纤维布。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式是一种碳纤维布增强杨木单板层积材由7块杨木单板和2块碳纤维布制备而成，且由上至下依次为杨木单板、表面处理后的碳纤维布、杨木单板、杨木单板、杨木单板、杨木单板、杨木单板、表面处理后的碳纤维布和杨木单板。

本实施方式的优点：

一、本实施方式得到的碳纤维布增强杨木单板层积材具有强度高，适用范围广，不易层离等优点；

二、本实施方式得到的碳纤维布增强杨木单板层积材的静曲强度为62MPa～65MPa，弹性模量为8808MPa～8810MPa，剪切强度为8MPa～9MPa。

本实施方式可获得一种碳纤维布增强杨木单板层积材及其制备方法。

具体实施方式二：本实施方式是一种碳纤维布增强杨木单板层积材的制备方法，具体是按以下步骤完成的：

一、向硅烷偶联剂KH550中加入溶剂，得到浓度为1.0％～2.5％的硅烷偶联剂KH550溶液；将碳纤维布浸入到浓度为1.0％～2.5％的硅烷偶联剂KH550溶液中5min～15min，再将碳纤维布从浓度为1.0％～2.5％的硅烷偶联剂KH550溶液中取出，再在温度为100℃～130℃下干燥15min～25min，得到表面处理后的碳纤维布；

二、将7块杨木单板按照顺纹组坯，得到顺纹组坯后的7块杨木单板，由上至下依次为1#杨木单板、2#杨木单板、3#杨木单板、4#杨木单板、5#杨木单板、6#杨木单板和7#杨木单板，在1#杨木单板与2#杨木单板之间放置1块表面处理后的碳纤维布，在6#杨木单板与7#杨木单板之间放置1块表面处理后的碳纤维布，对2#杨木单板、3#杨木单板、4#杨木单板、5#杨木单板、6#杨木单板和两块表面处理后的碳纤维布的上下表面进行涂胶，对1#杨木单板的下表面进行涂胶，对7#杨木单板的上表面进行涂胶，然后按由上至下依次为1#杨木单板、表面处理后的碳纤维布、2#杨木单板、3#杨木单板、4#杨木单板、5#杨木单板、6#杨木单板、表面处理后的碳纤维布和7#杨木单板的顺序，且按照顺纹进行胶接，再进行陈化20min～30min，得到涂胶后的组坯；

步骤二中所述的涂胶量为140g/m²～150g/m²；

三、将涂胶后的组坯在温度为120℃～140℃和压力为6.0MPa～6.5MPa下热压9min～13min，再自然冷却至室温，得到碳纤维布增强杨木单板层积材。

本实施方式的优点：

一、本实施方式得到的碳纤维布增强杨木单板层积材具有强度高，适用范围广，不易层离等优点；

二、本实施方式得到的碳纤维布增强杨木单板层积材的静曲强度为62MPa～65MPa，弹性模量为8808MPa～8810MPa，剪切强度为8MPa～9MPa。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：步骤一中所述的溶剂为质量分数80％～90％的乙醇溶液。其他步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：步骤一中向硅烷偶联剂KH550中加入溶剂，得到浓度为1.5％的硅烷偶联剂KH550溶液。其他步骤与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：步骤一中将碳纤维布浸入到浓度为1.5％的硅烷偶联剂KH550溶液中10min，再将碳纤维布从浓度为1.5％的硅烷偶联剂KH550溶液中取出。其他步骤与具体实施方式一至三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：步骤一中在温度为120℃下干燥15min，得到表面处理后的碳纤维布。其他步骤与具体实施方式一至四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：步骤二中所述的胶为脲醛树脂。其他步骤与具体实施方式一至五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是：所述的胶中含有的固体含量为55％。其他步骤与具体实施方式一至六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是：步骤二中所述的涂胶量为145g/m²。其他步骤与具体实施方式一至七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同点是：步骤二中将7块杨木单板按照顺纹组坯，得到顺纹组坯后的7块杨木单板，由上至下依次为1#杨木单板、2#杨木单板、3#杨木单板、4#杨木单板、5#杨木单板、6#杨木单板和7#杨木单板，在1#杨木单板与2#杨木单板之间放置1块表面处理后的碳纤维布，在6#杨木单板与7#杨木单板之间放置1块表面处理后的碳纤维布，对2#杨木单板、3#杨木单板、4#杨木单板、5#杨木单板、6#杨木单板和两块表面处理后的碳纤维布的上下表面进行涂胶，对1#杨木单板的下表面进行涂胶，对7#杨木单板的上表面进行涂胶，然后按由上至下依次为1#杨木单板、表面处理后的碳纤维布、2#杨木单板、3#杨木单板、4#杨木单板、5#杨木单板、6#杨木单板、表面处理后的碳纤维布和7#杨木单板的顺序，且按照顺纹进行胶接，再进行陈化30min，得到涂胶后的组坯。其他步骤与具体实施方式一至八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同点是：步骤二中在温度为120℃和压力为6.5MPa下热压11min，再自然冷却至室温，得到碳纤维布增强杨木单板层积材。其他步骤与具体实施方式一至九相同。

采用以下试验验证本发明的有益效果：

试验一：一种碳纤维布增强杨木单板层积材的制备方法，具体是按以下步骤完成的：

一、向硅烷偶联剂KH550中加入溶剂，得到浓度为1.5％的硅烷偶联剂KH550溶液；将碳纤维布浸入到浓度为1.5％的硅烷偶联剂KH550溶液中10min，再将碳纤维布从浓度为1.5％的硅烷偶联剂KH550溶液中取出，再在温度为120℃下干燥15min，得到表面处理后的碳纤维布；

步骤一中所述的溶剂为质量分数90％的乙醇溶液；

二、将7块杨木单板按照顺纹组坯，得到顺纹组坯后的7块杨木单板，由上至下依次为1#杨木单板、2#杨木单板、3#杨木单板、4#杨木单板、5#杨木单板、6#杨木单板和7#杨木单板，在1#杨木单板与2#杨木单板之间放置1块表面处理后的碳纤维布，在6#杨木单板与7#杨木单板之间放置1块表面处理后的碳纤维布，对2#杨木单板、3#杨木单板、4#杨木单板、5#杨木单板、6#杨木单板和两块表面处理后的碳纤维布的上下表面进行涂胶，对1#杨木单板的下表面进行涂胶，对7#杨木单板的上表面进行涂胶，然后按由上至下依次为1#杨木单板、表面处理后的碳纤维布、2#杨木单板、3#杨木单板、4#杨木单板、5#杨木单板、6#杨木单板、表面处理后的碳纤维布和7#杨木单板的顺序，且按照顺纹进行胶接，再进行陈化30min，得到涂胶后的组坯；

步骤二中所述的胶为脲醛树脂，固体含量为55％；

步骤二中所述的涂胶量为145g/m²；

三、将涂胶后的组坯在温度为120℃和压力为6.5MPa下热压11min，再自然冷却至室温，得到碳纤维布增强杨木单板层积材。

图1为试验一步骤三得到的碳纤维布增强杨木单板层积材的结构示意图；图1中1为杨木单板，2为表面处理后的碳纤维布。

试验二：一种碳纤维布增强杨木单板层积材的制备方法，具体是按以下步骤完成的：

一、将7块杨木单板按照顺纹组坯，得到顺纹组坯后的7块杨木单板，由上至下依次为1#杨木单板、2#杨木单板、3#杨木单板、4#杨木单板、5#杨木单板、6#杨木单板和7#杨木单板，在1#杨木单板与2#杨木单板之间放置1块碳纤维布，在6#杨木单板与7#杨木单板之间放置1块碳纤维布，对2#杨木单板、3#杨木单板、4#杨木单板、5#杨木单板、6#杨木单板和两块碳纤维布的上下表面进行涂胶，对1#杨木单板的下表面进行涂胶，对7#杨木单板的上表面进行涂胶，然后按由上至下依次为1#杨木单板、碳纤维布、2#杨木单板、3#杨木单板、4#杨木单板、5#杨木单板、6#杨木单板、碳纤维布和7#杨木单板的顺序，且按照顺纹进行胶接，再进行陈化30min，得到涂胶后的组坯；

步骤一中所述的胶为脲醛树脂，固体含量为55％；

步骤一中所述的涂胶量为145g/m²；

二、将涂胶后的组坯在温度为120℃和压力为6.5MPa下热压11min，再自然冷却至室温，得到碳纤维布增强杨木单板层积材。

试验三：杨木单板层积材的制备方法，具体是按以下步骤完成的：

一、将7块杨木单板按照顺纹组坯，得到顺纹组坯后的7块杨木单板，由上至下依次为1#杨木单板、2#杨木单板、3#杨木单板、4#杨木单板、5#杨木单板、6#杨木单板和7#杨木单板，对2#杨木单板、3#杨木单板、4#杨木单板、5#杨木单板和6#杨木单板的上下表面进行涂胶，对1#杨木单板的下表面进行涂胶，对7#杨木单板的上表面进行涂胶，然后按由上至下依次为1#杨木单板、2#杨木单板、3#杨木单板、4#杨木单板、5#杨木单板、6#杨木单板和7#杨木单板的顺序，且按照顺纹进行胶接，再进行陈化30min，得到涂胶后的组坯；

步骤一中所述的胶为脲醛树脂，固体含量为55％；

步骤一中所述的涂胶量为145g/m²；

二、将涂胶后的组坯在温度为120℃和压力为6.5MPa下热压11min，再自然冷却至室温，得到杨木单板层积材。

对试验一步骤三得到的碳纤维布增强杨木单板层积材、试验二得到的碳纤维布增强杨木单板层积材和试验三得到的杨木单板层积材进行力学测试；测试规范依据中华人民共和国国家标准GB/T 20241-2006执行，选取静曲强度、弹性模量、剪切强度做为材料力学性能指标。具体测试数据见表1，表1为力学性能测试结果。

表1

静曲强度(MPa)弹性模量(MPa)剪切强度(MPa)试验一62.68808.538.31试验二60.38763.014.21试验三39.35682.745.83

从表1中试验一和试验二的力学性能数据可以看出，试验一中利用硅烷偶联剂KH550对碳纤维布进行处理，并不会对碳纤维布增强杨木单板层积材的静曲强度和弹性模量产生明显影响，但是对碳纤维布增强杨木单板层积材的剪切强度影响较大，试验一得到的碳纤维布增强杨木单板层积材比试验二得到的碳纤维布增强杨木单板层积材的剪切强度提高了97.4％。由于剪切强度是表征单板层积材胶合质量的性能参数，说明试验一解决了碳纤维与木材界面结合性能差的问题，提高了木材的胶合质量，减少了成品层离现象。

从表1中试验二和试验三的力学性能数据可以看出，碳纤维布的加入提高了杨木单板的的静曲强度和弹性模量，试验二加入碳纤维布得到的碳纤维布增强杨木单板层积材比试验三未加入碳纤维得到的杨木单板层积材的静曲强度和弹性模量分别提高了53.4％和54.2％，说明加入碳纤维布后，杨木单板层积材的力学强度得到了明显提升。另一方面试验二得到的碳纤维布增强杨木单板层积材比试验三得到的杨木单板层积材剪切强度有所下降，也印证了碳纤维与木材胶合质量差的事实。