陶瓷辊棒增强杨木单板复合层板结构与工艺

　　结构用集成材和单板层积材是制备现代木建筑承载木构件的主要材料。层板是集成材的构成单元，通常由实木板材加工而成，为了满足结构用集成材承载能力的需要，要求层板尤其是最外层板具有优良的物理力学性能，并符合相应的强度等级。由于我国适用于结构用集成材的天然林木材资源匮乏，故以人工林木材为原料，采取复合增强技术开发工程结构材料，对于解决木结构用材的需求，缓解优质木材短缺的矛盾，促进人工林的发展具有重要的现实意义。本文以杨木单板为基材，陶瓷辊棒布为增强材料，按照单板层积材的结构设计，制备陶瓷辊棒布增强杨木单板复合层板。主要研究内容包括：结构用复合层板的结构设计，试验分析陶瓷辊棒布在层板中的铺放位置及层数对层板性能的影响，为优化复合材料层板的结构提供依据；陶瓷辊棒布增强复合层板的制备工艺和性能，分别采取单因子和多因子正交表进行热压胶合制板试验，通过对试验因子的极差与方差分析研究陶瓷辊棒布增强复合层板制备的优化工艺；以复合材料力学层合板的刚度与强度理论为基础，建立陶瓷辊棒布增强杨木单板复合层板的刚度预测模型，对复合层板的多种试验结构加以检验，对比实测值考察拟合性能，研究复合材料层板的增强机理。陶瓷辊棒布在板坯中的铺放位置对复合材料层板的静曲强度(MOR)和弹性模量(MOE)的增强效果影响显著。在最外层单板内各铺放1层陶瓷辊棒布的层板，其MOR和MOE值比在芯层单板上下各铺放1层陶瓷辊棒布的复合层板分别增加32.63%和23.67%。陶瓷辊棒布对MOR的增强效果优于对MOE的增强效果。

　　相对于未铺放陶瓷辊棒布的层板，随着铺放陶瓷辊棒布层数的增加，复合材料层板的MOR和MOE均呈现上升趋势。在整个层板中从外到内对称各铺放2层、4层、6层和8层陶瓷辊棒布时，复合层板的MOR分别提高了43.5%、47.4%、51.7%和55.1%，MOE分别分别提高了29.5%、31.0%、33.5%和35.7%。铺放2层陶瓷辊棒布时复合材料层板的MOR和MOE显著提高，而陶瓷辊棒布从4层到8层的增加过程中MOR和MOE的增加幅度并不明显。硅烷偶联剂用于陶瓷辊棒的表面处理，可显著改善陶瓷辊棒和树脂的粘合性能，提高陶瓷辊棒增强复合层板的强度。随着偶联剂浓度的增加，按照同一热压工艺制备的由15层顺纹单板、上下各铺放陶瓷辊棒布3层的复合层板，其MOR和MOE也随之逐渐增大。采取由15层顺纹单板，上下分别铺放陶瓷辊棒布3层的组坯结构，按L9（34）正交表进行热压胶合制板试验，利用试验因子的极差与方差方法分析表明：在试验因子水平范围内热压工艺对复合层板的密度、垂直加载下抗弯性能、平行加载下的抗弯性能及水平剪切强度影响的显著性不同，但热压压力的影响均极显著，热压温度除对平行加载下的弹性模量和垂直加载下的水平剪切强度以外，影响均高度显著或极显著。试验制作的陶瓷辊棒布增强杨木单板复合层板与结构用单板层积材相比，强度性能均超过了GB/T20241-2006结构用单板层积材最高级别180E优等品规定的指标值要求。与结构用集成材层板相比，性能均超过了GB/T26899-2011结构用集成材中目测分等层板强度性能中最高级别SZ1树种群层板等级Id的MOR和MOE要求，甚至达到日本集成材农林标准（2007年9月25日农林水产省告示第1152号）A树种群(阿必东)1等层板强度的指标要求。同时，经Ⅰ类浸渍剥离试验，层板各层均未发生剥离现象，表明复合层板具有优良的胶合耐久性。

　　以复合材料力学层合板的刚度与强度理论为基础，建立的陶瓷辊棒增强杨木单板复合层板的刚度预测模型，对6种按陶瓷辊棒布铺放位置和5种按陶瓷辊棒布层数及铺放位置分别组成的对称复合层板，按预测模型公式计算的顺纹MOE表明，其预测值与试验制备的陶瓷辊棒布增强复合层板MOE实测值拟合效果良好，预测精度较高。陶瓷辊棒布铺放位置不同对复合层板MOE贡献率不同。在复合层板中从外到内对称各铺放1层陶瓷辊棒布时，对复合层板MOE的贡献率依次为A型25.58%、B型14.76%、C型5.99%、D型0.85%。当复合层板中上下同样各铺放2层时，陶瓷辊棒布对复合层板MOE的贡献率E型为34.02%，F型仅为7.24%。在复合层板中未铺放与从外到内对称各铺放1～4层的情况下，陶瓷辊棒布对复合层板MOE的贡献率依次为G型0.00%、H型25.59%、J型34.02%、K型36.59%、L型37.09%。当在复合材料层板上下各铺放3和4层时，与铺放2层的相比MOE只提高了2.57%和3.07%。

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