李玉果，羅迎社，彭萬喜

（中南林業(yè)科技大學(xué) a.工程流變學(xué)湖南省重點實驗室；b.土木工程學(xué)院；c.材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410004）

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國已成為世界上人造板年產(chǎn)量最高的國家[1]。但我國是個少林國家，為了保護(hù)森林資源，國家提出了實施“天然林保護(hù)工程”的重大舉措。自天然林保護(hù)工程實施以來，我國林木采伐量大幅度降低，木材資源出現(xiàn)較嚴(yán)重的短缺，導(dǎo)致木材供需矛盾日益突出。其中，主要依靠消耗傳統(tǒng)天然林資源而存在的木材工業(yè)受到較大的沖擊[2]，我國的許多人造板企業(yè)面臨原料危機(jī)，急需開辟新的原料來源。而人工速生林木材及人工速生林培育過程中的間伐林不僅能彌補(bǔ)傳統(tǒng)天然林的不足，還能夠充分利用小徑材、彎曲材、人工速生材等將其加工成優(yōu)質(zhì)人造板材從而替代原木大徑材，已經(jīng)逐步成為解決當(dāng)今木材供需矛盾的重要途徑[3]。

速生柳作為一種重要的速生用材及能源樹種[4]，具有萌芽能力強(qiáng)[5]、適應(yīng)性強(qiáng)、抗逆性強(qiáng)[6]等優(yōu)點。但速生柳依舊存在著人工速生林木材所普遍具有的不足之處，比如：材質(zhì)松軟、強(qiáng)度低、尺寸變異性大[7]。為了對速生柳更合理、有效的利用，南通鍛壓設(shè)備有限公司創(chuàng)新性地利用速生柳木單板和酚醛樹脂，通過一系列的制備工藝將其制成樹脂增強(qiáng)生物板，用于家具、建筑領(lǐng)域。然而，不論是用于建筑行業(yè)的用材還是用于室內(nèi)的家具和裝飾材，木質(zhì)材料作為一種黏彈性材料因?qū)Νh(huán)境條件（溫度、水和水蒸氣、太陽輻射等）有著較高的敏感性均無可避免的受到各種環(huán)境條件的影響而更易發(fā)生流變老化現(xiàn)象[8-9]。

目前，我國對樹脂增強(qiáng)生物板的研究歷史不長，而且研究的主要方向偏重于對樹脂增強(qiáng)生物板的制備上，在其流變老化方面的研究比較少見?；诖耍芯课锢砝匣瘜渲鰪?qiáng)生物板蠕變性能的影響不僅豐富了樹脂增強(qiáng)生物板的老化研究，同時也對預(yù)測其壽命、分析結(jié)構(gòu)的變形和破壞、指導(dǎo)樹脂增強(qiáng)生物板的制備及其使用，降低事故的發(fā)生機(jī)率和延長服役期限都具有非常重要的意義。

1　實　驗

1.1　實驗材料

實驗材料為南通鍛壓設(shè)備有限公司所制造的樹脂增強(qiáng)生物板，含水率：12%～13%，尺寸：1 200 mm ×300 mm × 19 mm（長×寬×高），如圖1（a）所示。利用機(jī)械加工，將表面無明顯缺陷的樹脂增強(qiáng)生物板材裁剪加工成尺寸為300 mm × 19 mm × 19 mm（長×寬×高）的試樣，如圖1（b）所示。

圖1　樹脂增強(qiáng)生物板及其力學(xué)試件Fig.1　Rein forced bioboard and its mechanical test sample

1.2　樹脂增強(qiáng)生物板濕熱老化試驗

木質(zhì)材料的濕熱老化試驗是用于評價和研究各種材料在高溫、高濕度環(huán)境下的耐老化性能和老化規(guī)律的一種手段。老化試驗方法主要分為大氣自然老化法和人工加速老化法兩大類[10]，對于樹脂增強(qiáng)生物板將采用人工加速老化試驗方法。人工加速濕熱老化試驗方法又分為恒溫恒濕法和交變溫濕度循環(huán)法。相較于恒溫恒濕法，交變溫濕度循環(huán)法的試驗效果較好，一般采用24 h為一周期[11]。

基于此，本試驗對于經(jīng)機(jī)械加工后的樹脂增強(qiáng)生物板采用交變溫濕度循環(huán)法進(jìn)行濕熱老化試驗，即利用高低溫交變濕熱試驗箱進(jìn)行120 h的濕熱老化試驗。具體實驗參數(shù)設(shè)置如表1所示。濕熱老化采用上海林頻儀器股份有限公司的LP/GDJS-500高低溫交變濕熱試驗箱，試驗儀器如圖2所示。

濕熱老化試驗設(shè)定為12個小時的單一循環(huán)方案如表1所示，本試驗設(shè)定每2次循環(huán)（24 h）為一個周期，對樹脂增強(qiáng)生物板進(jìn)行5種不同周期的濕熱老化，探討不同老化時長對樹脂增強(qiáng)生物板的影響。5種不同周期的濕熱老化時間分別為：0—24 h、24—48 h、48—72 h、72—96 h、96—120 h。

表 1　單一循環(huán)試驗方案Table 1　A single cycle experimental scheme

1.3　樹脂增強(qiáng)生物板彎曲蠕變性能試驗

在木質(zhì)材料的彎曲蠕變試驗中，一般選用材料彎曲極限強(qiáng)度的40%～60%作為蠕變試驗加載的應(yīng)力水平[12]。這主要是因為：如果在蠕變試驗中選擇加載的應(yīng)力水平過高，材料試件將很快達(dá)到蠕變的第三階段，即加速蠕變階段，這將出現(xiàn)材料斷裂的情況。對于木質(zhì)材料來說，材料斷裂意味著材料的報廢，因此本試驗重點研究材料前兩個階段的蠕變性能。

圖2　高低溫交變濕熱試驗箱及內(nèi)腔試件放置情況Fig. 2　Programmable temperature and humidity chamber where samples placement in it

為了選擇適當(dāng)?shù)膽?yīng)力水平，先按照GB/T 17657-2013規(guī)定的試驗方法，利用電子萬能試驗機(jī)（MWD-W10）對經(jīng)歷不同老化時間的樹脂增強(qiáng)生物板進(jìn)行彎曲性能測試。再根據(jù)樹脂增強(qiáng)生物板彎曲性能試驗結(jié)果，選取材料極限強(qiáng)度的40%、50%、60% 3個應(yīng)力水平作為試驗的恒定應(yīng)力。采用三點彎曲加載方法，利用電子萬能試驗機(jī)（SANS-10t），裝置跨度為240 mm，在室溫下對經(jīng)過不同濕熱老化時間的樹脂增強(qiáng)生物板進(jìn)行彎曲蠕變試驗，加載時間5 h。

2　結(jié)果與分析

2.1　實驗結(jié)果

在室溫（25±5 ℃）下測試經(jīng)歷相同老化時間的樹脂增強(qiáng)生物板在69.2、86.5、103.8 MPa 3種不同應(yīng)力水平下的彎曲蠕變行為。得到經(jīng)歷不同老化時間的樹脂增強(qiáng)生物板在不同應(yīng)力水平下應(yīng)變與時間的關(guān)系曲線，如圖3所示。

由圖3可知，經(jīng)歷相同老化時間的樹脂增強(qiáng)生物板在不同應(yīng)力水平下的蠕變規(guī)律相似，具有標(biāo)準(zhǔn)蠕變曲線第一、二階段的典型特征，即可觀測到初始蠕變階段和穩(wěn)態(tài)蠕變階段?？梢?，所選擇的3種應(yīng)力水平是合適的。

為了用蠕變?nèi)崃縼肀硎救渥冊囼灲Y(jié)果，引入蠕變?nèi)崃亢瘮?shù)J(t)，即將蠕變試驗中得到的隨時間變化的應(yīng)變除以外加恒定應(yīng)力便可以得到樹脂增強(qiáng)生物板在恒定應(yīng)力水平下的蠕變?nèi)崃亢瘮?shù)[13]。圖4分別表示為3種不同應(yīng)力水平（69.2、86.5、103.8 MPa）下經(jīng)歷不同老化周期的樹脂增強(qiáng)生物板所對應(yīng)的蠕變?nèi)崃颗c時間的關(guān)系曲線。

由圖4可知，在不同應(yīng)力水平下，經(jīng)歷相同老化時間的樹脂增強(qiáng)生物板的蠕變?nèi)崃壳€均不重合。這表明在本試驗所考慮的應(yīng)力水平范圍內(nèi)，樹脂增強(qiáng)生物板的蠕變?nèi)崃亢瘮?shù)不僅僅是加載時間的函數(shù)，還與加載的恒定應(yīng)力有關(guān)?？梢?，樹脂增強(qiáng)生物板的蠕變行為呈現(xiàn)出明顯的非線性。而且，在相同老化條件下，材料的蠕變速率隨著外加的恒定應(yīng)力水平的增大而增大。這種提高外加恒定應(yīng)力水平加速材料蠕變的現(xiàn)象與提高溫度加速材料蠕變的現(xiàn)象相類似。因此，可以利用時間—應(yīng)力等效原理對此現(xiàn)象進(jìn)行分析。

圖3　不同老化時間和應(yīng)力水平下的蠕變曲線Fig. 3　Creep curves under different aged times and stress levels

圖4　不同應(yīng)力水下蠕變?nèi)崃壳€Fig. 4　Creep compliance-time curves under different stress levels

2.2　時間-應(yīng)力等效性分析

時間-應(yīng)力等效原理認(rèn)為，材料在較低應(yīng)力水平下的長期蠕變行為能夠由較高應(yīng)力水平下的短期實驗數(shù)據(jù)通過應(yīng)力移位因子移位來獲得，這使得以短期實驗預(yù)測材料的長期力學(xué)性能變?yōu)榭赡躘14]。這不僅為材料長期力學(xué)性能的加速表征提供一種研究手段和方法，也是時間-應(yīng)力等效原理的主要應(yīng)用價值。

利用時間-應(yīng)力等效原理，選取本試驗所考慮的應(yīng)力水平范圍內(nèi)的最低應(yīng)力水平為參考應(yīng)力。即圖4中經(jīng)歷不同老化時間的樹脂增強(qiáng)生物板在應(yīng)力水平為69.2 MPa下的蠕變?nèi)崃壳€為參考曲線，將經(jīng)歷相同老化時間的樹脂增強(qiáng)生物板在其他應(yīng)力水平下的蠕變?nèi)崃壳€向參考曲線進(jìn)行水平移位，使所有曲線盡可能的疊合在一起。在3種不同應(yīng)力水平下（69.2、86.5、103.8 MPa），經(jīng)歷不同老化時間的樹脂增強(qiáng)生物板的蠕變?nèi)崃壳€通過水平移位后，所構(gòu)建的在參考應(yīng)力水平下（σ=69.2 MPa）材料的蠕變?nèi)崃恐髑€如圖5所示。

圖5　不同老化時間和應(yīng)力水平下的蠕變?nèi)崃恐髑€Fig. 5　Creep compliance master curves under different aged times and stress levels

本彎曲蠕變試驗時間為5 h（18 000 s）。對比圖4與圖5可以看出：利用時間-應(yīng)力等效原理對蠕變?nèi)崃壳€進(jìn)行水平移位后，未經(jīng)濕熱老化處理的樹脂增強(qiáng)生物板蠕變?nèi)崃恐髑€的時間坐標(biāo)為105.235 27 s，約為實際蠕變試驗時間的9.5倍；經(jīng)歷24 h老化處理的樹脂增強(qiáng)生物板蠕變?nèi)崃恐髑€的時間坐標(biāo)為105.813 27 s，約為實際蠕變試驗時間的36.1倍；經(jīng)歷48 h老化處理的樹脂增強(qiáng)生物板蠕變?nèi)崃恐髑€的時間坐標(biāo)為106.105 27 s，約為實際蠕變試驗時間的70.8倍；經(jīng)歷72 h老化處理的樹脂增強(qiáng)生物板蠕變?nèi)崃恐髑€的時間坐標(biāo)為106.235 27 s，約為實際蠕變試驗時間的95.5倍；經(jīng)歷96 h老化處理的樹脂增強(qiáng)生物板蠕變?nèi)崃恐髑€的時間坐標(biāo)為106.155 27 s，約為實際蠕變試驗時間的79.4倍；經(jīng)歷120 h老化處理的樹脂增強(qiáng)生物板蠕變?nèi)崃恐髑€的時間坐標(biāo)為106.575 27 s，約為實際蠕變試驗時間的208.9倍。

因此，依據(jù)時間-應(yīng)力等效原理所構(gòu)建的以σ=69.2 MPa為參考應(yīng)力水平下經(jīng)歷不同老化時間的樹脂增強(qiáng)生物板蠕變?nèi)崃恐髑€能較好的達(dá)到在一個較長時間范圍內(nèi)描述、預(yù)測材料蠕變行為的效果。

圖6表示的是利用時間-應(yīng)力等效原理，在對經(jīng)歷不同老化時間（0、24、48、72、96、120 h）的樹脂增強(qiáng)生物板蠕變?nèi)崃壳€進(jìn)行水平移位時，相應(yīng)的應(yīng)力移位因子φ與應(yīng)力水平之間的關(guān)系。

利用線性方程y=ax+b分別對其進(jìn)行擬合。其中，線性方程中的y和x分別表示為對數(shù)坐標(biāo)下各個不同老化時間下的應(yīng)力移位因子和應(yīng)力水平。

表2表示的為不同老化時間下（0、24、48、72、96、120 h），利用線性方程y=ax+b所擬合的應(yīng)力移位因子隨應(yīng)力變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式，式中y為應(yīng)力移位因子，x為應(yīng)力水平。

根據(jù)圖6及表2可知，經(jīng)歷不同老化時間的樹脂增強(qiáng)生物板蠕變?nèi)崃恐髑€水平移位距離的大小與應(yīng)力水平相關(guān)，工作應(yīng)力水平（σ=69.2 MPa、σ=86.5 MPa、σ=103.8 MPa）與參考應(yīng)力水平（σ=69.2 MPa）相差越大，水平移位因子的絕對值就越大，表明將蠕變?nèi)崃壳€水平移位到參考應(yīng)力水平處所需要的移位距離越大。

圖6　應(yīng)力移位因子在不同老化時間下隨應(yīng)力的變化Fig.6　Variation of stress factor with stress levels under different aged times

表 2　不同老化時間下線性擬合方程具體參數(shù)Table 2　Parameters of linear fitting equation under different aged times

3　結(jié)論與討論

本研究以流變學(xué)的基本理論作為出發(fā)點，選用樹脂增強(qiáng)生物板為研究對象，利用高低溫交變濕熱試驗箱對樹脂增強(qiáng)生物板進(jìn)行了不同老化時長的濕熱老化試驗，研究了經(jīng)歷不同濕熱老化時間的樹脂增強(qiáng)生物板在不同應(yīng)力水平下的彎曲蠕變性能及其時間-應(yīng)力等效性，得到以下主要結(jié)論：

（1）經(jīng)歷相同濕熱老化時間的樹脂增強(qiáng)生物板在本研究所選取的3種應(yīng)力水平下的彎曲蠕變規(guī)律相似，均具有標(biāo)準(zhǔn)蠕變曲線的第一、二階段典型特征，即可觀測到初始蠕變階段和穩(wěn)態(tài)蠕變階段，表明本研究所采用的實驗方案是合適的。

（2）經(jīng)歷相同濕熱老化時間的樹脂增強(qiáng)生物板在不同應(yīng)力水平下的蠕變性能各不相同，應(yīng)力水平對材料蠕變性能具有一定的影響。在相同老化條件下，材料的蠕變速率隨著外加的恒定應(yīng)力水平的增大而增大。

（3）利用時間-應(yīng)力等效原理，將不同應(yīng)力水平下材料的蠕變?nèi)崃壳€沿對數(shù)時間軸水平移位，構(gòu)建了經(jīng)歷不同濕熱老化時間的樹脂增強(qiáng)生物板在參考應(yīng)力水平下（σ=69.2 MPa）的蠕變?nèi)崃恐髑€，從而可以通過較高應(yīng)力水平下的短期蠕變行為來預(yù)測材料在較低應(yīng)力水平下的較長期的蠕變行為。

然而，影響樹脂增強(qiáng)生物板物理老化的因素有很多。本研究僅考慮了濕熱耦合作用對樹脂增強(qiáng)生物板蠕變性能的影響，尚未探討太陽輻射單因素以及溫度、濕度、太陽輻射等多因素耦合作用對樹脂增強(qiáng)生物板蠕變性能的影響，這將是下一階段的研究重點。