四种老化方法对竹材力学性能的影响

摘要

本研究采用六循环加速老化法(方法一)、6 h煮沸-冷冻-干燥法(方法二)、湿循环法(方法三)、煮沸试验法(方法四)等加速老化试验方法研究竹材的抗老化性能。钉飞机的力量,变化,和未经处理的端面/竹子scrimber分析系统,包括其他力学性能的变化,如水平剪切强度、模量的破裂(铁道部)和弹性模量(MOE)沿着光滑的谷物,等等。结果表明:四种加速老化试验方法处理后，各力学性能均有所下降:平面持钉力下降4%~42%，侧面持钉力下降8%~40%，端面持钉力下降5%~66%。水平抗剪强度下降3.1%~16.7%，MOR下降15%~27.2%，MOE下降2.6%~12.8%。处理后三面持钉力和MOR受影响最大。因此，可以选择持钉力和MOR作为评价竹材耐候性的重要指标。四种加速老化试验方法对持钉力的影响程度依次为:方法I >方法III >方法IV >方法II。但综合考虑，对力学性能的影响程度依次为方法I >方法IV >方法III >方法II。

1.导言

竹材scrimber是我国第一个具有自主知识产权的自主研发产品，是竹产业化的主要产品[1，2]其原料为竹子，资源丰富，生长周期短，利用率高，机械性能优良，可满足户外建筑材料的需求[3.，4］．这些室外建筑材料包括室外地板、梁、柱、室内/室外墙板及天台板[1，5]竹子是一种稀有的绿色建筑生物质材料。

与天然木材和传统人造板相比，竹材具有更好的硬度和强度，包括耐水性和耐候性；然而，随着光照、温度和湿度的变化，竹材容易腐烂、发霉和虫蛀，从而导致竹材性能低下[3.，6］．据不完全统计，每年因蛀、霉、蛀蛾等原因造成的竹子数量损失约占世界竹子产量的10% [7- - - - - -9]然而，发展用于建筑和户外基础设施的竹材的最大限制因素是其耐候性低。耐候性是指材料抵抗外部自然条件的能力，如干燥、潮湿、寒冷和温暖天气；严寒天气雨和雪，以及使用过程中的紫外线辐射。它也被称为耐老化性。影响竹材耐老化性能的主要因素有：一是材料的化学成分和纤维形态；二是胶粘剂的耐水性和耐热性，用于生产竹片；第三是外部环境条件，如使用时的温度和湿度[9，10］．目前，国内外还没有专门的测试方法来评估竹材的抗老化性能，采用的是一些常用的加速老化测试方法。一些研究人员曾使用三种人工加速老化的方法(ASTM D1037, BS EN1087-1，和European AFNOR V313)来研究户外竹材的抗老化性能[11，12］．ASTM D1037加速老化法是能够模拟恶劣自然环境的最佳方法，但也是耗时最长、最耗时间的方法，需要一周以上的时间。

摘要采用六循环加速老化法、6 h沸腾-冷冻-干燥法、湿循环法和沸腾试验法等四种常用的加速老化试验方法，对竹材的抗老化性能进行了研究。系统地分析了竹节板的平面、侧面和端面持钉力的变化。分析了水平剪切强度、MOR和沿晶粒的MOE等力学性能的变化。研究结果可为竹材户外产品开发、质量评价及标准制定提供参考。

2.材料和方法

2．1．材料

竹片试样由从企业购买的炭化竹和酚醛树脂组成，测定了竹片试样的尺寸和密度 和1.1克/厘米^3.,分别。

2.2. 主要设备

主要设备包括精密板锯（MJ6116）、人造板通用试验机（MWD-W50）、温度控制水浴（GKC218）、可编程温湿度箱（JW-500T-20）、通风干燥柜（DHG-9203A）和具有150 毫米范围（Shan品牌），螺旋测微计，具有25 mm系列（单品牌）和一台冰箱（海尔品牌BCD-196T ADZ）。

2.3.试样制备

指甲握力样本的大小为 （ ）,每组6个标本。或者，水平抗剪强度试样的尺寸为 （ ）,每组12例。此外，MOR的大小和沿晶粒试样的MOE是 （ ）,同样，每组使用12个样本。

２.４.加速老化试验方法

本文根据竹材的用途和环境，采用四种加速老化试验方法对竹材进行处理:方法i -美国标准ASTM D1037-12的六周期加速老化法[13]；方法二6 h中国标准JG/T 156-2004沸腾冷冻干燥法[14];方法iii -英国标准的湿循环方法，bsen321 2002 [15];国际标准ISO 16998-2003的沸腾试验方法及方法iv [16］．

2.4.1.方法一：六周期加速老化法

在进行这种老化方法处理之前，试样在一个环境中平衡 相对湿度为 ．对试样进行6个循环处理，每个循环的具体步骤如下:首先，试样于 1 h。其次，将标本喷上蒸汽 三 h、 第三，标本在室温下冷冻 二十 h、 然后在干燥温度下干燥 三 h在通风干燥柜中。然后在干燥时用蒸汽喷涂试样 三 h、 最后在 18岁 H

经过六个周期的加速老化处理后，将试样置于 和相对湿度 至少48小时 h[13]1.需要48分钟 h/周期和288 h用于本次治疗中的6个周期。六组具有抓钉力和水平剪切强度的竹子用于MOR和MOE测试。然而，36个样本用于指甲握力测试，72个样本用于进一步测试。

2.4.2.方法二：6 h沸腾冷冻干燥法

具体步骤如下：首先，将试样在沸水中煮沸6小时 h、 然后，将试样在室温下冷冻 干燥24 h，最后于 静置6 h，室温冷却[14］．这种治疗至少需要36小时。在持钉力、水平抗剪强度、MOR和MOE试验中，仅使用一组竹材。6个试件用于持钉力测试，12个试件用于进一步测试。

2.4.3.方法三：湿循环法

在该老化方法处理之前，试样在 和相对湿度 ．然后对标本进行3个循环处理，每个循环的具体步骤如下:首先，标本于 72 h后，去除表面水分。第二，标本被冷冻在 24小时 h，并立即在室温下干燥 冷却72 h后，于 四 h、 最后，将冷却后的试样在真空环境中进行平衡 和相对湿度 ．每次处理耗时172 h, 3次处理共耗时516 h。值得注意的是，在下一个循环处理之前，将试件垂直旋转180°[15］．三组分别进行持钉力、水平抗剪强度、MOR和MOE试验。然而，18个样本用于钉持力测试，36个样本用于进一步的测试。

2.4.4。方法四:煮沸试验法

在该老化方法处理之前，试样在 和相对湿度 ．采取了以下具体步骤：首先，将试样置于水中 ，在90℃下加热至100℃ 分钟，在沸水中煮2分钟 h、 接下来，将试样在室温下浸泡在水中 放置60分钟后，去除表面水分。最后，将标本干燥 16岁 h，然后冷却至室温[16].至少需要20.5分钟 h。只有一组试样用于指甲保持力和水平剪切强度试验，包括MOR和MOE试验。此外，6个试样用于指甲保持力试验，12个试样用于进一步试验。

3.机械性能测试

经过时效处理后，对试样进行了力学性能测试。竹材的平面、侧面、端面的持钉力(如图)1)按中国标准GB/T17657-2013 [17]根据中国标准GB/T 21128-2007，测试了竹材的水平剪切强度、MOR和沿纹理的MOE[18].在每个循环后，取出一组试样，在多循环加速老化方法处理中测试试样的机械性能。未经处理的竹材标本为对照组。

4.结果和讨论

4．1.六周期加速老化法的结果

所有标本平衡48小时 h试验前( ， )．表中给出的每个数据都是样本的平均值。

数字2显示了使用六次循环加速老化方法处理的试样。如图所示，试样表面在第一次和第二次循环后保持不变。但是，在第三次循环中观察到可见裂纹。随着循环次数的累积，试样的裂纹变得越来越严重。或者，如图所示3.在螺钉插入后处理期间，一些试样缺乏强度。然而，随后在 18岁 h、 试样在高温高湿状态下直接膨胀，形成裂纹，同时温度和湿度的变化引起试样膨胀系数的变化，影响试样的物理力学性能s

桌子1显示了六周期加速时效处理后的力学性能结果。如表所示1三面竹编的持钉力在平面上最高，其次是侧面和端面。经过6个周期的加速老化处理后，竹材的力学性能有不同程度的下降。因此,本研究的结果表明,钉权力下降更多(它在飞机上下降了41.8%,39.3%,和65.7%端面),水平剪切强度时,铁道部,教育部下降了19.1%,24.1%,和10.3%,分别是保留在75%以上。

如图所示4处理后的竹材力学性能随处理周期的加快而下降，第一、二个周期的下降幅度最大，随着老化周期的积累，力学性能下降的幅度逐渐减缓，但第四个周期的弹性模量急剧下降。

4.2.第6次会议的结果 h沸腾冷冻干燥法

桌子2结果表明，竹材经6 h的沸腾-冷冻-干燥处理后，其力学性能得到改善。如图所示，经过处理的竹材三面持钉力水平为:平面3202 N，侧面2525 N，末端1847 N。水平抗剪强度为16.2 MPa。MOR和MOE分别为102 MPa和10747 MPa。

除MOR下降15%外，力学性能均保持在95%以上。持钉功率水平在飞机上也下降了4.1%，在侧面和端面分别下降了8.4%和5%。水平抗剪强度和MOE分别降低3.1%和2.6%。因此，蒸煮-冷冻-干燥6h的方法对竹材的力学性能影响较小。

在该方法中，将竹材试样在沸水中煮沸6小时 h、 然后冻结在 24小时 h、 最后在 六 h、 煮沸、冷冻和干燥时间不长，对竹材的结构没有明显的损伤，因此处理后竹材的力学性能几乎没有下降。

4．3．湿循环法的结果

桌子3.介绍了湿循环法处理竹材的力学性能结果。如图所示，经过三次循环处理的竹材三面持钉力水平为:平面2989 N，侧面2280 N，端面996 N。水平抗剪强度为14.4 MPa。MOR和MOE分别为99 MPa和10275 MPa。

持钉力水平在飞机上下降了10.5%，侧面下降了17.3%，端面下降了48.8%。水平抗剪强度、MOR和MOE分别降低了11.1%、17.5%和6.9%。除MOR下降6.9%外，处理后竹材的力学性能也下降了10%以上。因此，湿循环法对竹材的力学性能影响显著，其中对端面持钉力影响最大，对MOR影响次之，对MOE影响次之。

在这种方法中，竹材试样在一定温度下浸泡在水中 冷冻72 h，然后在 24小时 h、 最后在 72 h、 浸泡时间为72小时 h，将浸透水的竹材试样冷冻干燥，干燥时间为72小时 h、 温度很高 ．在此条件下，竹材试样的结构容易受到损伤，经过三次循环后，竹材的力学性能下降幅度更大。

如图所示5，随着处理周期的加快，力学性能下降幅度增大。此外，除MOR外，其他力学性能在第三个循环中下降幅度最大。

所有标本平衡48小时 h试验前( ， )．表中的每个数据都是样本的平均值。

4.4.沸腾试验方法的结果

桌子4显示了经煮沸试验法处理的竹片的机械性能结果。如图所示，处理后竹片三面上的持钉力水平如下：3008 N在平面上，2399 N在侧面，和1402 N。水平剪切强度为14.4 MOR和MOE分别为87 MPa和9617 MPa。

平面持钉力下降9.9%，侧面持钉力下降13%，端面持钉力下降27.9%，水平抗剪强度、MOR和MOE分别下降11.1%、27.2%和12.8%，所有力学性能均下降9%以上，竹材的力学性能显著下降沸腾试验方法也会对其产生显著影响。

在该方法中，将竹材试样在沸水中煮沸2小时 h、 然后在晚上泡在水里 六十 分钟，最后在干燥 16岁 h、 这种加速老化试验方法所需时间最少，仅需4分钟 h、 由于蒸煮干燥时间不长，对竹材的结构没有明显的损伤，因此，处理后竹材的力学性能几乎没有下降。

4．5.四种加速老化试验方法的比较

数字6展示了四种加速老化试验方法处理后的竹材试样的力学性能。四种加速老化试验方法处理后，竹材的力学性能均有所下降，其中加速老化试验方法ⅰ对竹材的破坏最大。而方法II (6h煮沸-冷冻-干燥法)的破坏最小。

桌子5和图7表明上述四种加速老化试验方法处理后的力学性能有所下降。由四种加速老化试验方法可知，钉持力水平在平面上降低4%~42%，在侧面降低8%~40%，在端面降低5%~66%。水平抗剪强度下降3.1%~16.7%，MOR下降15%~27.2%，MOE下降2.6%~12.8%。

蒸煮法处理后的竹材力学性能与六次加速老化法相近；但是，整个测试时间为20.5分钟 沸腾试验方法中使用的h远低于288 h用于六周期加速老化方法。此外，虽然不同的方法对机械性能有不同的影响，但它们对指甲握力的影响相对较大。对于四种加速老化试验方法，对指甲握力的影响程度依次为：方法一>方法三>方法四>方法二。但综合考虑后，对力学性能的影响程度依次为：方法一>方法四>方法三>方法二。

5.结论

采用四种加速老化试验方法(方法一:六周期加速老化法;方法二:6h煮沸-冷冻-干燥;方法三:湿循环;方法四:煮沸试验法)。结果表明，四种加速老化试验方法处理后，各力学性能均有所下降，持钉力水平在平面上下降4%~42%，侧面下降8%~40%，端面下降5%~66%。水平抗剪强度下降3.1%~16.7%，MOR下降15%~27.2%，MOE下降2.6%~12.8%。处理后三面持钉力和MOR受影响最大。因此，可以选择持钉力和MOR作为评价竹材耐候性的重要指标。四种加速老化试验方法对持钉力的影响程度依次为:方法I >方法III >方法IV >方法II。但综合考虑，对力学性能的影响程度依次为方法I >方法IV >方法III >方法II。

数据可用性

用于支持本研究结果的数据可根据要求从相应作者处获得。

利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

感谢中央财政林业科技推广示范项目(批准号:20091010923)的资助。浙江省科研院所专项(批准号:2015F50051)。

工具书类

1. 黄玉祥、季玉华、余文杰，“竹材的发展：文献综述，”木材科学杂志，第65卷，第5期1，第25页，2019。浏览：出版商的网站|谷歌学者
2. 余文杰，“中国竹材产业的现状和未来发展，”中国木材工业，第26卷，第1期，第11-14页，2012年。浏览：谷歌学者
3. 黄新元，谢建林，齐建强等，“竹材物理力学性能的差异及其对成熟过程的响应”，欧洲木材和木制品杂志，第76卷，第76期4, pp. 1137-1143, 2018。浏览：出版商的网站|谷歌学者
4. 张建华，“室外重组竹组件化工厂设计，”中国林产品工业，第42卷，第2期3, pp. 9-51, 2015, 55。浏览：谷歌学者
5. 王国明、蒋子江、陈福明、程海华、孙福斌，“中国大型竹工程材料的生产现状及问题分析，”中国林产品工业，第41卷，第1期，第48-52页，2014年。浏览：谷歌学者
6. 张海，胡东，张新春，张文斌，于文杰，姜世贤，“不同处理竹材抗霉菌性能试验”，浙江林业科技期刊，第5卷，第5期。3, pp. 1-5, 2015。浏览：谷歌学者
7. 陈j.p.， M. Guagliano, M. Shi M. H.， X. S. Jiang, H. P. Zhou，“中国竹材及其新发展概况”，欧洲木材和木制品杂志，第79卷，第2期，第363-3792021页。浏览：出版商的网站|谷歌学者
8. “树脂分子量对竹纤维复合材料界面性能、耐水性及力学性能的影响，”建筑及建筑材料，第292卷，第123458页，2021年。浏览：出版商的网站|谷歌学者
9. M.Haglund，“不同边界条件下木材构件中的含水量渗透，”木材科学与技术号，第41卷。6，页477-490,2007。浏览：出版商的网站|谷歌学者
10. M. Altunok, I. Kureli，和M. Pulat，“腈纶纺织纤维改性木基板的一些物理和机械性能的测定”，材料科学与应用，第6卷，第2期6, pp. 519-526, 2015。浏览：出版商的网站|谷歌学者
11. x z黄平行竹材加速老化方法及抗老化性能研究，南京林业大学，2009。
12. 黄学忠，姜世贤，张秋生，“竹材加速老化方法的比较研究”，中国人造板，第6卷，第25-27页，2010。浏览：谷歌学者
13. ASTM D1037-12,评定木基纤维和颗粒面板材料性能的标准试验方法, 2006.
14. 詹/ T 156 - 2004,中华人民共和国建筑业标准的胶合板形式, 2004.
15. 英国标准EN 321，人造板循环试验条件下耐湿性的测定, 2002.
16. ISO 16998 - 2003,人造板耐湿性的测定煮沸试验, 2003.
17. GB/T 17657-2013，人造板和表面装饰人造板性能评定试验方法, 2013.
18. GB / T 21128 - 2007,结构竹木复合板材, 2007年。

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