基于纳米压痕技术的木材胶合界面力学行为(3)

图4 木材胶合界面的弹性模量和硬度Fig.4 Reduced elastic modulus and hardness of wood-resin interphase

2.2 蠕变性能

根据Burgers力学模型对实测的木材管胞壁纳米压痕蠕变数据进行拟合，如图5所示。可以看出，拟合曲线的拟合优度(R2)均大于0.97，表明Burgers力学模型适用于分析木材管胞壁的蠕变性能。在测试过程中，加载至最大载荷进入保载时(t=0)，管胞壁初始蠕变柔量为J(0)=J0。在木材-PF胶合试件中，未与树脂接触管胞壁和与树脂接触管胞壁的J0分别为0.934和0.363 GPa-1，表明管胞壁与树脂接触后蠕变柔量约下降60%。随着保载时间延长，细胞壁的蠕变柔量增大，当保载即将结束时(t=200 s)，J0分别增加至1.21和0.95 GPa-1，与树脂接触管胞壁的蠕变柔量仍比未与树脂接触管胞壁低20%。综合分析得出，随着树脂分子进入木材管胞壁，管胞壁弹性模量增加，蠕变柔量变小，说明界面中的树脂可在短周期内改善木材管胞壁的抗蠕变性能。另外，对比图5a、b可以看出，随着应力作用时间延长，经树脂渗透后管胞壁蠕变柔量的增加程度明显大于纯管胞壁，说明应力作用时间对聚合物树脂的蠕变柔量具有重要影响(Eftekharietal.， 2016；Wangetal.， 2017)，但长期受载时，树脂渗透作用可能不能有效改善管胞壁的抗蠕变性能。在木材-UF胶合试件中，相同加载时间时与树脂接触管胞壁的蠕变柔量也低于未与树脂接触管胞壁，说明UF也可提高管胞壁的短期抗蠕变性能。

表1所示为木材管胞壁压痕蠕变特征参数的拟合方程。根据式(11)，J(t)表示材料的瞬时蠕变柔量；J0表示管胞壁受载时的弹性行为，与时间无关，为常数；J1t表示管胞壁的黏弹性行为，与加载时间正相关；J2t表示管胞壁的黏性；τ0表示松弛速率。

由式(11)可知，瞬时弹性模量E1=1/J0，黏性系数η1=1/J1，延时弹性模量E2=1/J2，黏弹性系数η2=E2×τ0。根据表1可获得特征参数J0、J1、J2和τ0，进而可计算出木材胶合界面区域管胞壁的蠕变特性参数。如图6所示，胶黏剂影响管胞壁的黏弹性，当木材与胶黏剂接触后，PF和UF分子渗透进入管胞壁层，使得管胞壁的瞬时弹性模量(E1)分别增加157%和138%，延时弹性模量(E2)分别下降22%和45%，黏性系数(η1)分别下降24%和28%，黏弹性系数(η2)分别下降24%和58%。木材管胞壁中半纤维素以无定形状态渗透于骨架物质中，在受力状态下，当管胞壁发生形变超过弹性形变范围时，半纤维素在微纤丝骨架之间起到润滑作用，使得微纤丝之间产生滑移，即产生塑性形变； 而当胶黏剂分子进入微纤丝间隙后，自身固化反应以及与胞壁物质发生交联反应有效限制了半纤维素滑动，进而使得胶合界面中与树脂接触管胞壁的弹性增加、黏性降低。

图5 管胞壁-树脂压痕蠕变-Burgers模型拟合曲线Fig.5 Representative fitting curves of the indentation creep data of wood-resin interphase based on the Burgers modela、b：测试区域为木材-酚醛树脂胶合界面The test location of a and b is the wood-PF interphase；c、d：测试区域为木材-脲醛树脂胶合界面The test location of c and d is the wood-UF interphase.表1 木材胶合界面压痕蠕变拟合方程Tab.1 Fitting equation of nanoindentation creep of wood-resin interphase

胶合界面Interphase拟合方程Fitted equationR2PF管胞壁Trcheid cell wallJ(t)=0.934+0.042t+0.267×[1-exp(-1.051t)]0.99管胞壁-树脂Trcheid cell wall-resinJ(t)=0.363+0.055t+0.343×[1-exp(-1.066t)]0.99UF管胞壁Trcheid cell wallJ(t)=0.937+0.036t+0.184×[1-exp(-1.025t)]0.97管胞壁-树脂Trcheid cell wall-resinJ(t)=0.393+0.050t+0.337×[1-exp(-1.339t)]0.99

图6 木材胶合界面蠕变特征系数Fig.6 Creep coefficients of wood-resin interphase

2.3 动态力学性能

图7所示为动态载荷作用下木材胶合界面区域管胞和胶黏剂的储能模量(E′r)、损耗模量和损耗因子(tanδ)与加载频率之间的关系。由图可知，随着加载频率逐渐增大，界面区域各相材料的E′r呈增加趋势，和tanδ均逐渐减小，与Furuta等(2011)、Chakravartula 等(2006)关于宏观动态黏弹性的研究结果一致。由黏弹性理论可知，损耗因子(tanδ)的变化表明在低载荷频率下材料以黏性响应为主，随着载荷频率增加，区域物质的弹性响应增加，与Zhou等(2007)关于树脂材料的纳米尺度动态力学行为研究结果一致。加载频率也会对管胞壁中分子链段运动模式产生影响，当加载频率较低时，分子链段具有较好的柔韧性，可以有效耗散能量，因此损耗模量高；当加载频率较高时，分子链段运动将受到限制，管胞壁表现出较大的刚性，即储能模量高而损耗模量低(Lietal.， 2015)。另外，界面区域中胶黏剂的和tanδ均小于木材管胞壁，说明固化后树脂吸收和消耗能量的能力较差，这是因为本研究所用树脂均为热固性树脂，固化后形成交联网络结构，受力状态下三维网络结构难以发生分子的链段运动。

文章来源：《力学季刊》 网址: http://www.lxjkzz.cn/qikandaodu/2021/0412/476.html