doi：10.13360/j.issn.1000-8101.2015.04.023中图分类号：S781.3
新型集装箱底板老化性能试验
付祥飞1，关明杰1*，孙丰文1，2
（1. 南京林业大学材料科学与工程学院，南京 210037；2. 南京林业大学泗阳杨木加工利用技术研究院）
摘要：对3种结构的新型集装箱底板进行老化试验，测试了其老化前后的24 h吸水厚度膨胀率（TS）、24 h吸水率（WA）、静曲强度（MOR）、弹性模量（MOE）以及胶合强度（BS），以评估材料的老化性能。结果表明：均质结构的新型集装箱底板的尺寸稳定性最好，其老化后TS降低率及WA（24 h）增长倍数分别为21%和1.24；均质结构的新型集装箱底板的MOR∥、MOR⊥、MOE∥、MOE⊥保留率均为最高；薄壳结构的新型集装箱底板的MOR∥、MOR⊥、MOE⊥保留率均最小，但其MOE∥保留率较内增强结构的稍大；不同二次复合胶接界面处的胶合强度保留值在85.6%～92.3%，其大小顺序为：均质芯层>薄壳芯层>内增强芯层>薄壳（内增强）表层>均质表层。
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关键词 ：新型集装箱底板；老化；物理力学性能
Study on aging properties of new?type container flooring
∥
FU Xiangfei，GUAN Mingjie，SUN Fengwen
Abstract：Three new structures of container flooring were subjected to aging experiments. The thickness swelling（TS）， water absorption（WA）， modulus of rapture （MOR）， modulus of elasticity（MOE） and bonding strength （BS） of the specimens were tested.The results showed that the homogeneous structure owned the best dimensional stability.The reduction of TS and the increase of 24 h WA were 21% and 24%， respectively.The homogeneous structure also possessed the greatest retention rates of MOR∥， MOR⊥， MOE∥ and MOE⊥.The thin face structure owned the smallest retention rates of MOR∥， MOR⊥ and MOE⊥， however， its retention rate of MOE∥ was slightly greater than that of the core strengthened structure. The retention rates of bonding strength of different secondary bonding interfaces were between 85.6% and 92.3%， the sequence of the structures were as follows： homogeneous core structure>thin shell core structure>core strengthened structure>thin shell （core strengthened） structure>homogeneous face structure.
Key words：new?type container flooring； aging； physical and mechanical properties
First author’s address： College of Materials science and Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China
收稿日期：2015-02- 11
修回日期：2015-04-28
基金项目：苏北科技发展计划项目（BN2014072）；江苏高校优势学科建设工程资助项目（PAPD）。
作者简介：付祥飞（1990-），男，硕士生，研究方向为改性胶合板。通信作者：关明杰，女，副研究员。E?mail： mingjieguan@126.com
随着现代运输业的蓬勃发展，集装箱的需求量大幅增加，这也促进了集装箱底板产业的快速发展。鉴于集装箱多用于室外，对其老化性能的研究就显得尤为重要。国内外很多学者对木质复合材料的老化性能进行了研究。张齐生等［1-2］选用ASTM D1037对竹木复合集装箱底板与阿必东胶台板底板的耐老化性能进行试验，并对两者的老化性能进行了对比分析，同时采用该标准对3层和5层水溶性酚醛树脂胶竹材胶合板进行耐老化性能试验。许莹等［3］研究了中密度纤维板和胶合板放置在室外1～2 a自然老化后各项物理力学性能。龙玲等［4］对酚醛刨花板进行加速老化试验并研究了其老化前后弯曲性能及内结合强度的变化情况。Back等［5］研究了一些加速老化方法预测木质人造板的耐候性需要考虑的因素。Alexopoulos［6］指出采用德国标准DIN 68763（即V100方法）老化得到的结果与室外老化五年的结果相似。Lehmann［7］采用五周期循环的24 h烘干、2 h真空处理、22 h加压浸溃后衰减酚醛胶类刨花板试件的弯曲性能和刚度的衰减与ASTM D1037六循环结果基本相同，内结合强度的衰减要大于ASTM D1037。River等［8］发现Lehmann的五周期循环法和ASTM D1037相比较，不同种类的板材结果会不同。笔者主要对经低分子量酚醛树脂浸渍改性处理的杨木单板制备的3种不同结构的新型集装箱底板的老化性能展开研究，以期能对扩大杨木单板使用范围，促进杨木产业和集装箱底板的发展起到积极的作用。
本试验参考ASTM D 1037—2012［9］标准对3种结构新型集装箱底板进行老化处理，研究了其老化前后的主要物理力学性能，包括24 h吸水厚度膨胀率、24 h吸水率、弯曲性能和胶合强度，以对新型集装箱底板的湿热老化性能做出相应的评估。
1材料与方法
1.1试验材料
薄壳、内增强、均质3种不同结构的新型集装箱底板，其尺寸为400 mm×400 mm×28 mm，密度在0.81～0.84 g/cm3之间，含水率在8.2%～8.5%之间。集装箱底板各层结构板的增强单元的处理条件见表1。
表1中的增强单元编号对应处在3种不同结构集装箱底板的位置：A为均质结构表层处增强单元；B为薄壳、内增强结构表层处增强单元；C为薄壳结构芯层处增强单元；D为薄壳、内增强、均质结构中间层及均质结构芯层处增强单元；E为内增强结构芯层处增强单元。
5种增强单元制备的3种结构的新型集装箱底板的二次复合胶接界面见图1。
浸渍前后杨木单板的密度见表2。
1.2制板工艺
通过预备试验确定集装箱底板的最佳热压工艺参数为：初次压板的单位热压压力2.1 MPa（由于要控制单板的压缩率在30%，所以在研究热压工艺参数时该值为定值）、热压时间1.5 min/mm、热压温度140 ℃。由于对集装箱底板密度梯度的要求，所以采取二次复合的热压工艺即先将各种结构的集装箱底板的表层板、中间层板及芯层板压制好，然后按照表芯层板木材纹理方向相同中间层对称排列的方式组坯，将其进行二次热压胶合。在进行二次热压胶合之前需要对二次胶接面进行砂光处理以去除其表面固化层，同时二次热压时的单位热压压力要小于初次压板的热压压力，其值为1.9 MPa。其中表层采用3张1.0 mm浸渍单板同向组坯方式，中间层采用6张2.0 mm浸渍单板交叉组坯方式，芯层采用5张2.0 mm浸渍单板同向组坯方式。制得成型板尺寸为400 mm×400 mm×28 mm，其密度在0.81～0.84 g/cm3之间，含水率在8.2%～8.5%之间。
1.3试验方法
1.3.1湿热老化方法
美国标准ASTM D1037六循环加速老化是木质复合材料老化应用的常用方法，主要用于结构用材。本试验采用该老化标准对3种结构新型集装箱底板的老化性能进行评估。老化分6个周期进行，每一循环包括以下步骤：①水中浸泡1 h，（49±2）℃；②蒸汽及水蒸气中处理3 h，温度为（93±3）℃；③冷冻环境下放置20 h，环境温度为（-12±3）℃；④干燥3 h，温度为（99±2）℃；⑤蒸汽及水蒸气中处理3 h，温度为（93±3）℃；⑥干燥18 h，温度为（99±2）℃；每一周期需时48 h，6个周期共需288 h。
1.3.2试件的制备及性能测试
用于老化前后物理力学性能测试的试件制作及其测试方法均根据GB/T 17567—2013标准［10］，尺寸等参数见表3。由于测量胶合强度的夹头不能夹持28 mm厚的板，故重新压制3张5层胶合板分别对应地包含了3种结构中存在的密度梯度差胶接界面。
在进行各项力学性能试验之前将样品放置在20 ℃，湿度65%的条件下调质48 h。弯曲性能的试验是在万能力学试验机上进行的，跨距设定340 mm，压轴直径30 mm，加压速度15 mm/s，胶合性能测试时的加载速度为5 mm/s。
2结果与分析
3种不同结构集装箱底板老化前后的物理力学性能的测试结果见表4。
2.124 h吸水厚度膨胀率和吸水率
由表4可知，经老化后集装箱底板的TS值呈现下降的趋势，这可能是由于经过连续的干湿条件变化，板材内部的各种应力不断释放，老化周期结束后使树脂胶黏剂和木材表面发生一定程度的破坏，试件端头部分或密度梯度层胶合界面开裂，导致老化后试件的TS下降。结合表4和图2可以看出：3种集装箱底板老化后的TS降低率差别较大，分别为16%，8%和21%，且均质结构的24 h吸水厚度膨胀率性能最好。
由表4可得，老化后3种不同结构集装箱底板的24 h吸水率会出现不同程度的升高。这可能是由于集装箱底板密度梯度处胶接界面破坏导致抗吸水性降低，从而导致吸水率的升高。图2表述了老化后3种不同结构集装箱底板24 h吸水率的增长倍数的变化情况，3种结构集装箱底板的增长倍数相差较小其值都在1.17～1.34之间。从24 h吸水厚度膨胀率降低率及24 h吸水率增长倍数来看，均质结构集装箱底板的尺寸稳定性能最好。
2.2弯曲性能
由表4可知，老化后3种不同结构的集装箱底板MOR和MOE均出现了不同幅度的下降。图3表明了3种不同结构的集装箱底板老化后MOR∥、MOR⊥、MOE∥和MOE⊥的保留率。MOR∥和MOR⊥的保留率分别在77%～83%和63%～85%之间，其中均质结构的集装箱底板的MOR∥、MOR⊥保留率最高，而薄壳结构集装箱底板的MOR∥、MOR⊥保留率最低。这可能是由于均质结构的集装箱底板各层胶接界面处不存在密度梯度差，而薄壳结构和内增强结构的二次胶接界面层均存在密度梯度差。同时，在表层和中间层材料相同的情况下，内增强结构的芯层板浸渍处理时间较薄壳结构的长，其强度增强效果更好。与MOR∥及MOR⊥相似，MOE∥、MOE⊥的保留率最大值也属于均质结构集装箱底板，其值分别为88%和78%。薄壳结构的MOE∥保留率较内增强结构大，这可能是由于内增强结构的芯层板浸渍强度高于薄壳结构使其脆性较大而韧性较小。薄壳结构的MOE⊥保留率为50.4%，该值较内增强结构和均质结构的都较小，这可能是由于老化后其表面及芯层部位的二次复合胶界面出现了很多的裂纹所致。
2.3胶合强度
3种结构新型集装箱底板老化前后二次胶接界面处的胶合强度测定结果见表5。
结合表5和图4可得，老化后3种不同结构的新型集装箱底板的胶合强度保留率都较高且数值比较相近，其值分布在85.6%～92.3%之间。由此可知，湿热老化处理对新型集装箱底板的胶合性能的胶合强度破坏性较小。通过对比3种结构集装箱底板不同的二次胶接界面处的胶合强度的保留率，明显可以看出经老化处理后D/D胶接界面的胶接性能最好，其胶合强度保留率达到了92.3%。这可能是由于其胶接界面处不存在密度梯度差，且胶接处的单板厚度相同。A/D、B/D、C/D、D/E胶接界面处的胶合强度保留率较相近，分别为85.6%，86.2%，89.3%和88.7%。A/D和B/D胶接界面处的胶合强度保留率较小，这可能是由于交界处的单板厚度不同造成的，A/D胶接界面处的胶合强度保留率又略大于B/D，可能是由于A/D之间的密度梯度差小于B/D之间的密度梯度差。C/D胶接界面处的胶合强度保留率略大于D/E的原因可能也是其密度梯度差较小的原因。由此可知，影响二次胶接界面处老化后胶合强度保留率的原因为胶合界面处的单板厚度及其密度梯度差。
3结论
1）经老化处理后，3种不同结构的新型集装箱底板的24 h吸水厚度膨胀率降低率在分别为8%，16%和21%，24 h吸水率增长倍数分别为1.34，1.17和1.24。结合24 h吸水厚度膨胀率降低率及24 h吸水率增长倍数值可知，均质结构的新型集装箱底板的尺寸稳定性最好。
2）经老化处理后，3种不同结构的集装箱底板MOR和MOE均出现了不同幅度的下降。MOR∥和MOR⊥的保留率分别在76%～83%和63%～85%之间，其中均质结构的新型集装箱底板的MOR∥、MOR⊥保留率最高，薄壳结构集装箱底板的MOR∥、MOR⊥保留率最低。MOE∥、MOE⊥的保留率的最大值也属于均质结构的新型集装箱底板，其值分别为88%和78%。此外，薄壳结构的新型集装箱底板MOE∥保留率较内增强结构的大，薄壳结构的MOE⊥保留率为50.4%，该值均小于内增强结构和均质结构的新型集装箱底板。
3）经老化处理后，3种不同结构的集装箱底板的胶合强度保留率都很高且数值比较相近，其值分布在85.6%～92.3%之间。D/D胶接界面的胶接性能最好，其胶合强度保留率达到了92.3%。A/D、B/D、C/D、D/E胶接界面处的胶合强度保留率较相近，分别为85.6%，86.2%，89.3%和88.7%。
3种不同结构的新型集装箱底板物理力学性能除薄壳结构的MOR⊥和MOE⊥外下降幅度均较小，这说明除薄壳结构外，内增强和均质结构的新型集装箱底板的老化性能较好。
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参考文献
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（责任编辑 葛华忠）