镁水泥木丝板复合原理和制作工艺分析

谌 萌 熊荣生 席凯原

(1 江西建材厂，江西 南昌330001；2 江东机床厂，江西 南昌330001；3 江西省机械工业设计研究院，江西 南昌330046)

1 前言

我国菱镁行业资深专家涂平涛编著的《氯氧镁材料技术与应用》一书中介绍了氯氧镁水泥木丝板[1]；如果基材选用镁铝硅酸盐水泥（magnesium alumina silicate cement ZL02133685.7）又可生产镁铝硅酸盐水泥木丝板。由于氯氧镁水泥和镁铝硅酸盐水泥都属于镁水泥的范畴，又由于镁水泥比波特兰水泥具有与植物纤维良好的复合性能，所以镁水泥木丝板越来越引起人们的重视。因此，分析镁水泥木丝板复合原理和制作工艺，对提高产品的物理力学性能，扩大使用范围，有着十分重要的作用。

本文应用变形协调并联复合和串联复合方法，分析低弹性模量木丝增强高弹性模量镁水泥基的复合原理，并推导出预测镁水泥木丝板抗弯强度的计算方法；分析制作工艺中木丝制取、加压成型以及热压脱模的效果比较，为实现镁水泥木丝板或镁水泥中、高密度纤维板的工业化大规模生产提供理论依据。

2 复合原理分析

和波特兰水泥作为基材一样，镁水泥木丝板也是“木纤维增强水泥”（woodfiberreinforcedcement，英文缩写WFRC），这种低弹性模量木丝增强高弹性模量镁水泥基材，如果仅仅以经典混合律（lawofmixture）为主要依据的复合材料理论（theoryofcompositematerial）是难以分析镁水泥木丝板的复合原理的。从变形协调来看，经典混合律只是复合材料中的并联复合，必须引进串联复合，深化复合材料理论，才能从本质上揭示镁水泥木丝板的力学形成机理。

2.1 镁水泥复合基的形成

按照经典混合律，在弹性变形阶段镁水泥木丝板的应力计算公式[2]为：

式中：σfc-镁水泥木丝板的应力，MPa

Em-镁水泥基弹性模量，MPa

Ef-木丝弹性模量，MPa

εm-镁水泥基应变值，%

εf-木丝应变值，%

Vm-镁水泥基体积率，%

Vf-木丝体积率，%

由于镁水泥基的极限延伸率只有0.02%~0.05%，所以在应力作用下的应变值达到镁水泥基的极限延伸率时，具有相同应变值的木丝承受的应力是很低的，无法起到增强作用。显然，单纯应用经典混合律不能分析镁水泥木丝板的复合原理。

实际上，木丝和镁水泥基复合，木丝在镁水泥基中不是一维定向分布，而是三维乱向分布。这样，木丝与镁水泥基存在并联复合的同时，也存在着串联复合。目前串联复合在理论界往往被忽视，但在低弹性模量纤维增强高弹性模量水泥基的复合材料中却是客观存在的。串联复合改变了基体材料的弹性模量，使镁水泥基转变为镁水泥复合基。笔者发表在2010 年第1 期《中国菱镁》杂志上的《镁水泥复合保温板力学性能分析及其材性结构设计》一文中提出了应力作用下弹性变形阶段串联复合必须满足的三个变形协调方程。如果不考虑木丝顺纹方向和横纹方向弹性模量的差异，木丝和镁水泥基串联复合的三个变形协调方程为：

式中：1mε -镁水泥复合基的应变值，%

Em1-镁水泥复合基的弹性模量，MPa-木丝串联复合后的弹性模量，MPa-镁水泥基串联复合后的弹性模量，MPa

μf-木丝的泊松比，%

μm-镁水泥基的泊松比，%-木丝的横向正应变，%-镁水泥基的横向正应变，%

与PP纤维、PVA纤维等低弹性模量纤维不同，木丝横纹方向和顺纹方向的弹性模量是有差异的，木丝横纹方向的弹性模量低于顺纹方向的弹性模量，所以镁水泥复合基弹性模量应该是镁水泥基和木丝横纹方向串联复合后的弹性模量。

解三个变形协调方程，可以求出镁水泥复合基的弹性模量。作为生产，可以近似地采用如下公式求出：

式中：E1m-镁水泥复合基的弹性模量，MPa

Ef1-木丝横纹方向的弹性模量，MPa

η1-木丝横纹方向的取向系数，%。

三维状态中木丝横纹方向的取向系数相当于与应力垂直方向的各平面内沿各个方向，这样横纹方向的取向系数为：

木丝横纹方向的弹性模量不但低于镁水泥基的弹性模量，而且低于木丝顺纹方向的弹性模量。这样，镁水泥基由于串联复合转变为镁水泥复合基后弹性模量极大地降低。正是由于这一原理，低弹性模量木丝增强高弹性模量镁水泥基在事实上转变为顺纹方向的木丝增强镁水泥复合基，这一结论使生产镁水泥木丝板不仅在实践上可行，在理论上也有充分的依据。

2.2 抗拉强度形成机理

镁水泥木丝板的抗拉强度应该是木丝顺纹方向的抗拉强度，和镁水泥复合基的抗拉强度与体积率乘积的加和值。

这样就有：

η1-木丝的长度系数，%

η2-木丝顺纹方向的取向系数，在3D 分布状态下，取向系数为

εf2-木丝顺纹方向的应变值，%-镁水泥复合基的体积率，%

镁水泥木丝板在拉应力作用下，当木丝顺纹方向的应变值和镁水泥复合基的应变值相同时，那么由于木丝顺纹方向的极限应变值和镁水泥复合基的极限应变值不同，这样镁水泥木丝板的抗拉强度 (σfc)b就会出现三种情况：

上述式中：

Ef2-木丝顺纹方向的弹性模量，MPa

(σf2)b-木丝顺纹方向的抗拉强度，MPa

(σm1)b-镁水泥复合基的抗拉强度，MPa

由于με1m可根据木丝掺量进行调节，所以在镁水泥木丝板中，实现με1m＝μεf2时的木丝掺量是镁水泥木丝板中的木丝临界体积率，按临界体积率设计生产的镁水泥木丝板具有较高的物理力学性能。

既然镁水泥复合基的弹性模量应该是镁水泥基和木丝横纹方向串联复合后的弹性模量，同样镁水泥复合基的应变值也应该是镁水泥基和木丝横纹方向串联复合的应变值。按变形协调方程2就有：

(式中:εf1-木丝横纹方向的应变值，%。)

由于镁水泥基的极限应变值很低，当 mε→μεm时，则 1mε →με1m。又按变形协调方程1（应力处处相等）可知镁水泥复合基的抗拉强度等于镁水泥基的抗拉强度。当拉应力达到镁水泥基抗拉强度时，镁水泥复合基的应变值就达到镁水泥基的极限应变值:

这一公式告诉我们，要提高镁水泥复合基的极限应变值，必须也只有降低木丝横纹方向的弹性模量。一般来讲，未经处理的木丝生产镁水泥木丝板其镁水泥复合基很难实现与木丝顺纹方向具有相同的极限应变值，必须对木丝进行处理，降低木丝横纹方向的弹性模量。笔者经过多次试验，得出的结论是经过处理的软木丝比未经过处理的硬木丝在相同的体积率时，所生产的镁水泥木丝板具有较高的物理力学性能。

为了有效地说明这一原理，不妨通过实例进行计算。假设采用的镁水泥和木丝具有如下物理力学性能：

镁水泥

经过处理的木丝

如果经过处理的木丝干容重为0.4g/m3、镁水泥基容重为2.0g/m3，那么木丝的重量掺量（wt%）为61.8%，密度为576kg/m3。

镁水泥木丝板是采用半干法料浆加压生产的，这样可使镁水泥从表面渗透进木丝内部固化，在厚度上压缩为无机胶合中密度纤维板800g/m3密度。由于密度增加了1.39 倍，板材的抗拉强度、弹性模量也增加了1.39 倍。

2.3 预测镁水泥木丝板抗弯强度的计算方法

几乎用不着证明，镁水泥木丝板在工程应用上的主要力学性能是抗弯强度。应用复合材料理论，预测镁水泥木丝板抗弯强度的计算方法的步骤为：

1）应用混合律求出板材在弯曲应力作用下未出现初裂的临界状态时的最大拉应力；

2）在弹性变形范围内求出最大压应力和力学中性轴；

3）预测板材未出现初裂的临界状态时的弯距和抗弯强度。

镁水泥基的抗拉强度只有抗压强度的1/7 ～1/12,木丝横纹受到镁水泥基的机械互锁和化学粘合的约束，只有在压应力较大时，木丝横纹方向横向正应变才能达到镁水泥基的极限应变值，所以镁水泥木丝板的抗压强度高于抗拉强度。这样，镁水泥木丝板弯曲时的最大拉应力可按板材的抗拉强度计算，最大压应力时，由于应力-应变曲线近于直线[3],可按弹性变形计算，即:

仍以上面的实例计算，求出镁水泥木丝板的抗弯强度。

假设镁水泥木丝板厚度δ=25mm,宽度为b，设中性轴为y0，

由ΣM=0 得：

其中σcmax= 530.3εm1，代入求出力学中性轴距受压面y0=13.65mm，

求弯距：

实际检测是按几何截面模量计算的，这样有利于不同的力学中性轴的板材进行弯曲应力承受能力的比较。

求出抗弯强度：

有必要指出的是， 板材的抗弯强度σbb=19.81MPa， 抗 拉 强 度σb=23.03MPa，这二者的关系是σbb=0.825σb，并不满足Hannant 所推导出的2.44 倍公式[4]。抗弯强度的发生，除与板材的抗拉强度有关外，还取决于复合体各组分材料的弹性模量、极限应变值。若，这时低弹性模量纤维掺量较少，抗拉强度低、抗压强度高，中性轴向受压区移动，抗弯强度与抗拉强度的比较值较大；若这时纤维掺量较大，抗拉强度高，抗压强度低，中性轴向受拉区移动，抗弯强度与抗拉强度的比值较小。所以根据镁水泥木丝板的抗弯强度和抗拉强度的关系，不能通过简单测定板材的抗弯强度而计算板材的抗拉强度。

3 制作工艺分析

镁水泥木丝板的制作工艺主要有木材处理和木丝制备、镁水泥配制、铺装与加压成型、养护与裁切整形、饰面深加工等，这里仅对决定板材力学性能的关键工艺进行分析。

3.1 木丝制取

从镁水泥木丝板力学性能分析中可以看出，要生产物理力学性能高的镁水泥木丝板，木丝必须满足两个条件：木丝横纹方向的弹性模量降低较大和木丝顺纹方向的抗拉强度减少较小。这样木丝制取就要包括两个内容：木材处理和切削取丝。

木材作为植物机体，自然含有包括以纤维素、木素、半纤维素等多糖类生物大分子，也含有脂、核酸和蛋白质等生物大分子，以及还含有维生素、有机酸、辅酶、生物碱、氨基酸、天然肽类等[5]。作为真核细胞组成的木材，细胞壁是由纤维素微纤维丝构成[6]。这是木丝抗拉强度的主要承担者，而其他生物分子原生质是组成细胞质、细胞核的主要成分。木材采伐后，原生质要逐渐降解并主要以灰分、树脂、鞣酸等形式存在。如果采用水煮或稀碱水溶液水煮，就很容易把这些对木丝力学性能没有多大贡献的物质除掉，同时降低木丝横纹方向的弹性模量。水煮或稀碱水溶液水煮是木材处理常用的方法。

如果制取木丝采用削片后磨料的方法或顺纹径向锤击的方法，很容易使木丝断裂成碎丝，这不仅降低了木丝的长径比，而且木丝顺纹方向的抗拉强度减少较多。若采用涂平涛的旋切或刨切后拉丝，且取材时注意木材的顺纹方向，这样制取的木丝顺纹抗拉强度减少较小，一句话静力切削比重压挤剥或动力冲击取丝效果好。笔者根据渐开线齿轮传动中心距变化而不影响其传动比的中心距可分性原理，选用过一对m=12 的废直齿锥轮并在齿面上开出带有正前角的微槽用来加工麦秆丝，只要把中心距调整到合适的位置，结果是加工效果很好。因为开有带正前角的微槽有切削作用，而锥齿轮在轴向的线速度是递增或递减的，这样对齿轮轴向进料的麦秆存在着连续的切、扯、撕的过程。若用来加工木丝，可能效果也很好。

3.2 加压成型

经过处理的木丝，容重降低，还产生了较多的孔隙。这些孔隙的出现，为镁水泥渗透进木丝内部固化创造了良好的工艺条件。与石棉纤维、玻璃纤维、PP 纤维、PVA 纤维不同，木丝不是由单一材料所组成，木丝本身就是一种复合材料。处理过的木丝横纹方向弹性模量降低，产生了孔隙，在大的压力下镁水泥就可以挤压进木丝内部固化，这种机械互锁和化学粘合的出现，克服了镁水泥比有机树脂与木丝界面黏结强度低的弊端，极大地提高了木丝增强镁水泥的板材的应力传递效应。

产生大的压力只有采用大轧辊进行多次辊压。只要轧辊产生的压应力大于木丝横纹屈服极限而又小于木丝横纹的抗压强度时，镁水泥就能充分挤压进木丝内部。虽然木丝经过处理，但毕竟是粘弹性材料，大轧辊与扳坯的接触面积大，运转时接触时间延长以及多级辊压，板坯的反弹现象自然就小多了。

3.3 热压脱模

即使板坯经过大轧辊多级辊压，只要镁水泥没有固化板坯的反弹现象还是有的，因此，板坯辊压后还得移到平面压力机中热压才能脱模。1989 年《中国菱镁》杂志刊载了中国科学院王玉庆、杨俊英译的《无机胶凝水泥及其制造工艺（美）威廉·L·普赖尔》文章，该文提出镁水泥刨花纤维板的压制温度=300°F（约149°C），硬化时间6min。南京航空航天大学余红发教授也极力主张热压脱模；笔者在1990 年也多次在实验室中验证了热压脱膜工艺，发现效果的确不错，所以热压脱模工艺的采用对生产镁水泥木丝板缩短生产周期，提高设备的利用率有着重大的作用。

值得注意的是，在平面压力机中热压脱模，在板坯之间一定要留有排气装置。如果不排气，压力机施压时板坯中的空气就会向四周扩散、冲击，这样脱模后的板材周边的强度就要下降。

4 结语

镁水泥木丝板是一种无机胶合植物纤维人造板，和脲醛树脂胶合的纤维板相比，具有防火、防水、防老化、防霉变、不含甲醛等得天独厚的优势，具有较大的发展空间和广阔的市场前景。有个别企业希望用镁水泥开发中、高密度纤维板，如果搞不清楚板材的力学形成机理，只凭经验或感觉盲目开发是很难成功的。只有在理论上掌握镁水泥木丝板力学形成机理，在工艺上保证力学形成机理中的每一步骤，开发和生产镁水泥中、高密度纤维板是不难实现的。

[1]涂平涛.氯氧镁材料技术与应用[M].北京：化学工业出版社，2009：105 ～112.

[2]沈荣熹，崔琪，李清海.新型纤维增强水泥基复合材料[M].北京：中国建材工业出版社，2004：61.

[3]李亚杰.建筑材料[M].北京：中国水利水电出版社，2001：64.

[4]沈荣熹，崔琪，李海清.新型纤维增强水泥基复合材料[M].北京：中国建材工业出版社，2004：82.

[5]靳利娥，刘玉香，秦海峰，谢鲜梅.生物化学基础[M].北京：化学工业出版社，2007：2 ～3.

[6]张璧光.木材科学与技术研究进展[M].北京：中国环境科学出版社，2004：2.