废弃纤维外墙保温墙板的试验研究

2012-09-25王洪操,于永玲,吕丽华

大连工业大学学报 2012年6期

王洪操, 于永玲, 吕丽华

( 大连工业大学绿色纤维应用技术研究所, 辽宁大连 116034 )

0 引言

目前,世界每年产生的废弃纤维总量有4 000万t左右[1],仅我国每年废弃纤维的产量就近千万吨。废弃纤维主要的处理方法有燃烧法、掩埋法和分离回收法[2-3],其中燃烧法和掩埋法会造成环境的二次污染,不利于节能环保；混纺纤维分离法成本过高、分离不充分给纤维的分离带来诸多难题,不能达到国家节能环保、回收再利用的要求[4-5]。

我国建筑总体保温性能差,主要存在以下问题:一是成本造价高,不利于保温材料的普及；二是不可回收再利用,造成严重的环境污染和资源浪费[6]；三是施工复杂,不方便安装[7]；四是建筑能耗大[8-9]。由于以上情况,如何提高保温墙板的保温性能和资源的再利用性成为国内外建筑研发部门备受关注的问题[10]。目前,轻质保温墙板的种类主要有聚苯乙烯泡沫板和加气硅砌块,有关使用废弃纤维制备保温墙板的文献报道较少。作者针对废弃棉/麻混纺纤维制备保温材料进行了试验研究,旨在实现资源的再利用,减轻废弃纤维对环境的污染,解决混纺纤维回收再利用的难题,提高我国传统建筑墙材的保温性能,拓宽绿色环保建筑保温墙材的市场开发领域。

1 试验

1.1 材料及仪器

材料:废弃棉/麻混纺布,混纺比55/45,细度41.7 tex；聚丙烯,中国石油化工股份有限公司北京燕山分公司；Mg(OH)2阻燃剂,2 500目,大连市亚泰科技新材料有限公司。原料配比:m[Mg(OH)2]∶m[PP]=8∶15。

仪器:JFSD-100-Ⅱ高效粉碎机,上海嘉定粮油仪器检测仪器厂；XMTD2001型恒温烘棉机；SK-160B型开放式炼塑机；QLB-50D/Q型平板硫化机；HY-W万能制样机,河北省承德试验机厂；RXJ-50型简悬组合冲击试验机,RG微机控制电子万能试验机,深圳市瑞格尔仪器有限公司；LFY-608织物热传导性能测定仪；扫描电子显微镜。

1.2 保温墙板成型工艺流程

废弃混纺纤维洗涤(清水中洗涤去除杂质)、烘干[(80±5) ℃,4 h]→制备破碎纤维(纤维长度为3 mm)→配料、共混混炼→热压制板→冷压成型→脱模。

1.3 力学测试标准

拉伸性能按GB/T 1447—2005测定,弯曲性能按GB/T 1449—2005测定；悬臂梁冲击性能按GB/T 1843—1996测定。

2 结果与讨论

2.1 正交试验结果分析

为了确定各个工艺因素对复合材料力学性能的影响主次顺序,以拉伸强度、弯曲强度和冲击强度为指标,将混纺纤维的质量分数、热压温度、热压压力及热压时间4个因素进行L9(34)正交试验,结果如表1所示。从表1中极差R大小可知,对保温墙板的拉伸强力影响因素先后顺序为A>C>D>B,对弯曲强力影响因素先后顺序为A>D>B>C,对冲击强力影响因素先后顺序为A>C>B>D。对力学性能影响因素的先后顺序为A>C>D>B:对混纺纤维的质量分数A,3个指标中最优工艺都是A3,所以A3最佳；对于因素热压温度B,弯曲强度和冲击强度指标的最优工艺都为B1,而在拉伸强度的指标中B1和B3相差无几,综合考虑取B1最佳；对于因素热压压力C,3个指标中的最优工艺都是C1,所以热压压力取C1为最佳;对于因素热压时间都取D2,取D2为最佳。制备的保温复合墙板的最优热压工艺条件是A3C1D2B1,即混纺纤维质量分数为35%,热压压力为8 MPa,热压时间为10 min,热压温度为175 ℃。

从表1极差大小的比较中可以看出,废弃混纺纤维的质量分数是影响保温墙板力学性能的最主要因素,热压压力为次要的影响因素,热压时间和热压温度对板材力学性能的影响不明显。施加一定的热压压力,可以增加纤维浸润基体的速度。适当的热压温度可以增强树脂大分子的动能,从而增强了树脂的流动性,使纤维充分浸润,当温度继续升高的时候,对保温墙板的力学性能没有影响。双辊炼塑机具有的剪切应力区较高,可以使纤维更好地均匀分散。粒子尺寸变形和碎裂过程只发生在最开始的几分钟里。时间过长,转子的转动对分散相的尺寸大小影响不明显。

2.2 工艺参数单因素分析

图1是在最优成型工艺参数即热压压力为8 MPa、热压时间为10 min、热压温度为175 ℃时废弃混纺纤维质量分数对保温墙板拉伸、弯曲与冲击性能的影响。结果表明,随着废弃混纺纤维质量分数的提高,其力学性能呈现先增加后减小的特征,当废弃混纺纤维的质量分数达到40%时拉伸、弯曲和冲击性能达到最佳。其原因是:当废弃混纺纤维的质量分数小于40%时,板材中的增强纤维含量过低,纤维并没起到增强力学性能的作用,从复合材料的SEM拉伸断面(图2a)可以看出,板材内部断面只呈现出结块的树脂块,板材表面产生裂纹,从而使板材的力学性能下降。当纤维含量过高的时候,混入的纤维会产生结节,使基体不能充分地浸润纤维。从复合材料的SEM拉伸断面(图2c)可以看出,大量结节的纤维使增强材料无法均匀地分布在基体中,产生应力集中现象,板材的界面相容性变差,达不到增强力学性能的作用。当废弃混纺纤维的质量分数达到40%的时候,纤维正好能均匀地分布在基体中,每根纤维都能起到加强筋的作用。从复合材料的SEM拉伸断面(图2b)可以看出当有外力作用板材的时候,纤维起到握持的作用,从而增强了板材的力学性能,又因为混入的纤维可以连接基体,减少聚丙烯板的裂纹,从微观增强板材的力学性能。所以,当废弃混纺纤维的质量分数为40%时为最佳选择,此时保温墙板力学性能最优。

图1 纤维的质量分数对保温墙板拉伸、弯曲和冲击性能的影响

Fig.1 Effect of the content of fiber on stretching, bending and impact property of insulation wallboard

3 废弃纤维保温墙板的性能测试

从表2中可以看出,所测的各项指标都达到国家标准,特别是弯曲弹性模量达到2 320 MPa,远大于国家标准。简支梁冲击强度和断裂伸长率也达到同类保温墙板的力学要求,主要原因是保温墙板加入的纤维,每根纤维不但发挥着增强板材力学性能的作用,还起到连接树脂微小颗粒间的作用,增强了保温墙板的抗裂性,使废弃纤维保温墙板的各项力学性能得到改善。从表2可以看出,废弃纤维制备的保温墙板氧指数达到40%,含水率和吸水膨胀率都比较好,保证了保温墙板具有较好的耐候性。经过高低温和加热后状态试验,很好地验证了废弃纤维制备的保温墙板具有较好的耐温度高低变化的特点。

图2 不同纤维质量分数的墙板试样拉伸断面

表2 纤维保温墙板的理化性能指标

4 废弃混纺纤维保温墙板的保温性能

废弃混纺纤维制备的保温墙板成功地解决了保温墙材造价高这一难题,同时大大提高了传统砖墙墙体的保温性能,又因其密度小、力学性能好的特点,节省了传统建筑墙体的占用空间。废弃混纺纤维制备的保温墙板保温性能优异,墙板中空部位用导热系数仅为0.04 W/(m·K)的岩棉填充,岩棉具有阻燃、导热系数低和价格低廉的特点,其性能优于聚苯乙烯泡沫材料,保证了保温墙板具有极佳的保温性能。

由于不同地区的温度和湿度不同,各个地区采暖居住建筑围护结构的传热系数限值也不相同。国家根据各地不同的气候条件设定了每个地区相应的采暖居住建筑围护结构传热系数限值。只有所测的建筑围护结构传热系数小于国标规定的数值才能达到保温的效果。当一种建筑墙体的热传导系数一定时,如果要使传热系数达到国家标准,必须增加墙体的厚度,但是厚度过大的墙体会浪费大量的建筑材料和建筑空间。因此,提高建筑墙体的保温性能必须通过发明导热系数小的新型建筑材料来实现。

由表3可知,我国大部分地区采暖居住建筑的传热系数基本小于1,个别寒冷地区甚至在0.5左右,这对我国居民建筑的保温性能提出考验。过去我国建筑基本采用传统的混凝土砖墙,保温性能很差。以重砂浆砖砌实体墙为例:导热系数为0.62 W/(m·K),按26JGJ_26—1995《民用建筑节能设计标准》规定,采用这种墙体,大连地区墙体厚度应达到540～1 200 mm,如此厚的墙体既浪费大量的建筑材料又占用大量的建筑空间。采用废弃混纺纤维制备的保温墙板做保温层,所测墙板的导热系数为0.1 W/(m·K),中间填塞厚10 mm的岩棉导热系数为0.04 W/(m·K),外加两层砖结构墙体的总热阻为2.89 m2·K/W,传热系数为0.35 W/(m2·K),总体厚度为240 mm。对照表3可以得出其传热系数小于大连建筑各部分围护结构传热系数的极限值。废弃纤维制备的保温墙板不但有较好的保温性能还大大减少了建筑面积。