玻纤网布压嵌塑料建筑模板力学性能研究

蔡李花,方海峰,王 琪,吴群彪

(1.江苏科技大学 机电与动力工程学院, 张家港 215600) (2.苏州理工学院, 张家港215600)

随着建筑业的发展,人们对木材需求量的扩大,森林资源日趋减少,而人们的环保意识逐步提高,以塑代木已成为建筑业发展的趋势[1-3]．在新型建筑模板领域,研究人员不断地提出新方案,研发新材料,如竹筋增强型,钢丝增强型,钢板增强型复合模板,拼装组合成大模板等,虽然塑料模板具有成本低、自身重量轻等很多优点,但是目前的塑料模板仍存在强度和刚度较小的问题[4-5]．现在的复合模板大多采用多层胶合的方式,将增强材料铺放在基板之间进行加强,这种复合模板的生产效率较低,增强效果也不甚理想,主要原因是各层之间的结合程度较难达到理想水平,而且该生产方式对工艺控制的要求较高,不易高速生产．因此,探索一种新型有效的塑料模板增强方式,以增强塑料模板的力学性能显得尤为迫切[6-12]．

文中基于一种新的复合塑料建筑模板强化方法——压嵌法[13-15],研究玻玻璃纤维网布[16-18]的压嵌深度和网格尺寸对复合塑料建筑模板力学性能的影响,优化复合模板的结构和制造工艺,提高复合塑料建筑模板的力学性能．

1 塑料建筑模板玻纤网布压嵌工艺分析

在塑料建筑模板中嵌入玻璃纤维网布可以有效地提高建筑模板的力学性能,一种新的复合塑料建筑模板强化方法——压嵌法，其原理是通过挤出机和板材模头先挤出成型塑料板,在塑料板尚未冷却的状态下进行辅助加热同时通过齿状压辊强行将玻璃纤维网格布压入塑料板中,然后通过预平整合再经过三辊压光成型,其工艺流程如图1．

将从挤出模头牵引出的基料层及玻璃纤维网布同时引入到一对反向旋转的齿辊中,齿辊将上下两层玻璃纤维网布同时压嵌入基料层中,继续将压嵌入玻璃纤维网布的基料层输送到光辊中进行滚压平整,即完成了玻璃纤维的嵌入工艺．由此可见,压嵌法解决了贴合法无法解决的难题,不考究原材料的热熔性能,只需能挤出成型就满足工艺要求,而且可以实现连续生产,提高效率．因此,压嵌法比贴合法更合理、更巧妙,是玻璃纤维网格布增强塑料建筑模板的成型工艺的一个突破．

1—基料层;2—玻璃纤维网布;3—齿辊;4—光辊图1 玻纤网布压嵌工艺Fig.1 Embedding process of glass-fiber mesh

2 复合塑料建筑模板力学性能实验

2.1 模板制备设备

对原有的塑料建筑模板生产线进行改造,在挤出机和模具之后加入网布嵌入机,如图2．网布嵌入机可以实现对从挤出机和模具挤出成型的塑料板材进行辅助加热和玻纤网布压嵌．压嵌后的复合塑料模板再经过三辊压光成型,进一步经过冷却及定型,最后使用跟踪锯切机将其切割成所需的规格尺寸．

图2 复合塑料建筑模板制备设备Fig.2 Production line of composite plastic building templates

2.2 实验方法

复合塑料建筑模板结构如图3，通过更换不同齿密度的齿辊可以实现压嵌不同网格尺寸的玻纤网布;通过改变两齿辊之间的距离可以调整玻纤网布嵌入基料层的深度t．

图3 复合塑料建筑模板结构Fig.3 Structure of plastic building template

通过反复实验发现,由于设备及工艺所限,无法压入网格尺寸过小的玻纤网布,而且玻纤网布的压嵌深度也不能过小,否则将导致玻纤网布的嵌入效果较差．综合以上因素，选取3种典型网格尺寸(5 mm×5 mm,10 mm×10 mm,20 mm×20 mm)的玻纤网布进行压嵌,其压嵌深度t分别为3、5、7 mm,实验模板的编号如表1．为了进行对比,另制备一未压嵌玻纤网布的塑料模板,其编号为10,未在表中列出．

为了分析对比方便,制备的实验模板外形尺寸均为2 400 mm×1 200 mm×20 mm．使用万能力学实验机,按照 GB/T 17657-1999《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》静曲强度和弹性模量测定,对10块实验模板分别进行静曲强度(MOR)、弹性模量(MOE)的检测,按照 GB/T 20241-2006《单层板积材》6.2.3.4水平剪切强度测定,检测其水平剪切强度．

表1 实验模板编号*Table 1 Test templates′ number list

注：*无玻纤强化的塑料模板,编号为10,未在上表中列出

3 结果与分析

表2为10块实验模板的力学性能测试结果．对嵌入同样网格尺寸玻纤网布的复合模板进行比较可以发现:随着玻纤网布压嵌深度的增大,复合模板的水平剪切强度的变化不大,而其静曲强度(MOR)和弹性模量(MOE)则出现显著降低．网格尺寸为5 mm×5 mm，嵌入深度为3 mm的1号实验模板具有最大的静曲强度和弹性模量,分别为31.37 MPa和232.62 MPa,比嵌入深度为7 mm的3号实验模板分别增加了15.59%和6.06%;网格尺寸为10 mm×10 mm，嵌入深度为3 mm的4号实验模板的静曲强度和弹性模量分别为28.23 MPa和215.64 MPa,比嵌入深度为7 mm的6号实验模板分别增加了12.56%和6.33%;网格尺寸为20 mm×20 mm嵌入深度为3 mm的7号实验模板的静曲强度和弹性模量分别为26.92 MPa和203.88 MPa,比嵌入深度为7 mm的9号实验模板分别增加了10.37%和4.19%．

表2 实验模板的力学性能Table 2 Mechanical properties of test templatess

通过以上数据对比可以说明,玻纤网布的铺放位置越靠近表层,压嵌深度越小,复合塑料建筑模板的抗弯力学性能越好，如图4，将玻纤网布压嵌于表层附近可以承担更多弯曲应力,发挥更好的增强效果; 而将玻纤网布压嵌至模板中部,其承担的弯曲应力将减少,增强作用将会明显减弱．此外,对比静曲强度和弹性模量的增强效果可以发现,玻纤网布对复合模板静曲强度的增强效果要优于弹性模量．

图4 复合塑料建筑模板弯曲应力Fig.4 Bending stress of plastic building template

利用表2中的数据绘制图5，说明玻纤网布网格尺寸对复合塑料建筑模板力学性能的影响．

图5 实验模板力学性能对比Fig.5 Comparison charts of test templates’ mechanical properties

由图5(a)及(b)可以发现,在不同的压嵌深度下,网格尺寸为5 mm×5 mm的实验模板的静曲强度(MOR)和弹性模量(MOE)都要优于其余两种网格尺寸的实验模板,且网格尺寸越小,模板的力学性能越好．其中网格尺寸为5 mm×5 mm嵌入深度为3mm的1号实验模板具有最大的静曲强度和弹性模量,分别为31.37 MPa和232.62 MPa,较无玻纤强化的10号实验模板分别增加了30.93%和22.23%．由图5(c)可以发现,网格尺寸为5 mm×5 mm的实验模板的剪切强度要优于其余两种网格尺寸的实验模板,但是影响的程度不大．主要原因是,网格尺寸为5 mm×5 mm的实验模板中的强化材料占比较高,一定程度上增加了其剪切强度;但玻璃纤维本身的纵向抗剪能力较弱,其主要强度方向为水平展开方向,对复合模板的抗剪强度提高作用有限．

复合材料的刚度模型[19]可以用来预测不同组成的复合模板的弹性模量并具有较高的精度．同时,通过试验可以看出,玻璃纤维网布的压嵌位置直接影响复合材料层板的刚度,由于其相对中轴面的距离不同,且矩形截面对于其对称轴的惯性矩为Ix=bh3/12,因此复合模板中各层对弯曲刚度系数的贡献率与它们的到中轴面距离的三次方成正比,加权因子随远离中面而迅速增大．

(1) 玻璃纤维增强复合塑料建筑模板的刚度预测模型．

复合模板的第k层对于复合层板的加权弹性模量为:

(1)

按叠加原理,复合模板的水平顺纹和横纹的弹性模量的计算公式:

(2)

(2) 按玻璃纤维网布铺放位置对复合层板弹性模量的预测和验证．

因玻璃纤维网布的嵌入位置不同,其对复合模板弹性模量的贡献率不同,构成单元材料的弹性模量越大、铺放位置离中心层越远,即越靠近复合模板表层,其贡献率越大．

以玻纤网格尺寸为5 mm×5 mm的实验模板为例,玻璃纤维网布对复合模板弹性模量的贡献率依次为1号23.48%，2号14.23%，3号 7.32%．由此可见,同样是5 mm×5 mm的实验模板,对中轴面的距离不同，复合模板中各层对弯曲刚度系数的贡献率与它们的到中面距离的三次方成正比,加权因子随远离中面而迅速增大．

4 结论

(1) 介绍一种新的复合塑料建筑模板强化方法——压嵌法,其原理为通过挤出机和板材模头先挤出成型塑料板,在塑料板尚未冷却的状态下进行辅助加热同时通过齿状压辊强行将玻璃纤维网格布压入塑料板中,然后通过预平整合再经过三辊压光成型．通过实验发现,该方法可以显著提高复合塑料建筑模板的静曲强度和弹性模量等力学性能．

(2) 玻纤网布的压嵌深度对复合塑料建筑模板静曲强度和弹性模量的影响效果显著．玻纤网布的铺放位置越靠近表层,压嵌深度越小,复合塑料建筑模板的抗弯力学性能越好,即将玻纤网布压嵌于表层附近可以发挥更好的增强效果; 而将玻纤网布压嵌至模板中部,增强作用将会明显减弱．此外,对比静曲强度和弹性模量的增强效果可以发现,玻纤网布对复合模板静曲强度的增强效果要优于弹性模量．

(3) 玻纤网布网格尺寸对复合塑料建筑模板静曲强度和弹性模量亦有显著影响．网格尺寸越小,模板的力学性能越好．按玻璃纤维网布铺放位置对复合层板弹性模量的预测和验证,其中网格尺寸为5 mm×5 mm嵌入深度为3 mm的1号实验模板具有最大的静曲强度和弹性模量,分别为31.37 MPa和232.62 MPa,较无玻纤强化的10号实验模板分别增加了30.93%和22.23%．

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