新型建筑节能墙体保温材料力学和热工性能分析

杨安琪

1新疆建筑科学研究院（830054）2新疆建设工程质量安全检测中心（830054）

1 研究背景

随着人类对自然资源过度的开发、破坏，生态环境受到了严重的威胁，尤其在建筑领域中温室气体的排放量呈现逐年增长趋势，而且传统建筑材料对生态坏境的破坏也尤为严重[1]。为了实现资源的合理利用及对生态环境的保护，建筑领域中不断研究清洁、高效、合理的保温系统的应用。通过研究后发现，天然纤维复合材料具有较多的优点，如来源丰富、造价低、可再生、可降解等，能够地替代传统建筑墙体保温材料，现阶段建筑保温材料已经开始应用木质纤维、再生纤维等天然有机填充材料[2]。

本研究以海藻酸钠天然纤维生物复合材料的材料力学及热工性能为研究方向，评价将其应用于建筑保温材料的隔热性能，并通过对比不同比例的纤维添加量，使材料达到最佳的抗弯、抗压强度等力学性能，并以分析结果作为依据，探讨海藻酸钠天然纤维生物复合材料的应用前景[3]。

2 材料配比设计

试剂选用:海藻酸钠、乙二醛（交联剂）、戊二醛（交联剂）、甘油（增塑剂），天然纤维为，木质纤维、稻杆纤维。首先将天然纤维按照不同的比例进行配比，之后加入水及试剂，得到海藻酸钠天然纤维生物复合材料试样。试样设计配比形式见表1。

3 试样材料制备

根据不同试样比例配比天然纤维并进行搅拌，之后配制海藻酸钠溶液，并将天然纤维混合物加入至海藻酸钠溶液中继续搅拌，将湿纤维放入金属模具内进行热压成型，最后将样品静置、烘干。

4 试样性能表征分析

4.1 热工性能分析

样品热工性能分析中数据的测量采用激光导热仪（LFA427）进行测试，主要测试参数包括复合材料的热传导率、溢出率和扩散率。

表1 试样设计配比形式

4.2 力学性能分析

样品抗压和抗弯等性能应力应变曲线采用电子万能材料试验机进行测试，测试时加载压力2.5kN、加载速率2mm/min、样品规格为160mm×40mm×40 mm。样品的抗压、抗弯性能测试加载压力为10kN、加载速率10mm/min、样品规格为800mm×40mm×40mm。

5 研究结果及分析

5.1 弯曲性能分析

通过对生物复合材料样品进行弯曲性能测验可以发现，材料的抗弯强度以及弹性模量将随着木质纤维含量的增加而提升，最大弯曲应变数值将随着木质纤维的增加而降低，YP-5样品的抗弯强度和弹性模量为最大数值，分别可达到0.57MPa、17.59 MPa，而最大弯曲应变减少到3.55MPa。因此，在生物复合材料中增加适当的木质纤维能够有效提升材料的基体效果及刚性。

5.2 抗压性能分析

通过对生物复合材料样品进行抗压性能测验可以发现，样品的抗压强度和弹性模量随着木质纤维含量的增多而提升，YP-5具有最高的压缩弹性模量和抗压强度，分别达到1.41MPa、21.98MPa。另外，当材料中含有交联剂时能够显著提升样品的抗压强度和弹性模量，YP-3#的弹性模量及抗压强度相较于YP-3分别提升了21%、16%。由此可见，通过在生物复合材料中增加交联剂能够显著的提升其力学性能及刚性。各样品的抗压性能测试结果见表2。

表2 各样品抗压性能测试结果

5.3 微观形貌分析

根据文章分析可知，YP-5具有最好的抗弯和抗压性能。因此，选取YP-5进行撕裂表面的SEM分析，样品断裂处木质纤维并未发现存在团聚现象，并且与海藻酸钠黏合紧密、具有较好的润湿性，并且未出现微裂纹，因此，YP-5才具有较好的抗弯和抗压性能

5.4 热工性能分析

在样品的热工性能（热传导率）测验中发现，由于热传导率＜0.1W/（m·K）的材料可以被认定为具有隔热性。本研究中生物复合材料的热传导率处于0.078～0.089W/（m·K）范围内，因此，样品具有较好的隔热性能，可适用于建筑墙体的节能保温材料。

由热工性能（热传导率）测验结果显示，材料的热传导率将随着木质纤维含量的增加呈现先降低后增加的趋势。当材料中木质纤维含量为60%时，其热传导率为最低状态。综合来看，生物复合材料与其他同密度的材料相比，具有更好的保温性能[4]。

5.5 扩散率、溢出率分析

生物复合材料扩散率、溢出率与木质纤维含量之间也具有较大的联系。在测验中发现，二者之间具有正比关系。当样品中未添加木质纤维时，材料的扩散为未310×10-7m2/s。当样品中木质纤维的含量达到100%时，其扩散率降至174×10-7m2/s。因此，通过在材料中添加木质纤维能够有效减少材料的扩散率，使生物复合材料具有更好的热传导性及保温性能。

生物复合材料中木质纤维含量与材料的溢出率整体上呈现为反比趋势。未添加木质纤维的生物复合材料溢出率为149W·s1/2/（m2·K），但当材料中木质纤维含量处于50%～60%时却呈现出异常的溢出率上升的情况。当木质纤维为100%时，材料的溢出率为最大值，达到183W·s1/2/（m2·K），因此，在生物复合材料中添加木质纤维能够有效提升溢出率。在实际的应用中可改善建筑结构中的热舒适性。另外，在材料中添加乙二醛同样能够影响材料的导热性能。因此，通过在生物复合材料中添加较高比例的木质纤维及乙二醛可提升其隔热性能，增加建筑的热舒适性。

6 结语

木质纤维的含量越高，生物复合材料质量损失越多，并且添加交联剂的材料具有更优异的干燥时效。

通过对复合材料的力学性能测试表明，生物复合材料抗弯强度、抗压强度及弹性模量随着木质纤维含量的增加而提升，并且含有乙二醛交联剂的材料具有更好的刚性；微观形貌分析结果显示，木质纤维含量为100%时，生物复合材料具有最好的抗弯和抗压性能，并且木质纤维能够与海藻酸钠具有较好的紧密性及润湿性。

热工性能分析中，生物复合材料热传导率处于0.078～0.089W/（m·K）范围内，具有优异的保温性能，并且高比例木质纤维及添加乙二醛交联剂的生物复合材料可提升传热能力和保温性能。