节约型园林中木材/废旧橡胶复合材料的应用研究

刘永安

(天津大学建筑学院，天津 300200)

园林设施是城市建设和规划中的一个重要组成部分,一个城市的整体规划离不开园林的建设。因此,一个园林的建设在很大程度上也能够体现出整个城市的建设方向。对国内目前整体城市的建设走向来看,园林代表着城市中的自然。而现在习近平总书记提出了“绿水青山就是金山银山的”可持续发展理念,可持续发展是当前社会的主要发展动力,代表着我国人民对自然资源的真正重视和合理利用。所以也就要求城市在进行园林建设的时候,遵循可持续发展的原则。目前,我国的很多的城市园林建设都是徒有其表,高昂的建设资金背后是华而不实的内在[1]。美观对于园林建设来说只是一个存在的要素,而不是最重要的发展要点。因此,节约型园林建设要彻底地扭转这一不健康的发展思维,将园林建设回归到实用的角度。城市园林绿化的初衷是要为城市减压,但是很多城市内部的园林建设其实并没有考虑到综合的效益。节约型园林建设就是要从最简单的园林建设出发,降低对社会的负担,在完成其园林的根本性作用之后,也兼顾其对整个建设环节的影响。节约型园林的真正含义并不是用价更低,更为低廉的园林设计,而是在真正建设有价值园林的基础上,减少不必要的支出和浪费,且园林建设要回归本真,对于已使用资源要进行充分的利用,来于自然也要归于自然,尽可能地提高资源的使用效率[2-3]。

目前,随着我国全面禁止天然树木的商业性采伐,我国木材资源短缺的问题逐渐被放大,木材短缺现状日益突出,为了解决这一困境,让天然木材与其他的人工合成材料复合而成新材料是充分利用木材、缓解资源短缺的有效途径,同时也是实现木材功能化的有力手段[4]。我国是橡胶消费大国,2017年底全国汽车保有量与上半年相比增加11.85%,导致废旧轮胎的数量持续上升[5],“黑色垃圾”已成为人们关注的焦点。橡胶制品回收加工再利用是变废为宝、减少黑色污染、保护自然环境的重要途径,也是发展循环经济的重要手段[6]。木材/废旧橡胶复合材料的开发既缓解了木材紧缺的现状,又充分利用了废旧橡胶,使得无效资源得到合理配置。木材/废旧橡胶复合材料充分利用和突出了木材和橡胶的优势,橡胶材料可对传统木质复合材料的黏弹特性进行调控,满足吸声、隔音、阻尼减振等特殊功能的需求[7]。近些年,基于木材工业生产方法的木材/废旧橡胶复合材料的研究取得了一定发展,为该绿色环保功能材料的生产和应用研究提供了坚实的基础。本文以三聚氰胺改性脲醛树脂为胶黏剂,探究热压工艺对木材/废旧橡胶复合材料性能的影响。

1 实验材料和方法

1.1 实验材料

废旧橡胶选自市场上购买的废旧轮胎,并在常温下进行粉碎变为废旧轮胎橡胶粉。胶粘剂为实验室自制的三聚氰胺改性脲醛树脂胶黏剂。实验用木材用于正交试验的木材纤维 (硬杂木木材纤维,在真空烘箱烘干至含水率 4%)。

1.2 实验药品和仪器

实验药品：浓硫酸(质量分数 96% ～ 98% )、氢氧化钠溶液(质量分数 50%)、分析纯双氧水(质量分数 30%)。

实验仪器：QUV /SPRAY型紫外老化仪( 美国Q-Panel 公司)；恒温水浴锅; 电热恒温鼓风干燥箱; 100t实验热压机: 模压面积 500mm×500mm,单位压力 40kN/m2,功率 18kW; 拌胶机: OCA20 接触角测定仪: dataphysics公司生产; AG-10TA 电子万能力学试验机以及CMT5504 电子万能力学试验机。

1.3 实验方法

以热压温度、热压时间、施胶量、橡胶粉量为因素, 设定各自水平, 采用 L9( 34)正交试验制木材/废旧橡胶复合材料,检测力学性能并分析。正交实验参数见表1。

表1 正交试验参数表Table 1 Orthogonal test parameter

2 实验结果与分析

在设定的正交实验水平因子下,各个参数对力学性能的影响实验结果的K值与极差分析在表2～表5中给出。表中,K1、K2、K3 表示某因子在 三水平下某一力学性能的数据之和, k1、k2、k3 表示某因子在三水平下某一力学性能数据之和的平均值。由表2～表5可知,对于静曲强度影响的因子主次为 BDCA,对于弹性模量影响的因子主次为 DCBA,对于内结合强度影响的因子主次为 BACD, 对于24h 吸水厚度膨胀率影响的因子主次为 BCDA。

表2 正交实验制备木材/废旧橡胶复合材料静曲强度极差分析Table 2 The analysis of the extreme difference in static flexural strength of wood/waste rubber composites prepared by orthogonal experiments

表3 正交实验制备木材/废旧橡胶复合材料弹性模量极差分析Table 3 The elastic modulus analysis of wood/waste rubber composites

表4 正交实验制备木材/废旧橡胶复合材料内结合强度极差分析Table 4 Analysis of internal bonding strength of wood/waste rubber composites prepared by orthogonal experiments

表5 正交实验制备木材/废旧橡胶复合材料吸水膨胀率极差分析Table 5 The water swelling rate analysis of wood/waste rubber composites

通过表2～表5可以知：当热压时间逐渐增大的时候,木材/废旧橡胶复合材料的静曲强度由25.16MPa增大到25.98MPa和27.41MPa,逐级提高3.83% 、5.34% , 跨级提高9.37% ; 内结合强度也随着热压时间的增大而增大；吸水膨胀率随着热压时间的增大而减小。由此可知,增大热压时间提高了木材/废旧橡胶复合材料的力学性能。热压时间增加提高了材料的力学性能的原因主要在于热压时间在一定范围内的增长有利于树脂充分固化[8]。随着热压温度的增加,材料的静曲强度增加,弹性模量逐渐增加,内结合强度也逐渐增加,材料的吸水膨胀率逐渐减小。综合来说,热压温度的提高一定范围之内提高了木材/废旧橡胶复合材料的力学性能。热压温度升高增加材料的力学性能的原因主要在于热压温度的升高有利于热传导,促进胶黏剂的固化,增加木材的塑性,有利于板坯的压密[9]。当正交试验的参数胶粘剂含量由14%逐渐增大至16%时,材料的静曲强度、弹性模量和内结合强度先增大后减小,当胶粘剂的含量为15%时,木材/废旧橡胶复合材料的力学性能最好。胶粘剂量在一定范围内的增加提高了材料的力学性能,增加施胶量有利于木材纤维、橡胶之间的胶合,在14% 时复合材料力学性能变化不大。有文献显示,胶粘剂量超过一定值时的增加仅使胶层厚度增加,纤维间的胶受其影响不大,也会使板坯含水率很大,不利于芯层的胶的固化[10]。橡胶粉含量的增加降低了木材/废旧橡胶复合材料的静曲强度和弹性模量,但是却提高了材料的尺寸稳定性能,原因在于废旧橡胶粉弹性模量、静曲强度较木材低,亲水性较弱[10]。

从正交实验还可以看出： 在设定的因子水平下, 对于静曲强度,设定因子影响的主次为热压温度＞橡胶粉量＞胶粘剂量＞热压时间,有利因子水平为 A3B3C2D1; 对于弹性模量,设定因子影响的主次为橡胶粉量＞胶粘剂量＞热压温度＞热压时间,有利影响因子为 A3B3C2D1; 对于内结合强度,因子影响的主次为热压温度＞热压时间＞胶粘剂量＞橡胶粉量, 有利因子水平为 A3B3C3D3; 对于 24h 吸水厚度膨胀率, 因子影响的主次为热压温度＞胶粘剂量＞橡胶粉量＞热压时间, 有利因子水平为 A3B3C3D3。对于各单项指标进行有利因子水平综合分析,A因子取 A3水平时复合材料各项力学性能均最好,B因子取B3水平时复合材料各项力学性能均最好, C 因子取 C2水平时,复合材料静曲强度、动态弹模、内结合强度均最好,24h吸水厚度膨胀率低于C3,却也达到标准；D因子对于内结合强度的影响较小,取D1时复合材料的静曲强度、弹性模量最好,24h吸水厚度膨胀率很高,取D3时复合材料的静曲强度与弹性模量均较小,取D2力学性能均较好,正交试验中的9号板, 其D因子在D1水平时,24h吸水厚度膨胀率达到国家标准。所以确定在设定因子水平下的最佳力学性能的热压工艺为A3B3C2D1,此种工艺下的复合材料力学性能达到GB /T 11718-2009干燥状态下的标准。

3 木材/废旧橡胶复合材料在节约型园 林中的应用

木材是一种天然的建筑材料,在建筑中给人一种自然舒适的感觉。在城市园林建设中,木材常作为一种铺装材料用于临水平台、栈道及各种园林建筑小品、桌椅等,相比传统的石材更受到人们的欢迎。各种木材制品在生产加工过程中会产生较多的加工废料、木粉以及不可进一步加工的小径级木材,导致木材利用率较低,造成较多的资源浪费。因此,如果能实现废弃木材的循环再利用可以较大程度节约资源。近些年,废弃物在节约型园林中的应用已进行了一些探索,建筑废弃木材可通过人造板工艺加工成具有一定强度和规格的板材再应用于园林建设,废旧轮胎在园林中的使用则多以轮胎的简单连接为主,例如废旧轮胎驳岸的设计。

木材和废旧轮胎均可再次回收利用,经过本实验加工方法生产的木材/废旧橡胶复合材料具有优异的力学性能,所以可以作为城市园林建筑中非关键承重部位的建设材料使用,特别是废旧木材和废旧橡胶的再利用是建设节约型园林的重要体现,也是实现循环经济的重要手段。基于对木材/废旧橡胶复合材料的基本单元、复合工艺、物理力学性能的综合分析可知,木材/废旧橡胶复合材料继承了木材优点的同时,又体现了较强的抗吸水膨胀度,具有一定的防水功能,同时又具有较好的阻尼减震、隔音吸声、降噪的性能,在户外环境中应用具有一定优势。

4 结论

本文通过L9(34)正交试验与分析得出,在设定的工艺因子水平下的最佳力学性能的热压工艺为 A3B3C2D1,木材/废旧橡胶复合材料的加工工艺为热压温度 180℃、热压时间8min, 胶粘剂的量为15%,废旧橡胶粉的比例30%。利用本实验最佳工艺生产的木材/废旧橡胶复合材料的力学性能可以到达GB /T 11718-2009 中干燥状态下普通型、家具型中密度纤维板的标准,满足用于节约型园林建筑材料中的板材强度要求。