一种回收利用亚麻纤维建筑环保复合材料制备及性能测试研究

李鶤

摘 要：研究了利用软木工业副产品颗粒软木、废纸回收产生的纤维素浆和亚麻纤维开发新型混合复合材料，使用的粘合剂是纤维素浆或石灰火山灰混合物;其可用作建筑非结构构件的复合板和砂浆，探讨将这些复合材料与轻型结构支架结合使用的可能性。阐述了用于生产上述的生态友好复合材料的性能和制造方法，所制备的复合材料具有良好的隔热性能，且吸水率较低。绿色环保型复合材料可以利用工业废料作为具有优良固有热性能和声学性能的新型建筑材料。

关键词：复合材料；天然环保型；工业废料；复合板；亚麻纤维

中图分类号：TQ341 文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）06-0090-04

Preparation and performance testing of recycled hemp fiber-based environmental-friendly construction composite materials

LI Kun

（Zhejiang Greentown Real Estate Investment Co.，Ltd.，Hangzhou 310000，China）

Abstract：This study explores the development of a new type of hybrid composite material using cellulose pulp derived from recycled cork industrial by-product particles and flax fibers.The binder used is either cellulose pulp or lime-pozzolan mixture.These materials can be used as composite boards and mortars for non structural elements of construction.The possibility of using these composites in conjugation with light structural supports has been studied.The performance and manufacturing methods of these eco-friendly composite materials for production are discussed.The resulting composite materials demonstrate good thermal insulation properties and low water absorption.Green and environmentally friendly composite materials can be produced using industrial waste，which provides excellent inherent thermal and acoustic properties for new construction materials.

Key words：composites;natural environmental protection type;industrial waste;composite plate;hemp fibres

建筑業可持续发展在很大程度上取决于在建筑和施工中使用绿色环保替代产品，例如传统上称为绿色材料的工业废物。软木工业的副产品颗粒状软木、从废纸回收中获得的纤维素浆和亚麻纤维显然是用于此目的的材料[1-3]。这些材料可以用作非结构建筑构件的复合板和砂浆，如干墙和天花板或地板找平和填充[4-5]。软木是一种原产于葡萄牙、西班牙等地的物质，它结合了密度降低、高弹性、压缩性、不渗透性和热性能，以及良好的隔音和吸收特性。天然亚麻纤维，可用于增强机械性能，类似于黄麻短纤维、剑麻和椰子纤维[6-7]。这些纤维可在化学、物理和机械性能方面与合成纤维媲美，尤其是在抗拉强度、隔热和隔音以及杀菌特性方面表现良好[8-9]。纤维素浆或石灰-火山灰混合物被用作研究工作中开发的新型混杂复合材料的粘合剂，通过优化偏高岭土和石灰的含量，制备出适合所制备复合材料的粘结剂。最终的混合物被用于生产亚麻纤维增强的轻质复合材料块和板[10-12]。

1 实验部分

1.1 亚麻纤维前处理

亚麻纤维束由干燥的大麻茎制成，长纤维从中手工分离。去除长纤维后，将亚麻秆在（23±3）℃的温度和（50±5）%的相对空气湿度下处理24 h。亚麻秆由磨机旋转研磨，输出功率为1.1 kW，转速为2 800 r/min，实验选择了30 s的研磨时间。研磨时间较短则无法研磨至所需的2.5～5 mm的粒径，较长的研磨会导致大量灰尘，这对复合材料的形成有不利影响，因为它们只会增加对水的需求。研磨后分离短纤维，并通过实验室筛子筛选剩余的亚麻纤维束。使用孔径为5、2.5 mm的筛分。再次研磨粗粒的亚麻纤维，并去除灰尘（小于0.063 mm），用于亚麻纤维复合材料的粘合剂。

1.2 亚麻轻质混凝土的制备和性能测试

试样以50 mm×50 mm×50 mm的金属形式成形。将混合物分3次制成各种形状。每次将混合物放入模板后，用金属棒将其压实。将含有偏高岭土、石灰和纸浆的试样保持24 h。从模板中取出后，将试样在（23±5）℃的温度和（50±5）%的相对空气湿度下保存28 d。半成品试样在温度（105±2）℃的烤箱中干燥24 h。使用粘合材料的试样在温度（160±5）℃的动力机架中干燥24 h；表1为所生产的轻质亚麻混凝土的组成成分。压缩试验使用H10KS Hounsfield试验机进行；加载速率为0.1 mm/min，测量误差为1～11 N。试验在环境温度（23±5）℃和相对空气湿度（50±5）%条件下进行。

2 结果和讨论

2.1 新型复合粘合剂中偏高岭土/石灰的最佳含量

为了确定新复合粘合剂的最佳偏高岭土和石灰含量，使用不同偏高岭土/石灰百分比生产的偏高岭土-石灰混合物在不同固化时间进行压缩试验。使用质量分数75%的偏高岭土和质量分数25%的石灰可获得最佳效果，具体如图1所示。

2.2 亚麻轻质混凝土砌块力学试验

图2为固化前后所制备的亚麻混凝土的外观。值得注意的是，在压实过程中，纤维主要朝向一个方向。3种不同工艺制作的亚麻纤维样品在平行于亚麻纤维的方向上进行压缩试验，这在机械上可被认为是最不利的方向。如图3（a）、（b）所示，所有制备的混凝土均表现出韧性破坏。

考虑到这些开发的轻质复合混凝土和其他現有的接缝混凝土一样，都是拟与结构构件结合使用的非结构材料，这种观察到的延性可能很有吸引力。因为它增强了结构和非结构构件之间的适应和调整，提高了对房屋和建筑物中经常发生的小位移和倾倒的吸收。如图4所示，当将纸浆用于Hempcretes组合物（样品B6和B7）时，获得了更高的抗压强度[13-15]。此外，对于预期的非结构性应用，所有成分均具有令人满意的抗压强度。最终获得的平均抗压强度为0.6 MPa，与其他研究观察到的结果相似[16-17]。因此，观察到的机械性能表明，该材料可用于传统混合物的许多应用中，这些生态高效的亚麻/石灰混合物可以替代二氧化碳排放量高的其他原材料。

从图5可以看出，使用纸浆可提高吸水率，吸水率可达100%或更高。然而，通过添加适当的防水产品，可以显著降低这一限制。在4个养护日结束时，喷涂Q2 Isolit Cer S使吸水率降低约3.34%。压实力较高的样品的吸收率较低（与B8压实样品相比）。

2.3 亚麻轻质混凝土板力学试验

使用表1的亚麻混凝土，采用机械压实法来制造亚麻轻质混凝土板。这些板可用于许多应用，如墙壁或人行道。图6显示了制造的亚麻轻质混凝土板的最终外观和纹理。

从图6可以看出，在这些板材中，亚麻纤维分散在各个方向，从而提高了材料的机械性能。正如用亚麻轻质混凝土砌块观察到的那样，压实板在进行压缩试验时已证明具有类似的延性行为[18]。

2.4 颗粒软木和纸浆复合板

使用不同的纸浆和软木颗粒含量制造了几种复合板。添加剂和亚麻纤维（2 cm长）以提高机械强度、吸水性能和耐火性。石膏被用作粘合剂，用亚麻纤维加固的纸浆和软木板，具体如图7所示。

从图7可以看出，在这些平板中，使用了不同的固化方法，制造后，板材同时进行压缩和热固化。为了将能耗和时间消耗降至最低，对工艺进行了优化，使用15 kN的压实力和110 ℃的热固化温度在3 h内或在室温下3 d内获得最佳结果。该程序允许获得具有令人满意的内聚力和完全光滑的纹理的板材。固化后由粒状软木和纸浆制成的板材如图8所示。

从图8可以看出，板材在弯曲时表现出脆性，获得的平均弯曲强度为400 kPa。通常使用压缩/减压试验来评估含有软木颗粒的试样的力学性能。在试验中，材料在压缩至变形的4%时没有发生显著变化，在减压阶段恢复了28%的变形。

制造的平板样品还进行了吸水性试验，测试结果表明，原材料具有较高的吸水率（约160%）。因此，使用了相同的防水产品。这些防水产品的应用显著降低了吸水效果。亚麻籽油、清漆和聚乙烯醇的效果分别降低到50%、80%和100%。

使用3次试验来确定尺寸为50 cm×50 cm×4 cm的板的导热系数，获得了平均导热系数0.084 W/（m·℃）。通过将该系数与用于类似应用的其他材料的系数进行比较，可以得出开发的复合材料板具有良好的导热性，结果如表2所示。

为了提高制造的平板的弯曲性能，将该材料与商业广告中可用的再生纸和聚丙烯（PP）蜂窝相结合，形成夹层板。这种夹层板具有刚性或柔性聚合物蜂窝，用于提高结构元件的弯曲性能。夹芯板的使用可使面板用于干燥墙壁和天花板等应用。可以看出，纸蜂窝结构中的水对面板的刚度和强度有显著影响。因此，将软木/纸浆板与蜂窝状聚丙烯结合制成的面板不仅具有更好的机械性能，而且具有更高的一致性和外观。聚合物结构适用于所用的机械压实工艺，具体如图9所示。

图10 为不同材料的弯曲性能，描述了用于评估夹层板机械性能的弯曲试验结果。

从图10可以看出，将基础复合板与聚丙烯蜂窝相结合可获得更好的性能。通过将结果与用于干墙、覆盖层和天花板的其他材料的结果进行比较，获得的强度与石膏板上获得的强度相似。还测定了生产的蜂窝夹层板的导热系数。值得注意的是，获得的导热系数为0.085 W/（m·℃），这与初始纸浆/软木面板中确定的导热系数值相近。

3 结语

研究中开发的生态高效复合材料的最佳粘合剂是质量分数75%偏高岭土和质量分数25%石灰的混合物。结果发现，较高的固化温度增加了这种粘合剂的强度增长率，开发的亚麻轻质混凝土砌块表现出韧性，可被视为与大多数非结构性应用兼容。颗粒状软木/纸浆复合材料也被证明对一些非结构性应用具有足够的性能，可用于覆盖物、墙壁、干墙和天花板。由软木/纸浆复合材料与聚丙烯蜂窝组合而成的夹芯板已证明显著改善了开发的生态友好材料的弯曲性能。所制备的复合材料具有良好的隔热性能，且吸水率较低。

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收稿日期：2022-05-17；修回日期：2023-04-30

作者简介：李 鶤（1981-），男，硕士，高级工程师，主要从事建筑材料及项目管理研究；E-mail： tob576vji0wt@163.com。

引文格式：李 鶤.一种回收利用亚麻纤维建筑环保复合材料制备及性能测试研究[J].粘接，2023，50（6）：90-93.