相变复合新材料在居住建筑围护结构中的应用
2023-11-29赵婧竹朱荣花古新鹿巍
赵婧竹 朱荣花 古新 鹿巍
摘 要：为了提升相变复合新材料的力学性能，推动其在居住建筑维护结构中应用。研究了热压温度、热压压力和初始含水率对相变材料拉伸强度、弯曲强度、粗糙度和密度的影响。结果表明，随着热压温度、初始含水率和热压压力的增加，相变复合新材料的拉伸强度和弯曲强度整体表现为先升后降趋势，在热压温度为190 ℃、热压压力为8 MPa和初始含水率为70%时，相变材料具有最大的拉伸强度和弯曲强度。热压压力、热压温度和初始含水率提高有助于降低粗糙度和峰峰值，并提升相变复合新材料的密度，但是热压温度、初始含水率和热压压力也不能过高，否则会影响致密性并产生压溃，力学性能反而降低。
关键词：相变复合新材料；热压压力；热压温度；初始含水率；力学性能
中图分类号：TQ342;TU502
文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）11-0110-04
The application of phase changednew composite materialin residential building envelope structures
ZHAO Jingzhu，ZHU Ronghua，GU Xin，LU Wei
（School of Science and Technology，Xian Siyuan University，Xian 710038，China
）
Abstract：In order to improve the mechanical properties of phase changed new composite material，promote its application in residential building maintenance structures.The effects of hot pressing temperature，hot pressing pressureand initial watercontent on the tensile strength，flexural strength，roughness，and density of phase changed materials were studied.The results showed that with the increase of hot pressing temperature，initial watercontent，and hot pressing pressure，the overall tensile and bending strength of phase changed materials showed a trend of first increasing and then decreasing.When the hot pressing temperature was190 ℃，a hot pressing pressure was 8 MPa，and an initial watercontent was 70%，phase changed materials hadthe highest tensile and bending strength.The increase in hot pressing pressure，temperature，and initial water content helpedto reduce roughness and peak to peak values，and increased the density of phase changed materials.However，the hot pressing temperature，initial moisture content，and pressure should not be too high，otherwise it wouldaffect the density and cause crushing，and the mechanical properties would actually decrease.
Key words：phase changed new composite materials;hot pressing pressure;hot pressing temperature;initial watercontent;mechanical property
居住建筑圍护结构中需要大量的相变建筑材料，这主要是因为轻质、环保型相变材料除拥有建筑围护结构所需的导热、耐腐蚀性能外，还具有可降解、自粘合等特性［1-3］。尤其是随着城镇化进程的快速推进，居住建筑围护结构的需求量不断增加，给相变建筑复合新材料带来了巨大发展机遇。如何通过加工工艺参数调节来获得力学性能优良的相变建筑材料，并推动其在居住建筑围护结构中应用是目前值得研究的课题［4-9］。因此，研究热压温度、热压压力和初始含水率对相变材料拉伸强度、弯曲强度、粗糙度和密度的影响，结果将有助于新型相变建筑复合新材料的开发并推动其在居住建筑围护结构中应用。
1 材料与方法
1.1 试验材料和设备
试验材料包括杨木剩余物木片，浸渍用工业纯NaOH。
主要设备包括：ZT7-01型冷压成型机、ZG-20T型热压机、JSM-6800型扫描电子显微镜、MTS-810型万能材料试验机、NCF950型激光共聚焦显微镜。
1.2 试样制备
采用3 mm厚板控制成形材料厚度，主要包括木片浸渍、机械磨解、喂料、压缩、挤出、纤维精磨、纤维预压、热压整型等步骤［10］。预先在冷压机（经过纤维解离器搅拌成纤维浆料，抽真空后制成湿纤维坯）上制备不同初始含水率的湿纤维，然后对纤维坯进行不同热压温度和热压压力的热压处理。其中，为了保证相变复合新材料的成形质量，控制热压时间为6 min。
1.3 测试方法
采用JSM-6800型扫描電子显微镜对相变材料进行形貌观察，用Image 6.0软件对图像进行二值化处理，并计算孔隙率［11］；根据GB/T 1040.3—2006标准，在MTS-810型万能材料试验机上进行拉伸速率为5 mm/min的室温拉伸性能测试；根据GB/T 9341—2008标准，在MTS-810型万能材料试验机上进行速率5 mm/min的弯曲性能测试，温度为室温、湿度45%，结果取6组试样平均值；采用NCF950型激光共聚焦显微镜对相变复合新材料进行三维形貌测试。
2 结果与讨论
2.1 显微形貌
图1为相变材料的显微形貌。扫描电镜下可见，相变材料中的纤维呈现随机分布状态，局部存在粘接现象；经过二值化处理［12］后，可以对相变材料的孔隙率进行测定，孔隙率为32.5%。
2.2 力学性能
图2为不同热压温度下相变复合新材料的拉伸强度和弯曲强度，其中热压压力和初始含水率分别为6 MPa和70%。当热压温度为130 ℃时，相变材料的拉伸强度和弯曲强度分别为65.2 MPa和102.3 MPa；当热压温度从130 ℃上升至210 ℃时，相变材料的拉伸强度先增后减，弯曲强度也表现为先增后减趋势，在热压温度为190 ℃时，相变材料具有最大的拉伸强度和弯曲强度，其值分别为75.6 MPa和127.8 MPa。继续增加热压温度至210 ℃时，相变材料的拉伸强度和弯曲强度反而会减小。这主要是因为在其它工艺参数不变的前提下，提升热压温度有助于改善相变材料中纤维之间的粘合性能，提升纤维表面熔融物的铺展能力［13］，致密性会有所提升，相应的拉伸强度和弯曲强度会增大，但是当热压温度过高时，纤维自身会发生一定程度分解而造成基体材料强度降低［14］，因此相变材料的拉伸强度和弯曲强度会发生不同程度降低。从热压温度对相变材料拉伸强度和弯曲强度的影响来看，适宜的热压温度为190 ℃。
图3为不同热压压力下相变材料的拉伸强度和弯曲强度，其中热压温度和初始含水率分别为190 ℃和70%。当热压压力为2 MPa时，相变材料的拉伸强度和弯曲强度分别为68.0 MPa和120.2 MPa；当热压压力从2 MPa上升至10 MPa时，相变材料的拉伸强度先增后略有减小或者基本不变，弯曲强度表现为先增后保持不变的趋势，在热压压力为8 MPa时，相变材料具有最大的拉伸强度和弯曲强度。继续增加热压压力至10 MPa时，相变材料的拉伸强度和弯曲强度反而会略有减小。这主要是因为在其它工艺参数不变的前提下，提升热压压力有助于改善相变材料中纤维之间的粘合性能，提升纤维表面熔融物的铺展能力［15］，致密性会有所提升，相应的拉伸强度和弯曲强度会增大，但是当热压压力过高时，压力的进一步增加不会再改善致密性，相反会增加内应力［16］，因此相变材料的拉伸强度和弯曲强度会略有降低或基本不变。从热压压力对相变材料拉伸强度和弯曲强度的影响来看，适宜的热压压力为8 MPa。
图4为不同初始含水率下相变材料的拉伸强度和弯曲强度，其中热压温度和热压压力分别为190 ℃和8 MPa。当初始含水率为40%时，相变材料的拉伸强度和弯曲强度分别为63.5 MPa和
110.2 MPa；当初始含水率从40%上升至80%时，相变材料的拉伸强度先增后减，弯曲强度也表现为先增后减，在初始含水率为70%时，相变材料具有最大的拉伸强度和弯曲强度。继续增加初始含水率至80%时，相变材料的拉伸强度和弯曲强度反而会减小。这主要是因为在其它工艺参数不变的前提下，提升初始含水率有助于改善纤维之间的粘合效果，相变材料的塑性，提升纤维之间的变形能力［17］，相应的拉伸强度和弯曲强度会增大，但是当初始含水率过高时，初始含水率的进一步增加反而会使得热压过程中产生压溃［18］，因此相变材料的拉伸强度和弯曲强度会有所降低。从热压温度和压力对相变材料拉伸强度和弯曲强度的影响来看，适宜的初始含水率为70%。
2.3 物理性能
表1为不同制备条件下相变材料的峰峰值、粗糙度和密度测试结果。当热压条件为130 ℃/6 MPa/70%时，相变材料的粗糙度、峰峰值和密度分别为17.17、94.25 μm和0.81 g/cm3；在热压压力和初始含水率不变条件下，升高热压温度至190 ℃，相变材料的粗糙度和峰峰值减小，密度有所增大。当热压温度保持190 ℃不变，随着热压压力从2 MPa增加至8 MPa，相变材料的粗糙度、峰峰值先增加后减小，密度逐渐增大。当热压压力和热压温度不变时，初始含水率提高会一定程度粗糙度，而峰峰值降低、密度升高。总体而言，热压压力、热压温度和初始含水率提高有助于降低粗糙度和峰峰值，并提升相变材料的密度，但是热压参数也不能过高，否则会影响致密性并产生压溃［20］，力学性能反而降低。
3 结语
（1）当热压温度从130 ℃上升至210 ℃时，相变材料的拉伸强度先增后减，弯曲强度也表现为先增后减趋势，在热压温度为190 ℃时，相变材料具有最大的拉伸强度和弯曲强度，其值分别为75.6 MPa和127.8 MPa。继续增加热压温度至210 ℃时，相变材料的拉伸强度和弯曲强度反而会减小;
（2）当热压压力从2 MPa上升至10 MPa时，相变材料的拉伸强度先增后略有减小或者基本不变，弯曲强度表现为先增后保持不变的趋势，在热压压力为8 MPa时，相变材料具有最大的拉伸强度和弯曲强度。继续增加热压压力至10 MPa时，相变材料的拉伸强度和弯曲强度反而会略有减小;
（3）当初始含水率从40%上升至80%时，相变材料的拉伸强度先增后减，弯曲强度也表现为先增后减，在初始含水率为70%时，相变材料具有最大的拉伸强度和弯曲强度。继续增加初始含水率至80%时，相变材料的拉伸强度和弯曲强度反而会减小。
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收稿日期：2023-06-23；修回日期：2023-09-22
作者简介：赵婧竹（1990-），女，硕士，讲师，研究方向：建筑节能等；E-mail：zhaojingzhu100@126.com。
基金项目：陕西省教育厅科学研究计划项目资助（项目编号：2022JK0519）。
引文格式：赵婧竹，朱荣花，古 新，等.相变复合新材料在居住建筑围护结构中的应用［J］.粘接，2023，50（11）：110-113.
