鎂水泥木絲板復(fù)合原理和制作工藝分析

諶 萌 熊榮生 席凱原

(1 江西建材廠，江西 南昌330001；2 江東機(jī)床廠，江西 南昌330001；3 江西省機(jī)械工業(yè)設(shè)計(jì)研究院，江西 南昌330046)

1 前言

我國(guó)菱鎂行業(yè)資深專家涂平濤編著的《氯氧鎂材料技術(shù)與應(yīng)用》一書中介紹了氯氧鎂水泥木絲板[1]；如果基材選用鎂鋁硅酸鹽水泥（magnesium alumina silicate cement ZL02133685.7）又可生產(chǎn)鎂鋁硅酸鹽水泥木絲板。由于氯氧鎂水泥和鎂鋁硅酸鹽水泥都屬于鎂水泥的范疇，又由于鎂水泥比波特蘭水泥具有與植物纖維良好的復(fù)合性能，所以鎂水泥木絲板越來(lái)越引起人們的重視。因此，分析鎂水泥木絲板復(fù)合原理和制作工藝，對(duì)提高產(chǎn)品的物理力學(xué)性能，擴(kuò)大使用范圍，有著十分重要的作用。

本文應(yīng)用變形協(xié)調(diào)并聯(lián)復(fù)合和串聯(lián)復(fù)合方法，分析低彈性模量木絲增強(qiáng)高彈性模量鎂水泥基的復(fù)合原理，并推導(dǎo)出預(yù)測(cè)鎂水泥木絲板抗彎強(qiáng)度的計(jì)算方法；分析制作工藝中木絲制取、加壓成型以及熱壓脫模的效果比較，為實(shí)現(xiàn)鎂水泥木絲板或鎂水泥中、高密度纖維板的工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

2 復(fù)合原理分析

和波特蘭水泥作為基材一樣，鎂水泥木絲板也是“木纖維增強(qiáng)水泥”（woodfiberreinforcedcement，英文縮寫WFRC），這種低彈性模量木絲增強(qiáng)高彈性模量鎂水泥基材，如果僅僅以經(jīng)典混合律（lawofmixture）為主要依據(jù)的復(fù)合材料理論（theoryofcompositematerial）是難以分析鎂水泥木絲板的復(fù)合原理的。從變形協(xié)調(diào)來(lái)看，經(jīng)典混合律只是復(fù)合材料中的并聯(lián)復(fù)合，必須引進(jìn)串聯(lián)復(fù)合，深化復(fù)合材料理論，才能從本質(zhì)上揭示鎂水泥木絲板的力學(xué)形成機(jī)理。

2.1 鎂水泥復(fù)合基的形成

按照經(jīng)典混合律，在彈性變形階段鎂水泥木絲板的應(yīng)力計(jì)算公式[2]為：

式中：σfc-鎂水泥木絲板的應(yīng)力，MPa

Em-鎂水泥基彈性模量，MPa

Ef-木絲彈性模量，MPa

εm-鎂水泥基應(yīng)變值，%

εf-木絲應(yīng)變值，%

Vm-鎂水泥基體積率，%

Vf-木絲體積率，%

由于鎂水泥基的極限延伸率只有0.02%~0.05%，所以在應(yīng)力作用下的應(yīng)變值達(dá)到鎂水泥基的極限延伸率時(shí)，具有相同應(yīng)變值的木絲承受的應(yīng)力是很低的，無(wú)法起到增強(qiáng)作用。顯然，單純應(yīng)用經(jīng)典混合律不能分析鎂水泥木絲板的復(fù)合原理。

實(shí)際上，木絲和鎂水泥基復(fù)合，木絲在鎂水泥基中不是一維定向分布，而是三維亂向分布。這樣，木絲與鎂水泥基存在并聯(lián)復(fù)合的同時(shí)，也存在著串聯(lián)復(fù)合。目前串聯(lián)復(fù)合在理論界往往被忽視，但在低彈性模量纖維增強(qiáng)高彈性模量水泥基的復(fù)合材料中卻是客觀存在的。串聯(lián)復(fù)合改變了基體材料的彈性模量，使鎂水泥基轉(zhuǎn)變?yōu)殒V水泥復(fù)合基。筆者發(fā)表在2010 年第1 期《中國(guó)菱鎂》雜志上的《鎂水泥復(fù)合保溫板力學(xué)性能分析及其材性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》一文中提出了應(yīng)力作用下彈性變形階段串聯(lián)復(fù)合必須滿足的三個(gè)變形協(xié)調(diào)方程。如果不考慮木絲順紋方向和橫紋方向彈性模量的差異，木絲和鎂水泥基串聯(lián)復(fù)合的三個(gè)變形協(xié)調(diào)方程為：

式中：1mε -鎂水泥復(fù)合基的應(yīng)變值，%

Em1-鎂水泥復(fù)合基的彈性模量，MPa-木絲串聯(lián)復(fù)合后的彈性模量，MPa-鎂水泥基串聯(lián)復(fù)合后的彈性模量，MPa

μf-木絲的泊松比，%

μm-鎂水泥基的泊松比，%-木絲的橫向正應(yīng)變，%-鎂水泥基的橫向正應(yīng)變，%

與PP纖維、PVA纖維等低彈性模量纖維不同，木絲橫紋方向和順紋方向的彈性模量是有差異的，木絲橫紋方向的彈性模量低于順紋方向的彈性模量，所以鎂水泥復(fù)合基彈性模量應(yīng)該是鎂水泥基和木絲橫紋方向串聯(lián)復(fù)合后的彈性模量。

解三個(gè)變形協(xié)調(diào)方程，可以求出鎂水泥復(fù)合基的彈性模量。作為生產(chǎn)，可以近似地采用如下公式求出：

式中：E1m-鎂水泥復(fù)合基的彈性模量，MPa

Ef1-木絲橫紋方向的彈性模量，MPa

η1-木絲橫紋方向的取向系數(shù)，%。

三維狀態(tài)中木絲橫紋方向的取向系數(shù)相當(dāng)于與應(yīng)力垂直方向的各平面內(nèi)沿各個(gè)方向，這樣橫紋方向的取向系數(shù)為：

木絲橫紋方向的彈性模量不但低于鎂水泥基的彈性模量，而且低于木絲順紋方向的彈性模量。這樣，鎂水泥基由于串聯(lián)復(fù)合轉(zhuǎn)變?yōu)殒V水泥復(fù)合基后彈性模量極大地降低。正是由于這一原理，低彈性模量木絲增強(qiáng)高彈性模量鎂水泥基在事實(shí)上轉(zhuǎn)變?yōu)轫樇y方向的木絲增強(qiáng)鎂水泥復(fù)合基，這一結(jié)論使生產(chǎn)鎂水泥木絲板不僅在實(shí)踐上可行，在理論上也有充分的依據(jù)。

2.2 抗拉強(qiáng)度形成機(jī)理

鎂水泥木絲板的抗拉強(qiáng)度應(yīng)該是木絲順紋方向的抗拉強(qiáng)度，和鎂水泥復(fù)合基的抗拉強(qiáng)度與體積率乘積的加和值。

這樣就有：

η1-木絲的長(zhǎng)度系數(shù)，%

η2-木絲順紋方向的取向系數(shù)，在3D 分布狀態(tài)下，取向系數(shù)為

εf2-木絲順紋方向的應(yīng)變值，%-鎂水泥復(fù)合基的體積率，%

鎂水泥木絲板在拉應(yīng)力作用下，當(dāng)木絲順紋方向的應(yīng)變值和鎂水泥復(fù)合基的應(yīng)變值相同時(shí)，那么由于木絲順紋方向的極限應(yīng)變值和鎂水泥復(fù)合基的極限應(yīng)變值不同，這樣鎂水泥木絲板的抗拉強(qiáng)度 (σfc)b就會(huì)出現(xiàn)三種情況：

上述式中：

Ef2-木絲順紋方向的彈性模量，MPa

(σf2)b-木絲順紋方向的抗拉強(qiáng)度，MPa

(σm1)b-鎂水泥復(fù)合基的抗拉強(qiáng)度，MPa

由于με1m可根據(jù)木絲摻量進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以在鎂水泥木絲板中，實(shí)現(xiàn)με1m＝μεf2時(shí)的木絲摻量是鎂水泥木絲板中的木絲臨界體積率，按臨界體積率設(shè)計(jì)生產(chǎn)的鎂水泥木絲板具有較高的物理力學(xué)性能。

既然鎂水泥復(fù)合基的彈性模量應(yīng)該是鎂水泥基和木絲橫紋方向串聯(lián)復(fù)合后的彈性模量，同樣鎂水泥復(fù)合基的應(yīng)變值也應(yīng)該是鎂水泥基和木絲橫紋方向串聯(lián)復(fù)合的應(yīng)變值。按變形協(xié)調(diào)方程2就有：

(式中:εf1-木絲橫紋方向的應(yīng)變值，%。)

由于鎂水泥基的極限應(yīng)變值很低，當(dāng) mε→μεm時(shí)，則 1mε →με1m。又按變形協(xié)調(diào)方程1（應(yīng)力處處相等）可知鎂水泥復(fù)合基的抗拉強(qiáng)度等于鎂水泥基的抗拉強(qiáng)度。當(dāng)拉應(yīng)力達(dá)到鎂水泥基抗拉強(qiáng)度時(shí)，鎂水泥復(fù)合基的應(yīng)變值就達(dá)到鎂水泥基的極限應(yīng)變值:

這一公式告訴我們，要提高鎂水泥復(fù)合基的極限應(yīng)變值，必須也只有降低木絲橫紋方向的彈性模量。一般來(lái)講，未經(jīng)處理的木絲生產(chǎn)鎂水泥木絲板其鎂水泥復(fù)合基很難實(shí)現(xiàn)與木絲順紋方向具有相同的極限應(yīng)變值，必須對(duì)木絲進(jìn)行處理，降低木絲橫紋方向的彈性模量。筆者經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，得出的結(jié)論是經(jīng)過(guò)處理的軟木絲比未經(jīng)過(guò)處理的硬木絲在相同的體積率時(shí)，所生產(chǎn)的鎂水泥木絲板具有較高的物理力學(xué)性能。

為了有效地說(shuō)明這一原理，不妨通過(guò)實(shí)例進(jìn)行計(jì)算。假設(shè)采用的鎂水泥和木絲具有如下物理力學(xué)性能：

鎂水泥

經(jīng)過(guò)處理的木絲

如果經(jīng)過(guò)處理的木絲干容重為0.4g/m3、鎂水泥基容重為2.0g/m3，那么木絲的重量摻量（wt%）為61.8%，密度為576kg/m3。

鎂水泥木絲板是采用半干法料漿加壓生產(chǎn)的，這樣可使鎂水泥從表面滲透進(jìn)木絲內(nèi)部固化，在厚度上壓縮為無(wú)機(jī)膠合中密度纖維板800g/m3密度。由于密度增加了1.39 倍，板材的抗拉強(qiáng)度、彈性模量也增加了1.39 倍。

2.3 預(yù)測(cè)鎂水泥木絲板抗彎強(qiáng)度的計(jì)算方法

幾乎用不著證明，鎂水泥木絲板在工程應(yīng)用上的主要力學(xué)性能是抗彎強(qiáng)度。應(yīng)用復(fù)合材料理論，預(yù)測(cè)鎂水泥木絲板抗彎強(qiáng)度的計(jì)算方法的步驟為：

1）應(yīng)用混合律求出板材在彎曲應(yīng)力作用下未出現(xiàn)初裂的臨界狀態(tài)時(shí)的最大拉應(yīng)力；

2）在彈性變形范圍內(nèi)求出最大壓應(yīng)力和力學(xué)中性軸；

3）預(yù)測(cè)板材未出現(xiàn)初裂的臨界狀態(tài)時(shí)的彎距和抗彎強(qiáng)度。

鎂水泥基的抗拉強(qiáng)度只有抗壓強(qiáng)度的1/7 ～1/12,木絲橫紋受到鎂水泥基的機(jī)械互鎖和化學(xué)粘合的約束，只有在壓應(yīng)力較大時(shí)，木絲橫紋方向橫向正應(yīng)變才能達(dá)到鎂水泥基的極限應(yīng)變值，所以鎂水泥木絲板的抗壓強(qiáng)度高于抗拉強(qiáng)度。這樣，鎂水泥木絲板彎曲時(shí)的最大拉應(yīng)力可按板材的抗拉強(qiáng)度計(jì)算，最大壓應(yīng)力時(shí)，由于應(yīng)力-應(yīng)變曲線近于直線[3],可按彈性變形計(jì)算，即:

仍以上面的實(shí)例計(jì)算，求出鎂水泥木絲板的抗彎強(qiáng)度。

假設(shè)鎂水泥木絲板厚度δ=25mm,寬度為b，設(shè)中性軸為y0，

由ΣM=0 得：

其中σcmax= 530.3εm1，代入求出力學(xué)中性軸距受壓面y0=13.65mm，

求彎距：

實(shí)際檢測(cè)是按幾何截面模量計(jì)算的，這樣有利于不同的力學(xué)中性軸的板材進(jìn)行彎曲應(yīng)力承受能力的比較。

求出抗彎強(qiáng)度：

有必要指出的是， 板材的抗彎強(qiáng)度σbb=19.81MPa， 抗 拉 強(qiáng) 度σb=23.03MPa，這二者的關(guān)系是σbb=0.825σb，并不滿足Hannant 所推導(dǎo)出的2.44 倍公式[4]。抗彎強(qiáng)度的發(fā)生，除與板材的抗拉強(qiáng)度有關(guān)外，還取決于復(fù)合體各組分材料的彈性模量、極限應(yīng)變值。若，這時(shí)低彈性模量纖維摻量較少，抗拉強(qiáng)度低、抗壓強(qiáng)度高，中性軸向受壓區(qū)移動(dòng)，抗彎強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比較值較大；若這時(shí)纖維摻量較大，抗拉強(qiáng)度高，抗壓強(qiáng)度低，中性軸向受拉區(qū)移動(dòng)，抗彎強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值較小。所以根據(jù)鎂水泥木絲板的抗彎強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的關(guān)系，不能通過(guò)簡(jiǎn)單測(cè)定板材的抗彎強(qiáng)度而計(jì)算板材的抗拉強(qiáng)度。

3 制作工藝分析

鎂水泥木絲板的制作工藝主要有木材處理和木絲制備、鎂水泥配制、鋪裝與加壓成型、養(yǎng)護(hù)與裁切整形、飾面深加工等，這里僅對(duì)決定板材力學(xué)性能的關(guān)鍵工藝進(jìn)行分析。

3.1 木絲制取

從鎂水泥木絲板力學(xué)性能分析中可以看出，要生產(chǎn)物理力學(xué)性能高的鎂水泥木絲板，木絲必須滿足兩個(gè)條件：木絲橫紋方向的彈性模量降低較大和木絲順紋方向的抗拉強(qiáng)度減少較小。這樣木絲制取就要包括兩個(gè)內(nèi)容：木材處理和切削取絲。

木材作為植物機(jī)體，自然含有包括以纖維素、木素、半纖維素等多糖類生物大分子，也含有脂、核酸和蛋白質(zhì)等生物大分子，以及還含有維生素、有機(jī)酸、輔酶、生物堿、氨基酸、天然肽類等[5]。作為真核細(xì)胞組成的木材，細(xì)胞壁是由纖維素微纖維絲構(gòu)成[6]。這是木絲抗拉強(qiáng)度的主要承擔(dān)者，而其他生物分子原生質(zhì)是組成細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞核的主要成分。木材采伐后，原生質(zhì)要逐漸降解并主要以灰分、樹脂、鞣酸等形式存在。如果采用水煮或稀堿水溶液水煮，就很容易把這些對(duì)木絲力學(xué)性能沒(méi)有多大貢獻(xiàn)的物質(zhì)除掉，同時(shí)降低木絲橫紋方向的彈性模量。水煮或稀堿水溶液水煮是木材處理常用的方法。

如果制取木絲采用削片后磨料的方法或順紋徑向錘擊的方法，很容易使木絲斷裂成碎絲，這不僅降低了木絲的長(zhǎng)徑比，而且木絲順紋方向的抗拉強(qiáng)度減少較多。若采用涂平濤的旋切或刨切后拉絲，且取材時(shí)注意木材的順紋方向，這樣制取的木絲順紋抗拉強(qiáng)度減少較小，一句話靜力切削比重壓擠剝或動(dòng)力沖擊取絲效果好。筆者根據(jù)漸開線齒輪傳動(dòng)中心距變化而不影響其傳動(dòng)比的中心距可分性原理，選用過(guò)一對(duì)m=12 的廢直齒錐輪并在齒面上開出帶有正前角的微槽用來(lái)加工麥稈絲，只要把中心距調(diào)整到合適的位置，結(jié)果是加工效果很好。因?yàn)殚_有帶正前角的微槽有切削作用，而錐齒輪在軸向的線速度是遞增或遞減的，這樣對(duì)齒輪軸向進(jìn)料的麥稈存在著連續(xù)的切、扯、撕的過(guò)程。若用來(lái)加工木絲，可能效果也很好。

3.2 加壓成型

經(jīng)過(guò)處理的木絲，容重降低，還產(chǎn)生了較多的孔隙。這些孔隙的出現(xiàn)，為鎂水泥滲透進(jìn)木絲內(nèi)部固化創(chuàng)造了良好的工藝條件。與石棉纖維、玻璃纖維、PP 纖維、PVA 纖維不同，木絲不是由單一材料所組成，木絲本身就是一種復(fù)合材料。處理過(guò)的木絲橫紋方向彈性模量降低，產(chǎn)生了孔隙，在大的壓力下鎂水泥就可以擠壓進(jìn)木絲內(nèi)部固化，這種機(jī)械互鎖和化學(xué)粘合的出現(xiàn)，克服了鎂水泥比有機(jī)樹脂與木絲界面黏結(jié)強(qiáng)度低的弊端，極大地提高了木絲增強(qiáng)鎂水泥的板材的應(yīng)力傳遞效應(yīng)。

產(chǎn)生大的壓力只有采用大軋輥進(jìn)行多次輥壓。只要軋輥產(chǎn)生的壓應(yīng)力大于木絲橫紋屈服極限而又小于木絲橫紋的抗壓強(qiáng)度時(shí)，鎂水泥就能充分?jǐn)D壓進(jìn)木絲內(nèi)部。雖然木絲經(jīng)過(guò)處理，但畢竟是粘彈性材料，大軋輥與扳坯的接觸面積大，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)接觸時(shí)間延長(zhǎng)以及多級(jí)輥壓，板坯的反彈現(xiàn)象自然就小多了。

3.3 熱壓脫模

即使板坯經(jīng)過(guò)大軋輥多級(jí)輥壓，只要鎂水泥沒(méi)有固化板坯的反彈現(xiàn)象還是有的，因此，板坯輥壓后還得移到平面壓力機(jī)中熱壓才能脫模。1989 年《中國(guó)菱鎂》雜志刊載了中國(guó)科學(xué)院王玉慶、楊俊英譯的《無(wú)機(jī)膠凝水泥及其制造工藝（美）威廉·L·普賴爾》文章，該文提出鎂水泥刨花纖維板的壓制溫度=300°F（約149°C），硬化時(shí)間6min。南京航空航天大學(xué)余紅發(fā)教授也極力主張熱壓脫模；筆者在1990 年也多次在實(shí)驗(yàn)室中驗(yàn)證了熱壓脫膜工藝，發(fā)現(xiàn)效果的確不錯(cuò)，所以熱壓脫模工藝的采用對(duì)生產(chǎn)鎂水泥木絲板縮短生產(chǎn)周期，提高設(shè)備的利用率有著重大的作用。

值得注意的是，在平面壓力機(jī)中熱壓脫模，在板坯之間一定要留有排氣裝置。如果不排氣，壓力機(jī)施壓時(shí)板坯中的空氣就會(huì)向四周擴(kuò)散、沖擊，這樣脫模后的板材周邊的強(qiáng)度就要下降。

4 結(jié)語(yǔ)

鎂水泥木絲板是一種無(wú)機(jī)膠合植物纖維人造板，和脲醛樹脂膠合的纖維板相比，具有防火、防水、防老化、防霉變、不含甲醛等得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，具有較大的發(fā)展空間和廣闊的市場(chǎng)前景。有個(gè)別企業(yè)希望用鎂水泥開發(fā)中、高密度纖維板，如果搞不清楚板材的力學(xué)形成機(jī)理，只憑經(jīng)驗(yàn)或感覺盲目開發(fā)是很難成功的。只有在理論上掌握鎂水泥木絲板力學(xué)形成機(jī)理，在工藝上保證力學(xué)形成機(jī)理中的每一步驟，開發(fā)和生產(chǎn)鎂水泥中、高密度纖維板是不難實(shí)現(xiàn)的。

[1]涂平濤.氯氧鎂材料技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009：105 ～112.

[2]沈榮熹，崔琪，李清海.新型纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料[M].北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，2004：61.

[3]李亞杰.建筑材料[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2001：64.

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[5]靳利娥，劉玉香，秦海峰，謝鮮梅.生物化學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007：2 ～3.

[6]張璧光.木材科學(xué)與技術(shù)研究進(jìn)展[M].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2004：2.