廢棄纖維外墻保溫墻板的試驗研究

王 洪 操, 于 永 玲, 呂 麗 華

( 大連工業大學 綠色纖維應用技術研究所, 遼寧 大連 116034 )

0 引 言

目前,世界每年產生的廢棄纖維總量有4 000萬t左右[1],僅我國每年廢棄纖維的產量就近千萬噸。廢棄纖維主要的處理方法有燃燒法、掩埋法和分離回收法[2-3],其中燃燒法和掩埋法會造成環境的二次污染,不利于節能環保；混紡纖維分離法成本過高、分離不充分給纖維的分離帶來諸多難題,不能達到國家節能環保、回收再利用的要求[4-5]。

我國建筑總體保溫性能差,主要存在以下問題:一是成本造價高,不利于保溫材料的普及；二是不可回收再利用,造成嚴重的環境污染和資源浪費[6]；三是施工復雜,不方便安裝[7]；四是建筑能耗大[8-9]。由于以上情況,如何提高保溫墻板的保溫性能和資源的再利用性成為國內外建筑研發部門備受關注的問題[10]。目前,輕質保溫墻板的種類主要有聚苯乙烯泡沫板和加氣硅砌塊,有關使用廢棄纖維制備保溫墻板的文獻報道較少。作者針對廢棄棉/麻混紡纖維制備保溫材料進行了試驗研究,旨在實現資源的再利用,減輕廢棄纖維對環境的污染,解決混紡纖維回收再利用的難題,提高我國傳統建筑墻材的保溫性能,拓寬綠色環保建筑保溫墻材的市場開發領域。

1 試 驗

1.1 材料及儀器

材料:廢棄棉/麻混紡布,混紡比55/45,細度41.7 tex；聚丙烯,中國石油化工股份有限公司北京燕山分公司；Mg(OH)2阻燃劑,2 500目,大連市亞泰科技新材料有限公司。原料配比:m[Mg(OH)2]∶m[PP]=8∶15。

儀器:JFSD-100-Ⅱ高效粉碎機,上海嘉定糧油儀器檢測儀器廠；XMTD2001型恒溫烘棉機；SK-160B型開放式煉塑機；QLB-50D/Q型平板硫化機；HY-W萬能制樣機,河北省承德試驗機廠；RXJ-50型簡懸組合沖擊試驗機,RG微機控制電子萬能試驗機,深圳市瑞格爾儀器有限公司；LFY-608織物熱傳導性能測定儀；掃描電子顯微鏡。

1.2 保溫墻板成型工藝流程

廢棄混紡纖維洗滌(清水中洗滌去除雜質)、烘干[(80±5) ℃,4 h]→制備破碎纖維(纖維長度為3 mm)→配料、共混混煉→熱壓制板→冷壓成型→脫模。

1.3 力學測試標準

拉伸性能按GB/T 1447—2005測定,彎曲性能按GB/T 1449—2005測定；懸臂梁沖擊性能按GB/T 1843—1996測定。

2 結果與討論

2.1 正交試驗結果分析

為了確定各個工藝因素對復合材料力學性能的影響主次順序,以拉伸強度、彎曲強度和沖擊強度為指標,將混紡纖維的質量分數、熱壓溫度、熱壓壓力及熱壓時間4個因素進行L9(34)正交試驗,結果如表1所示。從表1中極差R大小可知,對保溫墻板的拉伸強力影響因素先后順序為A>C>D>B,對彎曲強力影響因素先后順序為A>D>B>C,對沖擊強力影響因素先后順序為A>C>B>D。對力學性能影響因素的先后順序為A>C>D>B:對混紡纖維的質量分數A,3個指標中最優工藝都是A3,所以A3最佳；對于因素熱壓溫度B,彎曲強度和沖擊強度指標的最優工藝都為B1,而在拉伸強度的指標中B1和B3相差無幾,綜合考慮取B1最佳；對于因素熱壓壓力C,3個指標中的最優工藝都是C1,所以熱壓壓力取C1為最佳;對于因素熱壓時間都取D2,取D2為最佳。制備的保溫復合墻板的最優熱壓工藝條件是A3C1D2B1,即混紡纖維質量分數為35%,熱壓壓力為8 MPa,熱壓時間為10 min,熱壓溫度為175 ℃。

從表1極差大小的比較中可以看出,廢棄混紡纖維的質量分數是影響保溫墻板力學性能的最主要因素,熱壓壓力為次要的影響因素,熱壓時間和熱壓溫度對板材力學性能的影響不明顯。施加一定的熱壓壓力,可以增加纖維浸潤基體的速度。適當的熱壓溫度可以增強樹脂大分子的動能,從而增強了樹脂的流動性,使纖維充分浸潤,當溫度繼續升高的時候,對保溫墻板的力學性能沒有影響。雙輥煉塑機具有的剪切應力區較高,可以使纖維更好地均勻分散。粒子尺寸變形和碎裂過程只發生在最開始的幾分鐘里。時間過長,轉子的轉動對分散相的尺寸大小影響不明顯。

2.2 工藝參數單因素分析

圖1是在最優成型工藝參數即熱壓壓力為8 MPa、熱壓時間為10 min、熱壓溫度為175 ℃時廢棄混紡纖維質量分數對保溫墻板拉伸、彎曲與沖擊性能的影響。結果表明,隨著廢棄混紡纖維質量分數的提高,其力學性能呈現先增加后減小的特征,當廢棄混紡纖維的質量分數達到40%時拉伸、彎曲和沖擊性能達到最佳。其原因是:當廢棄混紡纖維的質量分數小于40%時,板材中的增強纖維含量過低,纖維并沒起到增強力學性能的作用,從復合材料的SEM拉伸斷面(圖2a)可以看出,板材內部斷面只呈現出結塊的樹脂塊,板材表面產生裂紋,從而使板材的力學性能下降。當纖維含量過高的時候,混入的纖維會產生結節,使基體不能充分地浸潤纖維。從復合材料的SEM拉伸斷面(圖2c)可以看出,大量結節的纖維使增強材料無法均勻地分布在基體中,產生應力集中現象,板材的界面相容性變差,達不到增強力學性能的作用。當廢棄混紡纖維的質量分數達到40%的時候,纖維正好能均勻地分布在基體中,每根纖維都能起到加強筋的作用。從復合材料的SEM拉伸斷面(圖2b)可以看出當有外力作用板材的時候,纖維起到握持的作用,從而增強了板材的力學性能,又因為混入的纖維可以連接基體,減少聚丙烯板的裂紋,從微觀增強板材的力學性能。所以,當廢棄混紡纖維的質量分數為40%時為最佳選擇,此時保溫墻板力學性能最優。

圖1 纖維的質量分數對保溫墻板拉伸、彎曲和沖擊性能的影響

Fig.1 Effect of the content of fiber on stretching, bending and impact property of insulation wallboard

3 廢棄纖維保溫墻板的性能測試

從表2中可以看出,所測的各項指標都達到國家標準,特別是彎曲彈性模量達到2 320 MPa,遠大于國家標準。簡支梁沖擊強度和斷裂伸長率也達到同類保溫墻板的力學要求,主要原因是保溫墻板加入的纖維,每根纖維不但發揮著增強板材力學性能的作用,還起到連接樹脂微小顆粒間的作用,增強了保溫墻板的抗裂性,使廢棄纖維保溫墻板的各項力學性能得到改善。從表2可以看出,廢棄纖維制備的保溫墻板氧指數達到40%,含水率和吸水膨脹率都比較好,保證了保溫墻板具有較好的耐候性。經過高低溫和加熱后狀態試驗,很好地驗證了廢棄纖維制備的保溫墻板具有較好的耐溫度高低變化的特點。

圖2 不同纖維質量分數的墻板試樣拉伸斷面

表2 纖維保溫墻板的理化性能指標

4 廢棄混紡纖維保溫墻板的保溫性能

廢棄混紡纖維制備的保溫墻板成功地解決了保溫墻材造價高這一難題,同時大大提高了傳統磚墻墻體的保溫性能,又因其密度小、力學性能好的特點,節省了傳統建筑墻體的占用空間。廢棄混紡纖維制備的保溫墻板保溫性能優異,墻板中空部位用導熱系數僅為0.04 W/(m·K)的巖棉填充,巖棉具有阻燃、導熱系數低和價格低廉的特點,其性能優于聚苯乙烯泡沫材料,保證了保溫墻板具有極佳的保溫性能。

由于不同地區的溫度和濕度不同,各個地區采暖居住建筑圍護結構的傳熱系數限值也不相同。國家根據各地不同的氣候條件設定了每個地區相應的采暖居住建筑圍護結構傳熱系數限值。只有所測的建筑圍護結構傳熱系數小于國標規定的數值才能達到保溫的效果。當一種建筑墻體的熱傳導系數一定時,如果要使傳熱系數達到國家標準,必須增加墻體的厚度,但是厚度過大的墻體會浪費大量的建筑材料和建筑空間。因此,提高建筑墻體的保溫性能必須通過發明導熱系數小的新型建筑材料來實現。

由表3可知,我國大部分地區采暖居住建筑的傳熱系數基本小于1,個別寒冷地區甚至在0.5左右,這對我國居民建筑的保溫性能提出考驗。過去我國建筑基本采用傳統的混凝土磚墻,保溫性能很差。以重砂漿磚砌實體墻為例:導熱系數為0.62 W/(m·K),按26JGJ_26—1995《民用建筑節能設計標準》規定,采用這種墻體,大連地區墻體厚度應達到540～1 200 mm,如此厚的墻體既浪費大量的建筑材料又占用大量的建筑空間。采用廢棄混紡纖維制備的保溫墻板做保溫層,所測墻板的導熱系數為0.1 W/(m·K),中間填塞厚10 mm的巖棉導熱系數為0.04 W/(m·K),外加兩層磚結構墻體的總熱阻為2.89 m2·K/W,傳熱系數為0.35 W/(m2·K),總體厚度為240 mm。對照表3可以得出其傳熱系數小于大連建筑各部分圍護結構傳熱系數的極限值。廢棄纖維制備的保溫墻板不但有較好的保溫性能還大大減少了建筑面積。

表3 不同地區采暖居住建筑各部分圍護結構傳熱系數限值

5 結 論

(1)經過正交試驗法和單因素分析法得到廢棄棉/麻混紡纖維制備的保溫墻板的最優工藝為:廢棄混紡纖維的質量分數為40%,熱壓壓力為8 MPa,熱壓時間為10 min,熱壓溫度為175 ℃。

(2)廢棄混紡纖維制備的保溫墻板具有節能、環保、力學性能好、可回收再利用的特點。制備保溫墻板的混紡纖維無需分離,工藝簡單,節約了大量的生產成本。使用廢棄混紡纖維制備的保溫墻板造價低廉,同時其保溫性能優異,便于節能保溫建筑墻體的普及,具有較好的市場發展前景。

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