新型建筑節能墻體保溫材料力學和熱工性能分析

楊安琪

1新疆建筑科學研究院（830054）2新疆建設工程質量安全檢測中心（830054）

1 研究背景

隨著人類對自然資源過度的開發、破壞，生態環境受到了嚴重的威脅，尤其在建筑領域中溫室氣體的排放量呈現逐年增長趨勢，而且傳統建筑材料對生態壞境的破壞也尤為嚴重[1]。為了實現資源的合理利用及對生態環境的保護，建筑領域中不斷研究清潔、高效、合理的保溫系統的應用。通過研究后發現，天然纖維復合材料具有較多的優點，如來源豐富、造價低、可再生、可降解等，能夠地替代傳統建筑墻體保溫材料，現階段建筑保溫材料已經開始應用木質纖維、再生纖維等天然有機填充材料[2]。

本研究以海藻酸鈉天然纖維生物復合材料的材料力學及熱工性能為研究方向，評價將其應用于建筑保溫材料的隔熱性能，并通過對比不同比例的纖維添加量，使材料達到最佳的抗彎、抗壓強度等力學性能，并以分析結果作為依據，探討海藻酸鈉天然纖維生物復合材料的應用前景[3]。

2 材料配比設計

試劑選用:海藻酸鈉、乙二醛（交聯劑）、戊二醛（交聯劑）、甘油（增塑劑），天然纖維為，木質纖維、稻桿纖維。首先將天然纖維按照不同的比例進行配比，之后加入水及試劑，得到海藻酸鈉天然纖維生物復合材料試樣。試樣設計配比形式見表1。

3 試樣材料制備

根據不同試樣比例配比天然纖維并進行攪拌，之后配制海藻酸鈉溶液，并將天然纖維混合物加入至海藻酸鈉溶液中繼續攪拌，將濕纖維放入金屬模具內進行熱壓成型，最后將樣品靜置、烘干。

4 試樣性能表征分析

4.1 熱工性能分析

樣品熱工性能分析中數據的測量采用激光導熱儀（LFA427）進行測試，主要測試參數包括復合材料的熱傳導率、溢出率和擴散率。

表1 試樣設計配比形式

4.2 力學性能分析

樣品抗壓和抗彎等性能應力應變曲線采用電子萬能材料試驗機進行測試，測試時加載壓力2.5kN、加載速率2mm/min、樣品規格為160mm×40mm×40 mm。樣品的抗壓、抗彎性能測試加載壓力為10kN、加載速率10mm/min、樣品規格為800mm×40mm×40mm。

5 研究結果及分析

5.1 彎曲性能分析

通過對生物復合材料樣品進行彎曲性能測驗可以發現，材料的抗彎強度以及彈性模量將隨著木質纖維含量的增加而提升，最大彎曲應變數值將隨著木質纖維的增加而降低，YP-5樣品的抗彎強度和彈性模量為最大數值，分別可達到0.57MPa、17.59 MPa，而最大彎曲應變減少到3.55MPa。因此，在生物復合材料中增加適當的木質纖維能夠有效提升材料的基體效果及剛性。

5.2 抗壓性能分析

通過對生物復合材料樣品進行抗壓性能測驗可以發現，樣品的抗壓強度和彈性模量隨著木質纖維含量的增多而提升，YP-5具有最高的壓縮彈性模量和抗壓強度，分別達到1.41MPa、21.98MPa。另外，當材料中含有交聯劑時能夠顯著提升樣品的抗壓強度和彈性模量，YP-3#的彈性模量及抗壓強度相較于YP-3分別提升了21%、16%。由此可見，通過在生物復合材料中增加交聯劑能夠顯著的提升其力學性能及剛性。各樣品的抗壓性能測試結果見表2。

表2 各樣品抗壓性能測試結果

5.3 微觀形貌分析

根據文章分析可知，YP-5具有最好的抗彎和抗壓性能。因此，選取YP-5進行撕裂表面的SEM分析，樣品斷裂處木質纖維并未發現存在團聚現象，并且與海藻酸鈉黏合緊密、具有較好的潤濕性，并且未出現微裂紋，因此，YP-5才具有較好的抗彎和抗壓性能

5.4 熱工性能分析

在樣品的熱工性能（熱傳導率）測驗中發現，由于熱傳導率＜0.1W/（m·K）的材料可以被認定為具有隔熱性。本研究中生物復合材料的熱傳導率處于0.078～0.089W/（m·K）范圍內，因此，樣品具有較好的隔熱性能，可適用于建筑墻體的節能保溫材料。

由熱工性能（熱傳導率）測驗結果顯示，材料的熱傳導率將隨著木質纖維含量的增加呈現先降低后增加的趨勢。當材料中木質纖維含量為60%時，其熱傳導率為最低狀態。綜合來看，生物復合材料與其他同密度的材料相比，具有更好的保溫性能[4]。

5.5 擴散率、溢出率分析

生物復合材料擴散率、溢出率與木質纖維含量之間也具有較大的聯系。在測驗中發現，二者之間具有正比關系。當樣品中未添加木質纖維時，材料的擴散為未310×10-7m2/s。當樣品中木質纖維的含量達到100%時，其擴散率降至174×10-7m2/s。因此，通過在材料中添加木質纖維能夠有效減少材料的擴散率，使生物復合材料具有更好的熱傳導性及保溫性能。

生物復合材料中木質纖維含量與材料的溢出率整體上呈現為反比趨勢。未添加木質纖維的生物復合材料溢出率為149W·s1/2/（m2·K），但當材料中木質纖維含量處于50%～60%時卻呈現出異常的溢出率上升的情況。當木質纖維為100%時，材料的溢出率為最大值，達到183W·s1/2/（m2·K），因此，在生物復合材料中添加木質纖維能夠有效提升溢出率。在實際的應用中可改善建筑結構中的熱舒適性。另外，在材料中添加乙二醛同樣能夠影響材料的導熱性能。因此，通過在生物復合材料中添加較高比例的木質纖維及乙二醛可提升其隔熱性能，增加建筑的熱舒適性。

6 結語

木質纖維的含量越高，生物復合材料質量損失越多，并且添加交聯劑的材料具有更優異的干燥時效。

通過對復合材料的力學性能測試表明，生物復合材料抗彎強度、抗壓強度及彈性模量隨著木質纖維含量的增加而提升，并且含有乙二醛交聯劑的材料具有更好的剛性；微觀形貌分析結果顯示，木質纖維含量為100%時，生物復合材料具有最好的抗彎和抗壓性能，并且木質纖維能夠與海藻酸鈉具有較好的緊密性及潤濕性。

熱工性能分析中，生物復合材料熱傳導率處于0.078～0.089W/（m·K）范圍內，具有優異的保溫性能，并且高比例木質纖維及添加乙二醛交聯劑的生物復合材料可提升傳熱能力和保溫性能。