節(jié)約型園林中木材/廢舊橡膠復(fù)合材料的應(yīng)用研究

劉永安

(天津大學(xué)建筑學(xué)院，天津 300200)

園林設(shè)施是城市建設(shè)和規(guī)劃中的一個(gè)重要組成部分,一個(gè)城市的整體規(guī)劃離不開園林的建設(shè)。因此,一個(gè)園林的建設(shè)在很大程度上也能夠體現(xiàn)出整個(gè)城市的建設(shè)方向。對國內(nèi)目前整體城市的建設(shè)走向來看,園林代表著城市中的自然。而現(xiàn)在習(xí)近平總書記提出了“綠水青山就是金山銀山的”可持續(xù)發(fā)展理念,可持續(xù)發(fā)展是當(dāng)前社會(huì)的主要發(fā)展動(dòng)力,代表著我國人民對自然資源的真正重視和合理利用。所以也就要求城市在進(jìn)行園林建設(shè)的時(shí)候,遵循可持續(xù)發(fā)展的原則。目前,我國的很多的城市園林建設(shè)都是徒有其表,高昂的建設(shè)資金背后是華而不實(shí)的內(nèi)在[1]。美觀對于園林建設(shè)來說只是一個(gè)存在的要素,而不是最重要的發(fā)展要點(diǎn)。因此,節(jié)約型園林建設(shè)要徹底地扭轉(zhuǎn)這一不健康的發(fā)展思維,將園林建設(shè)回歸到實(shí)用的角度。城市園林綠化的初衷是要為城市減壓,但是很多城市內(nèi)部的園林建設(shè)其實(shí)并沒有考慮到綜合的效益。節(jié)約型園林建設(shè)就是要從最簡單的園林建設(shè)出發(fā),降低對社會(huì)的負(fù)擔(dān),在完成其園林的根本性作用之后,也兼顧其對整個(gè)建設(shè)環(huán)節(jié)的影響。節(jié)約型園林的真正含義并不是用價(jià)更低,更為低廉的園林設(shè)計(jì),而是在真正建設(shè)有價(jià)值園林的基礎(chǔ)上,減少不必要的支出和浪費(fèi),且園林建設(shè)要回歸本真,對于已使用資源要進(jìn)行充分的利用,來于自然也要?dú)w于自然,盡可能地提高資源的使用效率[2-3]。

目前,隨著我國全面禁止天然樹木的商業(yè)性采伐,我國木材資源短缺的問題逐漸被放大,木材短缺現(xiàn)狀日益突出,為了解決這一困境,讓天然木材與其他的人工合成材料復(fù)合而成新材料是充分利用木材、緩解資源短缺的有效途徑,同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)木材功能化的有力手段[4]。我國是橡膠消費(fèi)大國,2017年底全國汽車保有量與上半年相比增加11.85%,導(dǎo)致廢舊輪胎的數(shù)量持續(xù)上升[5],“黑色垃圾”已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。橡膠制品回收加工再利用是變廢為寶、減少黑色污染、保護(hù)自然環(huán)境的重要途徑,也是發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的重要手段[6]。木材/廢舊橡膠復(fù)合材料的開發(fā)既緩解了木材緊缺的現(xiàn)狀,又充分利用了廢舊橡膠,使得無效資源得到合理配置。木材/廢舊橡膠復(fù)合材料充分利用和突出了木材和橡膠的優(yōu)勢,橡膠材料可對傳統(tǒng)木質(zhì)復(fù)合材料的黏彈特性進(jìn)行調(diào)控,滿足吸聲、隔音、阻尼減振等特殊功能的需求[7]。近些年,基于木材工業(yè)生產(chǎn)方法的木材/廢舊橡膠復(fù)合材料的研究取得了一定發(fā)展,為該綠色環(huán)保功能材料的生產(chǎn)和應(yīng)用研究提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本文以三聚氰胺改性脲醛樹脂為膠黏劑,探究熱壓工藝對木材/廢舊橡膠復(fù)合材料性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

廢舊橡膠選自市場上購買的廢舊輪胎,并在常溫下進(jìn)行粉碎變?yōu)閺U舊輪胎橡膠粉。膠粘劑為實(shí)驗(yàn)室自制的三聚氰胺改性脲醛樹脂膠黏劑。實(shí)驗(yàn)用木材用于正交試驗(yàn)的木材纖維 (硬雜木木材纖維,在真空烘箱烘干至含水率 4%)。

1.2 實(shí)驗(yàn)藥品和儀器

實(shí)驗(yàn)藥品：濃硫酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù) 96% ～ 98% )、氫氧化鈉溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù) 50%)、分析純雙氧水(質(zhì)量分?jǐn)?shù) 30%)。

實(shí)驗(yàn)儀器：QUV /SPRAY型紫外老化儀( 美國Q-Panel 公司)；恒溫水浴鍋; 電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱; 100t實(shí)驗(yàn)熱壓機(jī): 模壓面積 500mm×500mm,單位壓力 40kN/m2,功率 18kW; 拌膠機(jī): OCA20 接觸角測定儀: dataphysics公司生產(chǎn); AG-10TA 電子萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)以及CMT5504 電子萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

以熱壓溫度、熱壓時(shí)間、施膠量、橡膠粉量為因素, 設(shè)定各自水平, 采用 L9( 34)正交試驗(yàn)制木材/廢舊橡膠復(fù)合材料,檢測力學(xué)性能并分析。正交實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 正交試驗(yàn)參數(shù)表Table 1 Orthogonal test parameter

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在設(shè)定的正交實(shí)驗(yàn)水平因子下,各個(gè)參數(shù)對力學(xué)性能的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的K值與極差分析在表2～表5中給出。表中,K1、K2、K3 表示某因子在 三水平下某一力學(xué)性能的數(shù)據(jù)之和, k1、k2、k3 表示某因子在三水平下某一力學(xué)性能數(shù)據(jù)之和的平均值。由表2～表5可知,對于靜曲強(qiáng)度影響的因子主次為 BDCA,對于彈性模量影響的因子主次為 DCBA,對于內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度影響的因子主次為 BACD, 對于24h 吸水厚度膨脹率影響的因子主次為 BCDA。

表2 正交實(shí)驗(yàn)制備木材/廢舊橡膠復(fù)合材料靜曲強(qiáng)度極差分析Table 2 The analysis of the extreme difference in static flexural strength of wood/waste rubber composites prepared by orthogonal experiments

表3 正交實(shí)驗(yàn)制備木材/廢舊橡膠復(fù)合材料彈性模量極差分析Table 3 The elastic modulus analysis of wood/waste rubber composites

表4 正交實(shí)驗(yàn)制備木材/廢舊橡膠復(fù)合材料內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度極差分析Table 4 Analysis of internal bonding strength of wood/waste rubber composites prepared by orthogonal experiments

表5 正交實(shí)驗(yàn)制備木材/廢舊橡膠復(fù)合材料吸水膨脹率極差分析Table 5 The water swelling rate analysis of wood/waste rubber composites

通過表2～表5可以知：當(dāng)熱壓時(shí)間逐漸增大的時(shí)候,木材/廢舊橡膠復(fù)合材料的靜曲強(qiáng)度由25.16MPa增大到25.98MPa和27.41MPa,逐級提高3.83% 、5.34% , 跨級提高9.37% ; 內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度也隨著熱壓時(shí)間的增大而增大；吸水膨脹率隨著熱壓時(shí)間的增大而減小。由此可知,增大熱壓時(shí)間提高了木材/廢舊橡膠復(fù)合材料的力學(xué)性能。熱壓時(shí)間增加提高了材料的力學(xué)性能的原因主要在于熱壓時(shí)間在一定范圍內(nèi)的增長有利于樹脂充分固化[8]。隨著熱壓溫度的增加,材料的靜曲強(qiáng)度增加,彈性模量逐漸增加,內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度也逐漸增加,材料的吸水膨脹率逐漸減小。綜合來說,熱壓溫度的提高一定范圍之內(nèi)提高了木材/廢舊橡膠復(fù)合材料的力學(xué)性能。熱壓溫度升高增加材料的力學(xué)性能的原因主要在于熱壓溫度的升高有利于熱傳導(dǎo),促進(jìn)膠黏劑的固化,增加木材的塑性,有利于板坯的壓密[9]。當(dāng)正交試驗(yàn)的參數(shù)膠粘劑含量由14%逐漸增大至16%時(shí),材料的靜曲強(qiáng)度、彈性模量和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度先增大后減小,當(dāng)膠粘劑的含量為15%時(shí),木材/廢舊橡膠復(fù)合材料的力學(xué)性能最好。膠粘劑量在一定范圍內(nèi)的增加提高了材料的力學(xué)性能,增加施膠量有利于木材纖維、橡膠之間的膠合,在14% 時(shí)復(fù)合材料力學(xué)性能變化不大。有文獻(xiàn)顯示,膠粘劑量超過一定值時(shí)的增加僅使膠層厚度增加,纖維間的膠受其影響不大,也會(huì)使板坯含水率很大,不利于芯層的膠的固化[10]。橡膠粉含量的增加降低了木材/廢舊橡膠復(fù)合材料的靜曲強(qiáng)度和彈性模量,但是卻提高了材料的尺寸穩(wěn)定性能,原因在于廢舊橡膠粉彈性模量、靜曲強(qiáng)度較木材低,親水性較弱[10]。

從正交實(shí)驗(yàn)還可以看出： 在設(shè)定的因子水平下, 對于靜曲強(qiáng)度,設(shè)定因子影響的主次為熱壓溫度＞橡膠粉量＞膠粘劑量＞熱壓時(shí)間,有利因子水平為 A3B3C2D1; 對于彈性模量,設(shè)定因子影響的主次為橡膠粉量＞膠粘劑量＞熱壓溫度＞熱壓時(shí)間,有利影響因子為 A3B3C2D1; 對于內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度,因子影響的主次為熱壓溫度＞熱壓時(shí)間＞膠粘劑量＞橡膠粉量, 有利因子水平為 A3B3C3D3; 對于 24h 吸水厚度膨脹率, 因子影響的主次為熱壓溫度＞膠粘劑量＞橡膠粉量＞熱壓時(shí)間, 有利因子水平為 A3B3C3D3。對于各單項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行有利因子水平綜合分析,A因子取 A3水平時(shí)復(fù)合材料各項(xiàng)力學(xué)性能均最好,B因子取B3水平時(shí)復(fù)合材料各項(xiàng)力學(xué)性能均最好, C 因子取 C2水平時(shí),復(fù)合材料靜曲強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)彈模、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度均最好,24h吸水厚度膨脹率低于C3,卻也達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)；D因子對于內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度的影響較小,取D1時(shí)復(fù)合材料的靜曲強(qiáng)度、彈性模量最好,24h吸水厚度膨脹率很高,取D3時(shí)復(fù)合材料的靜曲強(qiáng)度與彈性模量均較小,取D2力學(xué)性能均較好,正交試驗(yàn)中的9號板, 其D因子在D1水平時(shí),24h吸水厚度膨脹率達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。所以確定在設(shè)定因子水平下的最佳力學(xué)性能的熱壓工藝為A3B3C2D1,此種工藝下的復(fù)合材料力學(xué)性能達(dá)到GB /T 11718-2009干燥狀態(tài)下的標(biāo)準(zhǔn)。

3 木材/廢舊橡膠復(fù)合材料在節(jié)約型園 林中的應(yīng)用

木材是一種天然的建筑材料,在建筑中給人一種自然舒適的感覺。在城市園林建設(shè)中,木材常作為一種鋪裝材料用于臨水平臺、棧道及各種園林建筑小品、桌椅等,相比傳統(tǒng)的石材更受到人們的歡迎。各種木材制品在生產(chǎn)加工過程中會(huì)產(chǎn)生較多的加工廢料、木粉以及不可進(jìn)一步加工的小徑級木材,導(dǎo)致木材利用率較低,造成較多的資源浪費(fèi)。因此,如果能實(shí)現(xiàn)廢棄木材的循環(huán)再利用可以較大程度節(jié)約資源。近些年,廢棄物在節(jié)約型園林中的應(yīng)用已進(jìn)行了一些探索,建筑廢棄木材可通過人造板工藝加工成具有一定強(qiáng)度和規(guī)格的板材再應(yīng)用于園林建設(shè),廢舊輪胎在園林中的使用則多以輪胎的簡單連接為主,例如廢舊輪胎駁岸的設(shè)計(jì)。

木材和廢舊輪胎均可再次回收利用,經(jīng)過本實(shí)驗(yàn)加工方法生產(chǎn)的木材/廢舊橡膠復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能,所以可以作為城市園林建筑中非關(guān)鍵承重部位的建設(shè)材料使用,特別是廢舊木材和廢舊橡膠的再利用是建設(shè)節(jié)約型園林的重要體現(xiàn),也是實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的重要手段。基于對木材/廢舊橡膠復(fù)合材料的基本單元、復(fù)合工藝、物理力學(xué)性能的綜合分析可知,木材/廢舊橡膠復(fù)合材料繼承了木材優(yōu)點(diǎn)的同時(shí),又體現(xiàn)了較強(qiáng)的抗吸水膨脹度,具有一定的防水功能,同時(shí)又具有較好的阻尼減震、隔音吸聲、降噪的性能,在戶外環(huán)境中應(yīng)用具有一定優(yōu)勢。

4 結(jié)論

本文通過L9(34)正交試驗(yàn)與分析得出,在設(shè)定的工藝因子水平下的最佳力學(xué)性能的熱壓工藝為 A3B3C2D1,木材/廢舊橡膠復(fù)合材料的加工工藝為熱壓溫度 180℃、熱壓時(shí)間8min, 膠粘劑的量為15%,廢舊橡膠粉的比例30%。利用本實(shí)驗(yàn)最佳工藝生產(chǎn)的木材/廢舊橡膠復(fù)合材料的力學(xué)性能可以到達(dá)GB /T 11718-2009 中干燥狀態(tài)下普通型、家具型中密度纖維板的標(biāo)準(zhǔn),滿足用于節(jié)約型園林建筑材料中的板材強(qiáng)度要求。