相變復合新材料在居住建筑圍護結構中的應用

趙婧竹 朱榮花 古新 鹿巍

摘 要：為了提升相變復合新材料的力學性能，推動其在居住建筑維護結構中應用。研究了熱壓溫度、熱壓壓力和初始含水率對相變材料拉伸強度、彎曲強度、粗糙度和密度的影響。結果表明，隨著熱壓溫度、初始含水率和熱壓壓力的增加，相變復合新材料的拉伸強度和彎曲強度整體表現為先升后降趨勢，在熱壓溫度為190 ℃、熱壓壓力為8 MPa和初始含水率為70%時，相變材料具有最大的拉伸強度和彎曲強度。熱壓壓力、熱壓溫度和初始含水率提高有助于降低粗糙度和峰峰值，并提升相變復合新材料的密度，但是熱壓溫度、初始含水率和熱壓壓力也不能過高，否則會影響致密性并產生壓潰，力學性能反而降低。

關鍵詞：相變復合新材料；熱壓壓力；熱壓溫度；初始含水率；力學性能

中圖分類號：TQ342;TU502

文獻標志碼：A文章編號：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

居住建筑圍護結構中需要大量的相變建筑材料，這主要是因為輕質、環保型相變材料除擁有建筑圍護結構所需的導熱、耐腐蝕性能外，還具有可降解、自粘合等特性［1-3］。尤其是隨著城鎮化進程的快速推進，居住建筑圍護結構的需求量不斷增加，給相變建筑復合新材料帶來了巨大發展機遇。如何通過加工工藝參數調節來獲得力學性能優良的相變建筑材料，并推動其在居住建筑圍護結構中應用是目前值得研究的課題［4-9］。因此，研究熱壓溫度、熱壓壓力和初始含水率對相變材料拉伸強度、彎曲強度、粗糙度和密度的影響，結果將有助于新型相變建筑復合新材料的開發并推動其在居住建筑圍護結構中應用。

1 材料與方法

1.1 試驗材料和設備

試驗材料包括楊木剩余物木片，浸漬用工業純NaOH。

主要設備包括：ZT7-01型冷壓成型機、ZG-20T型熱壓機、JSM-6800型掃描電子顯微鏡、MTS-810型萬能材料試驗機、NCF950型激光共聚焦顯微鏡。

1.2 試樣制備

采用3 mm厚板控制成形材料厚度，主要包括木片浸漬、機械磨解、喂料、壓縮、擠出、纖維精磨、纖維預壓、熱壓整型等步驟［10］。預先在冷壓機（經過纖維解離器攪拌成纖維漿料，抽真空后制成濕纖維坯）上制備不同初始含水率的濕纖維，然后對纖維坯進行不同熱壓溫度和熱壓壓力的熱壓處理。其中，為了保證相變復合新材料的成形質量，控制熱壓時間為6 min。

1.3 測試方法

采用JSM-6800型掃描電子顯微鏡對相變材料進行形貌觀察，用Image 6.0軟件對圖像進行二值化處理，并計算孔隙率［11］；根據GB/T 1040.3—2006標準，在MTS-810型萬能材料試驗機上進行拉伸速率為5 mm/min的室溫拉伸性能測試；根據GB/T 9341—2008標準，在MTS-810型萬能材料試驗機上進行速率5 mm/min的彎曲性能測試，溫度為室溫、濕度45%，結果取6組試樣平均值；采用NCF950型激光共聚焦顯微鏡對相變復合新材料進行三維形貌測試。

2 結果與討論

2.1 顯微形貌

圖1為相變材料的顯微形貌。掃描電鏡下可見，相變材料中的纖維呈現隨機分布狀態，局部存在粘接現象；經過二值化處理［12］后，可以對相變材料的孔隙率進行測定，孔隙率為32.5%。

2.2 力學性能

圖2為不同熱壓溫度下相變復合新材料的拉伸強度和彎曲強度，其中熱壓壓力和初始含水率分別為6 MPa和70%。當熱壓溫度為130 ℃時，相變材料的拉伸強度和彎曲強度分別為65.2 MPa和102.3 MPa；當熱壓溫度從130 ℃上升至210 ℃時，相變材料的拉伸強度先增后減，彎曲強度也表現為先增后減趨勢，在熱壓溫度為190 ℃時，相變材料具有最大的拉伸強度和彎曲強度，其值分別為75.6 MPa和127.8 MPa。繼續增加熱壓溫度至210 ℃時，相變材料的拉伸強度和彎曲強度反而會減小。這主要是因為在其它工藝參數不變的前提下，提升熱壓溫度有助于改善相變材料中纖維之間的粘合性能，提升纖維表面熔融物的鋪展能力［13］，致密性會有所提升，相應的拉伸強度和彎曲強度會增大，但是當熱壓溫度過高時，纖維自身會發生一定程度分解而造成基體材料強度降低［14］，因此相變材料的拉伸強度和彎曲強度會發生不同程度降低。從熱壓溫度對相變材料拉伸強度和彎曲強度的影響來看，適宜的熱壓溫度為190 ℃。

圖3為不同熱壓壓力下相變材料的拉伸強度和彎曲強度，其中熱壓溫度和初始含水率分別為190 ℃和70%。當熱壓壓力為2 MPa時，相變材料的拉伸強度和彎曲強度分別為68.0 MPa和120.2 MPa；當熱壓壓力從2 MPa上升至10 MPa時，相變材料的拉伸強度先增后略有減小或者基本不變，彎曲強度表現為先增后保持不變的趨勢，在熱壓壓力為8 MPa時，相變材料具有最大的拉伸強度和彎曲強度。繼續增加熱壓壓力至10 MPa時，相變材料的拉伸強度和彎曲強度反而會略有減小。這主要是因為在其它工藝參數不變的前提下，提升熱壓壓力有助于改善相變材料中纖維之間的粘合性能，提升纖維表面熔融物的鋪展能力［15］，致密性會有所提升，相應的拉伸強度和彎曲強度會增大，但是當熱壓壓力過高時，壓力的進一步增加不會再改善致密性，相反會增加內應力［16］，因此相變材料的拉伸強度和彎曲強度會略有降低或基本不變。從熱壓壓力對相變材料拉伸強度和彎曲強度的影響來看，適宜的熱壓壓力為8 MPa。

圖4為不同初始含水率下相變材料的拉伸強度和彎曲強度，其中熱壓溫度和熱壓壓力分別為190 ℃和8 MPa。當初始含水率為40%時，相變材料的拉伸強度和彎曲強度分別為63.5 MPa和

110.2 MPa；當初始含水率從40%上升至80%時，相變材料的拉伸強度先增后減，彎曲強度也表現為先增后減，在初始含水率為70%時，相變材料具有最大的拉伸強度和彎曲強度。繼續增加初始含水率至80%時，相變材料的拉伸強度和彎曲強度反而會減小。這主要是因為在其它工藝參數不變的前提下，提升初始含水率有助于改善纖維之間的粘合效果，相變材料的塑性，提升纖維之間的變形能力［17］，相應的拉伸強度和彎曲強度會增大，但是當初始含水率過高時，初始含水率的進一步增加反而會使得熱壓過程中產生壓潰［18］，因此相變材料的拉伸強度和彎曲強度會有所降低。從熱壓溫度和壓力對相變材料拉伸強度和彎曲強度的影響來看，適宜的初始含水率為70%。

2.3 物理性能

表1為不同制備條件下相變材料的峰峰值、粗糙度和密度測試結果。當熱壓條件為130 ℃/6 MPa/70%時，相變材料的粗糙度、峰峰值和密度分別為17.17、94.25 μm和0.81 g/cm3；在熱壓壓力和初始含水率不變條件下，升高熱壓溫度至190 ℃，相變材料的粗糙度和峰峰值減小，密度有所增大。當熱壓溫度保持190 ℃不變，隨著熱壓壓力從2 MPa增加至8 MPa，相變材料的粗糙度、峰峰值先增加后減小，密度逐漸增大。當熱壓壓力和熱壓溫度不變時，初始含水率提高會一定程度粗糙度，而峰峰值降低、密度升高。總體而言，熱壓壓力、熱壓溫度和初始含水率提高有助于降低粗糙度和峰峰值，并提升相變材料的密度，但是熱壓參數也不能過高，否則會影響致密性并產生壓潰［20］，力學性能反而降低。

3 結語

（1）當熱壓溫度從130 ℃上升至210 ℃時，相變材料的拉伸強度先增后減，彎曲強度也表現為先增后減趨勢，在熱壓溫度為190 ℃時，相變材料具有最大的拉伸強度和彎曲強度，其值分別為75.6 MPa和127.8 MPa。繼續增加熱壓溫度至210 ℃時，相變材料的拉伸強度和彎曲強度反而會減小;

（2）當熱壓壓力從2 MPa上升至10 MPa時，相變材料的拉伸強度先增后略有減小或者基本不變，彎曲強度表現為先增后保持不變的趨勢，在熱壓壓力為8 MPa時，相變材料具有最大的拉伸強度和彎曲強度。繼續增加熱壓壓力至10 MPa時，相變材料的拉伸強度和彎曲強度反而會略有減小;

（3）當初始含水率從40%上升至80%時，相變材料的拉伸強度先增后減，彎曲強度也表現為先增后減，在初始含水率為70%時，相變材料具有最大的拉伸強度和彎曲強度。繼續增加初始含水率至80%時，相變材料的拉伸強度和彎曲強度反而會減小。

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收稿日期：2023-06-23；修回日期：2023-09-22

作者簡介：趙婧竹（1990-），女，碩士，講師，研究方向：建筑節能等；E-mail：zhaojingzhu100@126.com。

基金項目：陜西省教育廳科學研究計劃項目資助（項目編號：2022JK0519）。

引文格式：趙婧竹，朱榮花，古 新，等.相變復合新材料在居住建筑圍護結構中的應用［J］.粘接，2023，50（11）：110-113.