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建筑装饰自结合成形板材的制备及力学性能研究

2024-12-27 33 上传者：管理员

摘要：毛竹加工通常伴随剩余物产生，为提高毛竹利用率，解决添加胶结剂板材释放甲醛等有害物质等问题，提出一种竹制建筑装饰自结合成形板材的制备技术。该技术主要以毛竹加工剩余物为原料，经过机械粉磨和热压成形等手段，研究粒径配比、热压温度对竹制自结合成形板材力学性能、耐水性能的影响。结合SEM微观分析，验证了高温热压对板材性能提高的作用机理。结果表明：随着粉磨时间的增加，120目以上细小颗粒的占比逐渐增大；相比于粒径级配，热压温度对板材内胶合强度的影响更为显著，相比于140℃热压，200℃热压条件制备的板材内胶合强度提高了75.3%；同时，相比于性能最差的试验组，其静曲强度和弹性模量分别提高了158.8%和160.3%。此外，高温热压板材的耐水性同样得到提高。因此，高温条件热压和竹粉适当粉磨预处理，能更好地提高竹制板材的自结合性能。

关键词：
力学性能
微观形貌
无胶板材
热压成形
竹材
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一般毛竹呈中空薄壁､上细下粗的结构特点, 在加工过程中,由于这一结构特点,毛竹利用率只有 30%~40%,会伴随产生竹纤维､竹碎料､竹刨花､竹粉等不同形态的加工剩余物[1-2]｡

毛竹内部结构大约由50%的薄壁细胞､40%的厚壁细胞(纤维)和10%的管束组成,其纤维和薄壁细胞在微观结构､化学成分和性能方面均存在明显差异｡因此,想要将加工剩余物进行再利用,需对其进行预处理,许多学者对此进行了大量研究｡余养伦[3]通过试验,探究了不同工艺因素对竹纤维复合材料的机械强度和耐水性的影响｡通过调节松紧度､浸胶量及密度,制得了密度为1.30 g/cm3 的竹基纤维复材,经28 h的蒸煮处理,其吸水厚度膨胀率在2.08%以内,且材料的最大屈服强度和最大抗弯强度分别为398 MPa和32.3 GPa｡陈小辉[4]通过添加KH-560､KH-792等偶联剂,对竹材进行了改性,制备出了具有良好综合机械性能的竹材复合板, 并对其进行表面处理,获得了较好的耐磨损和力学性能｡董旭[5]采用真空隔热的方法制备一种新型的､绿色的､高效的隔热保温材料——竹纤维板｡Wang等[6]将热塑性树脂添加到聚乳酸(PLA)-塑料复合材料中,不仅可增强材料的韧性,还可改善其与基体的相容性及力学性能,而且材料本身没有毒性,在有酶的条件下,可加快降解速率,减少环境污染｡Kumar等[7]以3种不同密度的竹材纤维复合材料为研究对象,研究密度对竹材纤维复合材料拉伸､压缩､剪切及弯曲等力学性能的作用｡

近年来,对竹粉预处理的研究主要集中在竹粉改性和热处理方面的探索,目的是使其达到致密化[8],来提高其机械性能,但对其在潮湿环境中产生的吸水膨胀和弱化问题研究较少｡因此,为了提高毛竹利用率,解决毛竹板材潮湿环境中存在的膨胀和弱化的问题,同时摒弃胶结剂释放的甲醛对人体健康带来的危害,本研究将毛竹加工剩余物或直接将毛竹粉碎加工成一定单元,在不添加任何胶黏剂的条件下直接利用其自身的化学成分形成结合力,结合竹材无胶成形技术,分别探究竹粉粒径､热处理温度对板材物理力学性能的影响,结合微观表征和化学分析等手段,为竹制无胶建筑装饰板材的自黏合机理的研究提供理论依据

1、材料与方法

1.1 试验材料

试验所采用竹材为3年生毛竹,取自浙江省,图1为竹粉表面及截面的微观形貌｡

图1 竹粉表面及截面的微观形貌

1.2 自结合板材制备

竹材预处理及板材制备过程如图2所示,取毛竹将竹竿切成厚约10 mm的竹环,放入粉磨机中分别粉磨3､6､9 min,制备出不同细度的竹粉原料,编号为 Ⅰ､Ⅱ､Ⅲ｡将竹粉原料放入模具(120 mm×50 mm× 17 mm),铺置平整,将模具放入热压机中,分别设置温度为140､160､180､200 ℃,在压力140 MPa､压制时间40 min条件下成形脱模｡以粒径､压制温度为不同因素的试验如表1所示｡

图2 竹制自结合成形板材制备工艺流程

表1 试验情况

1.3 测试与表征

1 ) 粒径分布 : 取 1 0 0 g 竹粉样品 , 用 8 0 目 (0.187 mm)､120目(0.125 mm)､160目(0.940 mm)､ 200目(0.075 mm)的套筛进行筛分,分别称取各部分的质量,计算对应粒径所占比例｡

2)力学性能:按照国家标准GB/T 17657—2013进行内胶合强度､静曲强度和弹性模量的检测｡

3)吸水性测试:按照国家标准GB/T 17657—2013, 对自结合成形板材试件的吸水率和吸水膨胀率进行测试｡

4)微观形貌:采用扫描电子显微镜观测竹粉原料和自结合板材表面的微观形貌｡

2、结果与分析

2.1 竹粉的筛分和粒径分布

从表2中数据可以得出,原料经过粉碎机3 min的粉磨处理后,<80目的颗粒占比为63.2%,粉体以大颗粒形式为主,细小颗粒质量分数较少;粉体经进一步粉磨至6 min,<80目颗粒粒径占比减小至42.7%,原料由大颗粒逐渐转变为细小粉体;粉磨9 min后,<80目颗粒粒径占比继续减少为27.4%,120目以上粒径占比超过 50%,占粉体颗粒一半以上｡原料粉磨时间由3min增加至9 min,小于80目大颗粒粒径占比减少了35.8%,大于 120目的细小粒径增加了34%｡不同粉磨时间竹粉的外观形貌,通过表1和图3可以得出,随着粉磨时间的增加, 竹粉逐渐由大颗粒破碎为细小的粉体,竹粉变得更为细腻,竹制原料的易磨性较为出色｡

图3 不同粉磨时间竹粉的外观形貌

表2 竹粉经不同粉磨时间粒径占比

2.2 不同因素对自结合成形板材力学性能的影响

2.2.1 对自结合成形板材内胶合强度的影响

不同因素对自结合成形板材的内胶合强度如图4所示｡随着粉磨时间的增加和热压温度的提高,板材的内胶合强度逐渐升高｡粉磨9 min的竹粉原料制备的板材内胶合强度最高,此时竹粉120目以上粒径的颗粒占多数,相比于粉磨6 min,颗粒的比表面积更大,竹粉颗粒与颗粒之间的胶合面积也变大,材料的自结合能力进一步提高｡相比于粒径影响,热压温度对内胶合强度的提高更为明显｡采用粉磨9 min的竹粉原料,在200 ℃热压条件下,板材内胶合强度达到1.42 MPa,相比于140 ℃ 热压制备的板材,内胶合强度提高了75.3%｡随着热压温度的升高,竹材的导热速率也随之加快,竹材自由水在高温下的汽化速度加快,从而延长了塑化时间,竹纤维与薄壁细胞的界面结合面积增大,孔隙减小,从而增强了内部黏结强度｡其次,随着热压温度的升高,半纤维素､纤维素的分解速度加快,生成了更多的单糖及糠醛类化合物,并与木素形成复合物,使其增塑作用更为显著,从而提高了内胶合强度｡

图4 不同因素对自结合成形板材内胶合强度的影响

2.2.2 对自结合成形板材静曲强度和弹性模量的影响

不同因素对自结合成形板材的静曲强度和弹性模量的影响如图5所示,可知温度对板材的静曲强度和弹性模量的影响比原材料粒径要更明显｡随着热压温度的升高,自结合成形板材的静曲强度和弹性模量逐渐提高, 在粉磨3 min条件下,热压温度在200 ℃以下,板材的静曲强度和弹性模量分别达到8.41 MPa和1.64 GPa,相比于160 ℃分别提高了158.8%和160.3%,随着热压温度的升高,材料的热导率也会随之增大,进而促进水蒸气的挥发,延长材料的高温塑化时间;同时,更多的木质素可以与半纤维素､纤维素水解产生的糠醛､单糖等物质发生交联反应,使纤维与薄壁细胞之间的变形程度增强,形成更强的化学键合和物理键合,从而提高板材的抗弯强度[9]｡而随着粉磨时间的增加,板材的静曲强度减小,分析原因可能是随着粉磨时间的延长,竹粉颗粒逐渐变细,120目以上的微小颗粒逐渐增多,导致纤维束及薄壁细胞团结构不完整,强度下降,支撑力减弱｡然而弹性模量在粉磨6 min时保持其最佳值,可能是因为粉磨6 min的竹粉粒径级配更紧实,板材结构更致密｡

图5 不同因素对自结合成形板材静曲强度

2.3 对自结合成形板材吸水率和吸水膨胀率的影响

不同因素对自结合成形板材吸水率和吸水膨胀率的影响如图6所示｡随着粉磨时间增加,以及热压温度的升高,板材的吸水率和吸水膨胀率均呈下降趋势｡粉磨 9 min的竹粉制备的自结合成形板材的吸水率和吸水膨胀率数值均为最低,究其原因是因为粉体以120目以上的细小颗粒为主,细小的颗粒之间更易于团聚,同时还可以填充大颗粒间的间隙,从而减小每个细胞之间的间隙,提高了材料的耐水能力｡同样,热压温度为200 ℃ 时,吸水率和吸水膨胀率数据达到最小值,原料在相同粉磨时间条件下,相比于140 ℃,材料吸水率和吸水膨胀率分别下降约47%和40%｡分析原因为,随着热压温度的提高,材料内部的热传导速率加快,材料的渗滤速度加快｡同时,随着温度的提高,更多的木素被软化, 并且具有更大的流动性,它会和纤维素分解产生的单糖和糠醛等物质进行反应,形成酚类和醛类的聚合物｡热压结束后,通过降温使复合物固化,提高了竹粉间的黏结强度,改善了板材的耐水性;随着温度升高,半纤维素质量分数愈少,羟基愈少,愈有利于改善板材的耐水性｡

2.4 热压温度对自结合成形板材微观结构的影响

不同热压温度制备的自结合成形板材SEM微观形貌如图7所示｡在不同热压温度条件下,所制得的自结合成形板材表面孔隙差异较大,且随着热压温度的升高, 其表面孔隙数量减少,竹纤维与薄壁细胞间的结合更为紧密｡在160 ℃以下,在该温度范围内,板材的表层存在大量的粗糙孔洞和疏松的连接;但在180 ℃或更高的热压条件下,竹粉之间的界面空隙减少,结合紧密,这可能是因为高温加速了竹粉的水热反应,使其在表层的水热作用持续时间更长,塑化时间延长,使其在相同的压力下发生形变,从而使其紧密结合｡

图6 不同因素对自结合成形板材吸水率和吸水膨胀率的影响

图7 不同热压温度制备的自结合成形板材表面微观形貌

将板材截面位置进一步放大,观察经过热压处理后竹粉纤维和薄壁细胞的微观形貌如图8所示｡SEM图像显示,经过热压处理,其竹纤维及其薄壁细胞的微观结构没有明显改变｡将薄壁细胞进一步放大,可以观察到其内部的淀粉颗粒在不同受热温度下,微观形貌发生了显著的改变｡薄壁细胞中的淀粉颗粒在160 ℃及以下的温度环境中,呈规则的圆球状,表面较为光滑平整;在热压处理温度达到180 ℃甚至更高时,淀粉颗粒表面逐渐粗糙,形状变为不规则状,并且互相之间黏结紧密｡此现象可以揭示,经过热压处理,竹粉薄壁细胞内部的淀粉颗粒在不同热压温度下发生了化学和结构方面的变化｡淀粉颗粒在高温下软化分解,产生具有胶粘性的单糖等物质,同时与纤维素降解的糠醛物质结合发生塑化反应,提高了板材的力学性能及其耐水性｡

图8 不同热压处理板材表面竹纤维和薄壁细胞微观形貌

3、结语

1)随着粉磨时间的延长,80目以下的竹粉颗粒占比逐渐减少,120目以上的细小颗粒占比逐渐增多;相比于粉磨3 min,粉磨9 min时,80目以下的颗粒占比由 63.2%减少为27.4%,竹粉原料变得更加细腻｡

2)通过分析不同因素对自结合成形板材力学性能的影响,得出热压温度对内胶合强度的影响最为明显, 在粉磨9 min,热压温度200 ℃下,板材的内结合强度最佳;除此之外,板材的静曲强度受粒径级配的影响较为显著,长时间粉磨,弱化了竹粉颗粒的级配,颗粒粒径较为集中,不利于提高板材的静曲强度｡

3)竹粉经过细化粉磨可显著提高板材耐水性, 粉磨9 min,板材的吸水率和吸水膨胀率均最低;同样高温热压也能提高板材的耐水性,200 ℃热压相比于 140 ℃,板材吸水率和吸水膨胀率分别下降了47%和 40%｡综合考虑采用粉磨9 min､200 ℃热压温度条件制备自结合成形板材,并且能够满足性能要求｡

4)通过对不同热压温度处理下的板材微观形貌分析可以得知,高温可以破坏内部淀粉颗粒,使其化学成分以及外部结构发生变化,进一步与高温条件下纤维素分解产生的糠醛物质发生塑化反应,从而提高了板材的性能｡

参考文献:

[1]蓝晓光.史前中国竹林资源与利用[J].世界竹藤通讯,2023,21 (6):36-39.

[2]冯鹏飞,李玉敏.2021年中国竹资源报告[J].世界竹藤通讯, 2023,21(2):100-103.

[3]余养伦.高性能竹基纤维复合材料制造技术及机理研究[D].北京:中国林业科学研究院,2014.

[4]陈小辉.玻璃纤维增强竹材胶合板的研究[D].福州:福建农林大学,2012.

[5]董旭.竹纤维真空绝热板的芯材结构及其性能研究[D].福州:福建农林大学,2018.

文章来源:金忠宇,郭松林.建筑装饰自结合成形板材的制备及力学性能研究[J].建筑施工,2024,46(12):1967-1970.