無(wú)機(jī)膠合中密度纖維板復(fù)合原理和關(guān)鍵工藝分析

諶 萌 席凱原

(1 江西建材廠，江西 南昌330001；2 江西省機(jī)械工業(yè)設(shè)計(jì)研究院, 江西 南昌330046)

1 前言

鎂質(zhì)硫鋁酸鹽水泥（又稱鎂鋁硅酸鹽水泥，專利號(hào)：ZL02133685.7）研制成功，豐富了鎂水泥的內(nèi)涵，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。利用強(qiáng)度高、堿度低和與植物纖維復(fù)合能力強(qiáng)的鎂質(zhì)硫鋁酸鹽水泥（magnesia sulphoaluminate cement）生產(chǎn)中密度纖維板，具有防火、防水、防老化、防霉變、不含甲醛等得天獨(dú)厚的優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越引起人們的重視。和有機(jī)樹(shù)脂相比，鎂質(zhì)硫鋁酸鹽水泥（簡(jiǎn)稱鎂水泥）彈性模量高、極限應(yīng)變值小、黏結(jié)強(qiáng)度低，正是由于這些特點(diǎn)的制約，使一些企業(yè)在研制開(kāi)發(fā)無(wú)機(jī)膠合中密度纖維板的過(guò)程中步履維艱。如何克服這些特點(diǎn)在與低彈性模量植物纖維復(fù)合中的負(fù)面影響，達(dá)到有機(jī)樹(shù)脂膠合中密度纖維板的復(fù)合效果，就是本文所要解決的問(wèn)題。

2 復(fù)合原理分析

無(wú)機(jī)膠合中密度纖維板是低彈性模量植物纖維增強(qiáng)高彈性模量鎂水泥基復(fù)合材料。由于植物纖維是一種典型的各向異性材料，順紋力學(xué)性能高于橫紋力學(xué)性能，這樣復(fù)合原理分析就成了分析抗拉強(qiáng)度高的植物纖維順紋增強(qiáng)鎂水泥與植物纖維橫紋復(fù)合形成的復(fù)合基的力學(xué)性能。

2.1 串聯(lián)復(fù)合

復(fù) 合 材 料 理 論（theory of composite material） 不 僅 包 括 并 聯(lián) 復(fù) 合（parallel composite），還應(yīng)該包括串聯(lián)復(fù)合（series connection composite）。串聯(lián)復(fù)合原理的應(yīng)用是分析無(wú)機(jī)膠合中密度纖維板的理論依據(jù)。

在彈性變形階段，鎂水泥與植物纖維橫紋復(fù)合形成鎂水泥復(fù)合基必須滿足三個(gè)變形協(xié)調(diào)方程：

式中：σ —應(yīng)力，MPa；

εm1—鎂水泥復(fù)合基的應(yīng)變值，%；

εm—鎂水泥基的應(yīng)變值，%；

f1ε —植物纖維橫紋應(yīng)變值，%；

Em1—鎂水泥復(fù)合基彈性模量，MPa；—串聯(lián)復(fù)合后植物纖維橫紋彈性模量，MPa；—串聯(lián)復(fù)合后鎂水泥基彈性模量，MPa；

Vf1—植物纖維橫紋體積率,這一體積率為橫紋取向系數(shù)和植物纖維體積率的乘積，%；

Vm—鎂水泥基的體積率，%。

2.2 鎂水泥復(fù)合基彈性模量

如果不考慮串聯(lián)復(fù)合后植物纖維橫紋和鎂水泥基的彈性模量、泊松比的變化，按照變形協(xié)調(diào)方程2 和方程1,可推導(dǎo)下列的近似計(jì)算公式：

式中： Em—鎂水泥基彈性模量，MPa；

Ef1—植物纖維橫紋彈性模量，MPa。

這一公式表明，高彈性模量鎂水泥基和低彈性模量植物纖維橫紋串聯(lián)復(fù)合后形成的鎂水泥復(fù)合基比鎂水泥基的彈性模量低。復(fù)合的植物纖維越多，鎂水泥復(fù)合基的彈性模量降低得就越多。由于植物纖維橫紋彈性模量低于順紋彈性模量，如果復(fù)合較多的植物纖維橫紋的鎂水泥復(fù)合基的彈性模量低于植物纖維順紋彈性模量，那么低彈性模量植物纖維增強(qiáng)高彈性模量鎂水泥基，在事實(shí)上就轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚椥阅Ａ恐参锢w維順紋增強(qiáng)低彈性模量鎂水泥復(fù)合基。這一結(jié)論，不僅使生產(chǎn)無(wú)機(jī)膠合中密度纖維板在實(shí)踐上可行，在理論上也有充分的依據(jù)。

植物纖維在纖維板中是三維（3D）亂向分布的，三維狀態(tài)中植物纖維橫紋取向系數(shù)相當(dāng)于植物纖維順紋與應(yīng)力方向垂直的各平面內(nèi)沿各個(gè)方向。這樣，植物纖維橫紋的取向系數(shù)為：

有了植物纖維橫紋取向系數(shù)，在植物纖維體積率為 vf中，鎂水泥復(fù)合基的彈性模量為：

2.3 植物纖維橫紋彈性模量和纖維體積率的關(guān)系

2.3.1 纖維板抗拉強(qiáng)度、纖維橫紋彈性模量和纖維體積率

纖維板的抗拉強(qiáng)度應(yīng)該是植物纖維順紋抗拉強(qiáng)度和鎂水泥復(fù)合基的抗拉強(qiáng)度與體積率乘積的加和值[1]，即：

Ef2-植物纖維順紋彈性模量，MPa；

Vf－植物纖維體積率；%；

Vm1-鎂水泥復(fù)合基的體積率，% ；

η3-植物纖維順紋長(zhǎng)度系數(shù)，% ；

η2-植物纖維順紋取向系數(shù)，在3D 分布狀態(tài)下，取向系數(shù)為；

εf2-植物纖維順紋方向的應(yīng)變值，%。

纖維板在拉應(yīng)力作用下，植物纖維順紋應(yīng)變值和鎂水泥基應(yīng)變值相同時(shí)，才能共同承受應(yīng)力。如果二者的極限應(yīng)變值相同，即，那么植物纖維的順紋長(zhǎng)度系數(shù)，這時(shí)纖維板承受的應(yīng)力最大，抗拉強(qiáng)度轉(zhuǎn)變?yōu)椋?/p>

這一公式表明，鎂水泥復(fù)合基的極限應(yīng)變值隨植物纖維橫紋彈性模量的降低而增大，纖維體積率隨植物纖維橫紋彈性模量的降低而減少，而纖維板的抗拉強(qiáng)度又隨纖維的體積率的增大而提高。一般來(lái)說(shuō)，未經(jīng)處理的原狀植物纖維生產(chǎn)纖維板很難實(shí)現(xiàn)鎂水泥復(fù)合基的極限應(yīng)變值等于植物纖維順紋的極限應(yīng)變值，所以必須對(duì)植物纖維進(jìn)行處理，降低原狀植物纖維橫紋彈性模量。然而，植物纖維橫紋彈性模量又不能降低得太多，否則在滿足時(shí)纖維的體積率就要減少，纖維板的抗拉強(qiáng)度就要降低。筆者經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，得出的結(jié)論是經(jīng)過(guò)處理的軟植物纖維在滿足時(shí)纖維的體積率 Vf=90%左右時(shí)所生產(chǎn)的纖維板具有較高的物理力學(xué)性能。

2.3.2 纖維橫紋接觸界面層彈性模量和纖維體積率

鎂水泥基的黏結(jié)強(qiáng)度比有機(jī)樹(shù)脂黏結(jié)強(qiáng)度低，只有通過(guò)機(jī)械互鎖和化學(xué)粘合才能解決應(yīng)力作用下植物纖維和鎂水泥基不脫粘，具體方法是在大的壓力下使鎂水泥滲透植物纖維，提高植物纖維接觸界面層的彈性模量。

這一公式表明，要使植物纖維的體積率較大，必須也只有提高與鎂水泥基復(fù)合的植物纖維橫紋接觸界面層的彈性模量，才能保證應(yīng)力作用下植物纖維和鎂水泥基不脫粘。植物纖維橫紋彈性模量小于鎂水泥基，泊松比大于鎂水泥基。如果在大的壓力下使鎂水泥滲透植物纖維，提高植物纖維橫紋彈性模量（當(dāng)然泊松比也在降低），那么就可以在承受同等應(yīng)力作用下提高纖維的體積率。從材料力學(xué)理論分析，由于植物纖維的體積率大、彈性模量小、泊松比大，在應(yīng)力作用下，植物纖維橫紋橫向正應(yīng)變也就大。又從彈性模量E、泊松比μ 與切變模量G 的關(guān)系看出，如果植物纖維橫紋接觸界面層的彈性模量增加，切變模量也就增加，應(yīng)力作用下植物纖維橫紋橫向正應(yīng)變也就減少。就是說(shuō)，植物纖維橫紋接觸界面層彈性模量提高，串聯(lián)復(fù)合中鎂水泥基同等橫向正應(yīng)變承受的應(yīng)力加大；同等應(yīng)力作用下植物纖維的體積率可以增加。

和石棉纖維、玻璃纖維、改性PP 纖維、改性PVA 纖維不同，植物纖維本身就是一種復(fù)合材料。植物纖維中含有大量的灰分、樹(shù)脂、鞣酸等物質(zhì)，在降低植物纖維橫紋彈性模量中對(duì)植物纖維進(jìn)行處理，把這些對(duì)植物纖維力學(xué)貢獻(xiàn)不大的物質(zhì)除掉，又在大的壓力下使鎂水泥滲透進(jìn)來(lái)，梯度填補(bǔ)這些物質(zhì)留下的空穴，提高植物纖維接觸界面的彈性模量，這又符合植物生長(zhǎng)自然形成力學(xué)規(guī)律（細(xì)胞壁表面層的彈性模量高于細(xì)胞內(nèi)容物彈性模量），這就是再?gòu)?fù)合過(guò)程。無(wú)機(jī)膠合中密度纖維板的生產(chǎn)，實(shí)際上就是從植物纖維機(jī)體中提取纖維，然后再?gòu)?fù)合成整體的過(guò)程。

2.4 中密度纖維板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

生產(chǎn)中密度纖維板一般選小徑級(jí)材、枝椏材、間伐材以及木材加工的剩余物[2]。木材順紋的抗拉強(qiáng)度大都分布在70MPa ～130MPa 范圍內(nèi)，加工成纖維后由于尺寸效應(yīng)的作用，抗拉強(qiáng)度有所提高，正如玻璃纖維的抗拉強(qiáng)度大于玻璃棒抗拉強(qiáng)度一樣。植物纖維加工后，必須進(jìn)行處理，降低植物纖維橫紋彈性模量，這是生產(chǎn)中密度纖維板實(shí)現(xiàn)再?gòu)?fù)合的必要條件。

為了有效地說(shuō)明無(wú)機(jī)膠合中密度纖維板的復(fù)合原理，不妨通過(guò)中密度纖維板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。

現(xiàn)在選用的植物纖維和鎂水泥具有如下物理力學(xué)性能：

經(jīng)過(guò)處理的植物纖維

鎂水泥

彈性模量 Em=4×104MPa，極限延伸率 mδ=0.03%，抗壓強(qiáng)度(σm)bc=75MPa，抗拉強(qiáng)度，泊松比 μm=0.12

2.4.1 植物纖維體積率

植物纖維體積率按力學(xué)性能最大化進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，按應(yīng)力作用下串聯(lián)復(fù)合的各組分材料橫向正應(yīng)變相等保證不脫粘進(jìn)行校核計(jì)算。

求出 Vf=89%

無(wú)機(jī)膠合中密度纖維板采用的是半干法料漿加壓生產(chǎn)的，大的壓力使鎂水泥從植物纖維表面層滲透進(jìn)植物纖維，其中很薄的植物纖維接觸界面層的鎂水泥較多。植物纖維界面層滲透進(jìn)了鎂水泥，固化后的彈性模量就要提高。

假設(shè)植物纖維界面層有10%體積率是鎂水泥滲透進(jìn)來(lái)固化的，那么界面層的彈性模量為：

式中：Ef3——植物纖維界面層的彈性模量，MPa；——植物纖維界面層的體積率，%；

植物纖維橫紋接觸界面層的彈性模量由Ef1=95MPa 提高到Ef3=4085.5MPa，將已知數(shù)據(jù)代入，可求出，由于，求出

在壓應(yīng)力作用下，纖維體積率為94%時(shí)不脫粘，而纖維體積率為89%時(shí)就更不會(huì)脫粘。

2.4.2 鎂水泥復(fù)合基的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度

在壓應(yīng)力作用下，串聯(lián)復(fù)合的植物纖維橫紋界面層不脫粘時(shí)的橫向正應(yīng)變等于鎂水泥基的極限延伸率即時(shí)承受的最大壓應(yīng)力就是鎂水泥復(fù)合基的抗壓強(qiáng)度。

由 Vf=89%，可求出，所以

求出鎂水泥復(fù)合基的抗壓強(qiáng)度 (σm1)bc=15.65MPa

這一結(jié)論可以看出，鎂水泥一旦與低彈性模量植物纖維橫紋串聯(lián)復(fù)合，抗壓強(qiáng)度就要下降，復(fù)合的植物纖維越多，下降的幅度就越大。

鎂水泥復(fù)合基的抗拉強(qiáng)度只能以串聯(lián)復(fù)合中各組分材料的最小抗拉強(qiáng)度計(jì)算，即：

2.4.3 纖維板的抗拉強(qiáng)度和鎂水泥復(fù)合基的彈性模量

在氣干狀態(tài)下，鎂水泥基的容重為1.9g/cm3，經(jīng)過(guò)處理的植物纖維容重為0.4g/cm3，按89%的植物纖維體積率計(jì)算，則植物纖維的重量摻量為63%，氣干狀態(tài)混合料的容重為0.565g/cm3。然而，無(wú)機(jī)膠合中密度纖維板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的容重為0.8g/cm3，容重為氣干狀態(tài)容重的1.416倍。這種容重的增加大都發(fā)生在板坯厚度方向。這樣纖維板的抗拉強(qiáng)度、鎂水泥復(fù)合基的彈性模量也要提高1.416 倍。

這樣就有：

2.4.4 纖維板的抗彎強(qiáng)度

纖維板彎曲時(shí)最大拉應(yīng)力按板材的抗拉強(qiáng)度計(jì)算；由于植物纖維順紋只承受拉應(yīng)力，這樣纖維板彎曲時(shí)最大壓應(yīng)力可按鎂水泥復(fù)合基彈性變形計(jì)算，即：

假設(shè)纖維板的厚度δ =20mm,寬度為b,設(shè)中性軸為y 。

由 ∑M=0 得：

代入求出力學(xué)中性軸距受壓面y0=12.65mm。這時(shí)最大壓應(yīng)力最大壓應(yīng)力小于鎂水泥復(fù)合基抗壓強(qiáng)度，纖維板不會(huì)在受壓區(qū)破壞。

求彎距：

實(shí)際檢測(cè)是按幾何截面模量計(jì)算的，這樣有利于不同的力學(xué)中性軸的板材進(jìn)行彎曲應(yīng)力承受能力的比較。

求出纖維板的抗彎強(qiáng)度：

纖維板的容重為0.8g/cm3，抗彎強(qiáng)度為19.47MPa，完全滿足無(wú)機(jī)膠合中密度纖維板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

3 關(guān)鍵工藝分析

生產(chǎn)無(wú)機(jī)膠合中密度纖維板工藝和有機(jī)樹(shù)脂膠合中密度纖維板工藝相似，但其中有三個(gè)關(guān)鍵工藝是由無(wú)機(jī)膠凝材料特點(diǎn)和復(fù)合原理所決定的，這就是：纖維處理、壓力滲透、熱壓脫模。

3.1 纖維處理

從對(duì)無(wú)機(jī)膠合中密度纖維板復(fù)合原理分析中可知，降低植物纖維橫紋彈性模量是克服鎂水泥彈性模量高、極限應(yīng)變值小的必要條件。要降低植物纖維橫紋彈性模量就必須對(duì)植物纖維進(jìn)行處理。

植物纖維作為植物機(jī)體，自然含有以纖維素、木素、半纖維素等多糖類生物大分子，也含有脂、核酸和蛋白質(zhì)等生物大分子，以及還含有維生素、有機(jī)酸、輔酶、生物堿、天然肽類等[3]。作為真核細(xì)胞組成的植物纖維，細(xì)胞壁是由纖維素微纖絲構(gòu)成，這是植物纖維抗拉強(qiáng)度的主要承擔(dān)者，而其它生物分子原生質(zhì)是組成細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞核的主要成分。植物纖維制取后，原生質(zhì)就要逐漸降解并主要以灰分、樹(shù)脂、鞣酸等形式存在。如果采用水煮或稀堿水溶液水煮，就很容易把這些對(duì)植物纖維力學(xué)性能貢獻(xiàn)不大的物質(zhì)除掉，同時(shí)降低植物纖維橫紋彈性模量，也為鎂水泥在大的壓力下滲透植物纖維留下空穴。但是植物纖維橫紋彈性模量又不能降低太多，降低太多就要減少纖維的體積率。作為工業(yè)化生產(chǎn)，可借鑒中藥浸提法工藝進(jìn)行，例如采用多級(jí)固定床浸提機(jī)等。中藥需要的是浸提物，生產(chǎn)纖維板需要的是浸提剩余物。植物纖維浸提物中含有大量的氮、磷、鉀等，濃縮干燥后可作為有機(jī)肥料用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。采用多級(jí)固定床浸提機(jī)可控制植物纖維橫紋彈性模量降低的幅度，滿足工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)的需要。

3.2 壓力滲透

要將鎂水泥從植物纖維表面層向內(nèi)部滲透，尤其是提高植物纖維與鎂水泥接觸界面層的彈性模量，可采用輥壓裝置獲得大的壓力。如果一對(duì)軋輥連心線是豎直方向，混合料則沿水平方向運(yùn)行；如果一對(duì)軋輥連心線是水平方向，混合料則沿豎直方向運(yùn)行。半干態(tài)混合料從豎直方向進(jìn)料時(shí)，與進(jìn)料方向相反的切應(yīng)力很小。軋輥的壓應(yīng)力是由應(yīng)變產(chǎn)生的，采用連心線是水平方向的軋輥可獲得大的壓應(yīng)力，作用到植物纖維表面就可獲得大的壓力。只要調(diào)整好軋輥的間距，使壓應(yīng)力大于植物纖維橫紋屈服極限小于強(qiáng)度極限，就能使鎂水泥從植物纖維表面層梯度滲透到植物纖維，提高植物纖維接觸界面層的彈性模量。采用半干法混合料輥壓所需的軋輥的直徑應(yīng)設(shè)計(jì)大些，有利于滲透時(shí)間的延長(zhǎng)和滲透植物纖維的表面積增大。

3.3 熱壓脫模

半干態(tài)混合料經(jīng)過(guò)壓力滲透后，還必須經(jīng)過(guò)鋪平裝置在軋輥連心線豎直方向水平輥壓成板坯。即使板坯經(jīng)過(guò)大軋輥多級(jí)輥壓，只要鎂水泥沒(méi)有固化，反彈現(xiàn)象還是存在的。因此板坯輥壓后還得移到平面壓力機(jī)中熱壓脫模。南京航空航天大學(xué)余紅發(fā)教授介紹過(guò)中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)林科院對(duì)硫氧鎂水泥木屑板、刨花板進(jìn)行的熱壓脫模試驗(yàn)[4]；筆者也多次驗(yàn)證過(guò)鎂質(zhì)硫鋁酸鹽水泥的熱壓脫模效果。所以，熱壓脫模工藝的采用對(duì)生產(chǎn)無(wú)機(jī)膠合中密度纖維板縮短生產(chǎn)周期、提高設(shè)備的利用率有著重大的作用。

4 結(jié)語(yǔ)

無(wú)機(jī)膠合中密度纖維板的原材料選擇的是小徑級(jí)材、枝椏材、間伐材以及木材加工剩余物等，提高了木材綜合利用率。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2011 年我國(guó)木材進(jìn)口量7298 萬(wàn)立方米，創(chuàng)歷史新紀(jì)錄。國(guó)內(nèi)木材產(chǎn)量是7272 萬(wàn)立方米，我國(guó)木材進(jìn)口量首次超過(guò)國(guó)內(nèi)木材產(chǎn)量，木材進(jìn)口依存度超過(guò)50%。只有大力開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)使用壽命長(zhǎng)的無(wú)機(jī)膠合中密度纖維板，提高木材的綜合利用率，才能在技術(shù)進(jìn)步的前提下滿足日益增長(zhǎng)的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求。而要開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)成功，又必須在科學(xué)發(fā)展觀的引領(lǐng)下，貫徹產(chǎn)學(xué)研一體化的創(chuàng)新戰(zhàn)略。只有這樣，才能使我國(guó)的無(wú)機(jī)膠合中密度纖維板迅速地進(jìn)行工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。

[1]沈榮熹，崔琪，李清海.新型纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料.北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，2004：61.

[2]張璧光.木材科學(xué)與技術(shù)研究進(jìn)展.北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2004：240.

[3]靳利娥，劉玉香，秦海峰，謝鮮梅.生物化學(xué)基礎(chǔ).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007：2 ～3.

[4]余紅發(fā).鎂水泥材料研究的最新進(jìn)展.中國(guó)菱鎂.2008(4):35.