玻纖網(wǎng)布壓嵌塑料建筑模板力學(xué)性能研究

蔡李花,方海峰,王 琪,吳群彪

(1.江蘇科技大學(xué) 機電與動力工程學(xué)院, 張家港 215600) (2.蘇州理工學(xué)院, 張家港215600)

隨著建筑業(yè)的發(fā)展,人們對木材需求量的擴大,森林資源日趨減少,而人們的環(huán)保意識逐步提高,以塑代木已成為建筑業(yè)發(fā)展的趨勢[1-3]．在新型建筑模板領(lǐng)域,研究人員不斷地提出新方案,研發(fā)新材料,如竹筋增強型,鋼絲增強型,鋼板增強型復(fù)合模板,拼裝組合成大模板等,雖然塑料模板具有成本低、自身重量輕等很多優(yōu)點,但是目前的塑料模板仍存在強度和剛度較小的問題[4-5]．現(xiàn)在的復(fù)合模板大多采用多層膠合的方式,將增強材料鋪放在基板之間進行加強,這種復(fù)合模板的生產(chǎn)效率較低,增強效果也不甚理想,主要原因是各層之間的結(jié)合程度較難達到理想水平,而且該生產(chǎn)方式對工藝控制的要求較高,不易高速生產(chǎn)．因此,探索一種新型有效的塑料模板增強方式,以增強塑料模板的力學(xué)性能顯得尤為迫切[6-12]．

文中基于一種新的復(fù)合塑料建筑模板強化方法——壓嵌法[13-15],研究玻玻璃纖維網(wǎng)布[16-18]的壓嵌深度和網(wǎng)格尺寸對復(fù)合塑料建筑模板力學(xué)性能的影響,優(yōu)化復(fù)合模板的結(jié)構(gòu)和制造工藝,提高復(fù)合塑料建筑模板的力學(xué)性能．

1 塑料建筑模板玻纖網(wǎng)布壓嵌工藝分析

在塑料建筑模板中嵌入玻璃纖維網(wǎng)布可以有效地提高建筑模板的力學(xué)性能,一種新的復(fù)合塑料建筑模板強化方法——壓嵌法，其原理是通過擠出機和板材模頭先擠出成型塑料板,在塑料板尚未冷卻的狀態(tài)下進行輔助加熱同時通過齒狀壓輥強行將玻璃纖維網(wǎng)格布壓入塑料板中,然后通過預(yù)平整合再經(jīng)過三輥壓光成型,其工藝流程如圖1．

將從擠出模頭牽引出的基料層及玻璃纖維網(wǎng)布同時引入到一對反向旋轉(zhuǎn)的齒輥中,齒輥將上下兩層玻璃纖維網(wǎng)布同時壓嵌入基料層中,繼續(xù)將壓嵌入玻璃纖維網(wǎng)布的基料層輸送到光輥中進行滾壓平整,即完成了玻璃纖維的嵌入工藝．由此可見,壓嵌法解決了貼合法無法解決的難題,不考究原材料的熱熔性能,只需能擠出成型就滿足工藝要求,而且可以實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn),提高效率．因此,壓嵌法比貼合法更合理、更巧妙,是玻璃纖維網(wǎng)格布增強塑料建筑模板的成型工藝的一個突破．

1—基料層;2—玻璃纖維網(wǎng)布;3—齒輥;4—光輥圖1 玻纖網(wǎng)布壓嵌工藝Fig.1 Embedding process of glass-fiber mesh

2 復(fù)合塑料建筑模板力學(xué)性能實驗

2.1 模板制備設(shè)備

對原有的塑料建筑模板生產(chǎn)線進行改造,在擠出機和模具之后加入網(wǎng)布嵌入機,如圖2．網(wǎng)布嵌入機可以實現(xiàn)對從擠出機和模具擠出成型的塑料板材進行輔助加熱和玻纖網(wǎng)布壓嵌．壓嵌后的復(fù)合塑料模板再經(jīng)過三輥壓光成型,進一步經(jīng)過冷卻及定型,最后使用跟蹤鋸切機將其切割成所需的規(guī)格尺寸．

圖2 復(fù)合塑料建筑模板制備設(shè)備Fig.2 Production line of composite plastic building templates

2.2 實驗方法

復(fù)合塑料建筑模板結(jié)構(gòu)如圖3，通過更換不同齒密度的齒輥可以實現(xiàn)壓嵌不同網(wǎng)格尺寸的玻纖網(wǎng)布;通過改變兩齒輥之間的距離可以調(diào)整玻纖網(wǎng)布嵌入基料層的深度t．

圖3 復(fù)合塑料建筑模板結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of plastic building template

通過反復(fù)實驗發(fā)現(xiàn),由于設(shè)備及工藝所限,無法壓入網(wǎng)格尺寸過小的玻纖網(wǎng)布,而且玻纖網(wǎng)布的壓嵌深度也不能過小,否則將導(dǎo)致玻纖網(wǎng)布的嵌入效果較差．綜合以上因素，選取3種典型網(wǎng)格尺寸(5 mm×5 mm,10 mm×10 mm,20 mm×20 mm)的玻纖網(wǎng)布進行壓嵌,其壓嵌深度t分別為3、5、7 mm,實驗?zāi)０宓木幪柸绫?．為了進行對比,另制備一未壓嵌玻纖網(wǎng)布的塑料模板,其編號為10,未在表中列出．

為了分析對比方便,制備的實驗?zāi)０逋庑纬叽缇鶠? 400 mm×1 200 mm×20 mm．使用萬能力學(xué)實驗機,按照 GB/T 17657-1999《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》靜曲強度和彈性模量測定,對10塊實驗?zāi)０宸謩e進行靜曲強度(MOR)、彈性模量(MOE)的檢測,按照 GB/T 20241-2006《單層板積材》6.2.3.4水平剪切強度測定,檢測其水平剪切強度．

表1 實驗?zāi)０寰幪?Table 1 Test templates′ number list

注：*無玻纖強化的塑料模板,編號為10,未在上表中列出

3 結(jié)果與分析

表2為10塊實驗?zāi)０宓牧W(xué)性能測試結(jié)果．對嵌入同樣網(wǎng)格尺寸玻纖網(wǎng)布的復(fù)合模板進行比較可以發(fā)現(xiàn):隨著玻纖網(wǎng)布壓嵌深度的增大,復(fù)合模板的水平剪切強度的變化不大,而其靜曲強度(MOR)和彈性模量(MOE)則出現(xiàn)顯著降低．網(wǎng)格尺寸為5 mm×5 mm，嵌入深度為3 mm的1號實驗?zāi)０寰哂凶畲蟮撵o曲強度和彈性模量,分別為31.37 MPa和232.62 MPa,比嵌入深度為7 mm的3號實驗?zāi)０宸謩e增加了15.59%和6.06%;網(wǎng)格尺寸為10 mm×10 mm，嵌入深度為3 mm的4號實驗?zāi)０宓撵o曲強度和彈性模量分別為28.23 MPa和215.64 MPa,比嵌入深度為7 mm的6號實驗?zāi)０宸謩e增加了12.56%和6.33%;網(wǎng)格尺寸為20 mm×20 mm嵌入深度為3 mm的7號實驗?zāi)０宓撵o曲強度和彈性模量分別為26.92 MPa和203.88 MPa,比嵌入深度為7 mm的9號實驗?zāi)０宸謩e增加了10.37%和4.19%．

表2 實驗?zāi)０宓牧W(xué)性能Table 2 Mechanical properties of test templatess

通過以上數(shù)據(jù)對比可以說明,玻纖網(wǎng)布的鋪放位置越靠近表層,壓嵌深度越小,復(fù)合塑料建筑模板的抗彎力學(xué)性能越好，如圖4，將玻纖網(wǎng)布壓嵌于表層附近可以承擔(dān)更多彎曲應(yīng)力,發(fā)揮更好的增強效果; 而將玻纖網(wǎng)布壓嵌至模板中部,其承擔(dān)的彎曲應(yīng)力將減少,增強作用將會明顯減弱．此外,對比靜曲強度和彈性模量的增強效果可以發(fā)現(xiàn),玻纖網(wǎng)布對復(fù)合模板靜曲強度的增強效果要優(yōu)于彈性模量．

圖4 復(fù)合塑料建筑模板彎曲應(yīng)力Fig.4 Bending stress of plastic building template

利用表2中的數(shù)據(jù)繪制圖5，說明玻纖網(wǎng)布網(wǎng)格尺寸對復(fù)合塑料建筑模板力學(xué)性能的影響．

圖5 實驗?zāi)０辶W(xué)性能對比Fig.5 Comparison charts of test templates’ mechanical properties

由圖5(a)及(b)可以發(fā)現(xiàn),在不同的壓嵌深度下,網(wǎng)格尺寸為5 mm×5 mm的實驗?zāi)０宓撵o曲強度(MOR)和彈性模量(MOE)都要優(yōu)于其余兩種網(wǎng)格尺寸的實驗?zāi)０?且網(wǎng)格尺寸越小,模板的力學(xué)性能越好．其中網(wǎng)格尺寸為5 mm×5 mm嵌入深度為3mm的1號實驗?zāi)０寰哂凶畲蟮撵o曲強度和彈性模量,分別為31.37 MPa和232.62 MPa,較無玻纖強化的10號實驗?zāi)０宸謩e增加了30.93%和22.23%．由圖5(c)可以發(fā)現(xiàn),網(wǎng)格尺寸為5 mm×5 mm的實驗?zāi)０宓募羟袕姸纫獌?yōu)于其余兩種網(wǎng)格尺寸的實驗?zāi)０?但是影響的程度不大．主要原因是,網(wǎng)格尺寸為5 mm×5 mm的實驗?zāi)０逯械膹娀牧险急容^高,一定程度上增加了其剪切強度;但玻璃纖維本身的縱向抗剪能力較弱,其主要強度方向為水平展開方向,對復(fù)合模板的抗剪強度提高作用有限．

復(fù)合材料的剛度模型[19]可以用來預(yù)測不同組成的復(fù)合模板的彈性模量并具有較高的精度．同時,通過試驗可以看出,玻璃纖維網(wǎng)布的壓嵌位置直接影響復(fù)合材料層板的剛度,由于其相對中軸面的距離不同,且矩形截面對于其對稱軸的慣性矩為Ix=bh3/12,因此復(fù)合模板中各層對彎曲剛度系數(shù)的貢獻率與它們的到中軸面距離的三次方成正比,加權(quán)因子隨遠離中面而迅速增大．

(1) 玻璃纖維增強復(fù)合塑料建筑模板的剛度預(yù)測模型．

復(fù)合模板的第k層對于復(fù)合層板的加權(quán)彈性模量為:

(1)

按疊加原理,復(fù)合模板的水平順紋和橫紋的彈性模量的計算公式:

(2)

(2) 按玻璃纖維網(wǎng)布鋪放位置對復(fù)合層板彈性模量的預(yù)測和驗證．

因玻璃纖維網(wǎng)布的嵌入位置不同,其對復(fù)合模板彈性模量的貢獻率不同,構(gòu)成單元材料的彈性模量越大、鋪放位置離中心層越遠,即越靠近復(fù)合模板表層,其貢獻率越大．

以玻纖網(wǎng)格尺寸為5 mm×5 mm的實驗?zāi)０鍨槔?玻璃纖維網(wǎng)布對復(fù)合模板彈性模量的貢獻率依次為1號23.48%，2號14.23%，3號 7.32%．由此可見,同樣是5 mm×5 mm的實驗?zāi)０?對中軸面的距離不同，復(fù)合模板中各層對彎曲剛度系數(shù)的貢獻率與它們的到中面距離的三次方成正比,加權(quán)因子隨遠離中面而迅速增大．

4 結(jié)論

(1) 介紹一種新的復(fù)合塑料建筑模板強化方法——壓嵌法,其原理為通過擠出機和板材模頭先擠出成型塑料板,在塑料板尚未冷卻的狀態(tài)下進行輔助加熱同時通過齒狀壓輥強行將玻璃纖維網(wǎng)格布壓入塑料板中,然后通過預(yù)平整合再經(jīng)過三輥壓光成型．通過實驗發(fā)現(xiàn),該方法可以顯著提高復(fù)合塑料建筑模板的靜曲強度和彈性模量等力學(xué)性能．

(2) 玻纖網(wǎng)布的壓嵌深度對復(fù)合塑料建筑模板靜曲強度和彈性模量的影響效果顯著．玻纖網(wǎng)布的鋪放位置越靠近表層,壓嵌深度越小,復(fù)合塑料建筑模板的抗彎力學(xué)性能越好,即將玻纖網(wǎng)布壓嵌于表層附近可以發(fā)揮更好的增強效果; 而將玻纖網(wǎng)布壓嵌至模板中部,增強作用將會明顯減弱．此外,對比靜曲強度和彈性模量的增強效果可以發(fā)現(xiàn),玻纖網(wǎng)布對復(fù)合模板靜曲強度的增強效果要優(yōu)于彈性模量．

(3) 玻纖網(wǎng)布網(wǎng)格尺寸對復(fù)合塑料建筑模板靜曲強度和彈性模量亦有顯著影響．網(wǎng)格尺寸越小,模板的力學(xué)性能越好．按玻璃纖維網(wǎng)布鋪放位置對復(fù)合層板彈性模量的預(yù)測和驗證,其中網(wǎng)格尺寸為5 mm×5 mm嵌入深度為3 mm的1號實驗?zāi)０寰哂凶畲蟮撵o曲強度和彈性模量,分別為31.37 MPa和232.62 MPa,較無玻纖強化的10號實驗?zāi)０宸謩e增加了30.93%和22.23%．

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