輕質(zhì)空心木質(zhì)復(fù)合材料熱和力學(xué)性能分析

張 峰，臧小榕，漆楚生，張 揚(yáng)，母 軍

(北京林業(yè)大學(xué) 木質(zhì)材料科學(xué)與應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，木材科學(xué)與工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

我國(guó)每年木材消耗量將近5億m3，其中建筑領(lǐng)域年消費(fèi)木材量約占全國(guó)總消費(fèi)量的1/3[1],以木質(zhì)復(fù)合材料代替實(shí)木，或以輕質(zhì)木質(zhì)復(fù)合材料代替中高密度的木質(zhì)復(fù)合材料，可以很大程度地減少木質(zhì)資源的消耗[2]。Xie[3]等制備一種密度僅為0.056 3 g/cm3超低密度復(fù)合材料，其導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.035 W/(m·K)，減噪系數(shù)達(dá)0.67，在建筑吸音保溫材料中有很高的應(yīng)用前景。低密度復(fù)合材料普遍存在力學(xué)性能較差的問題，通過表面改性能夠?qū)p質(zhì)復(fù)合材料的力學(xué)強(qiáng)度進(jìn)行改善[4]，但輕質(zhì)復(fù)合材料力學(xué)性能仍難以達(dá)到建筑結(jié)構(gòu)用材的標(biāo)準(zhǔn)。基于輕質(zhì)復(fù)合材料較低的導(dǎo)熱系數(shù)，其有期望能在建筑保溫材料領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。

目前，我國(guó)建筑能耗占社會(huì)總能耗的33%左右[5]，研究表明建材行業(yè)在節(jié)能減排方面具有很大的潛能[6]。由于氣體的導(dǎo)熱系數(shù)非常低，因而很多空心、多孔原料被用以制備保溫材料。周統(tǒng)建[7]構(gòu)建3種不同結(jié)構(gòu)的空心復(fù)合墻體材料，比較不同空心結(jié)構(gòu)墻體材料的保溫隔熱性能，結(jié)果表明空心結(jié)構(gòu)墻體材料均能達(dá)到我國(guó)建筑材料保溫隔熱要求。童宏拓[8]等采用預(yù)埋PVC管平壓成型法制備空心復(fù)合材料，板材空心結(jié)構(gòu)完好同時(shí)具備良好的力學(xué)性能。

為研究具備良好保溫性能的輕質(zhì)綠色建材，本研究利用PVC管在輕質(zhì)復(fù)合材料中構(gòu)建空心結(jié)構(gòu)來制備空心木質(zhì)復(fù)合材料(HWC)，分析HWC中空氣體積比對(duì)材料的物理力學(xué)性能與熱學(xué)性能的影響，并通過Ansys有限元軟件對(duì)HWC進(jìn)行熱學(xué)仿真分析，為其在建筑保溫材料中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

楊木木纖維，于90℃干燥箱中干燥至含水率5%左右備用；異氰酸酯膠黏劑，型號(hào):PM200，NCO含量為30.5%～32%，粘度250 MPa·s(25℃)，密度1.04 g/cm3；硬質(zhì)PVC管，外直徑(d)分別為5、6、7 mm，管壁厚度均為0.5 mm，密度為1.2 g/cm3。

1.2 空心復(fù)合材料制備

HWC目標(biāo)密度為0.3 g/cm3，尺寸為350 mm×350 mm×20 mm。試驗(yàn)設(shè)計(jì)分組如表1所示,控制變量為PVC管內(nèi)空氣體積占整板的體積比λ，由此可求出對(duì)應(yīng)復(fù)合材料中PVC管鋪裝數(shù)量n，PVC塑料體積比λp，木纖維體積比λw，木纖維中氣體體積比λa(忽略MDI膠黏劑體積)，計(jì)算公式如下：

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)分組及斷面密度測(cè)量值

(1)

(2)

(3)

λa=1-λ-λp-λw

(4)

式中，V為板材體積，Vt為PVC管體積，Vp為PVC塑料體積，Vw為木纖維體積,M為板材質(zhì)量，Mp為PVC塑料質(zhì)量，ρw為木纖維細(xì)胞壁密度，取值為1.5 g/cm3[9]。

PVC管定位模具由塑料管與細(xì)木條粘接完成，用以確定PVC管數(shù)量和間距，每張板中PVC管鋪裝結(jié)構(gòu)均為雙層鋪裝，上下層PVC管平行錯(cuò)開排列，定位模具如圖1所示。采用熱壓法制備HWC，首先將稱量干燥好的木纖維置于滾筒內(nèi)混合攪拌，利用霧化噴槍對(duì)纖維進(jìn)行均勻施膠，其中施膠量為4%，丙酮作為稀釋劑以質(zhì)量比1∶1與MDI膠混合。然后將施膠后的木纖維置于尺寸350 mm×350 mm×500 mm的木模具中，分3層進(jìn)行鋪裝，質(zhì)量比為3∶4∶3，PVC管用定位模具固定后鋪裝于木纖維層中間。預(yù)壓完成后取出木模具與定位模具，將板坯置于熱壓機(jī)中熱壓，熱壓溫度為180℃，熱壓時(shí)間8 min，熱壓壓力1 MPa，采用20 mm 厚度規(guī)控制板材厚度。熱壓完成的HWC在溫度25℃、濕度65%條件下恒溫恒濕靜置7 d后，進(jìn)行物理力學(xué)及熱學(xué)性能測(cè)試。

圖1 PVC管定位模具

圖2 熱傳遞測(cè)試裝置

1.3 性能測(cè)試

1.3.1 物理力學(xué)性能測(cè)試 斷面密度(VDP)利用剖面密度分析儀(GreConDA-X)測(cè)量，掃描速度0.5 mm/s，試件尺寸為50 mm×50 mm×20 mm。內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度(IB)、靜曲強(qiáng)度(MOR)、彈性模量(MOE)、吸水厚度膨脹率(TS)、吸水率(WA)，參照 GB/T17657-2013《人造板及飾面人造板理化性能測(cè)試方法》[10]進(jìn)行測(cè)定，測(cè)量?jī)x器為萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，型號(hào)MMW-50，生產(chǎn)廠家為濟(jì)南耐而試驗(yàn)機(jī)有限公司，每組試驗(yàn)測(cè)量10次。

1.3.2 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試及預(yù)測(cè) 導(dǎo)熱系數(shù)(TC)及熱阻(TR)利用 DRH-300導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀測(cè)定,試件尺寸300 mm×300 mm×20 mm，環(huán)境溫度23℃，冷面溫度25℃，熱面溫度45℃。

Series模型和Parallel模型可用來預(yù)測(cè)多相木基復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)[11]，Series模型適用于材料垂直熱流方向排列的導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算，Parallel模型適用于材料平行于熱流方向排列的導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算。在復(fù)合材料中纖維排列方式介于兩者之間，因此合并這2個(gè)模型公式可以有效預(yù)測(cè)復(fù)合材料模型[12]。假設(shè)邊界條件為：HWC中木纖維、板材內(nèi)氣體及少量水分均勻分布于板材內(nèi)部；PVC管排列整齊，單位體積內(nèi)PVC塑料的體積分?jǐn)?shù)均勻一致；各組HWC中木纖維、PVC塑料、板材內(nèi)氣體及水分的導(dǎo)熱系數(shù)均為定值且不隨含水率和密度變化。則根據(jù)Series模型推導(dǎo)HWC導(dǎo)熱系數(shù)為：

(5)

根據(jù)Parallel模型推導(dǎo)HWC導(dǎo)熱系數(shù)為：

K2=λKt+λpKp+λwKw+λaKa

(6)

合并公式為：

(7)

式中，λ為PVC管內(nèi)空氣體積比，λp為PVC塑料體積比，λw為木纖維細(xì)胞壁體積比，λa為木纖維中空氣體積比，Kt為管內(nèi)空氣導(dǎo)熱系數(shù)，取值為0.023 W/(m·K)，Kp為PVC塑料導(dǎo)熱系數(shù)，取值為0.14 W/(m·K)[13]，Kw為木材細(xì)胞壁的導(dǎo)熱系數(shù)，取值為0.421 W/(m·K)[14]，Ka為木纖維內(nèi)部氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，取值為0.046 W/(m·K)[9]。

1.3.3 熱傳遞測(cè)試 熱傳遞過程溫度變化曲線利用溫度巡檢儀測(cè)定，試驗(yàn)裝置如圖2所示。HWC表面共選取9個(gè)測(cè)量點(diǎn)，熱電偶測(cè)量端緊貼于板材表面，另一端接入16通路溫度巡檢儀。加熱裝置為DB-2A智能控溫電熱板，熱面溫度為50℃，環(huán)境溫度為(25±0.5)℃。加熱過程HWC表面覆蓋隔熱棉隔絕試件表面空氣對(duì)流，升溫時(shí)間1 h，然后移除電熱板及隔熱棉，將板材置于室溫環(huán)境自然冷卻1 h。

1.3.4 熱學(xué)仿真模擬 為更直觀模擬空心單元熱學(xué)特性，以Solidwork軟件創(chuàng)建尺寸為20 mm×20 mm×10 mm的簡(jiǎn)化模型，并在Ansys Workbench軟件中進(jìn)行熱學(xué)的有限元模擬。其中木質(zhì)材料密度為0.3 g/cm3，導(dǎo)熱系數(shù)0.061 W/(m·K)，比熱1 173 J/(Kg·K)[15],PVC塑料密度為1.2 g/cm3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.14 W/(m·K)[13]，比熱由物理性能測(cè)試系統(tǒng)(型號(hào)：PPMS-9T)測(cè)量得出，為895.6 J/(Kg·K)。模型底面施加熱載荷為50℃，頂面及側(cè)面對(duì)流為5 W/(m2·℃)，輸出結(jié)果為熱流矢量圖及溫度云場(chǎng)圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 空心木質(zhì)復(fù)合材料制備情況

由圖3可知，HWC中管材排列均勻，在熱壓溫度180℃，熱壓壓力1 MPa，熱壓時(shí)間540 s條件下，能夠制出結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的HWC，PVC管孔洞略微變形但無坍塌現(xiàn)象。

圖3 空心復(fù)合材料

2.2 斷面密度分析

由圖4可知，HWC厚度方向的斷面密度呈雙“M”型，“M”型曲線的峰值范圍與PVC管有關(guān)。PVC管層的密度高于純木纖維層，這是因?yàn)镻VC塑料的密度為1.2 g/cm3遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于HWC的平均密度0.3 g/cm3。PVC管層的密度變化較大，靠近表層曲線較陡，表明在熱壓過程中靠近表層的PVC管變形較大。由表1可知，各組HWC的平均密度相差不大，在0.284～0.332 g/cm3，與目標(biāo)密度0.3 g/cm3接近。外徑d對(duì)HWC最大密度的影響較大，最大密度從大到小依次為d=5 mm、d=6 mm和d=7 mm。這是因?yàn)槊芏茸畲笾禐镻VC管邊界的臨界值，在λ相同的情況下，外徑越小則PVC管數(shù)量越多，因而密度更大。各組最小密度差別不顯著，表明各組HWC表層木基材料密度基本一致。

圖4 典型斷面密度分布曲線

2.3 吸水厚度膨脹率及吸水率分析

由圖5(a)可知，整體上各組2 h TS變化不大，約為4%～6%。隨著浸水時(shí)間的增加，24 h TS明顯增大。同時(shí)隨著λ的增大，24 h TS整體呈下降的趨勢(shì)。這是因?yàn)樵谙嗤芏认?，λ的增加?huì)導(dǎo)致木纖維含量相對(duì)減少，吸水單元減少使得厚度膨脹減少。各組HWC的24 h TS均<12%，滿足中密度纖維板標(biāo)準(zhǔn)。由圖5(b)可知，各組2 h WA約為50%，無顯著變化趨勢(shì)。隨著浸水時(shí)間的增加，WA明顯增大，但各組之間WA差別較小。相較于對(duì)照組復(fù)合材料，HWC的TS及WA差別均不大，表明MDI膠黏劑具備良好的防水性能，PVC管添加對(duì)復(fù)合材料吸水性能影響不大。

圖5 管徑及體積比對(duì)厚度膨脹率及吸水率的影響

2.4 力學(xué)性能分析

由圖6(a)可知，各組HWC的MOE、MOR均高于對(duì)照組，這是因?yàn)閺澢阅軠y(cè)試為三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，長(zhǎng)條狀PVC管具有良好韌性，有助于增強(qiáng)復(fù)合材料縱向的抗彎強(qiáng)度。隨著λ的增加，MOE與MOR有輕微增大，這是因?yàn)棣说脑黾訒?huì)增大PVC管的數(shù)量。由圖6(b)可知，各組IB值均較低，這主要是因?yàn)镠WC平均密度為0.3 g/cm3，屬于低密度復(fù)合材料，纖維之間粘接性能較差。添加PVC管后復(fù)合材料IB值相比對(duì)照組有所下降，這是因?yàn)镻VC管表面未進(jìn)行改性處理，木塑界面膠合性能較差。同時(shí)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)破壞界面均為木塑界面，斷裂面塑料面積占比約為20%～28%，使得HWC的力學(xué)強(qiáng)度較低。隨著PVC管數(shù)量的增加對(duì)HWC結(jié)合強(qiáng)度的影響越不利。其中外徑7 mm，λ為10%的HWC表現(xiàn)出較好的力學(xué)性能，MOE、MOR和IB分別為385.4、3.2 MPa和0.05 MPa。

2.5 導(dǎo)熱系數(shù)分析

由圖7(a)可知，復(fù)合材料的TC與TR成反比關(guān)系。外徑5 mm的PVC管由于內(nèi)徑較小，空氣對(duì)流速率較低熱阻較大，因此隨著λ的增加TC會(huì)降低；但隨著單位體積內(nèi)PVC塑料含量增加，PVC塑料對(duì)復(fù)合材料TC的作用力增強(qiáng)，PVC塑料TC為0.14 W/(m·K)遠(yuǎn)大于復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)0.061 W/(m·K)，因此隨著λ的增加HWC的TC有所提高。d為6 mm和7 mm組TC隨著λ的增加而增加，這是因?yàn)楫?dāng)PVC管的外徑較大時(shí)，管內(nèi)空氣上下對(duì)流作用加強(qiáng)，同時(shí)PVC塑料具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)TC影響較大。但是整體來看，各組的TC之間的差別并不大，均在0.06～0.068 W/(m·K)，與對(duì)照組之間無顯著差別。這可能是因?yàn)楦鹘M中氣體的總體積分?jǐn)?shù)(λ+λa)十分接近，使得穩(wěn)態(tài)熱傳遞過程中的導(dǎo)熱性能相近。HWC的導(dǎo)熱系數(shù)均<0.12 W/(m·K)，滿足建筑保溫材料的要求。

圖6 管徑及體積比對(duì)力學(xué)性能的影響

圖7 管徑及體積比對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響及模型預(yù)測(cè)

根據(jù)Series模型和Parallel模型的合并公式計(jì)算可知，當(dāng)系數(shù)α分別為0.789 5、0.735 7、0.792 0時(shí)，d為5、6、7 mm的各組HWC導(dǎo)熱系數(shù)預(yù)測(cè)曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合度較高，如圖7(b)、圖7(c)、圖7(d)所示。

2.6 熱傳遞測(cè)試分析

圖8(a)、圖8(b)分別為同一直徑d(5 mm)不同管內(nèi)空氣體積比λ及同一管內(nèi)空氣體積比λ(7.5%)不同直徑d條件下的溫度變化曲線。由圖8可知，d及λ對(duì)熱傳遞速率影響不大，這是因?yàn)楦鹘M氣體總體積分?jǐn)?shù)(λ+λa)十分接近，使得HWC在瞬態(tài)熱傳遞過程中表現(xiàn)出相似的傳熱特性。升溫階段，溫度曲線出現(xiàn)一定的波動(dòng)，這是由于加熱板溫度變化導(dǎo)致，加熱板溫度在設(shè)定溫度50℃條件會(huì)上下波動(dòng)，幅度大小約為2℃，從而影響加熱過程復(fù)合材料中的熱流傳遞。在升溫階段對(duì)照組升溫速率稍快，HWC均表現(xiàn)出一定的熱傳遞滯后。降溫階段，對(duì)照組復(fù)合材料降溫速率最快，HWC表現(xiàn)出明顯的熱傳遞滯后效應(yīng)，表明在沒有熱載荷條件下，依靠復(fù)合材料自身導(dǎo)熱作用，具有空心結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料能夠表現(xiàn)出更顯著的阻礙熱流傳遞作用。降溫1 h 后HWC表面溫度平均比對(duì)照組高0.93℃，最大溫差可高于對(duì)照組1.4℃，表明HWC具備良好的保溫能力，在建筑保溫材料領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

2.7 熱學(xué)仿真分析

由圖9可知，對(duì)照組熱流方向?yàn)榇怪毕蛏?，邊緣部分由于?duì)流作用有熱流流失。HWC內(nèi)部熱流方向相對(duì)復(fù)雜，熱量從板材底部向上傳導(dǎo)，熱流遇到PVC管后，一部分熱流繞開PVC管繼續(xù)沿著木纖維向上傳遞，一部分通過PVC管向上傳遞熱量，少量熱量通過PVC管內(nèi)部空氣傳導(dǎo)。木纖維與PVC管連接界面熱流曲線最密集，表明該處熱流傳遞速率最快，這是因?yàn)镻VC塑料具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，熱流更容易往塑料區(qū)域傳遞。

由圖9可知，0～50 s時(shí)間段對(duì)照組復(fù)合材料溫度均勻增加，在厚度方向上呈階梯狀分布。50 s之后由于復(fù)合材料周邊的空氣對(duì)流作用，邊緣的熱量會(huì)流失到空氣中，中心溫度持續(xù)增加，最后復(fù)合材料內(nèi)部溫度場(chǎng)呈拋物線狀分布，且越靠近熱源的區(qū)域拋物線越平緩。0～20 s HWC內(nèi)部溫度云場(chǎng)圖與對(duì)照組類似，熱流在剛到達(dá)PVC塑料的時(shí)候，傳遞速率有所增加，略高于周邊木纖維處熱流溫度。在20 s之后的時(shí)間段，PVC導(dǎo)熱速率較快的這種現(xiàn)象仍然存在，但是由于環(huán)狀PVC管周長(zhǎng)較長(zhǎng)，熱流通過的路徑也隨之增加，使得在50 s左右開始，周邊木纖維的熱流傳遞速率會(huì)超過PVC塑料，木纖維溫度逐漸大于PVC塑料的溫度，此時(shí)溫度云場(chǎng)呈“M”型分布，并在之后的熱傳遞過程中沿著這種趨勢(shì)繼續(xù)傳遞下去。由200 s HWC的溫度云場(chǎng)圖可以推斷，當(dāng)熱流由PVC管頂部繼續(xù)向上傳遞到木纖維的時(shí)候，由于傳熱介質(zhì)相同，周圍溫度高的區(qū)域會(huì)將熱量傳遞到中心溫度較低的區(qū)域，此時(shí)中心處的溫度有所提高，但是溫度場(chǎng)仍然呈“M”型分布。HWC表現(xiàn)出理想的保溫特性，有期望能在建筑保溫材料中應(yīng)用。

圖8 空心復(fù)合材料熱傳遞曲線

圖9 熱流矢量及溫度場(chǎng)云圖仿真結(jié)果

3 結(jié)論與討論

利用PVC管定位裝置能夠?qū)崿F(xiàn)管材均勻鋪裝排列，在熱壓溫度180℃，熱壓壓力1 MPa，熱壓時(shí)間540 s條件下，利用木纖維與PVC管能夠制備出輕質(zhì)空心復(fù)合材料(HWC)，制備后的HWC結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，PVC管孔洞略微變形但無坍塌現(xiàn)象。

HWC厚度方向斷面密度分布不均勻，斷面密度曲線呈雙“M”型結(jié)構(gòu)分布。隨著λ的增加，HWC吸水性能變化不大，靜曲強(qiáng)度及彈性模量增加但是內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度降低。d=7 mm、λ=10%的HWC表現(xiàn)出較好的力學(xué)性能，MOE、MOR和IB分別為385.4、3.2 MPa和0.05 MPa。整體上HWC的力學(xué)性能較低，這是低密度木質(zhì)材料的普遍存在的問題[16]，需要更進(jìn)一步的研究去改善。

HWC的導(dǎo)熱系數(shù)差別不大，均在0.06～0.068 W/(m·K)，滿足建筑保溫材料的要求。結(jié)合Series模型和Parallel模型能夠有效預(yù)測(cè)HWC的導(dǎo)熱系數(shù)，外徑5、6、7 mm的系數(shù)α分別為0.789 5、0.735 7、0.792 0。降溫1 h后HWC表面溫度平均比對(duì)照組高0.93℃，最大溫差可高于對(duì)照組1.4℃，HWC具備良好的保溫能力。Ansys Workbench熱學(xué)仿真分析表明HWC的熱傳導(dǎo)速率低于對(duì)照組，空心結(jié)構(gòu)有良好的抑制熱傳遞作用。HWC具備基本力學(xué)性能同時(shí)保溫性能顯著，在建筑保溫材料領(lǐng)域具備良好應(yīng)用前景。