一種回收利用亞麻纖維建筑環(huán)保復(fù)合材料制備及性能測試研究

李鶤

摘 要：研究了利用軟木工業(yè)副產(chǎn)品顆粒軟木、廢紙回收產(chǎn)生的纖維素漿和亞麻纖維開發(fā)新型混合復(fù)合材料，使用的粘合劑是纖維素漿或石灰火山灰混合物;其可用作建筑非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的復(fù)合板和砂漿，探討將這些復(fù)合材料與輕型結(jié)構(gòu)支架結(jié)合使用的可能性。闡述了用于生產(chǎn)上述的生態(tài)友好復(fù)合材料的性能和制造方法，所制備的復(fù)合材料具有良好的隔熱性能，且吸水率較低。綠色環(huán)保型復(fù)合材料可以利用工業(yè)廢料作為具有優(yōu)良固有熱性能和聲學(xué)性能的新型建筑材料。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；天然環(huán)保型；工業(yè)廢料；復(fù)合板；亞麻纖維

中圖分類號：TQ341 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1001-5922（2023）06-0090-04

Preparation and performance testing of recycled hemp fiber-based environmental-friendly construction composite materials

LI Kun

（Zhejiang Greentown Real Estate Investment Co.，Ltd.，Hangzhou 310000，China）

Abstract：This study explores the development of a new type of hybrid composite material using cellulose pulp derived from recycled cork industrial by-product particles and flax fibers.The binder used is either cellulose pulp or lime-pozzolan mixture.These materials can be used as composite boards and mortars for non structural elements of construction.The possibility of using these composites in conjugation with light structural supports has been studied.The performance and manufacturing methods of these eco-friendly composite materials for production are discussed.The resulting composite materials demonstrate good thermal insulation properties and low water absorption.Green and environmentally friendly composite materials can be produced using industrial waste，which provides excellent inherent thermal and acoustic properties for new construction materials.

Key words：composites;natural environmental protection type;industrial waste;composite plate;hemp fibres

建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展在很大程度上取決于在建筑和施工中使用綠色環(huán)保替代產(chǎn)品，例如傳統(tǒng)上稱為綠色材料的工業(yè)廢物。軟木工業(yè)的副產(chǎn)品顆粒狀軟木、從廢紙回收中獲得的纖維素漿和亞麻纖維顯然是用于此目的的材料[1-3]。這些材料可以用作非結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件的復(fù)合板和砂漿，如干墻和天花板或地板找平和填充[4-5]。軟木是一種原產(chǎn)于葡萄牙、西班牙等地的物質(zhì)，它結(jié)合了密度降低、高彈性、壓縮性、不滲透性和熱性能，以及良好的隔音和吸收特性。天然亞麻纖維，可用于增強(qiáng)機(jī)械性能，類似于黃麻短纖維、劍麻和椰子纖維[6-7]。這些纖維可在化學(xué)、物理和機(jī)械性能方面與合成纖維媲美，尤其是在抗拉強(qiáng)度、隔熱和隔音以及殺菌特性方面表現(xiàn)良好[8-9]。纖維素漿或石灰-火山灰混合物被用作研究工作中開發(fā)的新型混雜復(fù)合材料的粘合劑，通過優(yōu)化偏高嶺土和石灰的含量，制備出適合所制備復(fù)合材料的粘結(jié)劑。最終的混合物被用于生產(chǎn)亞麻纖維增強(qiáng)的輕質(zhì)復(fù)合材料塊和板[10-12]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 亞麻纖維前處理

亞麻纖維束由干燥的大麻莖制成，長纖維從中手工分離。去除長纖維后，將亞麻稈在（23±3）℃的溫度和（50±5）%的相對空氣濕度下處理24 h。亞麻稈由磨機(jī)旋轉(zhuǎn)研磨，輸出功率為1.1 kW，轉(zhuǎn)速為2 800 r/min，實(shí)驗(yàn)選擇了30 s的研磨時(shí)間。研磨時(shí)間較短則無法研磨至所需的2.5～5 mm的粒徑，較長的研磨會導(dǎo)致大量灰塵，這對復(fù)合材料的形成有不利影響，因?yàn)樗鼈冎粫黾訉λ男枨蟆Ｑ心ズ蠓蛛x短纖維，并通過實(shí)驗(yàn)室篩子篩選剩余的亞麻纖維束。使用孔徑為5、2.5 mm的篩分。再次研磨粗粒的亞麻纖維，并去除灰塵（小于0.063 mm），用于亞麻纖維復(fù)合材料的粘合劑。

1.2 亞麻輕質(zhì)混凝土的制備和性能測試

試樣以50 mm×50 mm×50 mm的金屬形式成形。將混合物分3次制成各種形狀。每次將混合物放入模板后，用金屬棒將其壓實(shí)。將含有偏高嶺土、石灰和紙漿的試樣保持24 h。從模板中取出后，將試樣在（23±5）℃的溫度和（50±5）%的相對空氣濕度下保存28 d。半成品試樣在溫度（105±2）℃的烤箱中干燥24 h。使用粘合材料的試樣在溫度（160±5）℃的動力機(jī)架中干燥24 h；表1為所生產(chǎn)的輕質(zhì)亞麻混凝土的組成成分。壓縮試驗(yàn)使用H10KS Hounsfield試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行；加載速率為0.1 mm/min，測量誤差為1～11 N。試驗(yàn)在環(huán)境溫度（23±5）℃和相對空氣濕度（50±5）%條件下進(jìn)行。

2 結(jié)果和討論

2.1 新型復(fù)合粘合劑中偏高嶺土/石灰的最佳含量

為了確定新復(fù)合粘合劑的最佳偏高嶺土和石灰含量，使用不同偏高嶺土/石灰百分比生產(chǎn)的偏高嶺土-石灰混合物在不同固化時(shí)間進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)75%的偏高嶺土和質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%的石灰可獲得最佳效果，具體如圖1所示。

2.2 亞麻輕質(zhì)混凝土砌塊力學(xué)試驗(yàn)

圖2為固化前后所制備的亞麻混凝土的外觀。值得注意的是，在壓實(shí)過程中，纖維主要朝向一個(gè)方向。3種不同工藝制作的亞麻纖維樣品在平行于亞麻纖維的方向上進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，這在機(jī)械上可被認(rèn)為是最不利的方向。如圖3（a）、（b）所示，所有制備的混凝土均表現(xiàn)出韌性破壞。

考慮到這些開發(fā)的輕質(zhì)復(fù)合混凝土和其他現(xiàn)有的接縫混凝土一樣，都是擬與結(jié)構(gòu)構(gòu)件結(jié)合使用的非結(jié)構(gòu)材料，這種觀察到的延性可能很有吸引力。因?yàn)樗鰪?qiáng)了結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的適應(yīng)和調(diào)整，提高了對房屋和建筑物中經(jīng)常發(fā)生的小位移和傾倒的吸收。如圖4所示，當(dāng)將紙漿用于Hempcretes組合物（樣品B6和B7）時(shí)，獲得了更高的抗壓強(qiáng)度[13-15]。此外，對于預(yù)期的非結(jié)構(gòu)性應(yīng)用，所有成分均具有令人滿意的抗壓強(qiáng)度。最終獲得的平均抗壓強(qiáng)度為0.6 MPa，與其他研究觀察到的結(jié)果相似[16-17]。因此，觀察到的機(jī)械性能表明，該材料可用于傳統(tǒng)混合物的許多應(yīng)用中，這些生態(tài)高效的亞麻/石灰混合物可以替代二氧化碳排放量高的其他原材料。

從圖5可以看出，使用紙漿可提高吸水率，吸水率可達(dá)100%或更高。然而，通過添加適當(dāng)?shù)姆浪a(chǎn)品，可以顯著降低這一限制。在4個(gè)養(yǎng)護(hù)日結(jié)束時(shí)，噴涂Q2 Isolit Cer S使吸水率降低約3.34%。壓實(shí)力較高的樣品的吸收率較低（與B8壓實(shí)樣品相比）。

2.3 亞麻輕質(zhì)混凝土板力學(xué)試驗(yàn)

使用表1的亞麻混凝土，采用機(jī)械壓實(shí)法來制造亞麻輕質(zhì)混凝土板。這些板可用于許多應(yīng)用，如墻壁或人行道。圖6顯示了制造的亞麻輕質(zhì)混凝土板的最終外觀和紋理。

從圖6可以看出，在這些板材中，亞麻纖維分散在各個(gè)方向，從而提高了材料的機(jī)械性能。正如用亞麻輕質(zhì)混凝土砌塊觀察到的那樣，壓實(shí)板在進(jìn)行壓縮試驗(yàn)時(shí)已證明具有類似的延性行為[18]。

2.4 顆粒軟木和紙漿復(fù)合板

使用不同的紙漿和軟木顆粒含量制造了幾種復(fù)合板。添加劑和亞麻纖維（2 cm長）以提高機(jī)械強(qiáng)度、吸水性能和耐火性。石膏被用作粘合劑，用亞麻纖維加固的紙漿和軟木板，具體如圖7所示。

從圖7可以看出，在這些平板中，使用了不同的固化方法，制造后，板材同時(shí)進(jìn)行壓縮和熱固化。為了將能耗和時(shí)間消耗降至最低，對工藝進(jìn)行了優(yōu)化，使用15 kN的壓實(shí)力和110 ℃的熱固化溫度在3 h內(nèi)或在室溫下3 d內(nèi)獲得最佳結(jié)果。該程序允許獲得具有令人滿意的內(nèi)聚力和完全光滑的紋理的板材。固化后由粒狀軟木和紙漿制成的板材如圖8所示。

從圖8可以看出，板材在彎曲時(shí)表現(xiàn)出脆性，獲得的平均彎曲強(qiáng)度為400 kPa。通常使用壓縮/減壓試驗(yàn)來評估含有軟木顆粒的試樣的力學(xué)性能。在試驗(yàn)中，材料在壓縮至變形的4%時(shí)沒有發(fā)生顯著變化，在減壓階段恢復(fù)了28%的變形。

制造的平板樣品還進(jìn)行了吸水性試驗(yàn)，測試結(jié)果表明，原材料具有較高的吸水率（約160%）。因此，使用了相同的防水產(chǎn)品。這些防水產(chǎn)品的應(yīng)用顯著降低了吸水效果。亞麻籽油、清漆和聚乙烯醇的效果分別降低到50%、80%和100%。

使用3次試驗(yàn)來確定尺寸為50 cm×50 cm×4 cm的板的導(dǎo)熱系數(shù)，獲得了平均導(dǎo)熱系數(shù)0.084 W/（m·℃）。通過將該系數(shù)與用于類似應(yīng)用的其他材料的系數(shù)進(jìn)行比較，可以得出開發(fā)的復(fù)合材料板具有良好的導(dǎo)熱性，結(jié)果如表2所示。

為了提高制造的平板的彎曲性能，將該材料與商業(yè)廣告中可用的再生紙和聚丙烯（PP）蜂窩相結(jié)合，形成夾層板。這種夾層板具有剛性或柔性聚合物蜂窩，用于提高結(jié)構(gòu)元件的彎曲性能。夾芯板的使用可使面板用于干燥墻壁和天花板等應(yīng)用?？梢钥闯?，紙蜂窩結(jié)構(gòu)中的水對面板的剛度和強(qiáng)度有顯著影響。因此，將軟木/紙漿板與蜂窩狀聚丙烯結(jié)合制成的面板不僅具有更好的機(jī)械性能，而且具有更高的一致性和外觀。聚合物結(jié)構(gòu)適用于所用的機(jī)械壓實(shí)工藝，具體如圖9所示。

圖10 為不同材料的彎曲性能，描述了用于評估夾層板機(jī)械性能的彎曲試驗(yàn)結(jié)果。

從圖10可以看出，將基礎(chǔ)復(fù)合板與聚丙烯蜂窩相結(jié)合可獲得更好的性能。通過將結(jié)果與用于干墻、覆蓋層和天花板的其他材料的結(jié)果進(jìn)行比較，獲得的強(qiáng)度與石膏板上獲得的強(qiáng)度相似。還測定了生產(chǎn)的蜂窩夾層板的導(dǎo)熱系數(shù)。值得注意的是，獲得的導(dǎo)熱系數(shù)為0.085 W/（m·℃），這與初始紙漿/軟木面板中確定的導(dǎo)熱系數(shù)值相近。

3 結(jié)語

研究中開發(fā)的生態(tài)高效復(fù)合材料的最佳粘合劑是質(zhì)量分?jǐn)?shù)75%偏高嶺土和質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%石灰的混合物。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，較高的固化溫度增加了這種粘合劑的強(qiáng)度增長率，開發(fā)的亞麻輕質(zhì)混凝土砌塊表現(xiàn)出韌性，可被視為與大多數(shù)非結(jié)構(gòu)性應(yīng)用兼容。顆粒狀軟木/紙漿復(fù)合材料也被證明對一些非結(jié)構(gòu)性應(yīng)用具有足夠的性能，可用于覆蓋物、墻壁、干墻和天花板。由軟木/紙漿復(fù)合材料與聚丙烯蜂窩組合而成的夾芯板已證明顯著改善了開發(fā)的生態(tài)友好材料的彎曲性能。所制備的復(fù)合材料具有良好的隔熱性能，且吸水率較低。

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收稿日期：2022-05-17；修回日期：2023-04-30

作者簡介：李 鶤（1981-），男，碩士，高級工程師，主要從事建筑材料及項(xiàng)目管理研究；E-mail： tob576vji0wt@163.com。

引文格式：李 鶤.一種回收利用亞麻纖維建筑環(huán)保復(fù)合材料制備及性能測試研究[J].粘接，2023，50（6）：90-93.