稻殼粉/聚丙烯復(fù)合材料在建筑模板中的應(yīng)用*

王之怡，高 建，張 容

(1 渭南職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，陜西 渭南 714000； 2 中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西 西安 710043；3 三明學(xué)院建筑工程學(xué)院，福建 三明 365004)

建筑模板作為常見的臨時性支撐和保護結(jié)構(gòu)，其應(yīng)用可大幅度縮短施工工期，降低建筑的總體成本。根據(jù)研究指出，建筑模板的應(yīng)用可以降低工程造價的31%以上[1]，因此，高性能、低成本的模板建筑材料的研發(fā)勢在必行。建筑模板在成型過程中，需要保持足夠的尺寸精確性，以保證混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定狀態(tài)，確保滿足建筑結(jié)構(gòu)所需的承力要求，保障施工過程中施工人員的安全和建筑質(zhì)量。傳統(tǒng)的建筑模板主要以鋼結(jié)構(gòu)為主，雖然鋼結(jié)構(gòu)模板的生產(chǎn)簡單，性能優(yōu)異，但鋼鐵材料的生產(chǎn)過程會耗費大量的能源，且產(chǎn)生的廢氣、廢渣等工業(yè)廢料對環(huán)境有著較大的破壞，同時鋼鐵材料在服役過程中易受到腐蝕影響，在潮濕地域無法穩(wěn)定服役。為解決鋼模板存在的弊端，1980年我國開始引入膠合板建筑模板模式，由于膠合板的原材料來源廣泛、低廉的鑄造成本和簡單的制備流程，使其迅速取代了鋼模板在建筑領(lǐng)域的地位。然而膠合板模板的缺點也十分明顯，其一是木材一旦制成建筑模板，很難再重復(fù)利用；其二則是木材的使用壽命較短，對森林造成破壞[2]。隨著我國對環(huán)境保護的重視，膠合板建筑模板逐漸退出市場，隨后出現(xiàn)的鋁合金等模板材料也由于成本過高也被市場放棄。隨著復(fù)合材料的發(fā)展，以木塑建筑模板為主的復(fù)合材料建筑模板開始大量應(yīng)用，其中，以稻殼粉與聚丙烯為原材料的復(fù)合材料不僅可以實現(xiàn)對稻殼粉的回收利用，還有效提高了經(jīng)濟效益。稻殼粉中植物纖維可以很好地取代建筑模板對木材的依賴，對可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[3]。

1 稻殼粉與聚丙烯

1.1 稻殼纖維

稻殼粉與木材的成分相似，含有豐富的纖維素(34%)、半纖維素(16%)和木質(zhì)素(25%)[4]。雖然不同稻殼粉的成分有著細(xì)微的差別，但三種纖維素含量幾乎相同，同時稻殼粉中的SiO2可有效提高其耐磨性。研究表明，稻殼粉中的Si含量與其耐磨性成正比[5]。由于稻殼中的纖維為生物纖維，纖維素中葡萄糖帶有的大量親水性質(zhì)的羥基，使其具有極佳的吸濕性，稻殼纖維在吸收空氣中水分之后，會產(chǎn)生溶脹現(xiàn)象，因此吸濕性和溶脹性是稻殼纖維的第一特征。其次，生物纖維在光照、高溫或微生物的作用下，會進行緩慢的氧化和裂解，降低纖維材料的力學(xué)增強性能。據(jù)報導(dǎo)，植物纖維在100℃下可保持穩(wěn)定，而在100℃以上時植物纖維的穩(wěn)定性逐步降低，并在高溫的環(huán)境中，植物纖維的氧化過程伴隨著嚴(yán)重的脫水，進而引發(fā)纖維的炭化[6]。且稻殼纖維對酸堿極為敏感，當(dāng)其與酸堿接觸后，纖維素會在酸堿的催化下迅速與空氣中氧氣發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致纖維性能的急劇下降[7]。

1.2 聚丙烯

聚丙烯是通過丙烯分子聚合而成的線性結(jié)構(gòu)的鏈烴材料，由于其單體材料為丙烯分子，丙烯分子側(cè)甲基支鏈的存在使聚丙烯有著三種同分異構(gòu)體，即等規(guī)、間規(guī)和無規(guī)聚丙烯。聚丙烯材料的性質(zhì)與聚乙烯相似，但相較于聚乙烯而言，聚丙烯材料的綜合力學(xué)性能較好，拉伸強度可達(dá)30MPa以上，聚丙烯的沖擊強度較聚乙烯也有一定的提高，其沖擊強度與分子鏈中同素異構(gòu)體含量呈反比[8]。除此之外，材料的制備過程對性能也具有較大影響。材料成型過程中材料加載速度和溫度直接影響到聚丙烯的結(jié)構(gòu)。當(dāng)加工溫度較高時，成型的聚丙烯材料通常具有較高的韌性。因此，高溫環(huán)境或者較高的加載速率都可以提高材料的韌性。根據(jù)聚丙烯材料在成型過程中的熔體流動性將其成型工藝分為吹塑、注塑和擠出工藝，其中擠出工藝對熔體流動性的要求最低，而注塑工藝對熔體流動性的要求最高。

2 復(fù)合材料建筑模板的制備

2.1 稻殼粉的制備與改性

稻殼粉/聚丙烯復(fù)合材料的制備過程對稻殼粉的粒徑有著嚴(yán)格的要求，一般來說，稻殼粉的粒徑直接影響復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能，粒徑過大時會導(dǎo)致材料內(nèi)部出現(xiàn)微小裂縫，降低材料抗拉強度，而粒徑過小時則會導(dǎo)致復(fù)合材料中的纖維含量較小，無法保持較高的強度，因此，稻殼粉的粒徑需要控制在20～100目之內(nèi)，最佳粒徑在70目左右[9]。原生稻殼粉本身的含水量較高，同時稻殼粉在空氣中易吸水，使一般稻殼粉的含水量在10%左右。為了保證稻殼纖維與聚丙烯材料均勻混合，保持最終產(chǎn)品的外觀和性能，稻殼纖維含水量需要保持在較低水平，因此稻殼在經(jīng)歷粉碎過程后，仍需在高溫(100℃)環(huán)境下干燥超過24h使含水率達(dá)到2%以下[10]。

值得注意的是，稻殼粉的生物纖維為親水性質(zhì)，而聚丙烯的化學(xué)特性使其具備較高的親油性，因此稻殼粉與聚丙烯的相容性較差，即使稻殼粉的粒徑控制在合適的尺寸，未經(jīng)過改性處理的稻殼粉/聚丙烯復(fù)合材料的力學(xué)性能還達(dá)不到建筑模板的性能要求，因此在稻殼粉預(yù)處理后，還需要進行改性處理。通過包裹稻殼粉中生物纖維的羥基，降低其親水性，增強與聚丙烯的相容性，有利于稻殼粉/聚丙烯的制備過程[11]。

2.2 稻殼粉/聚丙烯復(fù)合材料的加工與建筑模板的制備

稻殼粉/聚丙烯復(fù)合材料的生產(chǎn)過程分為聚丙烯的塑化、混煉和擠出三個步驟，簡單來說，就是在機器中將聚丙烯加熱至塑化溫度(通常在180℃以上)后將改性后的稻殼粉充分混合后擠出成型，但混煉過程的溫度需控制精確，過高或過低都會影響復(fù)合材料的擠出狀態(tài)和性能，溫度過高會導(dǎo)致稻殼粉的炭化和降解，溫度較低則會導(dǎo)致稻殼粉在聚丙烯中的團聚。建筑模板的制備過程則較為簡單，在稻殼粉與聚丙烯充分混合后置于模具中，保持塑化溫度和一定的壓力狀態(tài)下，利用熱壓機成型并冷壓定型，冷卻后出模即得到稻殼粉/聚丙烯建筑模板。稻殼粉/聚丙烯復(fù)合材料建筑模板的制備工藝流程如圖1所示。

圖1 稻殼粉/聚丙烯復(fù)合材料建筑模板的制備工藝流程Fig.1 Preparation process of rice husk powder/polypropylene composite building formwork

3 稻殼粉/聚丙烯復(fù)合材料力學(xué)性能

3.1 稻殼粉/聚丙烯比例與改性對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

在控制稻殼粉粒徑和成型參數(shù)一致的情況下，稻殼粉與聚丙烯的占比和改性對復(fù)合材料的力學(xué)性能也有著很大的影響。根據(jù)研究表明[12]，當(dāng)聚丙烯在復(fù)合材料中的占比越高，材料的沖擊強度和拉伸強度越大，彈性模量則越小。但復(fù)合材料靜曲強度卻在聚丙烯：稻殼粉接近1：1.5時達(dá)到最大值，為39.1MPa。這意味著稻殼粉在復(fù)合材料的占比需要處于一個合適的比例才能使材料的性能達(dá)到最佳。在纖維復(fù)合材料中，纖維自身的長徑比會提高復(fù)合材料在遭受外力時結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時減少材料內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生，因此提高材料的強度。但稻殼粉的占比一旦過大，其熔體粘度急劇上升，導(dǎo)致加工過程中稻殼纖維在復(fù)合材料中的團聚，破壞材料的結(jié)構(gòu)均勻性，因此一旦材料受力，在纖維團聚處會存在著巨大的應(yīng)力集中，大幅度降低材料的力學(xué)性能。

由于稻殼纖維是植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)，豐富的纖維素、木質(zhì)素和果膠使稻殼纖維親水性極強，而聚丙烯作為典型的有機材料，未改性的稻殼纖維在與聚丙烯的混合過程中容易團聚。季軍[12]在研究中指出，改性后的稻殼粉制得的復(fù)合材料雖然在靜曲強度上有輕微的下降，但其拉伸強度、沖擊強度以及彈性模量等參數(shù)都有著明顯的上升。這可能因為改性過程不僅提高了稻殼粉的親油性，且降低了稻殼粉邊緣的粗糙度，因此稻殼粉與聚丙烯的相容性得到提高。

3.2 稻殼粉/聚丙烯復(fù)合材料建筑模板性能

典型的木塑復(fù)合材料建筑模板擁有傳統(tǒng)木材建筑模板的易加工特點，并且彌補了膠合板易腐爛的缺點。簡單來說，稻殼粉/聚丙烯復(fù)合材料不僅具有表面光滑、中心發(fā)泡的外觀特征，并且服役過程中不吸水腐爛，霉變概率低，可熱焊加工，建筑模板在使用后還可進行回收。表1總結(jié)了文獻中木塑復(fù)合材料建筑模板的性能，可以看到，作為建筑模板主要性能指標(biāo)的靜曲強度和彈性模量，木塑復(fù)合材料建筑模板均超過了傳統(tǒng)的發(fā)泡塑料模板，同時其拉伸強度等性能也達(dá)到了發(fā)泡塑料模板的平均性能。然而由于稻殼纖維的吸水特性，木塑復(fù)合材料建筑模板的吸水率普遍偏高?？偟膩碚f，稻殼粉/聚丙烯復(fù)合材料建筑模板不僅達(dá)到了傳統(tǒng)建筑模板的性能指標(biāo)，同時具有極大的應(yīng)用優(yōu)勢，是未來建筑模板的主要發(fā)展方向之一[13]。

表1 稻殼粉/聚丙烯復(fù)合材料建筑模板材料的性能對比Table 1 Properties of rice husk powder/polypropylene construction formwork materials

4 結(jié)語

在可持續(xù)發(fā)展、綠色發(fā)展的理念下，傳統(tǒng)的建筑模板開始被新型節(jié)能環(huán)保型建筑材料模板代替。其中，以利用農(nóng)作物副產(chǎn)品稻殼為原材料制成的稻殼粉/聚丙烯復(fù)合材料為主體的建筑模板不僅滿足了建筑工程的相關(guān)力學(xué)性能要求，還具有可回收、防水防霉和可加工性好的優(yōu)點。因此，稻殼粉/聚丙烯復(fù)合材料在建筑工程中的應(yīng)用可有效降低建筑工程的經(jīng)濟成本，并減小對環(huán)境的污染和破壞，具有重要意義。