王 洪 操, 于 永 玲, 呂 麗 華

( 大連工業(yè)大學(xué) 綠色纖維應(yīng)用技術(shù)研究所, 遼寧 大連 116034 )

0 引 言

目前,世界每年產(chǎn)生的廢棄纖維總量有4 000萬(wàn)t左右[1],僅我國(guó)每年廢棄纖維的產(chǎn)量就近千萬(wàn)噸。廢棄纖維主要的處理方法有燃燒法、掩埋法和分離回收法[2-3],其中燃燒法和掩埋法會(huì)造成環(huán)境的二次污染,不利于節(jié)能環(huán)保；混紡纖維分離法成本過(guò)高、分離不充分給纖維的分離帶來(lái)諸多難題,不能達(dá)到國(guó)家節(jié)能環(huán)保、回收再利用的要求[4-5]。

我國(guó)建筑總體保溫性能差,主要存在以下問(wèn)題:一是成本造價(jià)高,不利于保溫材料的普及；二是不可回收再利用,造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)[6]；三是施工復(fù)雜,不方便安裝[7]；四是建筑能耗大[8-9]。由于以上情況,如何提高保溫墻板的保溫性能和資源的再利用性成為國(guó)內(nèi)外建筑研發(fā)部門(mén)備受關(guān)注的問(wèn)題[10]。目前,輕質(zhì)保溫墻板的種類(lèi)主要有聚苯乙烯泡沫板和加氣硅砌塊,有關(guān)使用廢棄纖維制備保溫墻板的文獻(xiàn)報(bào)道較少。作者針對(duì)廢棄棉/麻混紡纖維制備保溫材料進(jìn)行了試驗(yàn)研究,旨在實(shí)現(xiàn)資源的再利用,減輕廢棄纖維對(duì)環(huán)境的污染,解決混紡纖維回收再利用的難題,提高我國(guó)傳統(tǒng)建筑墻材的保溫性能,拓寬綠色環(huán)保建筑保溫墻材的市場(chǎng)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域。

1 試 驗(yàn)

1.1 材料及儀器

材料:廢棄棉/麻混紡布,混紡比55/45,細(xì)度41.7 tex；聚丙烯,中國(guó)石油化工股份有限公司北京燕山分公司；Mg(OH)2阻燃劑,2 500目,大連市亞泰科技新材料有限公司。原料配比:m[Mg(OH)2]∶m[PP]=8∶15。

儀器:JFSD-100-Ⅱ高效粉碎機(jī),上海嘉定糧油儀器檢測(cè)儀器廠；XMTD2001型恒溫烘棉機(jī)；SK-160B型開(kāi)放式煉塑機(jī)；QLB-50D/Q型平板硫化機(jī)；HY-W萬(wàn)能制樣機(jī),河北省承德試驗(yàn)機(jī)廠；RXJ-50型簡(jiǎn)懸組合沖擊試驗(yàn)機(jī),RG微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),深圳市瑞格爾儀器有限公司；LFY-608織物熱傳導(dǎo)性能測(cè)定儀；掃描電子顯微鏡。

1.2 保溫墻板成型工藝流程

廢棄混紡纖維洗滌(清水中洗滌去除雜質(zhì))、烘干[(80±5) ℃,4 h]→制備破碎纖維(纖維長(zhǎng)度為3 mm)→配料、共混混煉→熱壓制板→冷壓成型→脫模。

1.3 力學(xué)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

拉伸性能按GB/T 1447—2005測(cè)定,彎曲性能按GB/T 1449—2005測(cè)定；懸臂梁沖擊性能按GB/T 1843—1996測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

為了確定各個(gè)工藝因素對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響主次順序,以拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度為指標(biāo),將混紡纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、熱壓溫度、熱壓壓力及熱壓時(shí)間4個(gè)因素進(jìn)行L9(34)正交試驗(yàn),結(jié)果如表1所示。從表1中極差R大小可知,對(duì)保溫墻板的拉伸強(qiáng)力影響因素先后順序?yàn)锳>C>D>B,對(duì)彎曲強(qiáng)力影響因素先后順序?yàn)锳>D>B>C,對(duì)沖擊強(qiáng)力影響因素先后順序?yàn)锳>C>B>D。對(duì)力學(xué)性能影響因素的先后順序?yàn)锳>C>D>B:對(duì)混紡纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)A,3個(gè)指標(biāo)中最優(yōu)工藝都是A3,所以A3最佳；對(duì)于因素?zé)釅簻囟菳,彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度指標(biāo)的最優(yōu)工藝都為B1,而在拉伸強(qiáng)度的指標(biāo)中B1和B3相差無(wú)幾,綜合考慮取B1最佳；對(duì)于因素?zé)釅簤毫,3個(gè)指標(biāo)中的最優(yōu)工藝都是C1,所以熱壓壓力取C1為最佳;對(duì)于因素?zé)釅簳r(shí)間都取D2,取D2為最佳。制備的保溫復(fù)合墻板的最優(yōu)熱壓工藝條件是A3C1D2B1,即混紡纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%,熱壓壓力為8 MPa,熱壓時(shí)間為10 min,熱壓溫度為175 ℃。

從表1極差大小的比較中可以看出,廢棄混紡纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是影響保溫墻板力學(xué)性能的最主要因素,熱壓壓力為次要的影響因素,熱壓時(shí)間和熱壓溫度對(duì)板材力學(xué)性能的影響不明顯。施加一定的熱壓壓力,可以增加纖維浸潤(rùn)基體的速度。適當(dāng)?shù)臒釅簻囟瓤梢栽鰪?qiáng)樹(shù)脂大分子的動(dòng)能,從而增強(qiáng)了樹(shù)脂的流動(dòng)性,使纖維充分浸潤(rùn),當(dāng)溫度繼續(xù)升高的時(shí)候,對(duì)保溫墻板的力學(xué)性能沒(méi)有影響。雙輥煉塑機(jī)具有的剪切應(yīng)力區(qū)較高,可以使纖維更好地均勻分散。粒子尺寸變形和碎裂過(guò)程只發(fā)生在最開(kāi)始的幾分鐘里。時(shí)間過(guò)長(zhǎng),轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)分散相的尺寸大小影響不明顯。

2.2 工藝參數(shù)單因素分析

圖1是在最優(yōu)成型工藝參數(shù)即熱壓壓力為8 MPa、熱壓時(shí)間為10 min、熱壓溫度為175 ℃時(shí)廢棄混紡纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)保溫墻板拉伸、彎曲與沖擊性能的影響。結(jié)果表明,隨著廢棄混紡纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高,其力學(xué)性能呈現(xiàn)先增加后減小的特征,當(dāng)廢棄混紡纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到40%時(shí)拉伸、彎曲和沖擊性能達(dá)到最佳。其原因是:當(dāng)廢棄混紡纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于40%時(shí),板材中的增強(qiáng)纖維含量過(guò)低,纖維并沒(méi)起到增強(qiáng)力學(xué)性能的作用,從復(fù)合材料的SEM拉伸斷面(圖2a)可以看出,板材內(nèi)部斷面只呈現(xiàn)出結(jié)塊的樹(shù)脂塊,板材表面產(chǎn)生裂紋,從而使板材的力學(xué)性能下降。當(dāng)纖維含量過(guò)高的時(shí)候,混入的纖維會(huì)產(chǎn)生結(jié)節(jié),使基體不能充分地浸潤(rùn)纖維。從復(fù)合材料的SEM拉伸斷面(圖2c)可以看出,大量結(jié)節(jié)的纖維使增強(qiáng)材料無(wú)法均勻地分布在基體中,產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,板材的界面相容性變差,達(dá)不到增強(qiáng)力學(xué)性能的作用。當(dāng)廢棄混紡纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到40%的時(shí)候,纖維正好能均勻地分布在基體中,每根纖維都能起到加強(qiáng)筋的作用。從復(fù)合材料的SEM拉伸斷面(圖2b)可以看出當(dāng)有外力作用板材的時(shí)候,纖維起到握持的作用,從而增強(qiáng)了板材的力學(xué)性能,又因?yàn)榛烊氲睦w維可以連接基體,減少聚丙烯板的裂紋,從微觀增強(qiáng)板材的力學(xué)性能。所以,當(dāng)廢棄混紡纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí)為最佳選擇,此時(shí)保溫墻板力學(xué)性能最優(yōu)。

圖1 纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)保溫墻板拉伸、彎曲和沖擊性能的影響

Fig.1 Effect of the content of fiber on stretching, bending and impact property of insulation wallboard

3 廢棄纖維保溫墻板的性能測(cè)試

從表2中可以看出,所測(cè)的各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),特別是彎曲彈性模量達(dá)到2 320 MPa,遠(yuǎn)大于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。簡(jiǎn)支梁沖擊強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率也達(dá)到同類(lèi)保溫墻板的力學(xué)要求,主要原因是保溫墻板加入的纖維,每根纖維不但發(fā)揮著增強(qiáng)板材力學(xué)性能的作用,還起到連接樹(shù)脂微小顆粒間的作用,增強(qiáng)了保溫墻板的抗裂性,使廢棄纖維保溫墻板的各項(xiàng)力學(xué)性能得到改善。從表2可以看出,廢棄纖維制備的保溫墻板氧指數(shù)達(dá)到40%,含水率和吸水膨脹率都比較好,保證了保溫墻板具有較好的耐候性。經(jīng)過(guò)高低溫和加熱后狀態(tài)試驗(yàn),很好地驗(yàn)證了廢棄纖維制備的保溫墻板具有較好的耐溫度高低變化的特點(diǎn)。

圖2 不同纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的墻板試樣拉伸斷面

表2 纖維保溫墻板的理化性能指標(biāo)

4 廢棄混紡纖維保溫墻板的保溫性能

廢棄混紡纖維制備的保溫墻板成功地解決了保溫墻材造價(jià)高這一難題,同時(shí)大大提高了傳統(tǒng)磚墻墻體的保溫性能,又因其密度小、力學(xué)性能好的特點(diǎn),節(jié)省了傳統(tǒng)建筑墻體的占用空間。廢棄混紡纖維制備的保溫墻板保溫性能優(yōu)異,墻板中空部位用導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.04 W/(m·K)的巖棉填充,巖棉具有阻燃、導(dǎo)熱系數(shù)低和價(jià)格低廉的特點(diǎn),其性能優(yōu)于聚苯乙烯泡沫材料,保證了保溫墻板具有極佳的保溫性能。

由于不同地區(qū)的溫度和濕度不同,各個(gè)地區(qū)采暖居住建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)限值也不相同。國(guó)家根據(jù)各地不同的氣候條件設(shè)定了每個(gè)地區(qū)相應(yīng)的采暖居住建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)限值。只有所測(cè)的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)小于國(guó)標(biāo)規(guī)定的數(shù)值才能達(dá)到保溫的效果。當(dāng)一種建筑墻體的熱傳導(dǎo)系數(shù)一定時(shí),如果要使傳熱系數(shù)達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),必須增加墻體的厚度,但是厚度過(guò)大的墻體會(huì)浪費(fèi)大量的建筑材料和建筑空間。因此,提高建筑墻體的保溫性能必須通過(guò)發(fā)明導(dǎo)熱系數(shù)小的新型建筑材料來(lái)實(shí)現(xiàn)。

由表3可知,我國(guó)大部分地區(qū)采暖居住建筑的傳熱系數(shù)基本小于1,個(gè)別寒冷地區(qū)甚至在0.5左右,這對(duì)我國(guó)居民建筑的保溫性能提出考驗(yàn)。過(guò)去我國(guó)建筑基本采用傳統(tǒng)的混凝土磚墻,保溫性能很差。以重砂漿磚砌實(shí)體墻為例:導(dǎo)熱系數(shù)為0.62 W/(m·K),按26JGJ_26—1995《民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定,采用這種墻體,大連地區(qū)墻體厚度應(yīng)達(dá)到540～1 200 mm,如此厚的墻體既浪費(fèi)大量的建筑材料又占用大量的建筑空間。采用廢棄混紡纖維制備的保溫墻板做保溫層,所測(cè)墻板的導(dǎo)熱系數(shù)為0.1 W/(m·K),中間填塞厚10 mm的巖棉導(dǎo)熱系數(shù)為0.04 W/(m·K),外加兩層磚結(jié)構(gòu)墻體的總熱阻為2.89 m2·K/W,傳熱系數(shù)為0.35 W/(m2·K),總體厚度為240 mm。對(duì)照表3可以得出其傳熱系數(shù)小于大連建筑各部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的極限值。廢棄纖維制備的保溫墻板不但有較好的保溫性能還大大減少了建筑面積。

表3 不同地區(qū)采暖居住建筑各部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)限值

5 結(jié) 論

(1)經(jīng)過(guò)正交試驗(yàn)法和單因素分析法得到廢棄棉/麻混紡纖維制備的保溫墻板的最優(yōu)工藝為:廢棄混紡纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%,熱壓壓力為8 MPa,熱壓時(shí)間為10 min,熱壓溫度為175 ℃。

(2)廢棄混紡纖維制備的保溫墻板具有節(jié)能、環(huán)保、力學(xué)性能好、可回收再利用的特點(diǎn)。制備保溫墻板的混紡纖維無(wú)需分離,工藝簡(jiǎn)單,節(jié)約了大量的生產(chǎn)成本。使用廢棄混紡纖維制備的保溫墻板造價(jià)低廉,同時(shí)其保溫性能優(yōu)異,便于節(jié)能保溫建筑墻體的普及,具有較好的市場(chǎng)發(fā)展前景。

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