蔡李花,方海峰,王 琪,吳群彪

(1.江蘇科技大學 機電與動力工程學院, 張家港 215600) (2.蘇州理工學院, 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性能顯得尤為迫切[6-12]．

文中基于一種新的復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)格尺寸對復合塑料建筑模板力學性能的影響,優(yōu)化復合模板的結(jié)構(gòu)和制造工藝,提高復合塑料建筑模板的力學性能．

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性能,一種新的復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 復合塑料建筑模板力學性能實驗

2.1 模板制備設備

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 復合塑料建筑模板制備設備Fig.2 Production line of composite plastic building templates

2.2 實驗方法

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

通過反復實驗發(fā)現(xiàn),由于設備及工藝所限,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,實驗模板的編號如表1．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,制備的實驗模板外形尺寸均為2 400 mm×1 200 mm×20 mm．使用萬能力學實驗機,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塊實驗模板分別進行靜曲強度(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 實驗模板編號*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塊實驗模板的力學性能測試結(jié)果．對嵌入同樣網(wǎng)格尺寸玻纖網(wǎng)布的復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號實驗模板具有最大的靜曲強度和彈性模量,分別為31.37 MPa和232.62 MPa,比嵌入深度為7 mm的3號實驗模板分別增加了15.59%和6.06%;網(wǎng)格尺寸為10 mm×10 mm，嵌入深度為3 mm的4號實驗模板的靜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號實驗模板分別增加了12.56%和6.33%;網(wǎng)格尺寸為20 mm×20 mm嵌入深度為3 mm的7號實驗模板的靜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號實驗模板分別增加了10.37%和4.19%．

表2 實驗模板的力學性能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,復合塑料建筑模板的抗彎力學性能越好，如圖4，將玻纖網(wǎng)布壓嵌于表層附近可以承擔更多彎曲應力,發(fā)揮更好的增強效果; 而將玻纖網(wǎng)布壓嵌至模板中部,其承擔的彎曲應力將減少,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)布對復合模板靜曲強度的增強效果要優(yōu)于彈性模量．

圖4 復合塑料建筑模板彎曲應力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)格尺寸對復合塑料建筑模板力學性能的影響．

圖5 實驗模板力學性能對比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的實驗模板的靜曲強度(MOR)和彈性模量(MOE)都要優(yōu)于其余兩種網(wǎng)格尺寸的實驗模板,且網(wǎng)格尺寸越小,模板的力學性能越好．其中網(wǎng)格尺寸為5 mm×5 mm嵌入深度為3mm的1號實驗模板具有最大的靜曲強度和彈性模量,分別為31.37 MPa和232.62 MPa,較無玻纖強化的10號實驗模板分別增加了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的實驗模板的剪切強度要優(yōu)于其余兩種網(wǎng)格尺寸的實驗模板,但是影響的程度不大．主要原因是,網(wǎng)格尺寸為5 mm×5 mm的實驗模板中的強化材料占比較高,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,對復合模板的抗剪強度提高作用有限．

復合材料的剛度模型[19]可以用來預測不同組成的復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) 玻璃纖維增強復合塑料建筑模板的剛度預測模型．

復合模板的第k層對于復合層板的加權(quán)彈性模量為:

(1)

按疊加原理,復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)布鋪放位置對復合層板彈性模量的預測和驗證．

因玻璃纖維網(wǎng)布的嵌入位置不同,其對復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的實驗模板為例,玻璃纖維網(wǎng)布對復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的實驗模板,對中軸面的距離不同，復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合塑料建筑模板的靜曲強度和彈性模量等力學性能．

(2) 玻纖網(wǎng)布的壓嵌深度對復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,復合塑料建筑模板的抗彎力學性能越好,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,模板的力學性能越好．按玻璃纖維網(wǎng)布鋪放位置對復合層板彈性模量的預測和驗證,其中網(wǎng)格尺寸為5 mm×5 mm嵌入深度為3 mm的1號實驗模板具有最大的靜曲強度和彈性模量,分別為31.37 MPa和232.62 MPa,較無玻纖強化的10號實驗模板分別增加了30.93%和22.23%．

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