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        玄武巖織物增強(qiáng)泡沫板材保溫性能分析

        2020-11-14 13:01:38劉君妹賈立霞
        棉紡織技術(shù) 2020年11期
        關(guān)鍵詞:機(jī)織中空板材

        劉君妹 賈立霞

        (河北科技大學(xué),河北石家莊,050018)

        社會的不斷發(fā)展,使得建筑物保溫技術(shù)日益提高,保溫板材加工技術(shù)得到了長足發(fā)展,并成為我國一項(xiàng)重要的建筑節(jié)能技術(shù)。當(dāng)前,建筑外墻保溫普遍采用先粘貼保溫層,隨后抹抗裂保護(hù)層的做法,這種方法所形成的體系,在隔熱構(gòu)造設(shè)計(jì)上存在諸多不足??沽驯Wo(hù)層中的抗裂砂漿復(fù)合網(wǎng)格布與保溫材料層間復(fù)合,其整體力學(xué)性能及柔韌性以及材料的耐久性存在很大的局限性,容易出現(xiàn)開裂、起皮、脫落、滲水、保溫系統(tǒng)崩潰等質(zhì)量問題[1]。針對傳統(tǒng)保溫材料的性能缺陷,結(jié)構(gòu)與保溫一體化技術(shù)得到了發(fā)展與應(yīng)用,復(fù)合保溫板材應(yīng)運(yùn)而生。本文以耐高溫玄武巖長絲為原料,開發(fā)研制不同結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)復(fù)合增強(qiáng)泡沫保溫板材。

        玄武巖纖維被科學(xué)家譽(yù)為21世紀(jì)的一種新材料,其性能優(yōu)異,替代性強(qiáng),應(yīng)用領(lǐng)域廣泛[2]。該纖維具有良好的耐堿性、高耐熱性和隔熱隔聲等優(yōu)良性能,在低溫技術(shù)中可用作高效隔熱保溫材料,在冶金工廠中的液態(tài)氧生產(chǎn)部門長期使用玄武巖纖維制造的隔熱保溫材料[3-4]。聚氨酯泡沫具有超低的熱導(dǎo)率,同等隔熱效果聚氨酯的厚度是最低的[5-6]。本文采用玄武巖纖維為增強(qiáng)材料,設(shè)計(jì)織造機(jī)織平面結(jié)構(gòu)和間隔結(jié)構(gòu)為板材的骨架結(jié)構(gòu),在兩平面織物之間和中空織物空腔中填充聚氨酯泡沫并用樹脂復(fù)合,既滿足了保溫隔熱的功能需要,又具有質(zhì)輕、易成型、高強(qiáng)高模、耐沖擊等特點(diǎn),在建筑材料輕量節(jié)能和能量吸收方面具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

        1 試驗(yàn)

        1.1 試驗(yàn)材料

        試驗(yàn)選用捻度相對較大的連續(xù)玄武巖長絲為原料,織制機(jī)織平面織物與中空織物作為增強(qiáng)體。玄武巖長絲規(guī)格為270 tex。采用UTM5105型電子萬能試驗(yàn)機(jī)測試玄武巖長絲斷裂強(qiáng)度為35.6 cN/tex。

        試驗(yàn)用填充材料選用聚氨酯泡沫材料,由組合聚醚(白料)和多亞甲基多苯基多異氰酸脂(黑料)兩種材料混合發(fā)泡而成,能夠方便快捷地完成對增強(qiáng)體中空織物的填充。選用常溫固化的E44環(huán)氧樹脂作為基體材料,選用聚酰胺樹脂為固化劑。

        1.2 織物增強(qiáng)體的設(shè)計(jì)織造

        復(fù)合材料的性能依賴于增強(qiáng)纖維和基質(zhì)材料,以及纖維的排列方式和纖維與基質(zhì)的結(jié)合形式。通過合理選擇增強(qiáng)體纖維材料和鋪疊方式,復(fù)合材料的力學(xué)、物理性能將表現(xiàn)出很大的不同。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)織造機(jī)織平面織物和機(jī)織中空織物兩種不同的增強(qiáng)體。

        機(jī)織中空織物采用接結(jié)經(jīng)紗連接的機(jī)織間隔織物,機(jī)織間隔織物由上下面層織物和連接上下面層的接結(jié)經(jīng)紗組成。根據(jù)課題組前期的試驗(yàn)結(jié)果,間隔織物面層的組織結(jié)構(gòu)對最終復(fù)合板材機(jī)械性能影響不顯著[7],因此中空織物上下面層均采用最簡單的平紋組織,面層組織中的地經(jīng)紗與接結(jié)經(jīng)紗的排列比為7∶1,面層織物緯紗密度均為80根/10 cm,為研究面層組織密度對板材性能的影響,設(shè)計(jì)3種經(jīng)紗密度,分別為40根/10 cm,60根/10 cm和80根/10 cm。接結(jié)紗高度設(shè)計(jì)為15 mm,即中空織物上下面層間高度為15 mm。所加工的機(jī)織中空織物如圖1所示,織物上機(jī)圖參考課題組之前文獻(xiàn)[8]。機(jī)織平面織物經(jīng)緯密均為80根/10 cm,織物組織采用平紋組織。

        圖1 玄武巖長絲機(jī)織中空織物

        1.3 復(fù)合板材的加工

        織物增強(qiáng)體織造完成后,采用先填充后復(fù)合的加工工藝制備復(fù)合板材,即在織物空間中填入泡沫材料和阻燃劑,制成復(fù)合板材預(yù)制件,再在預(yù)制件的兩個(gè)面層上復(fù)合樹脂,完成復(fù)合板材的制備。

        1.3.1 泡沫材料填充

        填充材料選用聚氨酯泡沫,這種泡沫由組合聚醚(白料)和多亞甲基多苯基多異氰酸脂(黑料)按1∶1的比例混合發(fā)泡而成。將上下兩層平面織物和中空織物分別裝入模具,在上下層織物之間形成空腔,按填充體積和填充密度計(jì)算兩種聚氨酯材料的用量后,將兩種材料混合均勻并充分?jǐn)嚢杼钊肟涨?,關(guān)閉模具,10 min后發(fā)泡完成,即形成厚度為15 mm的板材預(yù)制件。由模腔體積和填充材料的質(zhì)量,計(jì)算得出中空織物的泡沫填充密度為90 kg/m3,為研究泡沫填充密度對保溫性能的影響,兩層平面織物之間的填充密度設(shè)計(jì)為90 kg/m3、100 kg/m3和110 kg/m3。

        1.3.2 樹脂復(fù)合

        將環(huán)氧樹脂和聚酰胺樹脂以1∶1比例混合,對板材預(yù)制件的織物表面進(jìn)行復(fù)合,通過樹脂稱重,定面積復(fù)合,控制復(fù)合樹脂量為750 g/m2,保證復(fù)合板材樣品的復(fù)合樹脂厚度相同。樹脂與織物面層復(fù)合形成板材的面板,并與泡沫芯層結(jié)合,形成整體性良好的三明治型復(fù)合板材。本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)加工6種不同結(jié)構(gòu)三明治型復(fù)合板材,板材結(jié)構(gòu)描述見表1。

        表1 設(shè)計(jì)加工的板材結(jié)構(gòu)特征

        1.4 復(fù)合板材保溫性能測試

        板材保溫率測試試驗(yàn)采用YG606L型平板式保溫儀,參考標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 11048—1989《紡織品保溫性能試驗(yàn)方法》,試樣規(guī)格為300 mm×300 mm,每種板材測試3個(gè)樣品,取均值。

        板材導(dǎo)熱系數(shù)測試試驗(yàn)采用TC3000E型導(dǎo)熱系數(shù)儀。參考標(biāo)準(zhǔn)為ASTM—D5470《用于測試薄導(dǎo)熱固態(tài)電絕緣材料熱傳導(dǎo)性質(zhì)的表征測試》,試樣規(guī)格為200 mm×100 mm,每種板材需兩塊試樣。測試時(shí)間間隔為3 min,兩塊試樣各測試5次,取10次測試結(jié)果的平均值。

        2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

        6種板材的保溫率及導(dǎo)熱系數(shù)測試結(jié)果見表2。

        表2 復(fù)合板材保溫率測試結(jié)果

        2.1 復(fù)合板材基本結(jié)構(gòu)對保溫性能的影響

        1號、2號、3號 為中空 織物增強(qiáng)板材,4號、5號、6號為兩層平面織物增強(qiáng)板材。由表2數(shù)據(jù)可見,平面織物增強(qiáng)板材的保溫率均大于中空織物增強(qiáng)板材,導(dǎo)熱系數(shù)小于中空織物增強(qiáng)板材,尤其是1號板材和4號板材,兩者的泡沫填充密度相同,面層織物組織密度相同,但是兩者的保溫率和導(dǎo)熱系數(shù)存在較明顯的差異。中空織物增強(qiáng)的復(fù)合板材在兩面板之間有接結(jié)紗相連,在周圍樹脂的浸潤下形成接結(jié)紗樹脂柱,對板材的整體力學(xué)性能起到了良好的作用[9],但是樹脂柱的存在增加了板材的導(dǎo)熱系數(shù),在一定程度上降低了板材的保溫性能。

        2.2 面層組織密度對保溫性能的影響

        對1號、2號、3號板材的中空織物的面層織物經(jīng)紗密度進(jìn)行了調(diào)整,因?yàn)榈亟?jīng)紗和接結(jié)經(jīng)紗的排列比沒有變化,所以3種板材中接結(jié)紗的排列密度有變化,面層織物經(jīng)紗密度越大,接結(jié)紗的排列密度越大,也就是板材中的接結(jié)紗樹脂柱的密度越大,因此,雖然玄武巖纖維在板材表面的分布密度增大,對保溫性能起到了積極作用,但是接結(jié)紗樹脂柱的增多也在一定程度上增大了板材的熱傳導(dǎo)率,降低了板材的整體保溫率。從表2的數(shù)據(jù)可以看到,1號、2號、3號板材的保溫率和導(dǎo)熱系數(shù)并沒有明顯變化,說明在所研究的范圍內(nèi),中空織物面層的組織密度變化并未影響板材的保溫性能。

        2.3 泡沫填充密度對復(fù)合板材保溫性能的影響

        4號、5號、6號板材是兩層平面織物增強(qiáng)的板材,兩層織物之間沒有接結(jié)紗的連接,便于考察泡沫材料對于保溫性能的影響,3種板材泡沫材料的填充密度分別為90 kg/m3、100 kg/m3和110 kg/m3。由表2可知,隨著泡沫填充密度的增加,板材的導(dǎo)熱系數(shù)呈總體上升趨勢,保溫率呈總體下降趨勢,說明隨泡沫填充密度的增加,泡沫材料中靜止空氣含量減少,降低了板材的保溫性能。尤其是當(dāng)密度由90 kg/m3增加到100 kg/m3時(shí),導(dǎo)熱系數(shù)和保溫率均發(fā)生了較大的變化,說明聚氨酯泡沫材料和靜止空氣的協(xié)同保溫作用存在臨界比例,聚氨酯泡沫合理的填充密度能夠形成有效的孔隙度,在滿足板材機(jī)械性能要求的前提下,控制填充材料的用量,可以降低生產(chǎn)成本,同時(shí)充分利用有效孔隙的靜止空氣提高板材的保溫性。

        3 結(jié)論

        (1)平面織物增強(qiáng)板材的保溫率均大于中空織物增強(qiáng)板材,導(dǎo)熱系數(shù)均小于中空織物增強(qiáng)板材,因?yàn)闃渲拇嬖?,增加了板材的?dǎo)熱系數(shù),在一定程度上降低了板材的保溫性能。在板材生產(chǎn)及應(yīng)用過程中,應(yīng)結(jié)合板材的力學(xué)需求和保溫要求,合理配置接結(jié)紗的分布密度。

        (2)中空織物面層的組織密度變化并未影響板材的保溫性能,因?yàn)槊鎸咏?jīng)紗密度的改變導(dǎo)致了接結(jié)紗樹脂柱的變化。

        (3)隨著泡沫填充密度的增加,板材的導(dǎo)熱系數(shù)上升,保溫率下降,因此在滿足板材機(jī)械性能要求的前提下,控制填充材料的用量,可以降低生產(chǎn)成本,提高板材保溫性能。

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