楊安琪

1新疆建筑科學(xué)研究院（830054）2新疆建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測中心（830054）

1 研究背景

隨著人類對自然資源過度的開發(fā)、破壞，生態(tài)環(huán)境受到了嚴(yán)重的威脅，尤其在建筑領(lǐng)域中溫室氣體的排放量呈現(xiàn)逐年增長趨勢，而且傳統(tǒng)建筑材料對生態(tài)壞境的破壞也尤為嚴(yán)重[1]。為了實(shí)現(xiàn)資源的合理利用及對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，建筑領(lǐng)域中不斷研究清潔、高效、合理的保溫系統(tǒng)的應(yīng)用。通過研究后發(fā)現(xiàn)，天然纖維復(fù)合材料具有較多的優(yōu)點(diǎn)，如來源豐富、造價低、可再生、可降解等，能夠地替代傳統(tǒng)建筑墻體保溫材料，現(xiàn)階段建筑保溫材料已經(jīng)開始應(yīng)用木質(zhì)纖維、再生纖維等天然有機(jī)填充材料[2]。

本研究以海藻酸鈉天然纖維生物復(fù)合材料的材料力學(xué)及熱工性能為研究方向，評價將其應(yīng)用于建筑保溫材料的隔熱性能，并通過對比不同比例的纖維添加量，使材料達(dá)到最佳的抗彎、抗壓強(qiáng)度等力學(xué)性能，并以分析結(jié)果作為依據(jù)，探討海藻酸鈉天然纖維生物復(fù)合材料的應(yīng)用前景[3]。

2 材料配比設(shè)計

試劑選用:海藻酸鈉、乙二醛（交聯(lián)劑）、戊二醛（交聯(lián)劑）、甘油（增塑劑），天然纖維為，木質(zhì)纖維、稻桿纖維。首先將天然纖維按照不同的比例進(jìn)行配比，之后加入水及試劑，得到海藻酸鈉天然纖維生物復(fù)合材料試樣。試樣設(shè)計配比形式見表1。

3 試樣材料制備

根據(jù)不同試樣比例配比天然纖維并進(jìn)行攪拌，之后配制海藻酸鈉溶液，并將天然纖維混合物加入至海藻酸鈉溶液中繼續(xù)攪拌，將濕纖維放入金屬模具內(nèi)進(jìn)行熱壓成型，最后將樣品靜置、烘干。

4 試樣性能表征分析

4.1 熱工性能分析

樣品熱工性能分析中數(shù)據(jù)的測量采用激光導(dǎo)熱儀（LFA427）進(jìn)行測試，主要測試參數(shù)包括復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)率、溢出率和擴(kuò)散率。

表1 試樣設(shè)計配比形式

4.2 力學(xué)性能分析

樣品抗壓和抗彎等性能應(yīng)力應(yīng)變曲線采用電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測試，測試時加載壓力2.5kN、加載速率2mm/min、樣品規(guī)格為160mm×40mm×40 mm。樣品的抗壓、抗彎性能測試加載壓力為10kN、加載速率10mm/min、樣品規(guī)格為800mm×40mm×40mm。

5 研究結(jié)果及分析

5.1 彎曲性能分析

通過對生物復(fù)合材料樣品進(jìn)行彎曲性能測驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，材料的抗彎強(qiáng)度以及彈性模量將隨著木質(zhì)纖維含量的增加而提升，最大彎曲應(yīng)變數(shù)值將隨著木質(zhì)纖維的增加而降低，YP-5樣品的抗彎強(qiáng)度和彈性模量為最大數(shù)值，分別可達(dá)到0.57MPa、17.59 MPa，而最大彎曲應(yīng)變減少到3.55MPa。因此，在生物復(fù)合材料中增加適當(dāng)?shù)哪举|(zhì)纖維能夠有效提升材料的基體效果及剛性。

5.2 抗壓性能分析

通過對生物復(fù)合材料樣品進(jìn)行抗壓性能測驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，樣品的抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨著木質(zhì)纖維含量的增多而提升，YP-5具有最高的壓縮彈性模量和抗壓強(qiáng)度，分別達(dá)到1.41MPa、21.98MPa。另外，當(dāng)材料中含有交聯(lián)劑時能夠顯著提升樣品的抗壓強(qiáng)度和彈性模量，YP-3#的彈性模量及抗壓強(qiáng)度相較于YP-3分別提升了21%、16%。由此可見，通過在生物復(fù)合材料中增加交聯(lián)劑能夠顯著的提升其力學(xué)性能及剛性。各樣品的抗壓性能測試結(jié)果見表2。

表2 各樣品抗壓性能測試結(jié)果

5.3 微觀形貌分析

根據(jù)文章分析可知，YP-5具有最好的抗彎和抗壓性能。因此，選取YP-5進(jìn)行撕裂表面的SEM分析，樣品斷裂處木質(zhì)纖維并未發(fā)現(xiàn)存在團(tuán)聚現(xiàn)象，并且與海藻酸鈉黏合緊密、具有較好的潤濕性，并且未出現(xiàn)微裂紋，因此，YP-5才具有較好的抗彎和抗壓性能

5.4 熱工性能分析

在樣品的熱工性能（熱傳導(dǎo)率）測驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，由于熱傳導(dǎo)率＜0.1W/（m·K）的材料可以被認(rèn)定為具有隔熱性。本研究中生物復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)率處于0.078～0.089W/（m·K）范圍內(nèi)，因此，樣品具有較好的隔熱性能，可適用于建筑墻體的節(jié)能保溫材料。

由熱工性能（熱傳導(dǎo)率）測驗(yàn)結(jié)果顯示，材料的熱傳導(dǎo)率將隨著木質(zhì)纖維含量的增加呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢。當(dāng)材料中木質(zhì)纖維含量為60%時，其熱傳導(dǎo)率為最低狀態(tài)。綜合來看，生物復(fù)合材料與其他同密度的材料相比，具有更好的保溫性能[4]。

5.5 擴(kuò)散率、溢出率分析

生物復(fù)合材料擴(kuò)散率、溢出率與木質(zhì)纖維含量之間也具有較大的聯(lián)系。在測驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，二者之間具有正比關(guān)系。當(dāng)樣品中未添加木質(zhì)纖維時，材料的擴(kuò)散為未310×10-7m2/s。當(dāng)樣品中木質(zhì)纖維的含量達(dá)到100%時，其擴(kuò)散率降至174×10-7m2/s。因此，通過在材料中添加木質(zhì)纖維能夠有效減少材料的擴(kuò)散率，使生物復(fù)合材料具有更好的熱傳導(dǎo)性及保溫性能。

生物復(fù)合材料中木質(zhì)纖維含量與材料的溢出率整體上呈現(xiàn)為反比趨勢。未添加木質(zhì)纖維的生物復(fù)合材料溢出率為149W·s1/2/（m2·K），但當(dāng)材料中木質(zhì)纖維含量處于50%～60%時卻呈現(xiàn)出異常的溢出率上升的情況。當(dāng)木質(zhì)纖維為100%時，材料的溢出率為最大值，達(dá)到183W·s1/2/（m2·K），因此，在生物復(fù)合材料中添加木質(zhì)纖維能夠有效提升溢出率。在實(shí)際的應(yīng)用中可改善建筑結(jié)構(gòu)中的熱舒適性。另外，在材料中添加乙二醛同樣能夠影響材料的導(dǎo)熱性能。因此，通過在生物復(fù)合材料中添加較高比例的木質(zhì)纖維及乙二醛可提升其隔熱性能，增加建筑的熱舒適性。

6 結(jié)語

木質(zhì)纖維的含量越高，生物復(fù)合材料質(zhì)量損失越多，并且添加交聯(lián)劑的材料具有更優(yōu)異的干燥時效。

通過對復(fù)合材料的力學(xué)性能測試表明，生物復(fù)合材料抗彎強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度及彈性模量隨著木質(zhì)纖維含量的增加而提升，并且含有乙二醛交聯(lián)劑的材料具有更好的剛性；微觀形貌分析結(jié)果顯示，木質(zhì)纖維含量為100%時，生物復(fù)合材料具有最好的抗彎和抗壓性能，并且木質(zhì)纖維能夠與海藻酸鈉具有較好的緊密性及潤濕性。

熱工性能分析中，生物復(fù)合材料熱傳導(dǎo)率處于0.078～0.089W/（m·K）范圍內(nèi)，具有優(yōu)異的保溫性能，并且高比例木質(zhì)纖維及添加乙二醛交聯(lián)劑的生物復(fù)合材料可提升傳熱能力和保溫性能。