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稻殼粉/聚丙烯復(fù)合材料在建筑模板中的應(yīng)用*

2023-10-24 07:15王之怡
合成材料老化與應(yīng)用 2023年5期
關(guān)鍵詞:稻殼聚丙烯改性

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(jì)院集團(tuán)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(shí)性支撐和保護(hù)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(jià)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(shì)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(jiǎn)單,性能優(yōu)異,但鋼鐵材料的生產(chǎn)過程會(huì)耗費(fèi)大量的能源,且產(chǎn)生的廢氣、廢渣等工業(yè)廢料對(duì)環(huán)境有著較大的破壞,同時(shí)鋼鐵材料在服役過程中易受到腐蝕影響,在潮濕地域無(wú)法穩(wěn)定服役。為解決鋼模板存在的弊端,1980年我國(guó)開始引入膠合板建筑模板模式,由于膠合板的原材料來(lái)源廣泛、低廉的鑄造成本和簡(jiǎn)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(diǎn)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(duì)森林造成破壞[2]。隨著我國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視,膠合板建筑模板逐漸退出市場(chǎng),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(chǎng)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(shí)現(xiàn)對(duì)稻殼粉的回收利用,還有效提高了經(jīng)濟(jì)效益。稻殼粉中植物纖維可以很好地取代建筑模板對(duì)木材的依賴,對(duì)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(shí)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(huì)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(huì)進(jìn)行緩慢的氧化和裂解,降低纖維材料的力學(xué)增強(qiáng)性能。據(jù)報(bào)導(dǎo),植物纖維在100℃下可保持穩(wěn)定,而在100℃以上時(shí)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(jìn)而引發(fā)纖維的炭化[6]。且稻殼纖維對(duì)酸堿極為敏感,當(dāng)其與酸堿接觸后,纖維素會(huì)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(wú)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(qiáng)度可達(dá)30MPa以上,聚丙烯的沖擊強(qiáng)度較聚乙烯也有一定的提高,其沖擊強(qiáng)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(duì)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(shí),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(dòng)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(duì)熔體流動(dòng)性的要求最低,而注塑工藝對(duì)熔體流動(dòng)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(duì)稻殼粉的粒徑有著嚴(yán)格的要求,一般來(lái)說(shuō),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(shí)會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部出現(xiàn)微小裂縫,降低材料抗拉強(qiáng)度,而粒徑過小時(shí)則會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料中的纖維含量較小,無(wú)法保持較高的強(qiáng)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(shí)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(jìn)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(qiáng)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(gè)步驟,簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),就是在機(jī)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(huì)影響復(fù)合材料的擠出狀態(tài)和性能,溫度過高會(huì)導(dǎo)致稻殼粉的炭化和降解,溫度較低則會(huì)導(dǎo)致稻殼粉在聚丙烯中的團(tuán)聚。建筑模板的制備過程則較為簡(jiǎn)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(jī)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(duì)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(duì)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(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度越大,彈性模量則越小。但復(fù)合材料靜曲強(qiáng)度卻在聚丙烯:稻殼粉接近1:1.5時(shí)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(gè)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(zhǎng)徑比會(huì)提高復(fù)合材料在遭受外力時(shí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,同時(shí)減少材料內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生,因此提高材料的強(qiáng)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(tuán)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(tuán)聚處會(huì)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(qiáng),而聚丙烯作為典型的有機(jī)材料,未改性的稻殼纖維在與聚丙烯的混合過程中容易團(tuán)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(qiáng)度上有輕微的下降,但其拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度以及彈性模量等參數(shù)都有著明顯的上升。這可能因?yàn)楦男赃^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(diǎn),并且彌補(bǔ)了膠合板易腐爛的缺點(diǎn)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),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(jìn)行回收。表1總結(jié)了文獻(xiàn)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(qiáng)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(shí)其拉伸強(qiáng)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?lái)說(shuō),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(shí)具有極大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì),是未來(lái)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(duì)比Table 1 Properties of rice husk powder/polypropylene construction formwork materials

4 結(jié)語(yǔ)

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(diǎn)。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(jì)成本,并減小對(duì)環(huán)境的污染和破壞,具有重要意義。

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