复合泡沫材料（精选9篇）
复合泡沫材料 篇1
随着建筑保温材料对安全性要求的提高,具有可燃性及较高发烟量的传统保温泡沫材料,如聚氨酯、聚苯乙烯等,渐难满足阻燃性需求,而酚醛泡沫以其耐燃性好、发烟量低、烟毒性低及较高隔热性而被称为第三代保温材料[1,2,3],同时,酚醛泡沫也存在着一些缺点,如平压强度较小,脆性大、易粉化等,也因此限制了材料的应用范围。针对上述问题,酚醛泡沫复合材料应运而生。
1共混型酚醛泡沫复合材料
共混型酚醛泡沫复合材料通常采用向可发性酚醛树脂中加入填料后再进行发泡的方法制备而得,填料种类可根据复合材料的期望性能而定,其中为保证填料在酚醛树脂中的分散性及填料与酚醛树脂间的界面结合力,往往需要先对填料进行表面改性处理。
Hongbin Shen[4,5]使用玻璃纤维和芳纶纤维对酚醛泡沫进行改性,使其机械性能明显提高,并对纤维的种类和长度对泡沫复合材料性能的影响进行了研究。
何斌[6]通过分别添加纳米Si O2和凹凸棒土制备了纳米增强酚醛复合泡沫塑料,研究发现亲水性A200纳米Si O2对酚醛泡沫的增强效果较好,而疏水性R805纳米Si O2增强酚醛泡沫的压缩性能则严重下降,分散均匀的纳米Si O2在酚醛体系中起到异相成核的作用,减小了泡体尺寸,利于提高酚醛泡沫的热稳定性; 通过硅烷偶联剂改性的凹凸棒土增强酚醛泡沫的压缩性能提高,而未改性凹凸棒土增强酚醛泡沫的压缩性能出现下降,改性凹凸棒土对酚醛交联反应具有催化作用,能够提高交联密度,利于酚醛树脂常温发泡; 高冬梅等[7]采用凹凸棒土为增强改性剂,制得的酚醛泡沫压缩强度得到大幅度提高,导热系数略有提高,氧指数上升,阻燃性能提高;
位东[8]选用蒙脱土、碳纤维等对酚醛泡沫的进行了改性研究,蒙脱土片层发生了取向化,形成了蒙脱土片层包裹气泡的结构,减少了掉渣率,提高了酚醛泡沫热稳定性,碳纤维与酚醛树脂具有较好亲和性,在体系中起桥连作用,阻碍裂纹扩展,提高酚醛泡沫力学性能; 彭定忠[9]通过加入麦芽糊和脲醛树脂以改善酚醛泡沫的掉渣易碎和抗压强度差的缺陷,并加入珍珠岩粉提高其阻燃性和抗压强度。
马玉峰[10]采用木质纤维、无卤阻燃剂、膨润土和粉煤灰分别对酚醛树脂进行改性,处理后的纤维复合泡沫强度较未处理纤维复合泡沫有不同程度的提高,尤其以氢氧化钠与硅烷偶联剂A - 171复合处理方法和硅烷偶联剂KH - 792处理方法处理后的纤维复合泡沫的各项性能较优,阻燃剂的添加可使极限氧指数维持在73% 左右,所有阻燃系统中较为适合的为APP/ PER / Zn O; 填料经酸化处理后增强泡沫复合材料的强度提高, 尤其经酸化处理的粉煤灰酚醛泡沫复合材料的各项性能较优。
2夹层型酚醛泡沫复合材料
共混复合方式虽针对酚醛泡沫材料的缺陷进行了不同程度的改善,但均向的泡沫材料缺乏厚度方向增强,致使材料压缩强度有限,对此,发展了能够为酚醛泡沫提供骨架支撑的夹层型酚醛泡沫复合材料。
泡沫夹层材料具有整体刚度大、面板强度高、芯子密度小和良好的抗弯性能等特点,因此在航空航天以及民用工业中得到了广泛的应用[11,12,13,14]。现有可与酚醛泡沫复合的材料主要有薄钢板、铝板、纤维织物及蜂窝等几类,其中,对于纤维织物,需先经由树脂浸润,固化成型后再通过真空或气压工艺填充泡沫,得到夹层型酚醛泡沫复合材料,为增强骨架与泡沫芯材界面的结合力通常选用酚醛树脂作为织物浸润树脂。
夹层型酚醛泡沫复合材料可有效提高酚醛泡沫的力学强度,但骨架材料的成型工艺及泡沫芯材的填充工艺仍相对复杂。
王志才[15]利用手糊成型制备了酚醛泡沫填充三维间隔连体织物,固化树脂为酚醛树脂,此处三维间隔连体织物是一种层与层之间由连续纤维芯柱相接而成一体呈空芯结构的编织物,所用纤维为玻璃纤维,结果显示,随着材料密度增加,平压强度近似呈现出指数增长; 随着材料芯柱高度增加,平压强度呈现出下降的趋势,且在500 ℃ 和800 ℃ 灼烧状态下材料结构状态良好,并在1200 ℃ 下具有良好的隔热性能。
李国琴[16]采用手糊 成型和真 空辅助树 脂转移成 型 ( VARTM) 两种方法制备了芳纶三维织物增强酚醛泡沫,固化树脂为酚醛树脂,随后对制得的泡沫夹层复合材料进行了力学和燃烧性能测试和分析,真空辅助树脂转移成型制得的泡沫夹层复合材料的抗冲击性能要优于手糊成型制得的泡沫夹层复合材料,极限氧指数49% ,具有优良的阻燃性能。
邓爱民[17]研制了一种高阻燃性Z向玻璃纤维增强酚醛泡沫复合材料,实验得出,与普通泡沫夹芯复合材料作为对比, Z向增强泡沫夹层复合材料在力学性能上有大幅度提升; 并研究了承力柱高度、分布密度及缝编纱细度、缝合面板层数等结构参数对Z向增强泡沫夹芯复合材料力学性能的影响。
陈永鑫[18]使用芳纶蜂窝对酚醛树脂进行增强,研究表明, 蜂窝越厚、孔径越小,其与酚醛泡沫的相互增强效果越明显, 并且利于降低酚醛泡沫热导率,对其极限氧指数的影响也不明显; 李居影等[19]采用Nomex纸蜂窝增强酚醛泡沫,表观密度0. 168 g·cm- 3,导热系数为0. 045 W·( m·K)- 1,阻燃等级为B2级,经过120 ℃ 8 h固化处理后平压强度达到4. 07 MPa,横向纵向剪切强度分别达到1. 42 MPa和1. 56 MPa。
3结语
酚醛泡沫复合材料具有质轻高强、设计灵活度高的优势, 其在一定程度上弥补了酚醛泡沫作为保温材料的不足,提高了力学性能,并可通过对复合材料的合理设计达到更高的阻燃性能与保温性能,但酚醛泡沫复合材料也存在其劣势。共混型酚醛泡沫复合材料制备工艺较为简单,但其性能受填充物分散程度影响较大,在工艺上对填充物的预处理及树脂和填充物混合的均匀程度等要求较高,且其对酚醛泡沫力学性能,尤其是平压性能的提高有限; 夹层型酚醛泡沫复合材料由于骨架材料的加入而提高了酚醛泡沫的力学性能,但其在生产中需要经过骨架成型和泡沫填充等多重环节,对生产工艺的要求更高。因此,酚醛泡沫复合材料虽然性能较为优异,但也由于其工艺复杂程度高、性能稳定性不足等实际问题,使其在应用中仍存在困难,新的适用于工业应用的酚醛泡沫复合材料尚待进一步的针对性研究。
摘要：归纳并总结了阻燃保温用酚醛树脂泡沫复合材料的主要种类,并分别对于共混型和夹层型酚醛泡沫复合材料的近期研究成果进行了介绍。两种酚醛泡沫复合材料在力学、保温、阻燃等性能以及成型工艺上各有利弊,且在实际生产中的应用有待开发。通过分析两种酚醛泡沫复合材料的研究现状指出酚醛泡沫复合材料目前尚存在之问题,为今后的相关研究工作提供参考。
关键词：复合材料,酚醛泡沫,阻燃,保温
复合泡沫材料 篇2
刘丰良
摘要：凡在配制好的含有胶凝物质的料浆中加入泡沫而形成多孔的坯体，并经养护形成的多孔混凝土，称之为泡沫混凝土。聚苯颗粒泡沫混凝土是指在普通泡沫混凝土中加入聚苯乙烯颗粒，使聚苯颗粒分散在泡沫混凝土浆体中，通过水泥固化后，形成了泡沫混凝土包裹着聚苯乙烯颗粒，使产品变成有机和无机“双泡”复合材料的新型保温隔热产品——聚苯颗粒泡沫混凝土。聚苯颗粒泡沫混凝土具有保温隔热、隔音减震、轻质高强、防火耐久的特点。关键词：保温隔热、隔音减震、轻质高强、防火耐久
选题意义：聚苯颗粒泡沫混凝土最突出的特点是具有很好的保温功能，而一般的保温材料性能评估将从以下几个方面考虑：
1.导热系数、修正系数。一般保温隔热材料导热系数越小，保温隔热效果就越好。选择保温隔热材料在考虑导热系数的同时，还要考虑到修正系数，导热系数是针对保温隔热材料的材质，而事实上在墙体上的保温隔热效果应该是导热系数乘于修正系数得出的结果才是这种材料做成的保温隔热系统的真正保温隔热效果。
2.保温隔热材料的容重，在一定范围内容重越小越好，但是与此同时保温隔热材料的抗压强度也会随之降低，所以在考虑容重的同时应该注意合理取舍。3.抗压强度（机械强度），抗压强度越好就代表保温隔热材料在自身重量以及外力作用下不会变形和毁伤。
4.吸水率，当保温隔热材料吸水后不仅降低了材料的保温性能，而且还会加速金属腐蚀，同时引起自身重量的增加，最终会使保温隔热材料过重而脱落。
5.耐热性和抗冻性，要根据使用场所的不同而选择具有不同性能的保温隔热材料。
而聚苯颗粒泡沫混凝土能从个方面较好的满足上述要求，因此聚苯颗粒泡沫混凝土会有很大的市场空间，对它的研究有很大的现实意义。
发展现状：聚苯颗粒泡沫混凝土作为泡沫混泥土中很重要的一种，他的发展历经了很长一段时间，现在已经得到了长足发展。1．总体状况
目前，我国泡沫混凝土企业总数约800多个，其中，现浇企业约400个左右，制品企业约150个左右，设备加工企业约100个左右，发泡剂生产企业约80个左右。我国泡沫混凝土年产量，2008年已达500万m3，2009年粗略估计应该突破600万m3。其中，泡沫混凝土地暖保温层约300万m3、屋面保温层约150万m3、地面垫层约50万m3、各类回填约20万m3、特种功能应用30万m3、制品类约50万m3。现浇约占总产量的80％以上，其它约20％。
从应用领域来看，我国泡沫混凝土的主要应用仍是建筑保温，其用量约占泡沫混凝土总产量的90％，土木及岩土工程约占3％，油田应用约占1％，其它特种应用约占7％。从长远看，建筑保温也仍将是泡沫混凝土的主要应用领域。2．技术状况
从技术水平来看，我国泡沫混凝土已快速拉近了和发达国家的距离，在某些方面已超过了发达国家，居世界领先水平。总体来讲，我国泡沫混凝土的技术现状是：在一般常规应用领域特别是建筑保温领域，我国的工艺技术具世界前列，具有先进水平，但在装备技术及尖端应用领域，我国和发达国尚有很大的差距。3． 装备状况
我国泡沫混凝土生产装备加工已有一定规模，生产厂家已发展到数百家，形成了年产700 套的生产能力。泡沫混凝土生产装备以现浇成套机组为主，是在引进韩国机型的基础上加以国产化改造而成的，机型以中小型为主，适应了中国泡沫混凝土企业以小企业居多的现状，因而获得了快速发展，基本取代了进口机型。除现浇设备外，我国的泡沫混凝土制品生产装备也在近几年获得技术突破，特别是泡沫混凝土夹芯板、复合板、集成化房屋、陶粒砌块等生产线，已初步 定型，有一定的创新性，已进入推广应用阶段，还有少量出口。预计在3～5 年内制品生产线的加工将达到一定规模，并将大量出口。我国的泡沫混凝土装备具有中国特色，小型化、实用化、操作简易化的特点明显，且价格只有欧美设备的几十分之一。这种设备不但适应了我国的国情，也适应了其他发展中国家的国情，受到了发展中国家的欢迎，已出口亚州、非洲、南美州等几十个国家，在金融危机冲击下仍不减态势，成为发展中国家最大的泡沫混凝土设备供应国，特别是周边的俄罗斯、蒙古国、哈萨克斯坦、越南、泰国等国家及我国的台湾省，需求旺盛。
优缺点：
聚苯颗粒泡沫混凝土的主要优点：
1、保温隔热：
聚苯泡沫混凝土的大量密闭气泡和聚苯颗粒极低的导热系数，使得聚苯颗粒泡沫混凝土具有优良的保温隔热性能，能够满足各地区，各种用途的保温隔热要求，是种优良的新型保温隔热材料。
2、隔音减震：
隔音能力是普通混凝土的5-8倍，具有一定的韧性、弹性，能够大幅提升屋面、楼地面的隔音减震功能。
3、防火耐久：
聚苯颗粒泡沫混凝土的主体材料为水泥基材料，聚苯颗粒被包裹在水泥中，整体结构不燃烧，不老化、不变形，与建筑物同寿命，能有效避免火灾发生。
4、轻质高强：
聚苯泡沫混凝土干密度仅为普通混凝土的1/8-1/10，抗压强度为0.5Mpa-1.5Mpa，承载力强。
5、结合度好：
聚苯颗粒泡沫混凝土一般采取现场浇注施工，与基层无缝隙紧密结合，其较低的收缩率、较高的抗压强度及粘接强度，能保持各类填充结构与建筑主体实现良好的整体性。从根本上解决了传统保温隔热材料与基层分离、密实性差、粘接性不牢等因素造成的表面空鼓、塌陷、开裂等质量问题。
聚苯颗粒泡沫混凝土的主要缺点： 1.泡沫混凝土强度提高问题
聚苯颗粒泡沫混凝土的主要缺点就是强度低，如何提高其强度，是一个长期的技术课题。特别是100～300 kg/m3的低密度产品，其强度最差，但需求量又最大。如果我们能解决它的强度问题，它的用量将会数倍的增长。
2.水泥用量大，成本高问题
目前，大多数企业生产聚苯颗粒泡沫混凝土，全部采用水泥，成本较高，在与聚苯泡沫的竞争中没有成本优势。如何降低水泥用量，降低成本，也将是全行业的重要课题。
建材标准： 1 性能
1.1 泡沫混凝土干密度不应大于表1中规定的指标，其容许误差应为+5%;导热系数不应大于表1中规定的指标。
1.2 泡沫混凝土强度等级应由每组试件的立方体抗压强度来评定，每组试件的平均值和每块最小值不应小于表2的规定：
1.3 泡沫混凝土吸水率不应大于表3 的规定：
.1.4 泡沫混凝土防火性能应符合GB 50222中A级不燃性材料的规定
发展方向：
4.1 研发超低密度产品超低密度是指密度小于100kg/m3 的泡沫混凝土，其导热系数约为0.04W/（m·K）～0.05W/（m·K），与聚苯板基本相当。目前，100kg/m3 左右的产品已在试验室可以制得，但如何实现工业化生产，并进一步降低密度至50kg/m3～80kg/m3，成为全行业共同努力的目标。这对泡沫混凝土在建筑保温中的应用至关重要。提高产品强度泡沫混凝土的主要缺点是强度低，特别是 100kg/m3～300kg/m3 的低密度产品强度较差，但需求量又最大。如何提高其强度，是一个技术课题。3 减少水泥用量
目前，大多数企业生产泡沫混凝土全部采用水泥，成本较高。如何降低水泥用量，降低成本，是一个重要课题。
复合泡沫材料 篇3
1 材料制备
泡沫铝采用淮北虹波泡沫金属材料厂制作的开孔泡沫铝, 孔隙率为1.5mm, 2.0mm, 2.3mm。用于压缩实验的圆柱形试样采用线切割方法制得, 试件尺寸为φ27mm×10mm。通过称重的方式, 所用试件的误差不超过2%。环氧树脂为双酚-A型环氧树脂 (E-44) , 产自山东肥城德源化工有限责任公司。固化剂为T-31。硅橡胶采用无锡市锡兴有机硅材料厂生产的HC704胶黏剂。将硅橡胶、环氧树脂和固化剂按4:9:1比例用天平称取, 然后混合拌匀[2], 采用渗流和真空挤压法, 将混合料填充到泡沫铝孔隙中。待其未完全固化前, 对泡沫铝表面进行处理, 使其表面平整且无多余混合料。
2 实验方法
试验在WE-I000液压式万能试验机上进行, 对填充改性环氧树脂的泡沫铝试样进行压缩, 选取试验的加载速率3mm/s, 加载量和压缩位移通过传感器输入计算机中, 对采集的数据进行处理, 绘制出压缩应力-应变曲线。材料采用3个试样进行试验, 采用这三个的平均压缩应力-应变为最后试验结果并对改性泡沫铝分析和讨论。
3 实验结果及分析
静态压缩应力-应变试验结果如图1所示, 曲线呈明显的三个阶段:线弹性变形阶段、塑性屈服平台阶段和致密化阶段。在线弹性变形阶段, 应力与应变呈线性关系;当应变增大到屈服点时, 试样发生塑性变形, 此后, 随应变的增加, 应力的增大缓慢, 应力-应变曲线呈现为屈服平台, 此时对应的应力称为平台应力。然后, 应力随应变的增加快速增大, 进入致密化阶段。改性泡沫铝的屈服强度达到了60MPa以上。使得其平台应力大大提升, 具有较好的力学性能。
由图1可知:孔径1.5mm的泡沫铝复合材料的屈服强度大于孔径2.0mm和2.3mm的泡沫铝复合材料。泡沫铝复合材料的压缩强度随孔径的增加而减小。孔径大小对泡沫铝复合材料压缩性能的贡献为:在一定的范围内, 泡沫铝复合材料孔径越大压缩强度越小。
由图2可看出泡沫铝复合材料的破坏形态。在泡沫铝的周围挤压出来填充的高分子材料。说明:在破坏中, 泡沫铝起了骨架作用, 承受的压力由泡沫铝和填充的高分子材料一起承担。高分子材料具有一定的韧性, 在变形时可发生大变形, 故而在周围被挤压出来。
4 结论
⑴改性的泡沫铝准静态压缩过程呈现出3阶段: (1) 线弹性变形阶段; (2) 塑性屈服平台阶段阶段; (3) 致密化变形阶段。屈服强度比纯泡沫铝的屈服强度提高了4-5倍。
⑵在一定的范围内, 泡沫铝复合材料孔径越大压缩强度越小。泡沫铝复合材料的压缩强度随孔径的增加而减小。
⑶高分子材料大变形性能使得泡沫铝复合材料的力学性能保持着泡沫铝的性能特点, 并且大大提高了泡沫铝原有的性能。●
参考文献
[1]程和法.铝/硅橡胶交织复合材料压缩力学行为的研究.甘肃工业大学学报, 第29卷第4期2003.12
复合泡沫材料 篇4
聚苯乙烯塑料泡沫保温材料具体概念是什么？
聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)是由聚苯乙烯(1．5％-2％)和空气(98％-98．5％)、戊烷作为推进气，经发泡制成，其具有密度范围宽、价格低、保温隔热性优良、吸水性小、水蒸气渗透性低、吸收冲击性好等优点，
聚苯乙烯泡沫板及其复合材料由于价格低廉、绝热性能好，热导率小于0．041W／(m•K)，而成为外墙绝热及饰面系统的首选绝热材料。实验结果可知，平均温度越低，真空聚苯乙烯泡沫的节能百分数越高，保温节能效果越好，这个结果正是制冷保温所需要的。同时聚苯乙烯泡沫主要由碳和氢两种元素组成。这种聚合物在相当低的温度下(350℃)就开始降解，发生断链，形成可燃的单体、二聚物或其他低分子量碎片。因此需要加入阻燃剂以改善聚苯乙烯泡沫易燃的性质。
复合泡沫材料 篇5
关键词：纤维,泡沫复合材料,增强机理,模量预测
聚合物泡沫材料以其品种丰富和工艺简单而备受关注。为了进一步提高性能,使其能够满足交通和运载工具轻量化、重要缓冲包装材料和需耐更高温度领域对轻质材料的强度、刚度和耐热性能等要求,研发人员对聚合物泡沫材料的高性能化开展了广泛而细致的研究。常用改性方法主要有改变聚合物的结构、添加助剂、添加填料和改变泡体结构等,而选用纤维进行增强改性,制成纤维/聚合物泡沫复合材料是应用最为广泛的方法之一[1]。
纤维增强聚合物泡沫复合材料是一种以聚合物为基体、增强纤维和气体共存的三相复合材料,不仅具有泡沫塑料的轻质,更兼有纤维增强复合材料的高强度、低压缩等特性,有望使泡沫产品进入耐承载结构材料领域,拓宽应用范围[2]。至今,国内外已在纤维/聚合物泡沫复合材料的发泡机理、成型工艺及力学性能等方面发表了相当多的研究论文,取得了大量有意义的成果。本文将从分析纤维增强聚合物泡沫复合材料的影响因素出发,简要地对增强机理和力学性能的理论预测模型进行综述。
1 力学性能的影响因素
对纤维/聚合物泡沫复合材料而言,影响其力学性能的因素主要来自两个方面。
一方面,泡沫复合材料的本质满足泡沫材料这一基本特性,因而影响泡沫结构基本性能的诸多因素,如密度、基体树脂的结构与性能、泡体结构、开闭孔类型、泡径尺寸与分布、泡壁厚度等,也是聚合物基泡沫复合材料的物理、化学及力学性能的重要影响因素。
Cunningham A等[3]曾提出聚氨酯(PU)硬质泡沫的性能与各种因素关系的模拟方程:
Y=y(ρ,CC, CS,PM, GE, etc.) (1)
式中:Y为泡沫材料的性能;ρ为泡沫体的表观密度;CC为化学组成;CS为泡体结构;PM为聚合物形态结构;GE为闭合气孔种类。
在这些因素中,往往又以表观密度的影响最为显著。徐涛等[4]的研究发现泡沫体的表观密度对短玻璃纤维(SGF)/PU泡沫复合材料的微观结构和力学性能的影响很大:当SGF/PU泡沫复合材料的密度从0.1g/cm3提高到0.5g/cm3时,其压缩强度和模量分别从1.93MPa和33MPa急增到17.91MPa和330MPa左右;分析发现在低密度下,增强纤维有1/2裸露在气孔中,与PU基体的有效接触面积仅有1/2,随着表观密度的提高, SGF能够被PU基体有效包覆而获得较好的增强效果。杨继年等[5]的研究也发现表观密度显著影响了SGF/聚丙烯(PP)泡沫复合材料的泡孔结构和力学性能:密度从0.32g/cm3增加到0.45g/cm3时,试样获得了更为均匀细密且多为闭孔结构的泡孔,冲击韧性和抗压强度分别从4.29kJ/m2和6.57MPa提高到17.87kJ/m2和20.57MPa,增幅均在1倍以上。
另一方面,增强体的性能(包括种类、含量及在基体中的分散状况)和界面结构(包括不同增强相与基体之间的界面结合)也是影响纤维/聚合物基泡沫复合材料性能的重要因素。为了提高聚合物基体的物理-力学性能而引入的增强体,也会对复合体系的发泡性能产生强烈的影响,最典型的表现就是外加增强体的引入在聚合物的发泡过程中起到了一定的异质形核的效应,增大了气泡的形核效率,大幅降低了发泡体系的平均泡孔直径、显著提高了泡孔密度,增幅往往能达到1个数量级以上,这对于提高泡沫复合材料的性能,尤其是力学性能具有显著的效果[6,7,8,9,10,11,12]。此外,增强纤维通过与聚合物溶液(或熔体)之间形成的内摩擦等交互作用,也会使基体树脂(尤其是热塑性聚合物熔体)的流动性明显降低,在大多数情况下会造成发泡体系的熔体强度(粘度)增大而影响复合材料熔体的发泡性能[13,14,15,16,17,18]:若外加增强体以适当的质量分数引入到基体中并能均匀分散,对于抑制气泡的过分膨胀、泡孔的坍塌与合并和避免出现泡体结构的不完整现象具有改善作用;若添加量过大,外加增强体的引入将会使发泡体系的熔体强度(粘度)急剧增大,导致部分气泡在形核之后无法正常膨胀、熔体中的溶解气体由于过度聚集而形成局部大泡孔的现象,反而恶化泡沫复合材料的发泡效果,进而导致其力学性能的降低。
杨继年等[19]在研究中发现,通过添加不同种类的相容剂对SGF-PP之间的界面结构进行优化设计,可制备出力学性能迥异的SGF/PP泡沫复合材料,如添加马来酸酐接枝PP,主要提升材料的强度,而引入马来酸酐接枝聚烯烃弹性体,则可使冲击韧度提升幅度达到77%;显示了增强纤维与基体的界面效应是影响泡沫复合材料力学性能的重要因素,在建立理论预测模型的过程中具有不可或缺的地位。
在这些诸多影响因素中,既存在着相对独立的因素,如泡沫体的表观密度和基体聚合物的性能,也存在着具有交互作用的因素,如泡孔结构的演变、增强体的性能以及界面结构等。因此,在特定的材料体系中,需要综合考虑影响最终性能变化的因素并分析其中的主次性,才能准确有效地揭示纤维增强聚合物泡沫复合材料性能变化本质,为后续实验方案的设计与优化提供正确的思路。
2 纤维的增强机理
泡沫材料在拉伸应力作用下,一旦聚合物支柱(泡壁的交界)断裂,与其相连的泡壁也即刻开裂,裂纹迅速延伸到下一个树脂柱或树脂交点上,如同鱼网的拉伸破坏,呈跳跃式地选择薄弱支柱逐个破坏;外加增强纤维的引入使得泡沫复合材料的拉伸破坏行为发生了变化,当产生损伤时,裂纹在基体中的扩展可以有多种形式,对此Cotgreave T[20]、李国忠[21]、闻荻江[22]等已做了较为详细的描述。纤维/聚合物泡沫复合材料在应力下的破坏与裂纹产生的难易、裂纹扩展的快慢及纤维在体系内的存在状况密切相关:在拉伸应力的作用下,材料的薄弱部位首先产生裂纹,而纤维的存在提高了产生裂纹的初始应力值,对裂纹的出现起到了一定的抑制作用;当裂纹出现并在扩展过程中遇到纤维时,由于纤维的强度要远高于基体,可能出现裂纹的终止、偏转并平行于纤维的轴向、纤维脱粘拔出、纤维带着基体拔出和纤维拉断等多种情况,而实际的破坏行为往往是上述几种形式的综合,破坏时以哪种形式为多,决定了增强效应的优劣[22]。
在压缩应力的作用下,泡沫材料的破坏主要是由基体支柱的弯曲、扭转变形,从而依次导致泡壁及支柱的失稳破坏引起的;经过纤维增强后,纤维可以有效地对支柱进行增强和减弱泡孔变形,且纤维还可以贯穿若干个泡孔,使得纤维周向一定范围内的泡孔以纤维为核心,联成了一个较大的柱体而有效地提高了压缩应力和模量[21,22]。因此,优化增强纤维在发泡体系中的分布和分散,将显著影响纤维的增强效果和复合体系的失效机制,也是进一步提高其力学性能的关键之处。
3 模量的理论预测模型
纤维/聚合物泡沫复合材料的力学性能受诸多极其复杂因素的影响,目前还没有形成一个具有普遍适用性的数学模型能从理论上进行较为准确的预测。大多数的模量预测模型都是基于纤维增强聚合物复合材料的基础上,通过对关键参数进行适当的修正,使之能延伸运用于纤维增强聚合物泡沫复合材料中。
用于预测泡沫复合材料模量的理论模型主要有简单共混模型[23]、平方律加和公式[24]、Halpin-Tsai模型[25]以及目前应用较为广泛的Halpin-Kerner模型[26]。Halpin-Kerner模型是基于未增强发泡材料得到的泡沫复合材料的模量预测模型,表达式为:
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式中:ER为短纤维增强泡沫复合材料的模量;EU为未增强泡沫材料的模量;Vf为短纤维的体积分数;Vg为气泡的体积分数;V*g为忽略泡沫复合材料中的纤维相而形成的两相体系(含基体和气体)中的气体体积分数;A、B均为常数,分别由式(3)和式(4)给出。
A=2L/d (3)
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式中:L/d为纤维的长径比;Ef为短纤维的模量;EM为聚合物基体的模量。
王建华等[27]采用Halpin-Kerner模型预测短纤维/硬质PU泡沫复合材料的压缩模量,发现理论计算值普遍高于实测值,且密度越大相差的幅度也越大,他归结为模型建立在增强纤维与基体界面结合良好、纤维呈取向排列且泡孔分布均匀等理想条件的基础上,与实际材料体系存在偏差的缘故。
若从复合材料的混合定律出发,将未增强泡沫材料看作是以气体为填料的两相“复合材料”,则未增强泡沫材料的模量可由式(5)给出。
EU=EMVM+EgVg (5)
式中:VM为泡沫材料中基体的体积含量;Eg为泡沫材料中气体的模量。
由于该“复合材料”中的气体填料的模量和质量可近似等于0,因此未增强泡沫材料的质量即等同于聚合物基体的质量,根据质量、密度和体积之间的关系,可将式(5)改写成式(6):
EU/EM=ρU/ρM (6)
式中:ρU为未增强泡沫材料的密度;ρM为聚合物基体的密度。
进一步,可将式(2)改写为:
undefined
(7)
式中:E*R为短纤维增强复合材料的模量。
将式(6)代入式(7)中,可得到修正后的Halpin-Kerner模型,如式(8)所示。
undefined
(8)
林桂等[23,28]以式(8)中的相对密度(ρU/ρM)为自变量、相对压缩模量(ER/E*R)为因变量,绘制了短纤维增强橡胶泡沫复合材料的理论预测曲线,并与实测值进行了对比,发现由于同样没有考虑纤维的取向以及界面结合等因素,在相对密度较低时,理论预测值稍有偏大;只有当相对密度高于0.7时,理论预测值才能较好地与实验值相符。
通过以上的分析,我们发现建立纤维/聚合物泡沫复合材料的模量预测模型的难点主要在于两个方面:一方面,泡孔结构的存在及其与外加增强材料之间的复杂交互作用,导致泡沫复合材料在发泡过程的不可控性增大,对泡孔结构、孔径的尺寸与分布、泡壁的厚度等因素与力学性能之间的关系往往难以进行定量的描述,给理论预测模型的建立带来了极大的困难;另一方面,由于在模型的建立过程中很难考虑增强纤维在基体中的存在状况及其与基体间的界面效应,往往导致模型的理论值大于实测值。
为了进一步弄清楚短纤维在基体中的分布状况对泡沫复合材料的弹性模量的影响规律,Wang B等[29]用有限元方法建立了SGF增强PP泡沫复合材料的三维立体模型,其中泡孔结构采用“Tetrakaidecahedral”泡孔模型在空间密排,SGF随机处于泡壁或泡孔边缘处,其长度和取向分布服从高斯概率密度函数;他们详细考察了SGF的含量、尺寸及分布和取向度对弹性模量的影响规律,发现提高纤维体积分数、增加纤维长度或使其择优取向等手段都能获得较高的弹性模量,且将模拟结果与公开的报道进行比较后发现模拟结果能较好地反映实验结果,但仍没能模拟出纤维与基体之间的界面效应对力学性能的影响规律。
4 结语
复合泡沫材料 篇6
1充分了解混凝土小型空心砌块及泡沫混凝土复合保温材料性能
混凝土小型空心砌块及泡沫混凝土复合保温材料是以混凝土小型空心砌块为成型材料, 以泡沫混凝土为填充材料的一种新型复合外墙保温材料。它综合了两种材料的优点, 充分发挥其作用。混凝土小型空心砌块是以水泥为胶凝材料, 添加粗细砂石等为骨料, 经过计算配料、加水搅拌, 振动加压成型, 在标准条件下养护制成的具有一定空心率的砌块材料。具有自重较轻, 热工性能好, 抗震性能好, 砌筑方便, 墙面平整度好, 施工效率高等特点。不仅可以用于非承重墙, 较高强度等级的砌块也可用于多层建筑的承重墙。作为承重砌块与非承重砌块, 承重砌块强度等级一般在MU7.5以上;非承重砌块强度等级一般在5.0以下。另外, 根据其空隙率较大的特性, 也可用于有隔声要求的墙体。混凝土小型空心砌块可充分利用我国各种丰富的天然轻集料资源和一些工业废渣为原料, 对降低砌块生产成本和减少环境污染具有良好的社会效益和经济效益。泡沫混凝土又名发泡混凝土, 是将化学发泡剂或物理发泡剂发泡后加入到胶凝材料、掺合料、改性剂、卤水等制成的料浆中, 经混合搅拌、浇注成型、自然养护所形成的一种含有大量封闭气孔的新型轻质保温材料。它属于气泡状绝热材料, 突出特点是在混凝土内部形成封闭的泡沫孔, 使混凝土轻质化和保温隔热化。泡沫混凝土砌块 (又称免蒸压加气块) 属于加气混凝土砌块的一种, 其外观质量、内部气孔结构、使用性能等均与蒸压加气混凝土砌块基本相同。泡沫混凝土砌块的生产, 采用 (发泡剂通过) 发泡机物理制泡后, 再将气泡加入水泥浆中混合;泡沫混凝土砌块内部气孔不相通, 而蒸压加气块内部气孔连通, 所以相对来说泡沫混凝土砌块保温性能更好, 渗水率更低, 隔音效果更好。泡沫混凝土砌块采用常温养护或干热养护。两种材料在应用中总是需要外挂岩棉板、聚苯乙烯泡沫板、保温浆料才能满足节能设计要求, 但施工、安全等方面存在不少问题。通过在混凝土小型空心砌块的空腔内填充入低密度的泡沫混凝土, 使两者结合构成一种新型墙体自保温材料, 使其具有良好的保温隔热性能, 满足我国建筑节能对墙体材料的要求。
2重视设计、施工过程, 解决实际应用中的问题
1) 做好设计工作, 加强基本构造措施。
此种复合保温墙体材料为混凝土材料, 为减少温差产生的温度应力对上部墙体的不利影响, 设计时在建筑物两端开间的窗台处沿内外墙及山墙设置钢筋砼墙带或配筋砌体。控制顶层墙体裂缝的关键是降低屋面与墙体之间的温度差。因此必须同时采用保温层和隔热层, 在檐口处的保温层厚度必须满足允许温差的要求。同时, 隔热层应满铺, 不得在檐口处出现空档。在屋盖适当部位应设置分隔缝。在各层窗台处均设置钢筋混凝土窗台梁, 以减少由于压力差引起的裂缝。同时提高底层窗台下砌筑砂浆的强度等级。若在不均匀地基的情况下, 增加地圈梁的刚度, 并在底层窗台墙体的第二与第四皮灰缝中各设置Φ4钢筋点焊网片, 用以控制竖向裂缝的产生。
2) 施工方面的控制措施。
砌筑工人应持证上岗。上岗前应做好技术交底, 要求每一层的同部位墙体应由同一人施工。施工中, 应严格执行已确定的砌筑砂浆配合比。砌筑水平灰缝时用座浆法铺浆, 砌筑竖缝时先将小砌块端面朝上铺满砂浆, 然后上墙挤紧, 并用泥刀在竖缝中插捣密实, 做到随砌随
勒缝, 用以保证墙体有足够的抗拉、抗剪强度。若需要移动已砌好砌体的小砌块或被撞动的小砌块时, 应重新铺浆砌筑, 控制砌块周围裂缝的产生。顶层内粉应在屋面保温层、隔热层施工完毕后进行, 以降低温差的影响。外墙粉刷宜在结构封顶后, 并在墙体干缩基本稳定后施工, 防止以后粉刷开裂。装修、使用过程中未经有关管理部门同意, 不得随意破坏墙体整体性。
3加强政策方面的宣传和对发展新型复合保温材料的扶持
在发展新型材料的过程中, 要有明确的目标和有力的措施。2012年9月26日国家发展和改革委员会宣布, 为深入推进墙体材料革新, 节约能源资源, 有效保护耕地和环境, 推动资源综合利用, 促进节能减排目标任务的实现, 我国将在“十二五”期间在上海等数百个城市和相关县城逐步限制使用粘土制品或禁用实心粘土砖。通过推进城市“限粘”, 开展县城“禁实”, 促进新型墙体材料领域节能降耗。推动全国新型墙体材料行业节约1 000万t标煤以上, 力争到2015年新型墙体材料产品生产能耗下降20%, 促进本地区节能减排目标的完成。全国30%以上的城市实现“限粘”、50%以上县城实现“禁实”, 有序推进乡镇、农村“禁实”工作。国家对“禁实”和发展新型墙体材料实行鼓励和扶持政策;如利用工业废弃物生产的建材产品给予免征所得税优惠;协调税务部门进一步出台了鼓励发展新型墙体材料的税收优惠政策;对利用工业废渣、建筑垃圾、江河淤泥制作的新型墙材给予减半征收增值税优惠;对实心粘土砖瓦企业增值税由小额纳税人提高到17%税率的限制政策。会同财政部门出台了《新型墙体材料专项基金征收和使用管理办法》, 有力地支持了新型墙材的发展。
总之, 抑制实心粘土砖的生产和使用, 发展非粘土类、节能环保型的新型墙体材料, 如混凝土小型空心砌块及泡沫混凝土复合自保温材料, 全面推广节能建筑, 禁止使用实心粘土砖, 推进墙体材料革新, 是贯彻落实科学发展观, 节约资源, 保护土地和环境, 实现经济社会可持续发展的重要举措, 功在当代, 利在千秋。
摘要：实心粘土砖大量占用破坏土地、消耗能源、污染环境, 是一种资源消耗型产品。抑制实心粘土砖的生产和使用, 发展非粘土类、节能环保型的新型墙体材料, 全面推广节能建筑, 禁止使用实心粘土砖, 推进墙体材料革新, 是实现经济社会可持续发展的重要举措。在新的历史条件下, 环保节能型建筑材料层出不穷, 但性能单一, 为了更加全面地改善外墙的保温性能, 发展新型复合保温材料是一种方向。混凝土小型空心砌块与泡沫混凝土完美结合的外墙复合自保温材料实现了材料性能的优势组合。
关键词：墙体材料,混凝土小型空心砌块,泡沫混凝土,复合自保温
参考文献
[1]李立君.实用建筑节能工程设计[M].北京:中国电力出版社, 2008.
[2]杨昌鸣.建筑资源的再利用策略[M].北京:中国计划出版社, 2010.
[3]张敏.建筑材料[M].北京:中国建筑工业出版社, 2010.
复合泡沫材料 篇7
关键词：短纤维,聚丙烯,泡沫复合材料,增强机理
近年来,为应对交通和运载工具轻量化、重要缓冲包装材料及耐更高温度等领域对传统泡沫材料的物理-力学性能提出的更高要求,研制具有更高比强度、比刚度、耐热和隔热性能的高性能聚丙烯(PP)泡沫复合材料正日益受到国内外研究人员的关注。采用短纤维对泡沫材料进行增强,制备短纤维/PP泡沫复合材料以其工艺简便且效果显著而得到广大科研人员的青睐,研究进展快速。
1 NF/PP泡沫复合材料
目前,PP泡沫材料改性应用天然纤维(NF)的种类主要有木纤维(WF)、大麻纤维(HF)和竹纤维(BF)。
Bledzki A K等对WF增强PP泡沫复合材料进行了比较系统的研究并做了大量细致的工作[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13]。他们以含量-结构-性能为主线,确定了WF的添加量与微孔结构及物理-力学性能之间的关系,当WF的质量分数为30%,复合体系的发泡区域最宽,且泡孔较均匀细密,泡沫复合材料的密度降低30%左右;若纤维的添加量过高时,将导致不规则泡孔结构的出现[1,3,4,10],而适当控制WF中的湿气含量使其成为辅助发泡剂,则能够进一步降低制品的密度[10];相容剂在复合体系中的作用显著,当马来酸酐接枝PP(PP-g-MAH)的添加量达到5%时,即能够显著提高WF/PP泡沫复合材料的力学性能,其比拉伸强度和比弯曲强度均超过了未发泡复合材料[4,5,6];且通过木纤维表面的羟基与酸酐间的酯化反应,使体系中的亲水基团转变为憎水基团,降低了WF与PP的界面张力和增强了界面结合,从而降低了吸水量[11]。但在以CO2为发泡剂的研究中发现,WF的引入由于降低了CO2在样品中的溶解度,且提高了气体扩散系数,加速了CO2在发泡过程中的损失,对气泡形核及长大具有抑制作用,导致了发泡效果的下降[12,13]。
金翠霞等采用二次开模工艺制备了WF/PP微孔复合材料,发现添加5%的木纤维可获得最佳的综合性能,泡孔直径为20.5μm,拉伸强度为38.8MPa,弯曲强度为48.9MPa,冲击韧性5.2kJ/m2,除拉伸性能外,均高于纯PP试样的性能[14]。
朱敏等也发现WF的引入增大了PP熔体强度,能够抑制泡孔的合并和坍塌,获得较为理想的泡孔结构,但可能是WF含量过多的原因(30%～60%),材料的力学性能均出现了不同程度的降低[15]。张军等的研究也得到了类似的结果,分析认为是过多WF的引入导致应力集中的缘故[16]。
Mechraoui A等设计了表层为HF增强PP,芯部为PP泡沫体的三明治结构复合材料,并通过拟合实验数据建立了三明治结构泡沫体的弹性模量预测模型。研究发现HF的存在不仅提高了PP泡沫复合材料的力学性能,还对芯部泡孔结构具有改善作用[17]。
周吓星等通过注塑工艺制备了BF/PP泡沫复合材料,发现添加10份的BF可使复合材料的抗弯强度提高9.5%;随着BF含量的增加,材料的耐热性变好,但拉伸性能和冲击韧性均下降[18]。
通过适当的发泡工艺制备的NF/PP泡沫复合材料,以其质轻和更高的比力学性能,在替代天然木材方面具有较大的优势。但密度仍较大(0.718～0.741g/cm3) [4,5,6,7],还不能满足高性能泡沫材料所需要的“轻质高强”要求,因此仍需寻求效果更佳的增强材料。
2 SGF/PP泡沫复合材料
玻璃纤维是制备聚合物基复合材料应用最为广泛的增强材料,而在PP泡沫复合材料中,以短玻璃纤维(SGF)应用较多[19,20,21,22,23,24,25,26]。
Thompson M R等在考察SGF/PP泡沫复合材料的流变性能和力学性能时发现,借助发泡工艺可以显著降低注塑成型过程中的纤维破碎率,有利于提高试样的力学性能[19,20]。
Begin M等在研究SGF/PP结构泡沫时发现密度与焊缝位置对冲击韧性和抗弯强度的影响很大[21]。
Wang B等采用有限元方法建立了SGF/PP泡沫复合材料的结构模型,通过计算发现提高SGF含量、增加SGF长度或使其择优取向等手段都能获得较高的弹性模量,且与Thomason J L的实验结果进行比较,发现两者具有较好的一致性[22]。
蒋团辉等的研究也显示添加SGF可显著提升PP微孔泡沫材料的拉伸强度,且较大长径比的SGF更有利于获得较高的抗弯强度[23]。
在SGF/PP泡沫复合材料的结构与性能研究方面,笔者做了一些相关工作,发现引入SGF后可显著改善复合体系的发泡效果,获得均匀细密的泡孔结构,使冲击韧性和抗弯强度提高1倍[24],且通过添加界面相容剂,可进一步提升SGF/PP泡沫复合材料的强度和韧性[25,26]。
3 CNF/PP泡沫复合材料
Antunes M采用一步模压法制备了密度为0.3g/cm3且比拉伸模量高达1.2GPa/(g·cm-3)的碳纳米纤维(CNF)/PP泡沫复合材料,发现添加20%的CNF可使泡孔平均直径从500μm降低到250μm,泡孔密度从2.19×106cells/cm3增加到1.16×107cells/cm3 [27];电学性能测试显示,发泡工艺显然促进了CNF在基体中的分散和分布,增强了CNF/PP复合体系的导电性能,随着CNF质量分数增加,CNF/PP泡沫复合材料较未发泡体系更快地达到电导率最大值[28]。
CNF具有纳米尺寸、高强度和导热导电等特性,其在泡沫材料中的应用一方面可以显著提升力学性能,还具有功能化泡沫材料的作用;但由于CNF在热塑性基体中往往很难分散均匀的缘故,此类研究报道目前还很少。
4 晶须/PP泡沫复合材料
目前的国内外文献中,利用晶须增强PP泡沫材料的研究很少,仅贵州师范大学的龚维等用二次开模注塑工艺制备了晶须/PP微孔复合材料,并比较了MgSO4晶须和CaCO3晶须对PP的发泡行为和力学性能的影响。研究发现,添加10%的晶须即可得到泡孔直径为25.27μm和泡孔密度提高3倍的泡沫复合材料[29,30],且MgSO4晶须的改性效果较CaCO3晶须更优。当其含量为25%时,泡沫复合材料的拉伸强度和抗弯强度与未发泡基体相当,表现出了优异的增强效果,但冲击韧性呈下降趋势[31]。
5 短纤维增强机理分析
在PP发泡体系中引入短纤维,一方面在聚合物的发泡过程中起到了一定的异质形核的效应,增大了气泡的形核效率,从而能够在很大程度上降低泡沫体系的泡孔平均直径、显著提高泡孔密度,对于改善泡沫复合材料的性能,尤其是力学性能具有显著的作用;但若含量过大也会导致发泡体系的熔体强度(黏度)的急剧增大,部分气泡在形核之后无法正常膨胀,从而出现熔体中溶解的气体过度聚集而形成局部大泡孔的现象,反而恶化泡沫复合材料的发泡效果[1,3,4,10],进而导致其力学性能的降低。
另一方面,在泡沫复合材料体系中,短纤维多存在于泡孔结构的泡壁中,通过对泡壁材料进行增强来提高PP泡沫复合材料的强度和刚度,只有在短纤维含量适当且与基体间具有良好界面结合时,才能对泡沫复合材料起到显著的增强效果[4,5,6,24,25,26]。
6 结语
复合泡沫材料 篇8
3 纤维水泥板-泡沫混凝土复合自保温墙体温度场模拟
3.1 墙体温度场计算模型
设墙体材料均匀连续,各层之间紧密连接,不存在层间热阻,且忽略墙体沿长度及高度方向的温度变化,仅模拟沿墙体厚度方向温度变化。沿墙厚方向任意点处温度满足以下关系:
式中:λ——材料导热系数;
c——比热容;
t——时间;
ρ——材料密度。
对墙体厚度方向不同时刻温度场的求解就是在一定的墙体边界条件下对上述热传导方程进行求解。外界环境对边界条件的影响有两个方面:一是空气对流换热,包括内表面与室内环境换热及外表面与室外大气换热;另一个是辐射受热,主要是外表面受到的太阳辐射。对流换热是流体流经固体时流体与固体表面之间的热量传递。
由于室内与墙体内表面之间、墙体各层材料之间辐射作用较弱,内表面节点处的热流量可认为就是室内空气的对流换热:
式中:Tin(t)———室内空气温度;
βin———墙体内表面与室内空气的对流换热系数;
Tl(t)———墙体内表面温度。
参照GB 501762—93《民用建筑热工设计规范》,取βin=8.7 W/(m2·℃)。相对于外界大气温度,室内温度在一天内处于一个相对恒定的状态,为了简化计算,根据四个季节的气温不同,各取一个典型室内温度,在计算过程中室温恒定不变。春、夏、秋、冬分别取室内温度为23、25、23、20℃。
与内表面节点处类似,在外表面节点处由室外空气对流引起的对流换热可表示为:
式中:Tout(t)———室内空气温度;
βout———墙体内表面与室内空气的对流换热系数;
Tn(t)———墙体外表面节点处温度。
GB 501762—93规定,βout与墙体外表面空气流动速度Ve有关,为便于比较,将春夏秋冬四个季节的βout值分别取21、19、21、23 W/(m2·℃)。而影响外界大气温度的因素较多且复杂,昼夜更替、季节变化、雨雪阴晴,都会对大气温度产生较大影响。
假设气温在一天内随时间呈正弦变化:
式中:Ta——室外气温;
Tmax、Tmin——分别为一天内的最高、最低温度,对于春夏秋冬四个季节,最高温分别取25.3、39.0、26.5、1.5℃,最低温分别取4.4、23.0、9.7、-11.5℃。
在墙体外表面,除了对流换热,太阳辐射是影响墙体温度场一项非常重要的外部因素,太阳辐射引发的热流为:
式中:qr———太阳辐射在外表面产生的热流;
αs———墙体外表面太阳辐射吸收率;
IZ——太阳总辐射照度,具体的计算方法参照GB501762—93。
建立了以上温度场计算模型,将墙体连续点进行离散化处理,利用有限差分法对式(1)进行求解[9],即可得到一个计算周期(24 h)中墙体内任意点任意时刻的温度值。根据计算结果,得到墙体内表面在24 h内随时间变化的温度值T1,t=0,T1,t=Δt,T1,t=2Δt,……,T1,t=24 h,利用式(2)可以计算得到室内环境与墙体间的热量交换值:
进而得到:
式中:Eex——24 h内在室内温度Tin恒定时,室内环境与单位面积墙体热量交换值总和,kJ/(m2·d)。当Eex为正值时,表示室内向室外散发热量;Eex为负表示室外向室内输入热量。该值可以用于评价不同外墙的节能特性。
3.2 计算参数
纤维水泥板-泡沫混凝土复合墙体中各材料的热物理参数如表3所示。为了与现有保温形式对比,另外还选取了一种实际工程中较为常用、具有良好保温特性的保温墙体———胶粉聚苯颗粒贴砌聚苯板外墙外保温墙体[10]进行对比,其各项热物理参数列于表4,总厚度为297 mm。
3.3 计算结果分析
根据文献[9]可知,建筑在不同季节、不同朝向的墙体,由于外界大气温度与太阳辐射强度、辐射入射角度不同,表面温度有非常大的差异。夏季各向墙体中,西墙表面温度的峰值最高,温度波动也最大;冬季各向墙体中,北墙受太阳辐射产热较少,表面温度峰值最低。为了对比墙体在最不利环境下的保温节能特性,选定夏季西墙、冬季北墙为计算对象,通过变化纤维水泥板-泡沫混凝土自保温复合墙体中泡沫混凝土层的厚度,得到0.5K、0.7K、1K 3个等级复合墙体Eex值随内芯层泡沫混凝土厚度变化的关系曲线,如图14所示,其中虚线为粘砌聚苯板外墙外保温墙体相对应的Eex值。
由图14可以看出:(1)随着泡沫混凝土层厚度的增加,各等级墙体节能性能的提升非常明显。当层厚从90 mm增加至360 mm后,0.5K、0.7K与1K等级的Eex值绝对值分别降低至原来的29%、31%、33%。而泡沫混凝土的密度对复合墙体的保温性能影响也很明显,并且这种影响随着内芯层厚度的增加而不断增大。当内芯层厚度同为90 mm时,0.5K与0.7K等级复合墙体的Eex值分别为1K等级的57%与81%;当内芯层增加到360 mm时,Eex分别降至51%与76%。(2)在保证相同节能性能的前提下,相比于297 mm厚度的贴聚苯板外保温涂料饰面墙体,0.5K、0.7K与1K 3个密度等级的内芯层厚度分别为220、333、450 mm(夏季)和212、320、437 mm(冬季)。(3)考虑到左右侧板的厚度,采用此种纤维水泥板-泡沫混凝土自保温形式墙体,要达到贴聚苯板外保温墙体的保温节能功效,0.5K、0.7K与1K 3个密度等级墙体总厚度应分别为240 mm、350 mm与470 mm。
使用240 mm厚0.5K等级复合墙体(内层厚220 mm)作为夏季南墙与冬季北墙进行墙体温度场计算,得到24 h内墙体各层温度随时间变化的曲线如图15所示,其中T1、T4为墙体内、外表面温度,T2、T3分别为泡沫混凝土与内外两侧纤维板材的连接界面温度。
由图15可知,由于板材厚度较小且材料导热系数较大,左右两侧的纤维增强板材对温度的传导基本没有阻碍作用,220 mm厚泡沫混凝土层承担了所有的阻热作用,其内外两侧温度基本等于墙体内外两侧温度,即T1≈T2、T3≈T4。对于夏季西墙,泡沫混凝土外侧温度在24 h内变化范围为23.2～57.3℃,内侧温度维持在25.0～26.6℃;对于冬季北墙,其外侧温度变化范围为-10.6～3.3℃,内侧维持在18.2～18.9℃。
图16为贴聚苯板外保温涂料饰面做法夏季南墙、冬季北墙24 h内的温度场计算结果,其中T1、T9为墙体内、外表面温度,T4、T5、T6、T7依次为内层保温浆料、聚苯板层、外层保温浆料3层相邻材料4个界面上的温度。
从图16可以看出,上述3层保温层承担了墙体大部分的阻热作用,即温度从T4～T7变化较大,而T1≈T4、T7≈T9。但是3个保温层温度变化规律不尽相同:对于内层保温浆料(15 mm厚),其两侧温差保持在5℃以内,且两侧界面上的温度波动均较小;对于聚苯板层(60 mm厚),内侧温度24 h内波动较小,但外侧温度变化在夏季为23.4～54.7℃,冬季为-8.5～4.4℃,两侧温差较大,可达25℃;对于外保温浆料层(10 mm厚),两侧温差保持在4℃以内,但整体温度在1天内的温差非常大,在夏季与冬季分别约为30℃、13℃。由此结果可以推测,聚苯板层和外保温浆料层将因温度剧烈变化而产生较大的自身缩胀及层间错动变形,进而可能产生表层与保温层间的脱落、开裂等现象。
图17为当夏季西墙、冬季南墙中墙体内外表面温差最大时,2种保温形式的墙体沿厚度方向的温度分布图。
从图17可以看出,在保温性能相同的情况下,贴聚苯板外保温墙体温度变化主要集中在205～290 mm的厚度范围内;与之相比,纤维板材-泡沫混凝土自保温墙体的温度变化主要在10～230 mm的厚度范围内。另外,由于纤维增强板材具有抗开裂、抗冲击破坏的良好力学特性,并且挤压脱水成型工艺使得板材表面气泡及缺陷较少、可达到青砖的装饰效果,其复合在墙体表面后,在强化表面力学性能的同时也省去了抹面、装饰等墙体表面二次施工工序。同时,该墙体还从根本上解决了现有常用聚苯板保温材料防火性差的问题。因而,纤维增强板材-泡沫混凝土复合墙体材料与现有的有机材料保温形式相比具有诸多优点,有良好的工程应用前景。
4 结论
(1)泡沫混凝土干密度是其强度的主要控制因素。1K密度等级的7 d抗压强度可以达到9 MPa,弹性模量约为1GPa;0.7K等级抗压强度降至3 MPa,弹性模量为0.6 GPa;0.5K等级抗压强度为1 MPa,弹性模量为0.2 GPa;
(2)纤维的掺入对泡沫混凝土抗压性能有明显影响,纤维的掺入可提高抗压峰值荷载之后的承载能力,但对抗压强度值影响不大;
(3)纤维的掺入对泡沫混凝土抗弯性能的改善效果显著。掺加纤维后,3个等级泡沫混凝土的抗弯强度分别提高了87.50%、180%和300%;
(4)PP纤维和PVA纤维对泡沫混凝土抗弯性能的改善效果类似;
(5)1K、0.7K、0.5K 3个等级纤维水泥板-泡沫混凝土复合块体28 d抗压强度可分别达到26、17和11 MPa,相对于泡沫混凝土材料,抗压强度分别提高了2倍、5倍、10倍;
(6)在养护28 d后,1K、0.7K、0.5K等级复合块体抗弯强度分别为5.5 MPa、3.5 MPa和2.3 MPa,分别是相应等级纤维增强泡沫混凝土材料的3.9倍、5.0倍、5.8倍;
(7)以室内环境与墙体换热能量总值作为指标评判,要达到本文举例参比的297 mm厚粘贴聚苯板外保温涂料饰面墙体的保温节能功效,1K、0.7K与0.5K 3个等级复合墙体总厚度应分别为470、350和240 mm。
参考文献
[1]MR Jones,McCarthy A.Behaviour and assessment of foamedconcrete for construction applications[A].In Dhir RK,NewlandsMD,McCarthy A(eds.).Use of Foamed Concrete in Construction[C].London:Thomas Telford Press,2005:61-88.
[2]MR Jones,McCarthy A.Preliminary views on the potential offoamed concrete as a structural material[J].Magazine of ConcreteResearch,2005,57(1):21-31.
[3]高原,张君.加气混凝土自保温与聚苯板外保温墙体隔热性能对比[J].新型建筑材料,2010,37(3):48-54.
[4]K Ramamurthy.A classification of studies on properties of foamconcrete[J].Cement and Concrete Composites,2009,31:388-396.
[5]陈兵,刘睫.纤维增强泡沫混凝土性能试验研究[J].建筑材料学报,2010,13(3):286-290.
[6]李启宏,侯东伟,张君.挤压成型纤维增强水泥砂浆板材的收缩性能[J].清华大学学报,2009,5(9):1459-1462.
[7]张君,刘骞.基于三点弯曲实验的混凝土抗拉软化关系的求解方法[J].硅酸盐学报,2007,35(3):268-274.
[8]华南理工大学.建筑物理[M].广州:华南理工大学出版社,2002.
[9]张君,黄振利,李志华,等.不同保温形式墙体温度场数值模拟与分析[J].哈尔滨工程大学学报,2009,30(12):1356-1365.
复合泡沫材料 篇9
1 实验
1.1 主要原料与试剂
聚丙烯(PP):PPH-XD-140,金陵塑胶化工产品;低密度聚乙烯(LDPE):台湾塑胶公司提供;马来酸酐接枝PP(PP-g-MAH):HD900P,南京华都科技公司生产;短玻璃纤维(SGF):直径3～15μm,长径比5～10,南京绿洲建材厂产品;硅烷偶联剂(KH550):南京燕化化工产品;复合发泡剂:将偶氮二甲酰胺(江苏索普集团,95%纯度)和ZnO,SiO2(市售,分析纯)以1∶0.1∶0.15的质量比进行复配后在混料机中均匀混合;液体石蜡和无水乙醇均为分析纯,市售。
1.2 试样制备
将SGF在100℃下干燥40min,于室温下在1%(质量分数)的KH550的乙醇溶液中浸润20min,然后在110℃下处理10min后备用。以PP/LDPE (80/20,质量比)为基体树脂,复合材料中的SGF含量固定为20%(质量分数,下同),PP-g-MAH的添加量分别为0,3%,5%,8%和12%,具体试样制备流程如图1所示。复合发泡剂、SGF与树脂分别在SHR-10A高速混合机和CM-30单螺杆挤出机进行预混合和挤出造粒后(从加料口到挤出机口模的温度分别为160,175,180,175,170℃),在刚性密闭模具中于170～175℃发泡成型,控制PP泡沫试样的表观密度为0.47～0.48g/cm3。
1.3 测试与表征
SGF/PP泡沫复合材料冲击断面的泡孔形貌和SGF,PP-g-MAH在基体中的分布及界面结合用QUATAN 200环扫描电镜观察;用泡孔密度和泡孔平均直径来表征发泡效果[11]。冲击强度(简支梁法,无缺口) 和三点弯曲性能测试分别在XJ-300A摆锤式冲击试验机和CMI 5105万能试验机上进行,试样规格均为75mm×15mm×30mm,至试样断裂为止,结果均取五组试样的平均值。
2 结果与讨论
2.1 PP-g-MAH对发泡效果的影响
SGF/PP泡沫复合材料冲击断面的泡孔形貌及孔径分布如图2所示,相应数据列于表1中。可以看出,PP-g-MAH的存在并未改变泡孔的基本形貌,仍呈类球形的闭孔结构,但随着含量增加,共混体系的发泡效果得到改善;当PP-g-MAH的含量达到5%～8%,此时发泡点明显增多且泡孔尺寸下降,平均泡径从0.646mm减小到0.419mm,而泡孔密度则从3581cells/cm3增大到13124cells/cm3,孔径差异减小, 分布趋于左移且范围变窄(见图2(f)),而孔径分布方差从0.0783降低为0.0167,表明泡孔分布的均匀性得到明显的改善;当PP-g-MAH含量超过8%后,泡孔密度和孔径分布的均匀性虽稍有降低,但仍明显优于未改性体系。
(a)0% PP-g-MAH;(b)3% PP-g-MAH;(c)5% PP-g-MAH; (d)8% PP-g-MAH;(e)12% PP-g-MAH;(f)孔径分布
(a)0% PP-g-MAH;(b)3% PP-g-MAH;(c)5% PP-g-MAH;(d)8% PP-g-MAH;(e)12% PP-g-MAH;(f)distribution of cell size
由于PP-g-MAH本身具有支链结构,与PP树脂共混过程中易于形成分子链间的缠结效应,对分子链的运动具有一定的限制作用而能提高共混体系的熔体强度,使其能够有效地裹住发泡过程中复合发泡剂分解所放出的气体;此外,PP-g-MAH的存在也增强了SGF与基体树脂之间的界面相容,使SGF更容易被基体所包裹,改善了SGF在熔体中的分散性,增强了两者之间的交互作用,有利于获得熔体黏度更为均衡的发泡体系,从而形成均匀细密的泡孔结构。
2.2 PP-g-MAH对界面结合的影响
图3显示了室温下SGF/PP泡沫复合材料冲击断面中的SGF与基体间的界面结合状况。从图3(a)中看到,未经偶联剂表面处理的SGF与基体间几乎不相容,界面结合很差;经过KH550的预处理后,SGF与基体间的界面黏结得到改善(图2(b)),在同时引入PP-g-MAH的情况下,黏附在纤维拔出部分表面的树脂附着物明显增多(图2(c),(d)),随着PP-g-MAH的含量进一步增大到8%或12%后,SGF在断面处的拔出部位几乎都被基体树脂所覆盖(图3(e),(f)),显示断裂过程中裂纹的产生和扩展主要发生在基体的内部,而非增强纤维与基体树脂的界面处,复合材料的失效模式以基体失效的内聚破坏为主,兼有少量的黏结失效模式,显示KH550的表面包覆和PP-g-MAH的共同作用能够显著增强SGF与PP基体间的界面性能;这可能是由于两者的共同作用一方面减小了SGF与PP间的极性差异,使两者的相容性增大,另一方面PP-g-MAH中的MAH基团能够与SGF表面硅烷偶联剂所带氨基发生界面化学反应,形成牢固的化学键结合的缘故[12,13],具体如下式所示:
(a)未处理SGF;(b)0% PP-g-MAH;(c)3% PP-g-MAH; (d)5% PP-g-MAH;(e)8% PP-g-MAH;(f)12% PP-g-MAH
(a)untreated SGF;(b)0% PP-g-MAH;(c)3% PP-g-MAH; (d)5% PP-g-MAH;(e)8% PP-g-MAH;(f)12% PP-g-MAH
2.3 PP-g-MAH对力学性能的影响
图4显示了SGF/PP泡沫复合材料的冲击强度随PP-g-MAH含量的变化。提高PP-g-MAH的质量分数,泡沫复合材料的冲击强度呈现先急剧增大而后趋缓的变化趋势,当PP-g-MAH的含量从0提高到8%,SGF/PP泡沫复合材料的冲击强度从初始的26.15kJ/m2急剧增大到35.78kJ/m2,提升效果显著,增幅接近35%,但随着PP-g-MAH含量进一步提高到12%时,冲击强度却仅稍有增大到35.95kJ/m2。
当SGF/PP泡沫复合材料受到外加冲击载荷的作用时,能够吸收冲击能量的机制主要来源于增强纤维与基体的界面脱粘和泡孔结构的变形两个方面。PP-g-MAH的加入使得SGF与基体间形成了牢固的界面结合,裂纹在产生后的扩展途径更多地发生在基体树脂内部,这种扩展方式增大了裂纹的传播途径,在断裂过程中能够耗散更多的能量;此外,适量PP-g-MAH的引入也显著改善了泡沫体的泡孔尺寸和分布,获得均匀细密的泡孔结构而大幅缓解了外力的冲击破坏,显著提高了SGF/PP泡沫复合材料的冲击强度。但当PP-g-MAH添加过多时却对复合材料的发泡效果具有一定的负面效应,使其部分抵消了SGF/PP界面性能的增强对冲击强度的提升效应,从而使得冲击强度的增幅趋缓。
PP-g-MAH的质量分数对SGF/PP泡沫复合材料的三点抗弯强度的影响如图5所示。随着PP-g-MAH的增加,复合材料的抗弯强度先上升而后降低,并在含量为5%时达到最大值16.22MPa,较未改性体系(11.41MPa)提升了约42%。这主要是由于PP-g-MAH的存在大幅增强了SGF与基体间的界面结合,使外加应力能够更好地通过界面传递作用而被强度和刚度更高的SGF所分担,且PP-g-MAH对泡沫体发泡效果的改善也能增大复合材料在受力过程中的有效承载面积,从而大幅提高SGF/PP泡沫复合材料的抗弯强度。然而由于PP-g-MAH的强度较PP基体低,在含量较少的情况下,PP-g-MAH主要与SGF间形成界面化学键合,对SGF与基体间界面性能的提升效应要高于PP-g-MAH对强度的负面作用,因而抗弯强度总体上呈增加趋势,而当PP-g-MAH与SGF之间的化学键合接近饱和时,其含量的进一步增多必然会导致SGF/PP泡沫复合材料的抗弯强度降低。
3 结论
(1)PP-g-MAH的加入提高了SGF与PP间的交互作用,改善了共混体系的发泡效果,在含量为5%～8%时最佳,泡孔密度提高近4倍,且分布均匀细密。
(2)硅烷偶联剂的表面包覆和PP-g-MAH的共同作用显著改善了SGF与基体的相容性,大幅增强了两者间的界面结合,提高了SGF/PP泡沫复合材料的力学性能:在PP-g-MAH含量为5%时,抗弯强度达到最大值,16.22 MPa,而当添加超过8%,其冲击强度最佳,较未改性体系提高了35%。
摘要：采用型内二次发泡工艺制备了马来酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MAH)共混改性短玻璃纤维(SGF)/聚丙烯(PP)泡沫复合材料,考察了PP-g-MAH的含量对复合材料的泡孔形貌、微观结构和力学性能的影响。结果表明:PP-g-MAH的引入改善了泡沫体的发泡效果,平均孔径减小了约35%,泡孔密度提高近4倍且分布均匀;偶联剂的表面包覆和PP-g-MAH的共同作用改善了SGF与PP的相容性,显著增强了两者的界面结合;随SGF含量增加,SGF/PP泡沫复合材料的抗弯强度先增大后减小,而冲击强度则呈现先急剧增加而后趋缓的变化趋势。