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竹材力学性能及阻燃性能分析

 论文栏目:力学工程论文     更新时间:2018/5/3 15:39:38   

摘要:木材短缺与优质竹制品需要对竹材预处理改善竹材性能,采用正交试验和对比试验研究三聚氰胺甲醛(MF)树脂对竹子力学性能及硅酸钠、聚磷酸铵对竹子阻燃性能的影响.不同的浸渍浓度、时间、温度对竹子力学性能的影响及两种阻燃溶液浓度、时间对竹子阻燃效果的影响.浸渍浓度和时间对竹子的力学性能有显著的影响而浸渍温度对竹子的抗压强度影响较小.低浓度的MF树脂溶液对渗透阻力小,最佳浓度不超过10%.最佳处理工艺是浓度不超过10%、温度80℃、时间2h,此时抗压强度最大达到139.77MPa.两种阻燃溶液随着浓度和时间的增加,浸渍量呈上升趋势.阻燃性能最佳处理方法为25%的硅酸钠溶液反复(两次)浸渍48h时阻燃时间达到最长为207.73s.

关键词:毛竹;三聚氰胺甲醛树脂;水玻璃;聚磷酸铵;阻燃

随着我国经济的发展,木材可采伐量已不能满足人们的需要[1].我国又是一个少林国家,是世界人均拥有森林蓄积量最少的国家;森林蓄积量低于世界森林平均蓄积量[2].但竹林面积以及竹林的产量都位于世界之首,素有“竹子王国”之称[3-4].竹材是一种天然资源,具有可自然降解、可再生和环境协调性好等特性.随着社会的发展及环保意识的提高,人们把目光重新投向天然、无危害竹材产品[5].竹材以其特有的优异环境学特性和天然的纹理及美感深受人们喜爱[6],在建筑、家具和装饰材料中具有不可替代的重要地位[7-8].近年来随着建筑中竹质材料占木材总消耗量的比例逐年上升,竹材产业的发展壮大对缓解木材供需矛盾具有长远的意义[9-11].竹材具有生长快、强度高、韧性好、耐磨性好等优点[12],竹材制品的生产不破坏生态环境且价格低廉,成为替代木材的最佳选择.但竹材也存在一些天然的缺陷通过预处理可改善竹子的密度和易燃性使其应用范围更加广泛.

1试验材料与方法

1.1试验材料

试验材料:毛竹、三聚氰胺甲醛(MF)树脂、水玻璃(硅酸钠)、聚磷酸铵(APP).毛竹试验用材含水率为8%左右;MF树脂具有良好的力学性能,不溶于冷水,水溶液呈弱碱性,甲醛与三聚氰胺的物质的量之比为2~3;水玻璃(Na2SiO3•9H2O),Na2O含量为19.3%~22.8%,Na2O与SiO2的物质的量之比为(1.03±0.03),模数约为1,黏度越低越易溶于水;APP聚合度≤20为水溶性,P2O5含量≥57%、N含量≥12%、pH为4.5~6.5.

1.2试验方法

通过对毛竹预处理,分别用正交试验和对比试验来改善竹子的力学性能和阻燃效果.力学性能用MF树脂处理毛竹,利用正交试验找出最佳的配制方案.在常压条件下,将试件放在不同浓度及温度的溶液中进行浸渍试验.根据试验设计的时间,将试件取出并烘干,按《建筑用竹材物理力学性能试验方法》(JB/T199⁃2007)测试竹子的顺纹抗压强度.试验采用三因素三水平正交试验,参数见表1.表1正交实验的条件Table1Conditionoforthogonalexperiment因素浸渍时间/h浓度/%浸胶温度/℃水平一11070水平二22080水平三44090阻燃试验采用硅酸钠、聚磷酸铵处理毛竹.硅酸钠、聚磷酸铵溶液浓度为别为5%、10%、15%、20%、25%,在常温常压条件下浸渍(两次)24h确保试件全部浸入溶液中.根据试验设计的浸渍时间,将试件取出并烘干.测出竹子的前后质量变化并找出最佳载药量;用最佳载药量的浓度按试验设计时间反复浸渍竹子,浸渍后取出竹子并进行燃烧试验.燃烧条件为用酒精灯距离竹子7cm的高度进行燃烧,并测量出竹子点燃的时间.

2结果与讨论

2.1三聚氰胺甲醛树脂对竹子力学性能的改善

2.1.1竹子浸胶量的极差分析竹子浸胶量极差分析见表2.由表2可知,竹子在溶液中浸渍的时间对竹子浸渍量的极差影响最大,其次是温度的影响,而溶液浓度对竹子浸胶量的影响最小.各因素对竹材浸胶量的影响依次为:时间>温度>浓度.从较优水平来看,最佳工艺是:浓度10%,时间4h,温度90℃.竹材浸渍量随着时间的增长而逐渐增加,在2h内浸渍量增长速度快,2h后随着时间的延长浸渍量增长速度逐渐减小.时间在2h时竹子的平均浸渍量达到37.59%.温度对竹材的浸渍量影响很大.竹材属于多孔性材料,在加热浸渍过程中随着浸渍温度的增大使更多的树脂和水渗入竹子中.浸渍2h时,90℃的浸渍量分别是80℃和70℃的1.36倍和1.74倍.2.1.2竹子顺纹抗压强度的极差分析顺纹抗压强度极差分析见表3,各因素对MF浸渍改性竹材后顺纹抗压强度的影响见图1.由表3和图1可知,浓度对竹子顺纹抗压强度影响最大,其次是浸渍时间,而温度对竹子强度的影响最小.三因素对竹子浸渍后抗压强度的影响是:浓度>时间>温度,最佳处理工艺是:时间2h,浓度10%,温度为80℃.在最佳的预处理条件下竹子的顺纹抗压强度达到最大.竹子的抗压强度随着时间的增加呈现先增加后减少的趋势.改性后竹子的抗压强度随着浸渍浓度的增大出现减少的趋势,说明渗透性较强的MF树脂会使溶液在毛细管孔隙内的黏度增加.因此,较高浓度的树脂溶液对进一步渗透有较高的阻力.在浓度为10%时竹子的抗压强度为139.77MPa,相对于浸渍浓度20%、40%时改性后竹子抗压强度分别提高了9.00%、16.42%.浸渍时间对竹子抗压强度也有一定的影响,随着时间的增加抗压强度先增加后减少,在浸渍2h时竹子的抗压强度到达最大为135.75MPa,而浸渍4h则降低了13.15%.浸渍温度对竹子的影响较小但在80℃时竹子的抗压强度最大为131.13MPa.即在MF树脂最佳反应条件下抗压强度最大.2.1.3竹材顺纹抗压强度方差分析从方差分析(表4)可以看出,各因素对改性竹材顺纹抗压强度的强弱依次是:浸渍浓度>浸渍时间>浸渍温度.浸渍浓度和浸渍时间对竹子顺纹抗压强度影响一般显著,而浸胶温度对竹子强度影响稍微显著.方差分析结果与极差分析结果一致。

2.2硅酸钠与聚磷酸铵对竹子阻燃性能的改善

2.2.1竹子载药量分析溶液浓度对载药量的影响试验结果见图2.溶液浓度范围为5%~25%时随着硅酸钠、聚磷酸铵溶液浓度不断增大,竹子的载药量呈现出不断递增的趋势.硅酸钠溶液的载药量相对于聚磷酸铵的增长速度更快.溶液浓度为5%时,竹子的载药量分别为硅酸钠0.39%、聚磷酸铵0.44%.当溶液浓度增加到25%时,毛竹的载药量分别为2.67%、2.16%.溶液浓度25%时,硅酸钠溶液载药量比聚磷酸铵提高了23.61%.因此竹子最佳的载药量是浓度为25%的硅酸钠2.67%、聚磷酸铵2.16%.2.2.2竹子阻燃时间的分析阻燃时间与阻燃溶液进入竹材的载药量有关,用阻燃溶液在常温常压条件下浸渍竹子时,随着溶液浓度的不断增加竹子的载药量呈现出递增的趋势.因此试验选用的浓度为25%,浸渍时间:4、8、12、24、48h.由于竹子本身的密度较大,在常温常压条件下浸渍竹子时竹子载药量的变化值相对较小,因此采用反复浸渍的方法来提高竹子的载药量,从而起到更好的阻燃效果.试验结果见图3,随着浸渍时间的增加竹子的阻燃时间呈现出递增的趋势.浸渍聚磷酸铵溶液和水的竹子随着浸渍时间的增加阻燃时间的曲线增加趋于稳定.主要是随着浸渍时间的增加聚磷酸铵竹子的阻燃时间不断增加,浸渍4h时竹子的阻燃时间分别为聚磷酸铵106.50s、硅酸钠64.56s;在阻燃溶液中浸渍48h后竹子的阻燃时间达到最大分别为聚磷酸铵129.50s、硅酸钠207.73s.因此在同等条件下浸渍硅酸钠比聚磷酸铵溶液的阻燃效果更好一些.竹子随着浸渍时间的增加竹子的含水量不断提高,但时间太长竹子吸水率变化值变小.因此随着时间的增加浸水和浸渍聚磷酸铵溶液的阻燃时间趋于平缓.而浸渍硅酸钠的阻燃时间与浸渍时间呈线性递增关系,即随着浸渍时间的增加竹子载药量不断增加,竹子的阻燃时间也随之增加.载药量不断进入竹子中,但由于低聚合度的聚磷酸铵与聚合物的相容性较差,这样竹子的载药量随着时间不断增加但大都会覆盖在竹子的表面.浸水的在浸渍4h后硅酸钠的阻燃时间分别是浸渍聚磷酸铵的1.65倍、是浸渍水后竹子的1.86倍;浸渍48h后硅酸钠的阻燃时间分别是聚磷酸铵的1.60倍、是水的2.13倍.

3结论

用三聚氰胺甲醛(MF)树脂处理竹子,竹子的顺纹抗压强度随着浸渍浓度的增加而降低.在渗透过程中,渗透性较强的MF树脂会使溶液在毛细孔隙内的黏度增加.因此,较高浓度的MF树脂溶液对进一步渗透有较高的阻力.反之,低浓度则容易使MF树脂渗入竹材.浸渍时间对竹子抗压强度也有一定的影响.随着时间的增加竹子抗压强度先增加后减少,在2h时竹子的抗压强度最大为135.75MPa.浸渍温度对竹子力学性能的影响并不大,但在80℃时竹子的抗压强度最大为131.13MPa.MF在较高温度下溶液黏度降低使渗入变得容易.然而一些物质如单糖,可能在较长时间或更高温度下从竹子中渗出.即在适当的温度(80℃)下,适当时间(2h)用MF树脂浸渍竹材,则会形成渗透与渗出的不平衡,使更多的MF树脂渗透到竹子中.竹子的毛细管被MF树脂填充,硬化后提高了改性竹材的密度从而使竹子的顺纹抗压强度得到提高,此时MF树脂改性竹材的抗压强度达到最大为139.77MPa.随着硅酸钠溶液浓度和浸渍时间的增加,竹子的浸渍量呈现出上升趋势.因此浸渍量的不断增加使竹子的阻燃性得到提高.硅酸钠在水中水解能形成多聚硅酸,对竹子进行燃烧试验时竹子表面会覆盖着一层白色泡沫(无水硅酸钠),生成的无机膜在竹材表面形成隔层.无水硅酸钠在较高温度下会形成熔融性的玻璃状溶体使其变得更加致密有利于隔热、隔氧同时抑制了可燃气体的逸出对气体起到保护作用,并且具有良好的隔热作用.因此浸渍过硅酸钠溶液的竹子阻燃时间得到较大幅度的提高.在反复浸渍48h后竹子的阻燃时间达到207.73s,是相对于同条件聚磷酸铵的1.60倍、是浸水的2.13倍.聚磷酸铵在受热时,会成为强脱水剂起到覆盖机材的作用,同时生成CO2、NH3等不燃气体,隔绝和稀释空气中的氧气浓度,从而起到阻燃的作用.竹子在浸渍48h的阻燃时间最长为129.50s,是浸渍水阻燃时间的1.60倍.试验采用聚磷酸铵平均聚合物≤20,由于低聚合度的聚磷酸铵与聚合物的相容性较差,当溶液浓度为25%时竹子烘干时表面会析出白色的粉末覆盖在表面.因此在相同的条件下浸渍硅酸钠溶液的竹子比聚磷酸铵的阻燃效果更好。

作者:张玉红 蔡基伟 李珍 单位:河南大学 循环与功能建材实验室

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