玄武巖玻璃粉體與短切纖維對復合材料力學性能影響的對比分析

劉華武，姜艷飛，賈濤芳

（1.天津工業大學紡織學部，天津 300387，2.天津市鼎上新材料科技有限公司，天津 300387）

玄武巖玻璃粉體與短切纖維對復合材料力學性能影響的對比分析

劉華武1，2，姜艷飛1，賈濤芳1

（1.天津工業大學紡織學部，天津 300387，2.天津市鼎上新材料科技有限公司，天津 300387）

分別添加0%、5%、10%、15%、20%、25%的玄武巖粉體和短切纖維，研究添加后木質復合材料關鍵力學性能的變化.當粉體添加質量分數為15%時，復合板的拉伸強度達到峰值24.3 MPa，比未增強的復合板高了94.3%；而玄武巖短切纖維添加質量分數為10%時，復合板拉伸強度達到峰值18.9 MPa，比未增強復合板提高50.8%.當粉體添加質量分數和玄武巖短切纖維添加質量分數均為10%時，復合板的彎曲強度達到峰值各為41.8 MPa和39.2 MPa，比未增強的復合板各提高了43.3%和34.4%.結果表明，玄武巖粉體不僅僅價格遠低于玄武巖短切纖維，其增強效果也遠優于該纖維.

玄武巖玻璃粉體；玄武巖短切纖維；木質復合材料；拉伸強度；彎曲強度

木質復合材料是以木材（包括纖維、板和刨花等）為基體材料，加上其他增強材料或功能材料復合而成，其具有承載能力或特定性能[1].申士杰等[2]開發了木纖維與玄武巖玻璃陶瓷纖維以酚醛樹脂為膠黏劑混合的制造復合板，并對復合工藝進行了深入的研究.任強等[3]量化了巖棉用量、施膠量、復合板密度和熱壓參數對木質復合材料力學性能的影響.玻纖增強后的白楊纖維板，甚至都可以達到歐共體定向結構板（PrEN300-94OSBP4）的標準，用作工程材料[4-5].玄武巖玻璃陶瓷纖維（簡稱為玄武巖纖維）與其他高性能纖維相比，具有較好的復合活性和較低的價格，屬于高強低伸的環保型纖維[6]，因此經常用于增強木質復合材料.玄武巖玻璃陶瓷含玻璃和晶體相，其性能受到晶體雜質的影響波動較大.當消除晶體成為連續均勻的玄武巖玻璃之后，強度大幅度提高[7].采用玄武巖玻璃粉體增強的木質復合材料，性能和價格均遠優于短纖增強，同時也不需要設備改造，更利于產業化推廣.本文通過對兩種復合材料力學性能的對比分析，從而為開發出一種新型木質復合材料提供有力的理論依據.

1 實驗部分

1.1 試驗材料

玄武巖玻璃粉體，粒徑小于5 μm，由天津市鼎上新材料科技有限公司提供；玄武巖短切纖維，長度為20 mm，直徑為9 μm，細度為264tex，由四川拓鑫玄武巖實業有限公司提供；杉木粉，由天津市嘉宇工貿有限公司提供；其他輔料包括三聚氰胺改性脲醛樹脂（MUF）、硅烷偶聯劑KH-550、NAOH溶液和脫模劑PMR，均為市售.

1.2 實驗方法

采用玄武巖短切纖維和粉體作為板材的增強體，添加到堿化處理過的木粉，其添加質量分數分別為0%、5%、10%、15%、20%、25%.偶聯劑的添加方式為混合膠黏劑方式，木屑與增強體的總質量一定，為200 g，膠黏劑用量為150 g.待混合均勻后，置于300 mm× 300 mm×10 mm尺寸的模具內進行熱壓，熱壓溫度為120℃，熱壓壓力為15MPa，熱壓時間為10min.最后將溫度降至60℃以下，脫模制成試件.

1.3 參照標準

根據拉伸試驗標準GB1447-2005和彎曲試驗標準GB1449-2005，使用INSTRON3369型萬能電子強力儀器來分別測試2種增強體增強的復合板的拉伸強度和彎曲強度性能，試樣分別被裁剪成250 mm× 25 mm和80 mm×15 mm.每5個試驗值為一組，求其平均值作為試件力學性能值.測試完性能后，對試件斷裂界面形貌進行機理分析.

2 結果與分析

2.1 拉伸強度性能分析

不同添加比例下復合材料的拉伸性能如圖1所示.

由圖1可以看出，玄武巖短切纖維與粉體增強的2種復合板拉伸強度變化規律是相似的，均是隨添加增強體含量先上升后呈下降趨勢.2種復合材料都存在一個拉伸強度臨界值，添加含量一旦超過臨界值，拉伸性能都會有所降低.未添加增強體時，復合板拉伸強度值處于最低，為12.5 MPa.在添加增強體的復合板中，玄武巖玻璃粉體的最佳添加質量分數為15%，此時復合板的拉伸強度達到峰值24.3 MPa，與未添加增強體的復合材料相比強度提高了94.3%；玄武巖短切纖維質量分數為10%時，復合板拉伸強度達到臨界值18.9 MPa，比未添加增強體的復合板提高了50.8%.可見，玄武巖玻璃粉體的增強效果明顯優于玄武巖短切纖維.

圖1 不同添加比例下的復合材料拉伸強度Fig.1 Tensile strength of wood composite with different reinforcement content

2種不同的增強物質都會對復合板的拉伸強度產生影響方差分析如表1和表2所示.

表1 玄武巖玻璃粉體含量對復合板拉伸強度影響的方差分析Tab.1 Analysis of variance for tensile strength in basalt crystal glass powder reinforced composite panels

表2 玄武巖短切纖維含量對復合板拉伸強度影響的方差分析Tab.2 Analysis of variance for tensile strength in chopped basalt fiber reinforced composite panels

由表1可以看出，以玄武巖玻璃粉體為增強體時，F=48.908>F0.01（4，20）=4.43，所以粉體的增強比例對拉伸強度的影響是高度顯著的.由表2可以看出，對短切纖維增強方式來說，F=34.332>F0.01（4，20）= 4.43，說明玄武巖短切纖維的添加比例對復合板拉伸強度的影響也是高度顯著的.

2.2 彎曲強度分析

不同添加比例下復合材料的彎曲性能如圖2所示.由圖2可見，添加不同增強材料的2種復合板彎曲強度變化規律是相似的，隨增強體含量的增加，彎曲強度先上升至一臨界值，后又隨之下降.未添加任何增強材料時，復合板的彎曲強度值達到最低值，為29.2 MPa.添加玄武巖玻璃粉體的質量分數為10%時，復合板的彎曲強度達到峰值41.8 MPa，與未添加增強體的復合材料相比強度提高了43.3%.以玄武巖短切纖維為增強體，質量分數也處于10%時，復合板的彎曲強度達到臨界值39.2 MPa，比未添加增強體的復合板提高了34.4%.通過比較得出，玄武巖晶玻璃粉體增強效果明顯優于玄武巖短切纖維.

圖2 不同添加比例下復合材料彎曲強度Fig.2 Bending strength of wood composite with different reinforcement content

2種增強材料都會對復合板的彎曲強度產生影響，方差分析結果如表3和表4所示.

表3 玄武巖玻璃粉體含量對復合板彎曲強度影響的方差分析Tab.3 Analysis of variance for bending strength in basalt crystal glass powder reinforced composite panel

表4 玄武巖短切纖維含量對復合板彎曲強度影響的方差分析Tab.4 Analysis of variance for bending strengths in chopped basalt fiber reinforced composite panel

由表3可以看出，對于粉體增強而言，F=92.498> F0.01（4，20）=4.43，表明玄武巖玻璃粉體的增強比例對木質復合材料彎曲強度的影響是高度顯著的.由表4可以看出，對于短切纖維來說，F=66.023>F0.01（4，20）= 4.43，纖維的增強比例對其彎曲強度也具有高度顯著的影響.

3 結 論

對比分析得出：玄武巖玻璃粉體增強時拉伸及彎曲強度峰值分別為24.3 MPa和41.8 MPa；玄武巖短切纖維增強時拉伸及彎曲強度峰值分別為18.9 MPa和39.2 MPa.相比未增強的木質復合板最大拉伸及彎曲強度值12.5 MPa和29.2 MPa均有了大幅度提高.玄武巖玻璃粉體和玄武巖短切纖維2種增強材料對木質復合材料的拉伸、彎曲強度性能都有顯著地增強效果.玄武巖玻璃粉體強度遠高于玄武巖短纖且具有物理鉚釘的作用，從而使得粉體對木質復合材料的機械性能增強優于短纖.

[1]羅朝暉，朱家琪，黃澤恩.木材金屬復合材料的研究[J].木材工業，2006，14（6）：25-27.

[2]申士杰，王麗宇，張燕霞，等.木纖維與玄武巖纖維復合工藝的研究[J].國際木業，2004（1）：22-25.

[3]任強，李建章，鹿振友.木纖維/巖棉纖維復合材料的研究[J].北京林業大學學報，2007，29（2）：161-165.

[4]鮑甫成，張雙保.木材玻璃纖維復合材料性能改善的研究[J].林業科學，2004，5（3）：118-122.

[5]張雙保，趙立，鮑甫成，等.玻璃纖維增強三倍體毛白楊木質（纖維）復合材料的研究[J].北京林業大學學報，2001，23（4）：49-54.

[6]宋秋霞，劉華武，鐘智麗，等.硅烷偶聯劑處理對玄武巖單絲拉伸性能的影響 [J].天津工業大學學報，2010，29（1）：19-22.

[7]逄愛云.玄武巖短纖/玄武巖粉體增強瀝青混合料機理及性能研究[D].天津：天津工業大學，2011.

Constraction analysis of influence of basalt glass powder superior to basalt fiber on mechanical properties of composile

LIU Hua-wu1，2，JIANG Yan-fei1，JIA Tao-fang1
（1.Division of Textiles，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；2.Tianjin Ding New Material Technology Co Ltd，Tianjin 300387，China）

The key mechanical properties change of wood composites was introduced when basalt glass powder and chopped basalt fiber with the different content(0%,5%,10%,15%,20%,25%）were added in wood composites.The tensile strength reached a maximum value of 24.3 MPa when the adding content of powder was 15%.Compared with the unreinforced wood composite panel group,the reinforced group increased tensile strength 94.3%. However,the tensile strength value was 18.9 MPa when the addition ratio of chopped basalt fiber was 10%. Compared with the unreinforced one,the reinforced group only improved tensile strength 50.8%.The maximum bending strength value of 41.8 MPa and 39.2 MPa were obtained when the content of the powder and chopped basalt fiber were all 10%.Compared with the unreinforced one,the reinforced group increased bending strength 43.3%and 34.4%respectively.The results showed that the price of basalt glass powder was far below than chopped basalt fiber,and the enhancement impact of powder was far superior to reinforcing effect of the fiber.

basalt glass powder；chopped basalt fiber；wood composites；tensile strength；flexural strength

TB332；TS102.41

A

1671-024X（2014）05-0001-03

2014-07-08

國家863高技術發展研究計劃重大項目（2012AA03A204）

劉華武（1955—），男，教授，碩士生導師.E-mail：huawu-liu@163.com