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室内装潢材料木塑复合材料的性能分析

作者:原创论文网 时间:2018-06-06 15:15 加入收藏

本文摘要

  室内设计是指根据建筑环境的用途、客观条件和主观要求,在考虑现有施工水平的前提下最大限度的发挥创造力和想象力的新兴学科。虽然室内设计是以建筑学原理为基础建立的,但新型室内设计理念的实现和相关概念的迭代与创新主要依托于材料学的快速发展。

室内装潢材料木塑复合材料的性能分析

  由于天然木材的过度采伐和森林资源的保护不当,自然现有的木材资源已经无法满足人类生产生活的需要。近年来,以木塑复合材料为主体材料的装潢材料蓬勃发展,并占领了部分纯实木装潢材料的市场。与纯天然木质材料相比,木塑复合材料的力学性能更好,表面光洁度更高,几乎无节疤、翘曲和裂纹等缺陷,耐久性好,不易被虫蛀和微生物降解,是天然木材的完美替代品,其主要原料为农业废料,按比例混合后添加基体并黏结在一起并通过注射成型,模压或挤压等工艺生产成制造装潢材料所用的型材[1]。

  1、木塑复合材料性能

  1. 1、木塑复合材料与实木材料力学性能对比

  室内设计和装潢中常用的纯实木材料主要包括栎木和松木,木塑复合材料主要有聚氯乙烯 (PVC) +木粉 (WF)、高密度聚乙烯 (HDPE) +木粉和聚丙烯 (PP) +WF 三种复合材料。这几种材料制成板材的力学性能对比如表 1 所示,其中栎木和松木板材含水量为 12%,PVC+WF、HDPE+WF 和 PP+WF 三种复合板材木粉加入量 40%。

  根据表 1 可知,木塑复合材料的弯曲强度和弹性模量比纯实木低,在实际使用过程中,大部分装潢材料基本不作为主要承力构件而只起到装饰作用,以木塑复合材料作为制造用于室内装潢的型材是可以满足日常生活中对于型材弯曲强度和弹性模量的要求。另外,木塑材料的密度远大于实木,这使得其耐潮湿能力远远高于实木材料,木塑装潢材料在潮湿环境下仍能保证稳定的形状且不会生长真菌。木塑复合材料受温度变化影响会发生缩胀变形,变形大小主要由材料混合比例 (塑料基体和木质纤维增强材料的比例)和加工工艺 (冷却方式、挤出速度和模压压力等)有关,膨胀变形后的型材通过退火处理可以基本恢复原有尺寸。由于木塑型材的密度大,基本不会发生收缩变形,环境变化引起的收缩变形主要是对真空板材而言的。

  1. 2、PVC+WF 材料的力学性能

  木塑复合材料的常用基体材料包括聚乙烯(PE)、聚丙烯 (PP) 和聚氯乙烯 (PVC) 三种,其中以 PE 和 PP 为基体时木粉的填充量占总质量的比重较大,这使得其阻燃性较差,使用频率也比较低[3]。以 PVC 作为基体时,木粉的填充量较少,阻燃能力远高于以 PE 和 PP 基体木塑复合材料。为了分析木粉含量和颗粒直径对力学性能的影响,分别取直径为 30 目、60 目和 100 目的松木木粉三组,以相同工艺模压成片材并进行相关力学试验比较其性能差异。

  图 1 分别比较了木粉含量和颗粒直径对力学性能的影响,其中图 1 均显示木粉含量与材料的力学性能成反比,即木粉含量越高,材料的力学性能越差。与树脂基体相比,木粉的刚性较大,当木粉含量越高时,材料的界面强度就越低,受到外力时木粉颗粒之间很容易发生分离,材料的力学性能也会大大降低。

a-拉伸强度
a-拉伸强度

b-断裂伸长率
b-断裂伸长率

c-弯曲强度
c-弯曲强度

d-冲击强度
d-冲击强度

  另外,根据图 1 还可以发现,颗粒直径越小时其力学性能就越好。这是因为木粉颗粒之间的界面上存在不规则的缺陷 (如孔、洞和空穴等),颗粒直径越大,界面上的缺陷越严重,容易使材料在外载荷的作用下发生破坏。颗粒直径较小时,界面上缺陷也越不明显,材料的力学性能自然就更高。从材料的微观纤维组织结构来看,颗粒直径越小,纤维的长度越小,在相同外力作用下长度较小的纤维可以保持其特性不发生太多变化。对于相同质量分数的木粉颗粒来说,纤维长度较小的木粉颗粒间接触的比表面积更大,材料中颗粒的分散与混合将更加均匀,增强材料与基体的结合程度更好,力学性能更强。

  1. 3 PVC+WF 材料的阻燃性

  木塑复合材料属于易燃材料,降低其可燃性方法有两种: 在配方中添加阻燃剂或采用低燃烧性的塑料作为基体。PVC 是常用的低燃烧性基体之一,但PVC 在高温下会挥发出强酸,对使用环境造成污染[4]。大部分的阻燃剂也都是非环保材料,在配方中添加矿物类材料实现阻燃效果会增加原材料的成本。虽然不能对日常住宅所用的木塑家具在阻燃性方面有太高要求,但通过研究 PVC+WF 材料的阻燃性以及燃烧时烟气的释放量和成分,对于提高 PVC+WF 装潢材料的安全性是有较大的实际意义的。

表 1 木塑复合材料和纯实木材料制成板材的力学性能对比
表 1 木塑复合材料和纯实木材料制成板材的力学性能对比

  表 1 为阻燃性实验中 PVC+WF 材料的配方明细表,其中配方 S 为标准配方。将表中的 5 组配方经过相同工艺处理后,制成 100 mm×100 mm×6 mm 和 25mm×25 mm×6 mm 规格的片材。根据 ISO5660 标准进行锥形量热法实验,热辐射功率为 50 kW/m2,片材规格为 100 mm×100 mm×6 mm,平行实验组数为 3组; 根据 GB/T 8627—2007 标准进行材料的烟密度值测定,片材规格为 25 mm×25 mm×6 mm。

表 2 PVC+WF 材料配方明细表 (单位: 份)
表 2 PVC+WF 材料配方明细表 (单位: 份)

表 3 PVC+WF 材料锥形量热仪分析结果
表 3 PVC+WF 材料锥形量热仪分析结果

  根据表 2 的分析结果可知,标准配方 S 材料的总热释放量、烟释放量和质量损失最大,点燃时间最短,在材料中添加矿物类材料后,复合材料的点燃时间明显延长。

图 2 热释放速率与时间的关系
图 2 热释放速率与时间的关系

图 3 总热释放量与时间的关系
图 3 总热释放量与时间的关系

  由图 2 和图 3 可知,A 配方热释放速率和总热释放量基本在 S 配方以下,达到热释放速率峰值时所用的时间也比 S 配方更长,这说明在材料中添加八钼酸铵具有阻燃作用。相比于 A 配方,C 配方中添加了氢氧化镁和水滑石,材料表现出了更为优良的阻燃性能。另外,B 和 D 配方的热释放速率出现了双峰,这是因为在热释放率达到第一个峰值的时,理论上PVC+WF 材料表面炭化并形成炭层,在一定程度上热量向内层的传递 受 到 阻 隔,燃烧的速率在该时刻之后的一定时间内有所下降。随着材料内层热量的不断积累并具备燃烧的条件时,材料再次燃烧并逐渐达到第二个峰值。

图 4 烟释放量与时间的关系
图 4 烟释放量与时间的关系

图 5 烟密度与时间的关系
图 5 烟密度与时间的关系

  由图 4 和图 5 可知,在材料中添加八钼酸铵以后,烟释放量和烟密度有较为明显的下降,这说明在材料中添加八钼酸铵可以有效地减少材料 PVC+WF材料燃烧时烟的释放量。另外,在材料中添加水滑石、氢氧化镁和硼酸锌对燃烧时抑烟的作用并不明显。对 于只 要 求 燃烧 时 烟 释放 量 和 烟密 度 的 工况 中, 单纯 的 在 材料 中 添 加八钼酸铵是最优选择。

  2、木塑复合材料在室内设计中的应用———木塑复合地板

  从截面上看,常用的木塑复合地板的结构可分为图 6 中的开口型、空心型和实心型三种。

图 6 木塑复合地板的结构
图 6 木塑复合地板的结构

  图 6a、6b、6c 三种木塑复合地板结构的差异性主要表现在其力学性能和耐潮湿性的影响。其中,空心型截面形状的弯曲截面系数与截面面积的比值在三种结构中最大; 中空结构也有利于节省原材料和减小地板的质量。但是,空心型截面的木塑复合地板上表面比较薄,抵抗冲击载荷的能力较差,在潮湿环境中内部的矩形空心结构容易积累水蒸汽,导致地板发生变形,但其结构比较轻便,适合北方干燥气候的家庭室内装修使用。从弯矩在截面上的分布情况来看,开口型结构承受的拉应力最大,其上表面的厚度最大,具有较强的表面耐磨性和抗冲击性能,下表面的半圆形凹槽更有利于排水,适用于对排水性能要求较高的室外运动场馆和家居中浴室、厨房和卫生间等环境中。实心型截面的木塑复合地板耐磨性和强度最高,但生产时消耗的原材料也最多,地板整体的质量也更大,适合某些要求高耐磨性和抗冲击性能的极端条件,在日常室内家居设计中使用较少。

  3、结论

  1) 木塑复合材料在保留实木材料质感的同时,具有更为低廉的成本和更为优良的实用性与耐久性,是室内设计和装潢作业中较为常用的塑料类材料之一。

  2) 虽然木塑复合材料的弯曲强度和弹性模量比纯实木低,但家居装潢中的木塑材料大部分只起到了装饰作用,承担弯矩、剪力和扭矩的工况较少,故其力学性能可以满足室内设计的要求。

  3) PVC+WF 材料中的木粉含量和颗粒直径对力学性能影响较大,其中木粉含量越低,颗粒直径越小,材料的力学性能越强。

  4) 在 PVC+WF 材料中添加以八钼酸铵等为代表的矿物类材料可以提高其阻燃性和抑烟能力,八钼酸铵对于材料抑烟性的影响很大,氢氧化镁、水滑石和硼酸锌主要影响材料的阻燃性。

  5) 木塑复合地板是塑料类材料在室内设计与装潢应用的代表,按结构不同可分为开口型、空心型和实心型三种,其中空心型适合北方干燥气候的室内装修使用,开口型适用于对排水要求较高的环境中使用,实心型在日常家居设计中使用较少。

  参考文献
  [1] 赵桂玲,邓宗极,沈隽,等. 木塑复合材家具特点及其应用与发展前景 [J]. 林产工业,2015,42 (7): 10-13.
  [2] 王清文,王伟宏. 木塑复合材料与制品 [M]. 北京: 化学工业出版社,2007.
  [3] 刘丽娜,张秀斌. PVC 基木塑复合材料性能的研究 [J].沈阳化工大学学报,2010,24 (3): 228-233.
  [4] 刘建中,李影,张洋,等. 装饰用木粉 / 聚氯乙烯木塑复合材料阻燃抑烟的研究 [J]. 现代塑料加工应用,2015(2): 24-27.
  [5] 朱宇宏,徐朝阳,李大纲,等. 耐水木塑地板截面结构特征分析 [J]. 木材工业,2009,23 (4): 37-39.

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