玄武岩玻璃粉体与短切纤维对复合材料力学性能影响的对比分析

刘华武，姜艳飞，贾涛芳

（1.天津工业大学纺织学部，天津 300387，2.天津市鼎上新材料科技有限公司，天津 300387）

玄武岩玻璃粉体与短切纤维对复合材料力学性能影响的对比分析

刘华武1，2，姜艳飞1，贾涛芳1

（1.天津工业大学纺织学部，天津 300387，2.天津市鼎上新材料科技有限公司，天津 300387）

分别添加0%、5%、10%、15%、20%、25%的玄武岩粉体和短切纤维，研究添加后木质复合材料关键力学性能的变化.当粉体添加质量分数为15%时，复合板的拉伸强度达到峰值24.3 MPa，比未增强的复合板高了94.3%；而玄武岩短切纤维添加质量分数为10%时，复合板拉伸强度达到峰值18.9 MPa，比未增强复合板提高50.8%.当粉体添加质量分数和玄武岩短切纤维添加质量分数均为10%时，复合板的弯曲强度达到峰值各为41.8 MPa和39.2 MPa，比未增强的复合板各提高了43.3%和34.4%.结果表明，玄武岩粉体不仅仅价格远低于玄武岩短切纤维，其增强效果也远优于该纤维.

玄武岩玻璃粉体；玄武岩短切纤维；木质复合材料；拉伸强度；弯曲强度

木质复合材料是以木材（包括纤维、板和刨花等）为基体材料，加上其他增强材料或功能材料复合而成，其具有承载能力或特定性能[1].申士杰等[2]开发了木纤维与玄武岩玻璃陶瓷纤维以酚醛树脂为胶黏剂混合的制造复合板，并对复合工艺进行了深入的研究.任强等[3]量化了岩棉用量、施胶量、复合板密度和热压参数对木质复合材料力学性能的影响.玻纤增强后的白杨纤维板，甚至都可以达到欧共体定向结构板（PrEN300-94OSBP4）的标准，用作工程材料[4-5].玄武岩玻璃陶瓷纤维（简称为玄武岩纤维）与其他高性能纤维相比，具有较好的复合活性和较低的价格，属于高强低伸的环保型纤维[6]，因此经常用于增强木质复合材料.玄武岩玻璃陶瓷含玻璃和晶体相，其性能受到晶体杂质的影响波动较大.当消除晶体成为连续均匀的玄武岩玻璃之后，强度大幅度提高[7].采用玄武岩玻璃粉体增强的木质复合材料，性能和价格均远优于短纤增强，同时也不需要设备改造，更利于产业化推广.本文通过对两种复合材料力学性能的对比分析，从而为开发出一种新型木质复合材料提供有力的理论依据.

1 实验部分

1.1 试验材料

玄武岩玻璃粉体，粒径小于5 μm，由天津市鼎上新材料科技有限公司提供；玄武岩短切纤维，长度为20 mm，直径为9 μm，细度为264tex，由四川拓鑫玄武岩实业有限公司提供；杉木粉，由天津市嘉宇工贸有限公司提供；其他辅料包括三聚氰胺改性脲醛树脂（MUF）、硅烷偶联剂KH-550、NAOH溶液和脱模剂PMR，均为市售.

1.2 实验方法

采用玄武岩短切纤维和粉体作为板材的增强体，添加到碱化处理过的木粉，其添加质量分数分别为0%、5%、10%、15%、20%、25%.偶联剂的添加方式为混合胶黏剂方式，木屑与增强体的总质量一定，为200 g，胶黏剂用量为150 g.待混合均匀后，置于300 mm× 300 mm×10 mm尺寸的模具内进行热压，热压温度为120℃，热压压力为15MPa，热压时间为10min.最后将温度降至60℃以下，脱模制成试件.

1.3 参照标准

根据拉伸试验标准GB1447-2005和弯曲试验标准GB1449-2005，使用INSTRON3369型万能电子强力仪器来分别测试2种增强体增强的复合板的拉伸强度和弯曲强度性能，试样分别被裁剪成250 mm× 25 mm和80 mm×15 mm.每5个试验值为一组，求其平均值作为试件力学性能值.测试完性能后，对试件断裂界面形貌进行机理分析.

2 结果与分析

2.1 拉伸强度性能分析

不同添加比例下复合材料的拉伸性能如图1所示.

由图1可以看出，玄武岩短切纤维与粉体增强的2种复合板拉伸强度变化规律是相似的，均是随添加增强体含量先上升后呈下降趋势.2种复合材料都存在一个拉伸强度临界值，添加含量一旦超过临界值，拉伸性能都会有所降低.未添加增强体时，复合板拉伸强度值处于最低，为12.5 MPa.在添加增强体的复合板中，玄武岩玻璃粉体的最佳添加质量分数为15%，此时复合板的拉伸强度达到峰值24.3 MPa，与未添加增强体的复合材料相比强度提高了94.3%；玄武岩短切纤维质量分数为10%时，复合板拉伸强度达到临界值18.9 MPa，比未添加增强体的复合板提高了50.8%.可见，玄武岩玻璃粉体的增强效果明显优于玄武岩短切纤维.

图1 不同添加比例下的复合材料拉伸强度Fig.1 Tensile strength of wood composite with different reinforcement content

2种不同的增强物质都会对复合板的拉伸强度产生影响方差分析如表1和表2所示.

表1 玄武岩玻璃粉体含量对复合板拉伸强度影响的方差分析Tab.1 Analysis of variance for tensile strength in basalt crystal glass powder reinforced composite panels

表2 玄武岩短切纤维含量对复合板拉伸强度影响的方差分析Tab.2 Analysis of variance for tensile strength in chopped basalt fiber reinforced composite panels

由表1可以看出，以玄武岩玻璃粉体为增强体时，F=48.908>F0.01（4，20）=4.43，所以粉体的增强比例对拉伸强度的影响是高度显著的.由表2可以看出，对短切纤维增强方式来说，F=34.332>F0.01（4，20）= 4.43，说明玄武岩短切纤维的添加比例对复合板拉伸强度的影响也是高度显著的.

2.2 弯曲强度分析

不同添加比例下复合材料的弯曲性能如图2所示.由图2可见，添加不同增强材料的2种复合板弯曲强度变化规律是相似的，随增强体含量的增加，弯曲强度先上升至一临界值，后又随之下降.未添加任何增强材料时，复合板的弯曲强度值达到最低值，为29.2 MPa.添加玄武岩玻璃粉体的质量分数为10%时，复合板的弯曲强度达到峰值41.8 MPa，与未添加增强体的复合材料相比强度提高了43.3%.以玄武岩短切纤维为增强体，质量分数也处于10%时，复合板的弯曲强度达到临界值39.2 MPa，比未添加增强体的复合板提高了34.4%.通过比较得出，玄武岩晶玻璃粉体增强效果明显优于玄武岩短切纤维.

图2 不同添加比例下复合材料弯曲强度Fig.2 Bending strength of wood composite with different reinforcement content

2种增强材料都会对复合板的弯曲强度产生影响，方差分析结果如表3和表4所示.

表3 玄武岩玻璃粉体含量对复合板弯曲强度影响的方差分析Tab.3 Analysis of variance for bending strength in basalt crystal glass powder reinforced composite panel

表4 玄武岩短切纤维含量对复合板弯曲强度影响的方差分析Tab.4 Analysis of variance for bending strengths in chopped basalt fiber reinforced composite panel

由表3可以看出，对于粉体增强而言，F=92.498> F0.01（4，20）=4.43，表明玄武岩玻璃粉体的增强比例对木质复合材料弯曲强度的影响是高度显著的.由表4可以看出，对于短切纤维来说，F=66.023>F0.01（4，20）= 4.43，纤维的增强比例对其弯曲强度也具有高度显著的影响.

3 结 论

对比分析得出：玄武岩玻璃粉体增强时拉伸及弯曲强度峰值分别为24.3 MPa和41.8 MPa；玄武岩短切纤维增强时拉伸及弯曲强度峰值分别为18.9 MPa和39.2 MPa.相比未增强的木质复合板最大拉伸及弯曲强度值12.5 MPa和29.2 MPa均有了大幅度提高.玄武岩玻璃粉体和玄武岩短切纤维2种增强材料对木质复合材料的拉伸、弯曲强度性能都有显著地增强效果.玄武岩玻璃粉体强度远高于玄武岩短纤且具有物理铆钉的作用，从而使得粉体对木质复合材料的机械性能增强优于短纤.

[1]罗朝晖，朱家琪，黄泽恩.木材金属复合材料的研究[J].木材工业，2006，14（6）：25-27.

[2]申士杰，王丽宇，张燕霞，等.木纤维与玄武岩纤维复合工艺的研究[J].国际木业，2004（1）：22-25.

[3]任强，李建章，鹿振友.木纤维/岩棉纤维复合材料的研究[J].北京林业大学学报，2007，29（2）：161-165.

[4]鲍甫成，张双保.木材玻璃纤维复合材料性能改善的研究[J].林业科学，2004，5（3）：118-122.

[5]张双保，赵立，鲍甫成，等.玻璃纤维增强三倍体毛白杨木质（纤维）复合材料的研究[J].北京林业大学学报，2001，23（4）：49-54.

[6]宋秋霞，刘华武，钟智丽，等.硅烷偶联剂处理对玄武岩单丝拉伸性能的影响 [J].天津工业大学学报，2010，29（1）：19-22.

[7]逄爱云.玄武岩短纤/玄武岩粉体增强沥青混合料机理及性能研究[D].天津：天津工业大学，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

国家863高技术发展研究计划重大项目（2012AA03A204）

刘华武（1955—），男，教授，硕士生导师.E-mail：huawu-liu@163.com