轻质空心木质复合材料热和力学性能分析

张 峰，臧小榕，漆楚生，张 扬，母 军

(北京林业大学 木质材料科学与应用教育部重点实验室，木材科学与工程北京市重点实验室，北京 100083)

我国每年木材消耗量将近5亿m3，其中建筑领域年消费木材量约占全国总消费量的1/3[1],以木质复合材料代替实木，或以轻质木质复合材料代替中高密度的木质复合材料，可以很大程度地减少木质资源的消耗[2]。Xie[3]等制备一种密度仅为0.056 3 g/cm3超低密度复合材料，其导热系数仅为0.035 W/(m·K)，减噪系数达0.67，在建筑吸音保温材料中有很高的应用前景。低密度复合材料普遍存在力学性能较差的问题，通过表面改性能够对轻质复合材料的力学强度进行改善[4]，但轻质复合材料力学性能仍难以达到建筑结构用材的标准。基于轻质复合材料较低的导热系数，其有期望能在建筑保温材料领域中广泛应用。

目前，我国建筑能耗占社会总能耗的33%左右[5]，研究表明建材行业在节能减排方面具有很大的潜能[6]。由于气体的导热系数非常低，因而很多空心、多孔原料被用以制备保温材料。周统建[7]构建3种不同结构的空心复合墙体材料，比较不同空心结构墙体材料的保温隔热性能，结果表明空心结构墙体材料均能达到我国建筑材料保温隔热要求。童宏拓[8]等采用预埋PVC管平压成型法制备空心复合材料，板材空心结构完好同时具备良好的力学性能。

为研究具备良好保温性能的轻质绿色建材，本研究利用PVC管在轻质复合材料中构建空心结构来制备空心木质复合材料(HWC)，分析HWC中空气体积比对材料的物理力学性能与热学性能的影响，并通过Ansys有限元软件对HWC进行热学仿真分析，为其在建筑保温材料中的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

杨木木纤维，于90℃干燥箱中干燥至含水率5%左右备用；异氰酸酯胶黏剂，型号:PM200，NCO含量为30.5%～32%，粘度250 MPa·s(25℃)，密度1.04 g/cm3；硬质PVC管，外直径(d)分别为5、6、7 mm，管壁厚度均为0.5 mm，密度为1.2 g/cm3。

1.2 空心复合材料制备

HWC目标密度为0.3 g/cm3，尺寸为350 mm×350 mm×20 mm。试验设计分组如表1所示,控制变量为PVC管内空气体积占整板的体积比λ，由此可求出对应复合材料中PVC管铺装数量n，PVC塑料体积比λp，木纤维体积比λw，木纤维中气体体积比λa(忽略MDI胶黏剂体积)，计算公式如下：

表1 试验设计分组及断面密度测量值

(1)

(2)

(3)

λa=1-λ-λp-λw

(4)

式中，V为板材体积，Vt为PVC管体积，Vp为PVC塑料体积，Vw为木纤维体积,M为板材质量，Mp为PVC塑料质量，ρw为木纤维细胞壁密度，取值为1.5 g/cm3[9]。

PVC管定位模具由塑料管与细木条粘接完成，用以确定PVC管数量和间距，每张板中PVC管铺装结构均为双层铺装，上下层PVC管平行错开排列，定位模具如图1所示。采用热压法制备HWC，首先将称量干燥好的木纤维置于滚筒内混合搅拌，利用雾化喷枪对纤维进行均匀施胶，其中施胶量为4%，丙酮作为稀释剂以质量比1∶1与MDI胶混合。然后将施胶后的木纤维置于尺寸350 mm×350 mm×500 mm的木模具中，分3层进行铺装，质量比为3∶4∶3，PVC管用定位模具固定后铺装于木纤维层中间。预压完成后取出木模具与定位模具，将板坯置于热压机中热压，热压温度为180℃，热压时间8 min，热压压力1 MPa，采用20 mm 厚度规控制板材厚度。热压完成的HWC在温度25℃、湿度65%条件下恒温恒湿静置7 d后，进行物理力学及热学性能测试。

图1 PVC管定位模具

图2 热传递测试装置

1.3 性能测试

1.3.1 物理力学性能测试 断面密度(VDP)利用剖面密度分析仪(GreConDA-X)测量，扫描速度0.5 mm/s，试件尺寸为50 mm×50 mm×20 mm。内结合强度(IB)、静曲强度(MOR)、弹性模量(MOE)、吸水厚度膨胀率(TS)、吸水率(WA)，参照 GB/T17657-2013《人造板及饰面人造板理化性能测试方法》[10]进行测定，测量仪器为万能力学试验机，型号MMW-50，生产厂家为济南耐而试验机有限公司，每组试验测量10次。

1.3.2 导热系数测试及预测 导热系数(TC)及热阻(TR)利用 DRH-300导热系数测试仪测定,试件尺寸300 mm×300 mm×20 mm，环境温度23℃，冷面温度25℃，热面温度45℃。

Series模型和Parallel模型可用来预测多相木基复合材料的导热系数[11]，Series模型适用于材料垂直热流方向排列的导热系数计算，Parallel模型适用于材料平行于热流方向排列的导热系数计算。在复合材料中纤维排列方式介于两者之间，因此合并这2个模型公式可以有效预测复合材料模型[12]。假设边界条件为：HWC中木纤维、板材内气体及少量水分均匀分布于板材内部；PVC管排列整齐，单位体积内PVC塑料的体积分数均匀一致；各组HWC中木纤维、PVC塑料、板材内气体及水分的导热系数均为定值且不随含水率和密度变化。则根据Series模型推导HWC导热系数为：

(5)

根据Parallel模型推导HWC导热系数为：

K2=λKt+λpKp+λwKw+λaKa

(6)

合并公式为：

(7)

式中，λ为PVC管内空气体积比，λp为PVC塑料体积比，λw为木纤维细胞壁体积比，λa为木纤维中空气体积比，Kt为管内空气导热系数，取值为0.023 W/(m·K)，Kp为PVC塑料导热系数，取值为0.14 W/(m·K)[13]，Kw为木材细胞壁的导热系数，取值为0.421 W/(m·K)[14]，Ka为木纤维内部气体的导热系数，取值为0.046 W/(m·K)[9]。

1.3.3 热传递测试 热传递过程温度变化曲线利用温度巡检仪测定，试验装置如图2所示。HWC表面共选取9个测量点，热电偶测量端紧贴于板材表面，另一端接入16通路温度巡检仪。加热装置为DB-2A智能控温电热板，热面温度为50℃，环境温度为(25±0.5)℃。加热过程HWC表面覆盖隔热棉隔绝试件表面空气对流，升温时间1 h，然后移除电热板及隔热棉，将板材置于室温环境自然冷却1 h。

1.3.4 热学仿真模拟 为更直观模拟空心单元热学特性，以Solidwork软件创建尺寸为20 mm×20 mm×10 mm的简化模型，并在Ansys Workbench软件中进行热学的有限元模拟。其中木质材料密度为0.3 g/cm3，导热系数0.061 W/(m·K)，比热1 173 J/(Kg·K)[15],PVC塑料密度为1.2 g/cm3，导热系数为0.14 W/(m·K)[13]，比热由物理性能测试系统(型号：PPMS-9T)测量得出，为895.6 J/(Kg·K)。模型底面施加热载荷为50℃，顶面及侧面对流为5 W/(m2·℃)，输出结果为热流矢量图及温度云场图。

2 结果与分析

2.1 空心木质复合材料制备情况

由图3可知，HWC中管材排列均匀，在热压温度180℃，热压压力1 MPa，热压时间540 s条件下，能够制出结构稳定的HWC，PVC管孔洞略微变形但无坍塌现象。

图3 空心复合材料

2.2 断面密度分析

由图4可知，HWC厚度方向的断面密度呈双“M”型，“M”型曲线的峰值范围与PVC管有关。PVC管层的密度高于纯木纤维层，这是因为PVC塑料的密度为1.2 g/cm3远远高于HWC的平均密度0.3 g/cm3。PVC管层的密度变化较大，靠近表层曲线较陡，表明在热压过程中靠近表层的PVC管变形较大。由表1可知，各组HWC的平均密度相差不大，在0.284～0.332 g/cm3，与目标密度0.3 g/cm3接近。外径d对HWC最大密度的影响较大，最大密度从大到小依次为d=5 mm、d=6 mm和d=7 mm。这是因为密度最大值为PVC管边界的临界值，在λ相同的情况下，外径越小则PVC管数量越多，因而密度更大。各组最小密度差别不显著，表明各组HWC表层木基材料密度基本一致。

图4 典型断面密度分布曲线

2.3 吸水厚度膨胀率及吸水率分析

由图5(a)可知，整体上各组2 h TS变化不大，约为4%～6%。随着浸水时间的增加，24 h TS明显增大。同时随着λ的增大，24 h TS整体呈下降的趋势。这是因为在相同密度下，λ的增加会导致木纤维含量相对减少，吸水单元减少使得厚度膨胀减少。各组HWC的24 h TS均<12%，满足中密度纤维板标准。由图5(b)可知，各组2 h WA约为50%，无显著变化趋势。随着浸水时间的增加，WA明显增大，但各组之间WA差别较小。相较于对照组复合材料，HWC的TS及WA差别均不大，表明MDI胶黏剂具备良好的防水性能，PVC管添加对复合材料吸水性能影响不大。

图5 管径及体积比对厚度膨胀率及吸水率的影响

2.4 力学性能分析

由图6(a)可知，各组HWC的MOE、MOR均高于对照组，这是因为弯曲性能测试为三点弯曲试验，长条状PVC管具有良好韧性，有助于增强复合材料纵向的抗弯强度。随着λ的增加，MOE与MOR有轻微增大，这是因为λ的增加会增大PVC管的数量。由图6(b)可知，各组IB值均较低，这主要是因为HWC平均密度为0.3 g/cm3，属于低密度复合材料，纤维之间粘接性能较差。添加PVC管后复合材料IB值相比对照组有所下降，这是因为PVC管表面未进行改性处理，木塑界面胶合性能较差。同时试验中发现破坏界面均为木塑界面，断裂面塑料面积占比约为20%～28%，使得HWC的力学强度较低。随着PVC管数量的增加对HWC结合强度的影响越不利。其中外径7 mm，λ为10%的HWC表现出较好的力学性能，MOE、MOR和IB分别为385.4、3.2 MPa和0.05 MPa。

2.5 导热系数分析

由图7(a)可知，复合材料的TC与TR成反比关系。外径5 mm的PVC管由于内径较小，空气对流速率较低热阻较大，因此随着λ的增加TC会降低；但随着单位体积内PVC塑料含量增加，PVC塑料对复合材料TC的作用力增强，PVC塑料TC为0.14 W/(m·K)远大于复合材料导热系数0.061 W/(m·K)，因此随着λ的增加HWC的TC有所提高。d为6 mm和7 mm组TC随着λ的增加而增加，这是因为当PVC管的外径较大时，管内空气上下对流作用加强，同时PVC塑料具有较高的导热系数对TC影响较大。但是整体来看，各组的TC之间的差别并不大，均在0.06～0.068 W/(m·K)，与对照组之间无显著差别。这可能是因为各组中气体的总体积分数(λ+λa)十分接近，使得稳态热传递过程中的导热性能相近。HWC的导热系数均<0.12 W/(m·K)，满足建筑保温材料的要求。

图6 管径及体积比对力学性能的影响

图7 管径及体积比对导热系数的影响及模型预测

根据Series模型和Parallel模型的合并公式计算可知，当系数α分别为0.789 5、0.735 7、0.792 0时，d为5、6、7 mm的各组HWC导热系数预测曲线与试验数据吻合度较高，如图7(b)、图7(c)、图7(d)所示。

2.6 热传递测试分析

图8(a)、图8(b)分别为同一直径d(5 mm)不同管内空气体积比λ及同一管内空气体积比λ(7.5%)不同直径d条件下的温度变化曲线。由图8可知，d及λ对热传递速率影响不大，这是因为各组气体总体积分数(λ+λa)十分接近，使得HWC在瞬态热传递过程中表现出相似的传热特性。升温阶段，温度曲线出现一定的波动，这是由于加热板温度变化导致，加热板温度在设定温度50℃条件会上下波动，幅度大小约为2℃，从而影响加热过程复合材料中的热流传递。在升温阶段对照组升温速率稍快，HWC均表现出一定的热传递滞后。降温阶段，对照组复合材料降温速率最快，HWC表现出明显的热传递滞后效应，表明在没有热载荷条件下，依靠复合材料自身导热作用，具有空心结构的复合材料能够表现出更显著的阻碍热流传递作用。降温1 h 后HWC表面温度平均比对照组高0.93℃，最大温差可高于对照组1.4℃，表明HWC具备良好的保温能力，在建筑保温材料领域具有良好的应用前景。

2.7 热学仿真分析

由图9可知，对照组热流方向为垂直向上，边缘部分由于对流作用有热流流失。HWC内部热流方向相对复杂，热量从板材底部向上传导，热流遇到PVC管后，一部分热流绕开PVC管继续沿着木纤维向上传递，一部分通过PVC管向上传递热量，少量热量通过PVC管内部空气传导。木纤维与PVC管连接界面热流曲线最密集，表明该处热流传递速率最快，这是因为PVC塑料具有较高的导热系数，热流更容易往塑料区域传递。

由图9可知，0～50 s时间段对照组复合材料温度均匀增加，在厚度方向上呈阶梯状分布。50 s之后由于复合材料周边的空气对流作用，边缘的热量会流失到空气中，中心温度持续增加，最后复合材料内部温度场呈抛物线状分布，且越靠近热源的区域抛物线越平缓。0～20 s HWC内部温度云场图与对照组类似，热流在刚到达PVC塑料的时候，传递速率有所增加，略高于周边木纤维处热流温度。在20 s之后的时间段，PVC导热速率较快的这种现象仍然存在，但是由于环状PVC管周长较长，热流通过的路径也随之增加，使得在50 s左右开始，周边木纤维的热流传递速率会超过PVC塑料，木纤维温度逐渐大于PVC塑料的温度，此时温度云场呈“M”型分布，并在之后的热传递过程中沿着这种趋势继续传递下去。由200 s HWC的温度云场图可以推断，当热流由PVC管顶部继续向上传递到木纤维的时候，由于传热介质相同，周围温度高的区域会将热量传递到中心温度较低的区域，此时中心处的温度有所提高，但是温度场仍然呈“M”型分布。HWC表现出理想的保温特性，有期望能在建筑保温材料中应用。

图8 空心复合材料热传递曲线

图9 热流矢量及温度场云图仿真结果

3 结论与讨论

利用PVC管定位装置能够实现管材均匀铺装排列，在热压温度180℃，热压压力1 MPa，热压时间540 s条件下，利用木纤维与PVC管能够制备出轻质空心复合材料(HWC)，制备后的HWC结构稳定，PVC管孔洞略微变形但无坍塌现象。

HWC厚度方向断面密度分布不均匀，断面密度曲线呈双“M”型结构分布。随着λ的增加，HWC吸水性能变化不大，静曲强度及弹性模量增加但是内结合强度降低。d=7 mm、λ=10%的HWC表现出较好的力学性能，MOE、MOR和IB分别为385.4、3.2 MPa和0.05 MPa。整体上HWC的力学性能较低，这是低密度木质材料的普遍存在的问题[16]，需要更进一步的研究去改善。

HWC的导热系数差别不大，均在0.06～0.068 W/(m·K)，满足建筑保温材料的要求。结合Series模型和Parallel模型能够有效预测HWC的导热系数，外径5、6、7 mm的系数α分别为0.789 5、0.735 7、0.792 0。降温1 h后HWC表面温度平均比对照组高0.93℃，最大温差可高于对照组1.4℃，HWC具备良好的保温能力。Ansys Workbench热学仿真分析表明HWC的热传导速率低于对照组，空心结构有良好的抑制热传递作用。HWC具备基本力学性能同时保温性能显著，在建筑保温材料领域具备良好应用前景。