摘 要：本研究旨在探討黃麻纖維對石膏板力學(xué)性能的影響。將不同占比的纖維負(fù)荷納入石膏材料，并進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著纖維載荷的增加，材料的硬度值逐漸提高，而硬度值呈下降趨勢。紅外光譜(FTIR)和掃描電鏡(SEM)結(jié)果證實(shí)，復(fù)合材料主要依賴于繩狀晶體之間以及纖維與石膏基體之間的力學(xué)鍵合。
關(guān)鍵詞：抗拉強(qiáng)度；抗彎強(qiáng)度；里氏硬度；抗沖擊性
石膏是一種礦物材料，是可回收的，具有良好的隔熱性能，且易獲得，但它本質(zhì)上是脆性的，力學(xué)性能較差。研究人員正在用天然纖維加固石膏板，以解決這一問題[1]。有些學(xué)者研究了黃麻織物-石膏復(fù)合材料的力學(xué)表現(xiàn)，有效提高了其延展性和韌性[2]。本研究的主要目的是評估在石膏復(fù)合材料中使用黃麻纖維作為增強(qiáng)材料的可能性，并通過使用天然纖維來改善現(xiàn)有石膏板的力學(xué)性能。
1.1 材料
目的是使用容易獲得的原材料，使得最終產(chǎn)品便宜且易于制造。本研究所用原料的基本規(guī)格清單如下：石膏粉、黃麻纖維束、清水、5%的氫氧化鈉溶液、1g/L的醋酸溶液。按表1所示的百分比配制5種樣品，制作不同試驗(yàn)的樣品。
表1 樣本列表
1.2 復(fù)合材料制造
復(fù)合材料的制備從表面改性開始，以增加界面結(jié)合。手工制作纖維束棒。每個(gè)重2g，這加強(qiáng)了石膏-水的分散。下面描述了每個(gè)步驟。
1.2.1 纖維束制備
首先，纖維束被手工切割機(jī)切成25mm左右的長度。纖維束長度的選擇參照前人的研究[3]。單個(gè)纖維束直徑在200μm左右，纖維束呈束狀分布。然后，為了增加纖維束的開放性和蓬松性，對纖維束進(jìn)行了處理，之后，將纖維束浸入5%NaOH溶液中，在30℃下浸泡8h，排出多余的堿溶液，然后用1g/L的稀乙酸溶液中和，PH維持在7左右，最后在室溫下干燥48h。這些程序是根據(jù)先前研究人員的發(fā)現(xiàn)完成的。堿處理是為了改善纖維束表面的粗糙度，這種粗糙度通常有助于基體分子粘附在表面，從而改善纖維束與基體之間的界面結(jié)合。
1.2.2 纖維束的制備
2g纖維束用手盡可能均勻地鋪在模具上，當(dāng)成型時(shí)，要小心地從模具中取出來。其中，水的作用是將纖維束結(jié)合在一起，這一過程得益于纖維束之間的界面結(jié)合以及纖維束的波紋度。
1.2.3 基質(zhì)制備
首先制作了巴黎水石膏(POP)分散體。當(dāng)半水合硫酸鈣形式的POP粉末與水混合時(shí)，它會變成白色的二水合硫酸鈣分散體，幾小時(shí)后，它會變成堅(jiān)硬的固體。它固化非?？?，不需要任何外部加熱裝置。如果在混合時(shí)加入更多的水，分散體會被稀釋，會增加分散體的流動性和硬化時(shí)間。另一方面，加入較少的水會使分散體更粘稠，干燥得更快，并且很難處理這種分散體。
1.2.4 基質(zhì)制備
復(fù)合材料的開發(fā)采用手工鋪設(shè)法。采用柔性塑料模具，模具長177.8mm，寬127mm，高10mm。
1.2.5 固化
石膏-水懸浮液干得很快，可以在室溫下固化。樣品在室溫下固化72h。每8h測量一次樣品質(zhì)量，72h后未見質(zhì)量變化。
1.2.6 切成需要的形狀
由于每次測試都需要根據(jù)特定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行不同的特定尺寸,固化后，將固體石膏板按所需的形狀切割。
1.3 測試試驗(yàn)
在標(biāo)準(zhǔn)條件（溫度25±2℃，相對濕度65±2%）進(jìn)行多次測試。
2.1 復(fù)合材料的顯微圖像
圖1表明該結(jié)構(gòu)具有多孔性，具有大量的孔隙。這在不含纖維束的樣品中也很明顯。由于施加的均勻壓力小于所需的壓力，手工鋪層工藝趨向于制造多孔結(jié)構(gòu)。但同時(shí)，石膏板在性質(zhì)上也是多孔的，這取決于石膏的性質(zhì)。石膏不像其他聚合物那樣形成連續(xù)的薄膜，相反，它會形成針狀晶體。
圖1不同復(fù)合材料的SEM圖像（左、右）
2.2 纖維束載荷對黃麻-石膏復(fù)合材料拉伸性能影響
拉伸試驗(yàn)結(jié)果顯示了復(fù)合材料在拉伸至斷裂點(diǎn)時(shí)所能承受的應(yīng)力。由圖2可知，當(dāng)纖維束添加量達(dá)到6%時(shí)，試樣斷裂所需的應(yīng)力更大。在這里，添加的纖維束表現(xiàn)出了增強(qiáng)作用，因?yàn)樗鼈兛梢蕴峁┮恍┛估Φ淖枇?。這需要更大的應(yīng)力來破壞試樣。此外，用堿進(jìn)行表面改性，使纖維束外表面的木質(zhì)素、蠟、果膠等去除，使纖維束表面粗糙。這種粗糙的表面與石膏基體形成更好的互鎖，形成界面鍵。同時(shí)，纖維束體積的增加也有助于纖維束強(qiáng)度的提高，纖維束體積的強(qiáng)度得到提高。但當(dāng)纖維束添加量為8%時(shí)，石膏晶體之間的結(jié)合破壞達(dá)到一定程度，纖維束體強(qiáng)度的輕微提高并不能提高復(fù)合材料的整體強(qiáng)度，相反，纖維束與石膏晶體之間的界面結(jié)合導(dǎo)致石膏晶體之間缺乏機(jī)械鍵合，從而導(dǎo)致復(fù)合材料強(qiáng)度降低。
圖2 復(fù)合材料試樣的平均抗拉強(qiáng)度
另一方面，伸長率的變化趨勢與拉伸強(qiáng)度的變化趨勢相似。添加6%纖維束的復(fù)合材料樣品的伸長率增強(qiáng)。黃麻纖維束的加入對伸長率有積極的影響，因?yàn)槔w維束的伸長率提高了。但當(dāng)添加8%的纖維束時(shí)，伸長率下降。當(dāng)黃麻纖維束的添加量超過最佳限制時(shí)，黃麻纖維束的比表面積大于基體分散量，導(dǎo)致復(fù)合材料內(nèi)部基體減少。缺乏基質(zhì)晶體相互結(jié)合的原因已經(jīng)在前一節(jié)中討論過了。由于基體量不足，黃麻-石膏結(jié)合不均勻，無法維持應(yīng)力作用下的延伸。結(jié)果表明，當(dāng)纖維束載荷為8%時(shí)，復(fù)合材料試樣的斷裂伸長率較低。據(jù)此，得出纖維束負(fù)荷為6%為纖維束添加量的最佳極限。
2.3 纖維束載荷對抗彎強(qiáng)度的影響
彎曲強(qiáng)度是試樣在抗彎曲破裂之前所面臨的最高應(yīng)力。當(dāng)纖維束摻入復(fù)合材料時(shí)，纖維束的抗折強(qiáng)度降低了8%。這是由于基體分子之間的弱鍵合以及復(fù)合材料內(nèi)部存在空隙造成的。
實(shí)際上，本研究樣品的抗彎強(qiáng)度結(jié)果與抗拉強(qiáng)度結(jié)果不同，抗拉強(qiáng)度隨著纖維的添加而逐漸增加，而抗彎強(qiáng)度則呈下降趨勢。拉伸測試是通過對樣品施加壓力來完成的，在測試過程中，樣品的整個(gè)尺寸對施加的壓力做出反應(yīng)。在三點(diǎn)彎曲過程中進(jìn)行的彎曲試驗(yàn)將更多的應(yīng)力集中在單點(diǎn)上，應(yīng)力主要作用在一半的樣品上而不是整個(gè)結(jié)構(gòu)上。由于纖維與基體力學(xué)性能的差異，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的局部弱度普遍較高，如果纖維與基體的結(jié)合不夠牢固，則復(fù)合材料很難承受施加在特定點(diǎn)或區(qū)域的應(yīng)力，而不是整個(gè)區(qū)域的應(yīng)力[4]。本研究制備的復(fù)合材料僅依靠纖維與基體之間的機(jī)械結(jié)合，抗拉強(qiáng)度略有提高，但結(jié)構(gòu)的局部弱點(diǎn)導(dǎo)致復(fù)合材料在抗彎試驗(yàn)中失效，隨著纖維載荷的逐漸增加，所有樣品的抗彎強(qiáng)度都有所下降。
2.4 纖維束載荷對抗沖擊性能的影響
復(fù)合材料試樣的沖擊強(qiáng)度逐漸增大。這是因?yàn)槔w維束的摻入越多，纖維束與纖維束之間的相互作用就越好，從而提高了沖擊強(qiáng)度。這也增加了復(fù)合材料樣品的韌性，使其能夠在突然應(yīng)力下抵抗斷裂。堿處理的纖維束也提供了更好的纖維束與基體之間的界面結(jié)合。纖維束的柔軟性使復(fù)合材料能夠吸收突如其來的應(yīng)力，在復(fù)合材料中表現(xiàn)出更高的抗沖擊性。
2.5 纖維束載荷對表面硬度的影響
單里氏回彈硬度試驗(yàn)測量的是沖擊體撞擊測試表面時(shí)的能量損失。堅(jiān)硬的材料表現(xiàn)出較高的回彈速度，這表明硬度值較高。硬度值越低表明材料越軟。
里氏硬度測試評估材料表面的硬度，本研究中生產(chǎn)的復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)中含有纖維。結(jié)果表明，在纖維加載4%之前，樣品的模量有所下降，而在纖維加載6%時(shí)，由于結(jié)構(gòu)的致密性，樣品的模量有所增加。拉伸試驗(yàn)涉及整個(gè)結(jié)構(gòu)，而里氏硬度試驗(yàn)只涉及樣品的表面。由于纖維被引入到復(fù)合材料中，并置于復(fù)合材料的表面之下，隨著纖維量的增加，石膏層變得更薄。這導(dǎo)致表面變得更軟，即使材料在拉伸測試結(jié)果中被發(fā)現(xiàn)是緊湊和剛性的。在試驗(yàn)過程中，表面仍然表現(xiàn)出彈性，這與前面描述的拉伸試驗(yàn)結(jié)果相匹配。
2.6 紅外光譜分析
黃麻-石膏復(fù)合材料樣品的光譜如圖3所示。由于水分子被吸收后的拉伸和振動，在3245cm-1處出現(xiàn)了一個(gè)寬帶[5]。由于復(fù)合材料中分子間存在弱氫鍵，所以峰寬大于峰尖。這意味著在纖維束和石膏晶體的水分子之間形成了氫鍵。但是這種結(jié)合的性質(zhì)使得它對于材料的力學(xué)性能的任何改善都是微不足道的。SO42-的存在也被它們的特征波段檢測到。600cm-1和674cm-1處的峰是由彎曲振動引起的，而1004cm-1處的峰是由硫酸鹽基團(tuán)的拉伸振動引起的。波數(shù)為2115cm-1和2236cm-1的頻帶由于水的彎曲振動而出現(xiàn)新的頻帶，這可能是由于纖維束與基體之間形成氫鍵而產(chǎn)生的。因此，以上討論表明結(jié)構(gòu)中存在黃麻和石膏，但未發(fā)現(xiàn)除氫鍵外的新的化學(xué)鍵，同時(shí)也未發(fā)現(xiàn)任何物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)有明顯變化。在纖維束和石膏中的水分子之間形成了氫鍵。事實(shí)上，這部分并沒有什么新意，因?yàn)檎麄€(gè)結(jié)構(gòu)主要依靠機(jī)械鍵合而不是化學(xué)鍵合，這在之前的結(jié)果中已經(jīng)很明顯了。
圖3 復(fù)合材料的FTIR光譜
3 結(jié)論
測試結(jié)果支持將黃麻纖維束添加到易碎力學(xué)性能差的石膏板中成功的可能性：（1）在復(fù)合材料中，石膏晶體之間以及纖維束與石膏晶體之間的結(jié)合力主要為機(jī)械鍵合。（2）6%黃麻增強(qiáng)石膏復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度最佳。堿處理纖維束增強(qiáng)了界面結(jié)合。同時(shí)，試樣的斷裂伸長率也有相同的變化趨勢。（3）隨著纖維束的逐漸加入，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度逐漸提高，且黃麻的摻入越多，硬度就越低。（4）FTIR顯示出大面積的氫鍵峰，表明黃麻纖維束與基體中存在的水分子之間存在氫鍵。
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文章摘自：羅彥霜.黃麻纖維對石膏板力學(xué)性能的影響[J].石材.2024,41(06):153-155.
