制造业和结构性的天然纤维增强聚合物结构绝缘板的可行性Panelized建设

文摘

天然纤维在汽车和航空航天等领域的新兴产业来取代部分如车身壁板、座椅、和其他面临更高的抗弯强度。在建筑行业,他们有可能取代木材和面向链板(OSB)分层结构绝缘板(sip)。他们拥有众多优势等传统的OSB口环保,可回收利用,节能,固有的耐洪水,有较高的强度和抗风能力。本文主要侧重于制造可行性和结构特征的自然纤维增强结构绝缘板(NSIPs)使用天然纤维增强聚合物(NFRP)分层的皮肤。占使用天然纤维、天然纤维的预处理要求NFRP复合材料,使用之前,正确地解决这个问题,天然纤维漂白方法。为此,挠曲测试和低速冲击(LVI)测试是进行NSIPs为了评估的反应NSIPs突然冲击荷载和均匀弯曲条件下典型的住宅建设。本文还包括机械性能的比较NSIPs的OSB口和G / PP吸允。结果显示显著增加导致NSIP板的力学性能主要承载力相比增加53%的OSB啜饮。NSIPs的弯曲模量高于190%的OSB口和70%相比,减重的OSB口。

1。介绍

结构绝缘板(口)提出一个很好的替代传统的砖和混凝土施工。他们是一个很好的材料墙,分区,地板和石板。他们拥有众多优势传统木制和混凝土施工1]。口的主要组件包括两个分层或皮肤盘子和一个核心如图1。

使用分层进行拉伸和压缩载荷在口和核心是用来携带剪切负载(2]。口的分层可以面向通常由链板(OSB)坚持发泡聚苯乙烯(EPS)泡沫核心材料形成口。的OSB口通常用于结构应用程序由于其易于制造的可用性和易用性。的OSB口是节能,成本有效,需要更少的建设和维护。显著的减重是可能的OSB SIP建筑(2]。他们提供一些设计选择、制造替代品,也为建筑提供优秀的审美结构(2]。他们提供优秀的弯曲性能和剪切强度以及优良的抗风和地震的力量3]。这些力学性能起到关键作用的结构应用如墙板、楼面板、地板、和板4]。

虽然OSB口有很多优势,他们需要木材制造的层压制品口导致大量消耗自然资源,大大减少了资源有关。有消防安全问题相关的OSB口(5]。的OSB口有机自然的,所以,为了避免损害由于模具积累和白蚁的攻击,所需要的特殊化学处理在建筑使用的OSB口(6]。耐冲击的OSB口始终是个大问题为他们在建筑行业中的应用。风载的导弹会损害的OSB口甚至可能导致伤害的属性和生命损失。的一个显著的例子,这种类型的失败是在新奥尔良卡特里娜飓风导致巨大损失的生命和财产损失(6]。OSB口可以有不利影响的洪水由于他们贫穷防水性质(7]。

为了克服这些问题,一些进步进行的OSB的口与更高级的复合材料。几种纤维和矩阵组合可用于制造层压制品如glass-polypropylene carbon-epoxy,环氧树指玻璃。玻璃的研究进行了应用/聚丙烯(G / PP)已成为一个优秀的材料在结构应用程序替换的OSB分层在口7]。

G / PP显示等优良的力学性能优越的强度和刚度,使他们的理想材料制造口(7]。虽然他们有优越的机械性能,这种材料的主要缺点是它们巨大的能源消耗在生产制造工具及其不利影响。他们在工厂生产,所以需要大量的生产成本8]。这些问题直接建筑业的一种材料,具有较高的强度比的OSB,可以复制,以减少环境问题和再循环能力问题。这些需求可以布置得好利用天然纤维来取代的OSB和G / PP复合材料。

天然纤维增强聚合物(NFRP)复合材料成功地使用在全球汽车零部件如门,和汽车车身壁板9)和在计算机行业制造车身壁板(10]。与这些纤维复合材料加固正在研究在全球范围内的低成本应用程序与其他合成纤维,如玻璃和碳纤维。全世界有大范围的使用天然纤维等复合应用程序的韧皮,黄麻,剑麻,棉花、椰壳、麻、洋麻。天然纤维有许多优势,使它们适合用作结构材料(11]。他们需要更少的能源生产和不影响不利的生产工具。他们是轻量级的,成本有效,可回收,可生物降解,拥有特定的模量很高。在当前工作黄麻/聚丙烯复合材料随着EPS泡沫塑料制造的核心选择NSIPs由于其优良的力学性能(12]。

黄麻纤维具有较高的比强度和刚度,使其适合作为强化聚合物矩阵。agro-based黄麻纤维的优点是他们的成本效益,缓解的可用性和nonabrasive自然。他们允许高填充水平,降低复合材料的成本。黄麻纤维的细胞结构提供了很好的隔音和热(13]。另一方面,聚丙烯(PP)具有良好的机械性能,如抗拉强度,耐火性和低价格。页是可回收的,所以减少了废物处理的问题(14]。

这项工作的主要目标是研究天然纤维增强结构绝缘板的结构行为(NSIPs)结构的应用及其优势传统的OSB口和先进的玻璃/聚丙烯(G / PP)口。为此,进行弯曲测试NSIPs知道弯曲模量等力学性能,弯曲强度,剪切强度,剪切模量,失败的标准。弯曲试验是进行NSIPs和比较用的OSB口和G / PP口节中讨论4。复合材料对平面外的脆弱性影响力量一直是一个主要的设计关心的夹层结构复合材料。克服低速冲击问题,检查失效标准,LVI试验和弯曲试验进行了节中描述5。NSIPs LVI测试结果进行比较与传统的OSB口和G / PP口为了验证使用NSIPs建筑。

2。环境激素对黄麻纤维

黄麻纤维的机械性能,如密度、抗拉强度、模量,取决于他们的内部结构和化学成分15]。黄麻纤维具有比玻璃纤维抗拉强度较低,另一方面提高特定的杨氏模量。黄麻在复合材料制造业的主要缺点是其亲水特性,从而影响PP材料的焊接。因此,强度和刚度等力学性能高的影响。这限制了使用聚合物基质的低熔点温度塑料由于其较低的加工温度。改进的复合属性,等预处理碱化,漂白,紫外线辐射可以与PP纤维使用它们之前。

黄麻纤维包括纤维素50 - 60%,20 - 25%的半纤维素,木质素和12 - 15%的化学成分(16]。这些纤维是由纤维素和木质素分子长链的,而半纤维素作为粘合剂在给纤维强度和稳定性。木质素是黄麻纤维的主要成分,当暴露在空气中吸收水分。纤维构成吊坠羟基和各种极性基团导致纤维吸湿性的严重问题。这水分吸收最终导致对贫穷与树脂界面结合。这些纤维因此变得不适合使用在制造业NFRP分层。为了克服这个问题,常见的做法,给一些治疗前纤维在NFRP随着PP复合制造。这些治疗包括漂白、丝光作用,紫外线辐射治疗。但为了简洁的摘要和基于方便可用性只有漂白治疗纤维在这项研究中。

2.1。漂白

漂白是最常见的治疗方法,黄麻纤维处理氧化剂,如次氯酸钠。反应发生在黄麻纤维色素的氧化。木质素是胶结物质的贡献主要是在纤维的抗拉强度。氧化剂主要修改的木质素纤维。去除木质素纤维提供了黄麻纤维的永久的白色,但同时会影响纤维的拉伸强度和杨氏模量。保持纤维的抗拉强度的比例应该保留尽可能多的木质素。纤维经过漂白处理使用次氯酸钠(NaOCl)。原始的黄麻纤维NaOCl 4小时浸泡在10%和20%,与去离子水清洗20分钟删除任何化学物质。黄麻纤维被允许在室温下晾干(17]。NaOCl是次氯酸次氯酸盐离子作为漂白剂。黄麻纤维的漂白NaOCl改进它的亮度(17]。这种恶化的亮度的黄麻碱处理解决方案属性的木质素结构的黄麻纤维。黄麻纤维的漂白,因此,导致抗拉强度降低15% -20%由于木质素的去除。碱治疗进行黄麻纤维伸长特性显示了增加除了降低纤维的抗拉强度(17]。在漂白治疗,毛细血管出现在纤维合同。接触角的增加由于漂白治疗。黄麻纤维的杨氏模量降低漂白后由于木质素的去除18]。减少木质素从黄麻纤维改善他们的疏水性,使其适合与PP。黄麻纤维处理10% NaOCl显示黄麻纤维吸湿性比对待NaOCl 20%解决方案(9]。从这项研究中,它也看到NaOCl内容的增加提高了耐湿度的天然纤维18]。漂白过程影响应力应变曲线,降低纤维的杨氏模量。已经观察到有黄麻纤维的抗拉强度增加220%接受10% NaOCl和抗拉强度增加250%的黄麻纤维处理NaOCl原始黄麻纤维(20%18]。

作为漂白治疗证明改进的结构属性产生的层压板,制造的NFRP NSIP面板本研究使用漂白黄麻纤维制造。

3所示。制造NFRP分层

层压制品可以使用几种方法生产如挤吹成型、可编程粉执行过程(P4),注塑、薄膜叠加,热熔浸渗方法。一般来说,强化生产过程主要由损益比特定的生产。所有的工艺根据不同设备成本和操作成本。最合适的方法为复合制造电影叠加方法(14]。这是一个压缩成型方法,纤维和矩阵受到预定义的温度和压力。这种方法比其他方法便宜用于制造复合材料由于其较低的初始投资(14]。所需的大小和所需的方向取向的纤维可用于制造层压制品。在这种方法中纤维和矩阵的交替层放置的位置。整个大会被预定义的温度和压力下的熔点矩阵对某些时间段,然后允许在室温下冷却。由于矩阵的融化它可以穿透纤维。这种渗透导致润湿纤维和纤维与基体之间形成强大的债券。冷却后的矩阵全会变成僵硬和稳定的化合物称为层压板。

为了制造NFRP分层,漂白黄麻纤维与聚丙烯(PP)一起使用。纤维和聚丙烯薄膜的交替层用于制造复合材料。图2显示了制造业的一步一步说明NFRP分层。

NFRP层压制品制造加工温度180°C和施加压力的处理时间20分钟10吨(14]。

4所示。NSIP弯曲试验样品

弯曲试验的主要目的是检查NSIPs的适用性在地板,和板应用程序提供更好的替代传统的OSB口。弯曲试验进行NSIPs检查标本在不同加载条件下的行为和检查偏转和故障类型的标本。6.25毫米厚度的预制NFRP复合材料与被制造业NSIPs以及发泡聚苯乙烯泡沫(EPS)与25.4毫米厚度和密度为核心使用热熔喷胶把债券NFRP与EPS (19]。

三点弯曲设置用于实施NSIPs挠曲测试和载荷挠度和应力-应变曲线得到这些NSIPs。负载应用标本通过圆形的中心边缘钢筋在恒定的速度2毫米/分钟按ASTM C 39319]。最大载荷和挠度对所有标本都被记录下来。荷载挠度曲线绘制确定三明治刚度。四个样本的平均尺寸和平均体重700通用汽车被用于测试和平均应力应变曲线绘制所有的标本。中央挠度测量刻度盘放置在底部中心标本。应变仪放置在样品的中心为了记录应变诱导。数据3(一个)- - - - - -3 (c)显示了不同失效模式的NSIPs挠曲测试期间获得的。

在弯曲试验是观察NSIPs失败由于剪切破坏的核心和分层facesheet和核心,如图3。从NSIPs挠曲测试各种参数得到用数值公式给出了ASTM c - 393 (19]。应力应变曲线进行正常化获得应力除以试样测试的最终重量以验证标本对体重的比较。图4提供标准化的平均应力应变关系NSIPs、OSB口,和G / PP口从三点弯曲试验获得。

从图4它可以被观察到的平均应力-应变曲线NSIPs高于传统的OSB口。NSIPs显示比的osb更一致的曲线。失败是由于观察到滑动的标本支持由于过度弯曲层没有任何裂纹。剪切裂缝和分层的层压制品在NSIPs挠曲测试期间观察到的。表1总结为NSIPs挠曲测试的结果、OSB口,和G / PP吸允。

从表中1已经观察到,弯曲模量NSIPs超过传统的OSB啜饮了190%。也极端的弯曲应力纤维facesheet超过189%的OSB口和80%的G / PP吸允。整体偏转获得NSIPs比G / PP吸允少64%。另一方面NSIPs的平均重量比传统的OSB结果减少了30%的减少重量的组件。

5。低速冲击(LVI)测试

低速冲击(LVI)试验的目的是代表提供的阻力NSIPs LVI条件下影响锤等工具,和指甲以及抛出对象从外部损伤皮肤材料的墙。LVI测试进行NSIPs调查动态变形、失效模式、三明治复合材料的反应对体重突然下降。LVI测试提供了知识关于NSIPs防破坏性能的非常有用的设计和材料选择8]。复合结构的一般趋势对小影响导致分层相对少的强大和硬facesheet强有力的核心材料。失败的共模在LVI表面开裂,层压板屈曲,层压板和核心之间的剥离。

知道LVI反应,影响测试进行NSIPs使用塔设备在自由落体的质量下降。的损害是通过平面,垂直于集中影响层压板英斯特朗8250落锤冲击机,使用仪器的前锋组合。质量的影响进行了NSIPs的中心,充分远离边缘,以避免应力相互作用在边缘位置和压力影响损伤的形成。破坏电阻复合取决于几个因素如板的厚度、刚度的材料,质量,和边界条件。

NSIPs变量层厚度都切成块大小的测试。这些标本与two-plate总成放置在夹具用于保存的标本在垂直方向上自由落体质量。当时夹具与螺丝为了防止标本运动并提供固定端条件。落锤撞击器被提高到所需的高度和允许自由落在标本为了创建所需的标本上的冲击力。所有数据如力影响和休息的时候和锤的速度记录与数据采集软件。20国标本受到冲击能量J, 50 J, 65 J。从LVI测试各种参数如冲击能量吸收标本,高峰负荷时失败,总能量,影响计算速度。图5(一个)- - - - - -5 (c)显示失败观察在NSIPs LVI测试。

从图4,各种失效模式NSIPs观察。在20 J能量,NSIPs显示缩进到层压板没有任何损害。另一方面,在50 J - 65 J,顶部分层受损造成的影响。碎的核心和轻微的压痕底分层观察到65 J。LVI测试也进行的OSB口和G / PP口为了比较获得的结果在所有情况下,以取代NSIPs的OSB口和G / PP吸允。图6(一)- - - - - -6 (c)显示载荷与时间和精力与时间曲线在20 J, 50 J, 65 J。

从图6(一)它可以观察到,G / PP口和随后的OSB口相同的能量和加载路径。的最大负载达到他们分别是2.04 KN和2.09 KN,然而,对于NSIPs标本之前失败的最大负载达到3.2 KN 57%高于G / PP和高出53%的OSB啜饮。能量吸收NSIPs 16.6 J 20%高于G / PP和高出11%的OSB啜饮。它可以看到从图6 (b)NSIPs所获得的总能量为44.3 J 45%高于G / PP吸允。也在65 J如图6 (c),最大负载达到NSIPs 5 KN的OSB口高出246%。最大能量吸收NSIPs 68.6 J 60%高于G / PP吸允。从LVI结果和曲线绘制得到的信息,总结如表2。

NSIPs LVI测试,它可以得出结论,NSIPs显示比较结果的能量吸收和G / PP的OSB啜饮。LVI测试进行NSIPs使用漂白黄麻纤维制造,考虑他们的优势治疗其他类型的纤维。LVI测试也进行G / PP和OSB口为了比较与传统的OSB NSIPs和G / PP吸允。以下是获得的结论从NSIPs、OSB口,和G / PP口LVI测试。(1)总能量吸收NSIPs在20 J比G / PP口高12%,高出11%的OSB啜饮。(2)50岁的能量吸收NSIPs J是45%高于G / PP和高出64%的OSB啜饮。(3)能量吸收NSIPs 65 J是60%高于G / PP。(4)采取的最大负载NSIPs高在所有情况下,它显示增加53%增加在最大负载20 J和146%相比,在65 J的OSB口。

NSIPs的总体性能在所有情况下导致显著改善NSIPs的能量吸收以及机械性能比传统的OSB口和G / PP吸允。

6。总结

抗弯强度测试和低速冲击测试进行了缩尺NSIP板来确定NSIPs在弯曲和影响条件下的行为。25.4毫米厚度的EPS泡沫是用于核心连同NFRP复合材料在结果NSIPs的制造。结构特征的创新,减少规模NSIPs提出了本文并从本研究得出了以下的结论。(我)弯曲模量NSIPs高出190%的OSB啜饮。还在极端的弯曲应力纤维facesheet超过189%的osb, G / PP吸允的80%。(2)有巨大的储蓄在材料的重量NSIPs是30%不到的OSB口的重量。(3)G / PP口和随后的OSB口相同的能量和加载路径的最大负载达到了2.04 KN, 2.09 KN。(iv)之前的最大负载达到NSIPs失败是3.2 KN比G / PP高57%,高出53%的OSB啜饮。(v)20的J冲击能量,能量吸收NSIPs 16.6 J 20%高于G / PP和高出11%的OSB啜饮。50 J冲击能量,总能量达到NSIPs 44.3 J是45%高于G / PP吸允。还在65 J冲击能量,的最大负载达到NSIPs 5 KN高出246%的OSB啜饮。最大能量吸收NSIPs 68.6 J 60%高于G / PP吸允。

因此可以得出结论,NSIPs可以作为一个更好的选择的OSB口和G / PP口等结构应用的地板和墙壁。

承认

作者欣然承认资助和支持由国家科学基金会(NSF)研究项目(cmmi - 825938)。

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