文摘

创建复合材料为强化和保护建筑使用信封基于当今全球气候变化等条件。使用酚醛树脂复合材料制造(可溶性酚醛树脂)为一个矩阵,碳纤维加固(7.5% ),和珍珠岩(10% )低导热元件,结合高机械性能和良好的耐热性和良好的隔热性能。这些新材料的结构检查通过扫描电子显微镜(SEM)和元素分析(能谱)。珍珠岩(10%的增加 )不熔酚醛树脂矩阵(没有纤维)增强复合材料的抗弯和抗剪强度。另一方面,与纤维增强复合材料显示,珍珠岩降低了抗弯和抗剪强度的额外接口创建。在热处理473 K,碳纤维有最小的减肥珍珠岩而不熔酚醛树脂矩阵(即紧随其后。治愈可溶性酚醛树脂)显示了伟大的减肥。指出,珍珠岩的作用是稳定在热处理不熔酚醛树脂的质量矩阵。复合材料碳纤维和珍珠岩是一种耐热材料只有2%体重在473 K 1小时显示了低导热系数,使其成为新材料隔热材料的方向。

1。介绍

考虑整体,建立全球遗产构成生物体的重要性,因为它携带人类的历史和未来的具有里程碑意义的功能。同时,今天的气候变化等全球环境破坏过去经验的期望性能的材料在一个特定的如今快速变化的地方,结果,例如,在突然的材料退化(1],凸显了需要兼容的新材料,新方法,重建技术在保护遗产2,3]。

绝缘和建筑物的钢筋信封的方式兼容传统建筑设置为最高优先级(4),特别是通过记住他们是负责能量损失和历史建筑的结构体系的稳定性。尤其注意的是结构元素的关键作用。这些可能包括外部和内部承重砖砌体墙,泥土墙壁,或木结构的墙壁;列的石头、铸铁或混凝土;石头、砖或混凝土金库;和木材、铁或钢横梁、桁架、梁。在现代文化遗产(1940年之后建立的),最常见的结构元素是铸铁和concrete-something中间体之间的旧的和新的材料和技术的兼容性。另一方面,作为老建筑而言,一个是面对内在的困难找到合适的和兼容的解决方案包括材料具有良好的力学性能、耐热性、保温(5]。这是在这样一个复杂的修复和保护环境复合材料发现新的和增强作用。

复合材料通常包括热固性聚合物基质与玻璃纤维强化。这种形式,它们被应用在许多领域6- - - - - -8)如造船、汽车、和建筑业。他们有一个优势相对于其他材料由于其低密度。然而,应用程序,需要高强度和刚度,玻璃纤维加固,可以使用。高需求的应用程序,需要一个高弹性模量(9,10),例如,在航空航天和汽车工业,在高机械需求,体育用品,使用碳纤维和芳纶纤维因为纤维类别,除了抗拉强度高,弹性模量也很高。

高分子的交联后,热固性松香等cured-are固体,不溶于溶剂。最常见的这类树脂酚醛树脂、环氧树脂和聚酯。酚醛树脂是由酚醛缩聚反应通过逐步聚合酸催化剂与酚醛树脂或基地与可溶性酚醛树脂树脂催化剂一样。现代科技展览增加复合材料具有优良的机械性能的要求;然而,其他属性也经常需要,如热。

通常用于保温材料导热系数( )低于0.1 W /可[11]。保温材料的导热系数取决于封闭空气的体积材料的孔,孔的大小和结构、含水率,等等。保温材料分为两类:无机和有机。有机隔热材料是高分子材料,如聚氨酯、挤压和/或发泡聚苯乙烯(11],酚醛树脂(电木),主要以泡沫形式(11]。酚醛树脂具有优良的机械性能和保温性能和耐热性,与环氧树脂。珍珠岩的无机保温材料,它是一种低密度材料,作为添加剂,提供有效的减少复合材料的重量(7]。它还有助于保温和耐热性能和提高聚合物基体的力学性能。此外,作为一种无机材料,如遇火警的限制导致释放气体,火焰传播的预防和遏制的火焰8,9,12]。

本文的目的是展示材料,可以帮助在建筑物的稳定性和具有良好的力学性能和耐热性能,可以保障建筑物的结构体系对高温通过提供足够的隔热保护建筑的信封。为了实现这一目的,与聚合物基体复合材料制造,具有较高的机械性能结合良好的热阻和满意的保温性能。这一目标,耐热复合材料组件选择,特别是,(a)酚醛树脂(可溶性酚醛树脂)为一个矩阵,(b)碳纤维作为增强剂,和(c)珍珠岩作为一个组件与一个较低的导热系数。复合材料不同的成分和比例的组件制造,和样品的照片通过扫描电子显微镜(SEM)包括元素分析(EDS)。此外,试样的力学性能测量的弯曲强度和剪切强度,而他们的耐热性和热导系数确定。

Τhe特性构成了建筑复合材料有助于保护信封。热阻和热导率将保护建筑等极端条件下的极端天气事件。典型的建筑材料使用中断在水的存在甚至水分,和材料的一致性。通过制造一种耐热材料和导热性好,保护建筑的存在这样的现象。同时,机械性能保证建筑的安全从任何位移由于材料收缩和扩张,甚至一些小型地震振动。

1.1。实验

可溶性酚醛树脂树脂用作矩阵来构造复合材料是通过苯酚缩聚laboratory-synthesized(年利。默克公司)和甲醛(年利。,Riedel-de Haen, solution 36.5%) and barium hydroxide (Fluka) as a catalyst. The carbon fibers used had a monofilament number of 3000 tex and a density of 1740 kg/m³。此外,珍珠岩是一种硅酸矿物(SiO 70 - 75%₂,12 - 15%₂O₃Na, 3 - 4%₂啊,3 - 5% K₂啊,和铁低于1%₂O₃、分别和曹)[13]。在这种情况下,商业珍珠岩密度为120公斤/米³使用后,颗粒大小的 然后干443 K 2小时。制造的复合材料,上面提到的碳纤维已被preimpregnated 1: 6.6 wt %解决phenol-methanol(丙烯酰胺)的一个特别配置纤维包装系统。预浸渗后,浸渍碳纤维加热在343 K 1小时把甲醇,在343 K和树脂部分治愈后1小时preimpregnated碳纤维被切成分层(半固化片)。生产复合标本,采用的铸造技术如下。珍珠岩的更好dispersement resol-methanol解决方案(70:30 wt)补充说,混合物是放置在一个超声波浴2小时。碳纤维是放置在一个开放的模具,和可溶性酚醛树脂分散珍珠岩浇透。模具填充后,放置在一个温控炉当可溶性酚醛树脂固化,变成不熔酚醛树脂。加热程序是10个小时在343 K和353 K 2小时,然后为283 K温度每小时增加,直到达到403 K的停留时间在每个温度1小时。最后,标本被在423 K为2小时完成治疗,然后后固化过程给出了一个小时在443 K。为了防止卷曲的标本在养护期间,当达到363 K,一盘放置在顶部开的模具。 However, in order to determine the coefficient of thermal conductivity, larger specimens are required. The manufacture of these composite materials was done in a 0.28 m diameter circular mold using 0.003 m chopped carbon fibers, 1700 kg/m³(R&G Faserverbundwerkstoffe GmbH),继此前的过程。

有人指出各自所需材料的密度计算复合材料的成分的比例(重量( )和卷( ))。不熔酚醛树脂的密度和复合标本的密度是由称重和测量他们的尺寸。

1.2。扫描电子显微镜(SEM)

范使用的扫描电子显微镜是广达200模型。最初,所有标本都是镀金,然后放置在一个特殊的取样器,这是插入仪器在一个合适的辐照下高真空和15千伏的电压。微观结构分析的标本进行了放大从100 x 5000 x,在选择样本时,能量分布分析(EDS)进行定性和定量的元素分析。

1.3。机械性能

复合材料的力学性能,特别是弯曲强度和剪切强度,测定三分法根据ASTM d790 - 71和d2344 - 65 t (BS EN ISO 14125: 1998)。弯曲和剪切试验,试样水平放置在一个支持,并且负载加载应用于中心的鼻子,一个特殊的测功器,,通过施加压力,措施产生的偏转信号成比例。结果在一个表对应一个力量的仪器制造商,然后弯曲强度(MPa)和抗剪强度(MPa)计算: 在哪里最大负荷,标本断裂(N);l_年代是测试长度(米);b宽度(m);和d厚度(m)。

1.4。耐热性

每个材料的耐热性是由减肥后炉加热。热电阻分别确定各个组件的复合材料以及复合材料。炉加热到473 K,而不是更高由于酚醛树脂分解并开始失去属性高于这个温度。重的材料被放置在在大气的存在。材料重量每1小时5小时,和材料的减肥决心。

1.5。导热系数测定

复合材料的导热系数为10% 珍珠岩和7.5% 碳纤维决定在一个适当的成分。这两个标本的复合材料也被扔在大圆盘直径28厘米,等于取样器的金属板的直径。喧嚣的测量装置是基于方法52 612包括一个合适的加热调节器以及合适的取样器。后者包括三个相同(0.28米)的金属板中央板热板(一个合适的内置电阻)和通过外部加热监管机构提供加热而另两个冷却板和谎言之上和之下的中央。两个相同的测试块之间的复合材料放置冷金属板,测量温度。的完整布局取样器绝缘顶部和底部,以及压痕。取样器配置和温度测量位置如图1。测量是由等温地在317 K,并应用以下方程: 在哪里样品表面(m²);样品厚度(m);Θ_wm是平均温度的热表面的标本A和B在哪里 ( )(m);Θ_厘米是冷表面的平均温度在哪里 ( );Φ容量电阻加热板的计算方程(3)(系数2因为我们有2个样品);是时候系统发出的热量超过一段时间;是时间的系统发出热量的时间吗 ;和是外热加热器(W)。

2。结果与讨论

生产复合标本不熔酚醛树脂树脂、一个方向碳纤维和珍珠岩如表所示1。

上述材料的密度如下:不熔酚醛树脂 ,R90-P10复合 (预计密度规则的混合比例的单个组件/重量 ),和复合材料R90-CF7.5-P10 (预期的密度 )。因此,用珍珠岩代替一个数量的不熔酚醛树脂矩阵(10%按重量)导致复合材料的低密度(R90-P10),由于珍珠岩密度低于10倍的新址。

图2显示了扫描电镜的照片不熔酚醛树脂标本与碳纤维和珍珠岩(R-P10-CF7.5) 400倍的放大,人物3放大1000倍的集中在碳纤维的表面破裂随处可见,图呢4标本不熔酚醛树脂和碳纤维(R-CF7.5) 1000 x放大重点是碳纤维的断裂表面的。从数据2和3,它是指出,珍珠岩的分散均匀。同时,从数据3和4集中在一个地区的碳纤维随处可见,平行排列的纤维复合标本和均匀涂层纤维的矩阵可以观察到新址。

表2显示了元素分析的结果能谱的复合材料。分析集中在复合材料的断裂区域(图3),为了确定珍珠岩及其色散的作用由于额外的接口创建的百分比。同样清楚的是,原材料的结构仍然是对彼此的影响。图2,其重点是复合材料的表面,表明硅和铝的主要组件珍珠岩而在图3,显示的断裂表面复合材料,碳纤维主导和硅的存在是有限的(参见Si很小,也没有)。

数据5和6显示的弯曲强度和剪切强度以下材料:不熔酚醛树脂(R)、不熔酚醛树脂与珍珠岩(R-P10),不熔酚醛树脂与炭纤维(R-CF7.5)和丙阶酚醛树脂与炭纤维和珍珠岩(R-P10-CF7.5)。从图3,很明显,由于珍珠岩的增加10% 不熔酚醛树脂矩阵(R-P10),弯曲强度(约增加434%。5次)。

对于包含碳纤维复合材料,珍珠岩(R-P10-CF7.5)减少7%的挠曲强度相对于没有珍珠岩(R-CF7.5)的复合材料。因此,图4表明,剪切强度增加了52%(大约2倍)包含珍珠岩10%的标本 (R-P10)相对于丙阶酚醛树脂(R)标本。在复合材料中碳纤维和珍珠岩(R-P10-CF7.5),抗剪强度降低了38%。因此,珍珠岩构成材料,增强了矩阵,而纤维增强复合材料在更大程度上比颗粒状材料。同时参与珍珠岩的纤维增强复合材料会导致额外的接口,这有助于降低材料的机械性能。机械性能表明,这种材料可用于限制建筑物的结构体系的加固。

数据7和8显示各种材料的重量损失的比例相对于相应的复合材料的基体材料的热处理在473 K和时间。如图5、商业珍珠岩、珍珠岩颗粒 ,显示最小减肥(~ 1%)1小时,可能是由于水分含量。比例的复合材料resite-perlite 60 - 40 wt商业珍珠岩也有类似的行为。通过减少珍珠岩的比例同时增加可溶性酚醛树脂,体重略有增加到3.5%。考虑到减肥的不熔酚醛树脂矩阵,基于图6是8.3%,5小时加热在473 K,预期的减肥的矩阵图的复合材料5计算:4.9% (R60-P40), 5.8% (R70-P30), 6.6% (R80-P20)和7.4% (R90-P10)。基于图的显著降低体重值7相对于之前的预期值显示的稳定作用,珍珠岩执行保留在热处理不熔酚醛树脂的质量矩阵。

基于图8减肥,至少发生在碳纤维,而最大的发现不熔酚醛树脂矩阵。关于含碳纤维复合材料,包含珍珠岩清楚显示较低的体重,这证实了珍珠岩的稳定作用,这意味着它保障建筑物的结构体系对抗高温。图9显示了减肥的和额外的珍珠岩复合材料在不同的百分比,作为热处理不熔酚醛树脂含量的函数在473 K长达5个小时。人们已经发现,低wt不熔酚醛树脂的比例(60% ),时间参数( h)几乎不影响材料的减肥。通过增加的百分比不熔酚醛树脂,时间参数逐步影响材料的减肥,和时间的影响最大化wt不熔酚醛树脂的100%。

实验分是适应了指数函数: 与 。

表3介绍了导热系数的结果, ,酚醛树脂的复合材料——(服)碳fibers-perlite和的值一般为各种热固性聚合物作为建筑材料,更具体地说作为隔热材料15]。

价值的复合材料的导热系数(R-CF7.5-P10)是4.5至1.5倍低于热固性高分子材料,虽然它是典型的4.5到3.2倍泡沫隔热高分子材料。因此,复合材料的具体所在地大约两类之间的中间材料的基础上的价值 。导热系数的值( ,W /可)的单个组件的复合材料如下(17]:酚醛树脂(酚醛树脂) ,模拟石墨结构的碳 ,T300碳纤维锅(Cytec Thonel) ,和珍珠岩 。应用混合物的规则( ),的复合材料的价值(R-CF7.5-P10)值 (假设 )和 (假设 )。这些值( )在导热材料的范围的下限。通过比较这些值,如预期的混合物,通过实验确定价值的复合材料( )显示了一个重大的偏差。特别是,实验的价值要低得多表明,该复合材料的热导率,表现为新材料对其单个组件甚至低到10.6或46.2倍的方向隔热材料。

如今,一个人必须使用两个单独的进程与独立和分开采购材料为了确保建筑物的热保护和强化信封,以这种方式分别添加一些额外的负载。在这里,展示了新材料,即一个可以同时有两个属性,即。,both high strength and resistance to thermal loads, and thus, it can serve both purposes at the same time.

3所示。结论

(我)更换一个量与珍珠岩(10%丙阶酚醛树脂矩阵 )导致复合材料的低密度(R90-P10)珍珠岩的密度低于服的约10倍(2)SEM照片和能谱元素分析的标本R-P10-CF7.5显示珍珠岩表面的存在,同时断裂表面的复合材料,碳纤维主导,硅的存在是有限的(3)添加10%的wt珍珠岩(R-P10)增加材料的强度在弯曲和剪切。对于纤维增强复合材料,它是发现,珍珠岩参与减少弯曲和剪切强度由于额外的接口中创建复合材料质量。珍珠岩是提高矩阵,而纤维增强比颗粒状物质(珍珠岩)(iv)关于材料的热处理在473 K,碳纤维有最小的减肥,而珍珠岩遭受更少的减肥,紧随其后的是复合,比例为60 - 40 wt,值为1% 5个小时。不熔酚醛树脂矩阵展品最伟大的减肥材料为8.3% 5小时。在纤维增强复合材料,最小的减肥可以找到一个包含珍珠岩,这证实了这种物质的稳定作用。减肥的图像与珍珠岩的复合材料(碳纤维),作为内容的函数不熔酚醛树脂,遵循一个指数函数,低比例% wt (60% ),时间参数( h)几乎不影响材料的减肥。复合材料(R-CF7.5-P10)是一种耐热材料(减肥2%在473 K)为5个小时(v)从复合材料的导热系数(R-CF7.5-P10),它是发现,一方面,它位于大约在两类之间的中间材料(热固性和典型的泡沫隔热高分子材料)。基地值(导热系数)的材料的行为作为一种新材料相比,其单个组件,甚至降低隔热材料的方向(vi)对于这些复合材料,修改比例的组件和技术来创建一个泡沫矩阵,导热系数有望进一步降低作为一个典型的隔热材料(七)这种材料可以帮助稳定的现代文化建筑由于其力学性能;和耐热性能保障建筑物的结构体系对高温提供足够的保温。因此,复合材料可以发挥至关重要的作用在保持传统活着提醒过去的以及生活和本构我们现代世界的一部分

数据可用性

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的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

我们要感谢乔安尼斯Simitzis教授为他贡献的评价实验结果。