鎂水泥木絲板復合原理和制作工藝分析

諶 萌 熊榮生 席凱原

(1 江西建材廠，江西 南昌330001；2 江東機床廠，江西 南昌330001；3 江西省機械工業(yè)設計研究院，江西 南昌330046)

1 前言

我國菱鎂行業(yè)資深專家涂平濤編著的《氯氧鎂材料技術(shù)與應用》一書中介紹了氯氧鎂水泥木絲板[1]；如果基材選用鎂鋁硅酸鹽水泥（magnesium alumina silicate cement ZL02133685.7）又可生產(chǎn)鎂鋁硅酸鹽水泥木絲板。由于氯氧鎂水泥和鎂鋁硅酸鹽水泥都屬于鎂水泥的范疇，又由于鎂水泥比波特蘭水泥具有與植物纖維良好的復合性能，所以鎂水泥木絲板越來越引起人們的重視。因此，分析鎂水泥木絲板復合原理和制作工藝，對提高產(chǎn)品的物理力學性能，擴大使用范圍，有著十分重要的作用。

本文應用變形協(xié)調(diào)并聯(lián)復合和串聯(lián)復合方法，分析低彈性模量木絲增強高彈性模量鎂水泥基的復合原理，并推導出預測鎂水泥木絲板抗彎強度的計算方法；分析制作工藝中木絲制取、加壓成型以及熱壓脫模的效果比較，為實現(xiàn)鎂水泥木絲板或鎂水泥中、高密度纖維板的工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

2 復合原理分析

和波特蘭水泥作為基材一樣，鎂水泥木絲板也是“木纖維增強水泥”（woodfiberreinforcedcement，英文縮寫WFRC），這種低彈性模量木絲增強高彈性模量鎂水泥基材，如果僅僅以經(jīng)典混合律（lawofmixture）為主要依據(jù)的復合材料理論（theoryofcompositematerial）是難以分析鎂水泥木絲板的復合原理的。從變形協(xié)調(diào)來看，經(jīng)典混合律只是復合材料中的并聯(lián)復合，必須引進串聯(lián)復合，深化復合材料理論，才能從本質(zhì)上揭示鎂水泥木絲板的力學形成機理。

2.1 鎂水泥復合基的形成

按照經(jīng)典混合律，在彈性變形階段鎂水泥木絲板的應力計算公式[2]為：

式中：σfc-鎂水泥木絲板的應力，MPa

Em-鎂水泥基彈性模量，MPa

Ef-木絲彈性模量，MPa

εm-鎂水泥基應變值，%

εf-木絲應變值，%

Vm-鎂水泥基體積率，%

Vf-木絲體積率，%

由于鎂水泥基的極限延伸率只有0.02%~0.05%，所以在應力作用下的應變值達到鎂水泥基的極限延伸率時，具有相同應變值的木絲承受的應力是很低的，無法起到增強作用。顯然，單純應用經(jīng)典混合律不能分析鎂水泥木絲板的復合原理。

實際上，木絲和鎂水泥基復合，木絲在鎂水泥基中不是一維定向分布，而是三維亂向分布。這樣，木絲與鎂水泥基存在并聯(lián)復合的同時，也存在著串聯(lián)復合。目前串聯(lián)復合在理論界往往被忽視，但在低彈性模量纖維增強高彈性模量水泥基的復合材料中卻是客觀存在的。串聯(lián)復合改變了基體材料的彈性模量，使鎂水泥基轉(zhuǎn)變?yōu)殒V水泥復合基。筆者發(fā)表在2010 年第1 期《中國菱鎂》雜志上的《鎂水泥復合保溫板力學性能分析及其材性結(jié)構(gòu)設計》一文中提出了應力作用下彈性變形階段串聯(lián)復合必須滿足的三個變形協(xié)調(diào)方程。如果不考慮木絲順紋方向和橫紋方向彈性模量的差異，木絲和鎂水泥基串聯(lián)復合的三個變形協(xié)調(diào)方程為：

式中：1mε -鎂水泥復合基的應變值，%

Em1-鎂水泥復合基的彈性模量，MPa-木絲串聯(lián)復合后的彈性模量，MPa-鎂水泥基串聯(lián)復合后的彈性模量，MPa

μf-木絲的泊松比，%

μm-鎂水泥基的泊松比，%-木絲的橫向正應變，%-鎂水泥基的橫向正應變，%

與PP纖維、PVA纖維等低彈性模量纖維不同，木絲橫紋方向和順紋方向的彈性模量是有差異的，木絲橫紋方向的彈性模量低于順紋方向的彈性模量，所以鎂水泥復合基彈性模量應該是鎂水泥基和木絲橫紋方向串聯(lián)復合后的彈性模量。

解三個變形協(xié)調(diào)方程，可以求出鎂水泥復合基的彈性模量。作為生產(chǎn)，可以近似地采用如下公式求出：

式中：E1m-鎂水泥復合基的彈性模量，MPa

Ef1-木絲橫紋方向的彈性模量，MPa

η1-木絲橫紋方向的取向系數(shù)，%。

三維狀態(tài)中木絲橫紋方向的取向系數(shù)相當于與應力垂直方向的各平面內(nèi)沿各個方向，這樣橫紋方向的取向系數(shù)為：

木絲橫紋方向的彈性模量不但低于鎂水泥基的彈性模量，而且低于木絲順紋方向的彈性模量。這樣，鎂水泥基由于串聯(lián)復合轉(zhuǎn)變?yōu)殒V水泥復合基后彈性模量極大地降低。正是由于這一原理，低彈性模量木絲增強高彈性模量鎂水泥基在事實上轉(zhuǎn)變?yōu)轫樇y方向的木絲增強鎂水泥復合基，這一結(jié)論使生產(chǎn)鎂水泥木絲板不僅在實踐上可行，在理論上也有充分的依據(jù)。

2.2 抗拉強度形成機理

鎂水泥木絲板的抗拉強度應該是木絲順紋方向的抗拉強度，和鎂水泥復合基的抗拉強度與體積率乘積的加和值。

這樣就有：

η1-木絲的長度系數(shù)，%

η2-木絲順紋方向的取向系數(shù)，在3D 分布狀態(tài)下，取向系數(shù)為

εf2-木絲順紋方向的應變值，%-鎂水泥復合基的體積率，%

鎂水泥木絲板在拉應力作用下，當木絲順紋方向的應變值和鎂水泥復合基的應變值相同時，那么由于木絲順紋方向的極限應變值和鎂水泥復合基的極限應變值不同，這樣鎂水泥木絲板的抗拉強度 (σfc)b就會出現(xiàn)三種情況：

上述式中：

Ef2-木絲順紋方向的彈性模量，MPa

(σf2)b-木絲順紋方向的抗拉強度，MPa

(σm1)b-鎂水泥復合基的抗拉強度，MPa

由于με1m可根據(jù)木絲摻量進行調(diào)節(jié)，所以在鎂水泥木絲板中，實現(xiàn)με1m＝μεf2時的木絲摻量是鎂水泥木絲板中的木絲臨界體積率，按臨界體積率設計生產(chǎn)的鎂水泥木絲板具有較高的物理力學性能。

既然鎂水泥復合基的彈性模量應該是鎂水泥基和木絲橫紋方向串聯(lián)復合后的彈性模量，同樣鎂水泥復合基的應變值也應該是鎂水泥基和木絲橫紋方向串聯(lián)復合的應變值。按變形協(xié)調(diào)方程2就有：

(式中:εf1-木絲橫紋方向的應變值，%。)

由于鎂水泥基的極限應變值很低，當 mε→μεm時，則 1mε →με1m。又按變形協(xié)調(diào)方程1（應力處處相等）可知鎂水泥復合基的抗拉強度等于鎂水泥基的抗拉強度。當拉應力達到鎂水泥基抗拉強度時，鎂水泥復合基的應變值就達到鎂水泥基的極限應變值:

這一公式告訴我們，要提高鎂水泥復合基的極限應變值，必須也只有降低木絲橫紋方向的彈性模量。一般來講，未經(jīng)處理的木絲生產(chǎn)鎂水泥木絲板其鎂水泥復合基很難實現(xiàn)與木絲順紋方向具有相同的極限應變值，必須對木絲進行處理，降低木絲橫紋方向的彈性模量。筆者經(jīng)過多次試驗，得出的結(jié)論是經(jīng)過處理的軟木絲比未經(jīng)過處理的硬木絲在相同的體積率時，所生產(chǎn)的鎂水泥木絲板具有較高的物理力學性能。

為了有效地說明這一原理，不妨通過實例進行計算。假設采用的鎂水泥和木絲具有如下物理力學性能：

鎂水泥

經(jīng)過處理的木絲

如果經(jīng)過處理的木絲干容重為0.4g/m3、鎂水泥基容重為2.0g/m3，那么木絲的重量摻量（wt%）為61.8%，密度為576kg/m3。

鎂水泥木絲板是采用半干法料漿加壓生產(chǎn)的，這樣可使鎂水泥從表面滲透進木絲內(nèi)部固化，在厚度上壓縮為無機膠合中密度纖維板800g/m3密度。由于密度增加了1.39 倍，板材的抗拉強度、彈性模量也增加了1.39 倍。

2.3 預測鎂水泥木絲板抗彎強度的計算方法

幾乎用不著證明，鎂水泥木絲板在工程應用上的主要力學性能是抗彎強度。應用復合材料理論，預測鎂水泥木絲板抗彎強度的計算方法的步驟為：

1）應用混合律求出板材在彎曲應力作用下未出現(xiàn)初裂的臨界狀態(tài)時的最大拉應力；

2）在彈性變形范圍內(nèi)求出最大壓應力和力學中性軸；

3）預測板材未出現(xiàn)初裂的臨界狀態(tài)時的彎距和抗彎強度。

鎂水泥基的抗拉強度只有抗壓強度的1/7 ～1/12,木絲橫紋受到鎂水泥基的機械互鎖和化學粘合的約束，只有在壓應力較大時，木絲橫紋方向橫向正應變才能達到鎂水泥基的極限應變值，所以鎂水泥木絲板的抗壓強度高于抗拉強度。這樣，鎂水泥木絲板彎曲時的最大拉應力可按板材的抗拉強度計算，最大壓應力時，由于應力-應變曲線近于直線[3],可按彈性變形計算，即:

仍以上面的實例計算，求出鎂水泥木絲板的抗彎強度。

假設鎂水泥木絲板厚度δ=25mm,寬度為b，設中性軸為y0，

由ΣM=0 得：

其中σcmax= 530.3εm1，代入求出力學中性軸距受壓面y0=13.65mm，

求彎距：

實際檢測是按幾何截面模量計算的，這樣有利于不同的力學中性軸的板材進行彎曲應力承受能力的比較。

求出抗彎強度：

有必要指出的是， 板材的抗彎強度σbb=19.81MPa， 抗 拉 強 度σb=23.03MPa，這二者的關系是σbb=0.825σb，并不滿足Hannant 所推導出的2.44 倍公式[4]。抗彎強度的發(fā)生，除與板材的抗拉強度有關外，還取決于復合體各組分材料的彈性模量、極限應變值。若，這時低彈性模量纖維摻量較少，抗拉強度低、抗壓強度高，中性軸向受壓區(qū)移動，抗彎強度與抗拉強度的比較值較大；若這時纖維摻量較大，抗拉強度高，抗壓強度低，中性軸向受拉區(qū)移動，抗彎強度與抗拉強度的比值較小。所以根據(jù)鎂水泥木絲板的抗彎強度和抗拉強度的關系，不能通過簡單測定板材的抗彎強度而計算板材的抗拉強度。

3 制作工藝分析

鎂水泥木絲板的制作工藝主要有木材處理和木絲制備、鎂水泥配制、鋪裝與加壓成型、養(yǎng)護與裁切整形、飾面深加工等，這里僅對決定板材力學性能的關鍵工藝進行分析。

3.1 木絲制取

從鎂水泥木絲板力學性能分析中可以看出，要生產(chǎn)物理力學性能高的鎂水泥木絲板，木絲必須滿足兩個條件：木絲橫紋方向的彈性模量降低較大和木絲順紋方向的抗拉強度減少較小。這樣木絲制取就要包括兩個內(nèi)容：木材處理和切削取絲。

木材作為植物機體，自然含有包括以纖維素、木素、半纖維素等多糖類生物大分子，也含有脂、核酸和蛋白質(zhì)等生物大分子，以及還含有維生素、有機酸、輔酶、生物堿、氨基酸、天然肽類等[5]。作為真核細胞組成的木材，細胞壁是由纖維素微纖維絲構(gòu)成[6]。這是木絲抗拉強度的主要承擔者，而其他生物分子原生質(zhì)是組成細胞質(zhì)、細胞核的主要成分。木材采伐后，原生質(zhì)要逐漸降解并主要以灰分、樹脂、鞣酸等形式存在。如果采用水煮或稀堿水溶液水煮，就很容易把這些對木絲力學性能沒有多大貢獻的物質(zhì)除掉，同時降低木絲橫紋方向的彈性模量。水煮或稀堿水溶液水煮是木材處理常用的方法。

如果制取木絲采用削片后磨料的方法或順紋徑向錘擊的方法，很容易使木絲斷裂成碎絲，這不僅降低了木絲的長徑比，而且木絲順紋方向的抗拉強度減少較多。若采用涂平濤的旋切或刨切后拉絲，且取材時注意木材的順紋方向，這樣制取的木絲順紋抗拉強度減少較小，一句話靜力切削比重壓擠剝或動力沖擊取絲效果好。筆者根據(jù)漸開線齒輪傳動中心距變化而不影響其傳動比的中心距可分性原理，選用過一對m=12 的廢直齒錐輪并在齒面上開出帶有正前角的微槽用來加工麥稈絲，只要把中心距調(diào)整到合適的位置，結(jié)果是加工效果很好。因為開有帶正前角的微槽有切削作用，而錐齒輪在軸向的線速度是遞增或遞減的，這樣對齒輪軸向進料的麥稈存在著連續(xù)的切、扯、撕的過程。若用來加工木絲，可能效果也很好。

3.2 加壓成型

經(jīng)過處理的木絲，容重降低，還產(chǎn)生了較多的孔隙。這些孔隙的出現(xiàn)，為鎂水泥滲透進木絲內(nèi)部固化創(chuàng)造了良好的工藝條件。與石棉纖維、玻璃纖維、PP 纖維、PVA 纖維不同，木絲不是由單一材料所組成，木絲本身就是一種復合材料。處理過的木絲橫紋方向彈性模量降低，產(chǎn)生了孔隙，在大的壓力下鎂水泥就可以擠壓進木絲內(nèi)部固化，這種機械互鎖和化學粘合的出現(xiàn)，克服了鎂水泥比有機樹脂與木絲界面黏結(jié)強度低的弊端，極大地提高了木絲增強鎂水泥的板材的應力傳遞效應。

產(chǎn)生大的壓力只有采用大軋輥進行多次輥壓。只要軋輥產(chǎn)生的壓應力大于木絲橫紋屈服極限而又小于木絲橫紋的抗壓強度時，鎂水泥就能充分擠壓進木絲內(nèi)部。雖然木絲經(jīng)過處理，但畢竟是粘彈性材料，大軋輥與扳坯的接觸面積大，運轉(zhuǎn)時接觸時間延長以及多級輥壓，板坯的反彈現(xiàn)象自然就小多了。

3.3 熱壓脫模

即使板坯經(jīng)過大軋輥多級輥壓，只要鎂水泥沒有固化板坯的反彈現(xiàn)象還是有的，因此，板坯輥壓后還得移到平面壓力機中熱壓才能脫模。1989 年《中國菱鎂》雜志刊載了中國科學院王玉慶、楊俊英譯的《無機膠凝水泥及其制造工藝（美）威廉·L·普賴爾》文章，該文提出鎂水泥刨花纖維板的壓制溫度=300°F（約149°C），硬化時間6min。南京航空航天大學余紅發(fā)教授也極力主張熱壓脫模；筆者在1990 年也多次在實驗室中驗證了熱壓脫膜工藝，發(fā)現(xiàn)效果的確不錯，所以熱壓脫模工藝的采用對生產(chǎn)鎂水泥木絲板縮短生產(chǎn)周期，提高設備的利用率有著重大的作用。

值得注意的是，在平面壓力機中熱壓脫模，在板坯之間一定要留有排氣裝置。如果不排氣，壓力機施壓時板坯中的空氣就會向四周擴散、沖擊，這樣脫模后的板材周邊的強度就要下降。

4 結(jié)語

鎂水泥木絲板是一種無機膠合植物纖維人造板，和脲醛樹脂膠合的纖維板相比，具有防火、防水、防老化、防霉變、不含甲醛等得天獨厚的優(yōu)勢，具有較大的發(fā)展空間和廣闊的市場前景。有個別企業(yè)希望用鎂水泥開發(fā)中、高密度纖維板，如果搞不清楚板材的力學形成機理，只憑經(jīng)驗或感覺盲目開發(fā)是很難成功的。只有在理論上掌握鎂水泥木絲板力學形成機理，在工藝上保證力學形成機理中的每一步驟，開發(fā)和生產(chǎn)鎂水泥中、高密度纖維板是不難實現(xiàn)的。

[1]涂平濤.氯氧鎂材料技術(shù)與應用[M].北京：化學工業(yè)出版社，2009：105 ～112.

[2]沈榮熹，崔琪，李清海.新型纖維增強水泥基復合材料[M].北京：中國建材工業(yè)出版社，2004：61.

[3]李亞杰.建筑材料[M].北京：中國水利水電出版社，2001：64.

[4]沈榮熹，崔琪，李海清.新型纖維增強水泥基復合材料[M].北京：中國建材工業(yè)出版社，2004：82.

[5]靳利娥，劉玉香，秦海峰，謝鮮梅.生物化學基礎[M].北京：化學工業(yè)出版社，2007：2 ～3.

[6]張璧光.木材科學與技術(shù)研究進展[M].北京：中國環(huán)境科學出版社，2004：2.