建筑用纖維增強(qiáng)塑料研究進(jìn)展

舒江

(重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，重慶 400010)

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建筑用纖維增強(qiáng)塑料研究進(jìn)展

舒江

(重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，重慶 400010)

摘要：介紹了多種纖維增強(qiáng)塑料技術(shù)的基本原理及其在建筑設(shè)計(jì)和室內(nèi)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，重點(diǎn)介紹了長纖增強(qiáng)熱塑性塑料、玻纖增強(qiáng)塑料筋、纖維增強(qiáng)聚氨酯塑料在建筑中的應(yīng)用。通過實(shí)例發(fā)現(xiàn)纖維增強(qiáng)塑料技術(shù)可有效提高室內(nèi)設(shè)計(jì)以及建筑的創(chuàng)新性，提高建筑的舒適度。

關(guān)鍵詞：纖維增強(qiáng)塑料；建筑；進(jìn)展

聯(lián)系人：舒江，講師，主要從事建筑室內(nèi)裝飾設(shè)計(jì)、施工及相關(guān)材料研發(fā)

隨著經(jīng)濟(jì)規(guī)模和人口數(shù)量的不斷增加，自然災(zāi)害、能源短缺和全球氣候變暖等問題日益突出，人們對其關(guān)注程度逐漸提高。建筑作為人們賴以生存的一個(gè)行業(yè)，在建筑中引入纖維增強(qiáng)塑料技術(shù)對節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境是十分有必要的。

目前建筑領(lǐng)域前沿課題之一是纖維增強(qiáng)塑料的研究，纖維增強(qiáng)塑料給建筑及其室內(nèi)設(shè)計(jì)帶來了翻天覆地的變化，它有效提升了節(jié)能環(huán)保技術(shù)與室內(nèi)設(shè)計(jì)品質(zhì)，也為住宅舒適程度的提高奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。自20世紀(jì)30年代以來，聚氯乙烯等塑料就在室內(nèi)裝飾與家具制作中得到了廣泛應(yīng)用[1]，然而因?yàn)楹芏嗨芰现破返哪途眯暂^差，又或多或少對環(huán)境一定的損壞，使得塑料制品的發(fā)展十分緩慢。為突破這一困境，國內(nèi)外學(xué)者對塑料技術(shù)進(jìn)行了深入研究，但大致被分成兩類，一類是改善原有的纖維增強(qiáng)塑料的性能，但這種方法只能在一定程度上提高塑料的性能，并不能從根本上解決問題。另外一是研發(fā)新型纖維增強(qiáng)塑料。Nicola Stattmann[2]在《生物基塑料》一文中介紹了多種纖維增強(qiáng)塑料技術(shù)，比如：橡膠天然纖維泡沫、胡蘿卜纖維增強(qiáng)塑料、擠壓木材塑料復(fù)合材料、生物復(fù)合材料、玉米淀粉高性能塑料、藻類泡沫以及植物油制成的泡沫材料[3]，這些材料的出現(xiàn)給室內(nèi)設(shè)計(jì)帶來了新的活力，也創(chuàng)造出了很多優(yōu)秀的室內(nèi)設(shè)計(jì)作品。比如：荷蘭OMA建筑事務(wù)所設(shè)計(jì)的PARADA時(shí)裝店，室內(nèi)設(shè)計(jì)中使用了泡沫塑料，材料的中間有孔洞。為了呈現(xiàn)這種塑料的裝飾效果，室內(nèi)設(shè)計(jì)師采用銑削技術(shù)和3D計(jì)算機(jī)建模工具[4]，制作了很多個(gè)模型對開孔大小、材料硬度以及顏色進(jìn)行了測試；在時(shí)裝店的隔墻上應(yīng)用這種材料，可有效提升時(shí)裝店的美觀度和空間效果。

另外，纖維增強(qiáng)塑料和傳統(tǒng)的室內(nèi)裝修材料相比，具有抗壓性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、耐腐蝕性好、可塑性高等優(yōu)點(diǎn)，將纖維增強(qiáng)塑料技術(shù)應(yīng)用到建筑施工中，可有效節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境，提高建筑舒適度[5-6]；其在未來的建筑設(shè)計(jì)中也必將有廣泛的應(yīng)用。

1　長纖增強(qiáng)熱塑性材料

長纖增強(qiáng)熱塑性材料(LFT)主要是通過特殊的成型工藝和特殊混合設(shè)備將天然纖維、有機(jī)纖維、碳纖維、玻纖等纖維和多種熱塑性基體及塑料助劑復(fù)合得到的[7-8]。LFT是長度大于十毫米增強(qiáng)纖維與熱塑性聚合物復(fù)合制成的。LFT顆粒的長度一般在10～25 mm這個(gè)范圍之內(nèi)，具體見圖1。LFT 塑料的長纖維可相互纏結(jié)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)制品的骨架。

和LFT有關(guān)的技術(shù)有：長纖維增強(qiáng)反應(yīng)注射成型(LFI)、長纖維增強(qiáng)熱塑性塑料顆粒(LFT–G)、長纖增強(qiáng)熱塑性塑料在線配混(LFT–D)技術(shù)。LFI是在不飽和樹脂、環(huán)氧樹脂和液相聚氨酯等材料的基礎(chǔ)上開發(fā)的，纖維是長玻纖[9]。LFI器件具有很多的優(yōu)點(diǎn)，比如：密度低、剛性高，這些優(yōu)點(diǎn)使其在改善零件力學(xué)性能等方面具有重大作用。LFT–G技術(shù)是通過浸漬連續(xù)纖維和樹脂熔體并切斷成等長的一種增強(qiáng)塑料技術(shù)。通過LFT–G技術(shù)切割形成的粒料長度為10～30 mm，其表面較光滑，避免了由于剪切操作引起的粒料損傷[10]。LFT–D技術(shù)是通過連續(xù)玻纖或無捻玻纖和系統(tǒng)中的熔體浸漬形成的，該項(xiàng)技術(shù)有效降低了產(chǎn)品的制造成本，制品抗沖擊性能較高。

圖1　長玻纖增強(qiáng)塑料粒子

總而言之，LFT 具有很多優(yōu)點(diǎn)：第一，制品具有很強(qiáng)的力學(xué)性能，特別是沖擊強(qiáng)度；第二，長纖維的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使得制品有比較好的低翹曲、抗蠕變性能和較小的成型收縮率[7]，也使得制品的尺寸比較穩(wěn)定；第三，長纖維制品的設(shè)計(jì)自由度較高，使得長纖維制品具有高強(qiáng)度和高靈活性的特點(diǎn)[11]；第四，在寬氣候條件與寬溫度范圍的狀況下，制品具有優(yōu)異的抗動態(tài)疲勞性能和穩(wěn)定性[12]；第五，制品可循環(huán)重復(fù)回收使用，是一種綠色環(huán)保的高性能纖維增強(qiáng)熱塑性材料。圖2為具有局部鑲嵌織物增強(qiáng)的LFT技術(shù)。圖3為LFT材料的主要截面形式。

圖2　具有局部鑲嵌織物增強(qiáng)的LFT 技術(shù)

圖3　LFT材料的主要截面形式

熱塑性材料可以通過多種成型方式進(jìn)行加工，應(yīng)用于室內(nèi)設(shè)計(jì)中可以滿足其對外觀形式多樣化的要求。而LFT不僅具有一般熱塑性塑料的優(yōu)點(diǎn)，其抗壓性和抗沖擊性能都得到了很大程度上的提高，這就使其在室內(nèi)設(shè)計(jì)領(lǐng)域施工過程中可操作性更強(qiáng)，施工方式簡單，且使用壽命及穩(wěn)定性都得以提高，可廣泛地應(yīng)用于地板、天花板和墻壁中。另外，LFT具有較優(yōu)異的隔音作用，可以用作隔音墻壁、隔音門板；并且制品具有一定的緩沖性，也使得其應(yīng)用于地板和家具中的安全性得到了提高。

2　纖維增強(qiáng)塑料筋

近些年，很多發(fā)達(dá)國家開始在房屋建筑中使用纖維增強(qiáng)塑料筋，以期用于建筑工程中，彌補(bǔ)鋼筋腐蝕導(dǎo)致的建筑工程耐久性不高等不足[11]。纖維增強(qiáng)塑料筋技術(shù)是以纖維增強(qiáng)材料，以合成樹脂為基體材料，并加入一定的輔助劑，經(jīng)過拉擠成型與一定的表面處理形成的復(fù)合材料技術(shù)。纖維增強(qiáng)塑料筋具有以下優(yōu)點(diǎn)：

第一，具有優(yōu)異耐久性和抗腐蝕性能[13–14]；纖維增強(qiáng)筋塑料的受力情況見圖5。其應(yīng)力變化和粘結(jié)應(yīng)力的關(guān)系為：

其中，τ為粘結(jié)應(yīng)力，db是纖維增強(qiáng)塑料筋的名義直徑，dx是單位纖維長度，d是纖維長度，Af為纖維增強(qiáng)塑料筋系數(shù)，ff是材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

第二，具有較高的拉伸強(qiáng)度，高于預(yù)應(yīng)力鋼筋；纖維增強(qiáng)塑料筋彎曲部分的強(qiáng)度ff，b是由彎曲處的曲率半徑和塑料筋直徑的比值決定的，見式(2)：

其中，r是纖維增強(qiáng)塑料筋的內(nèi)彎曲半徑，ffu為增強(qiáng)塑料筋彎曲部分的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

第三，質(zhì)量輕，纖維增強(qiáng)塑料筋只為預(yù)應(yīng)力鋼筋質(zhì)量的15%～20%；第四，荷載損失小、松弛性低；第五，對電磁場的敏感度不高；第六，具有優(yōu)良的抗疲勞特性。由于纖維增強(qiáng)塑料筋具有較高的抗腐蝕性能，會保證纖維增強(qiáng)塑料筋錨桿的耐久性較強(qiáng)[15]，不需要做防腐處理，放置纖維增強(qiáng)塑料筋錨桿只需要較小的孔徑就足以，這就在節(jié)省鉆孔與制造費(fèi)用的同時(shí)，還保護(hù)了環(huán)境。田偉等[16]選用了深圳某公司生產(chǎn)的表面帶螺紋的玻纖增強(qiáng)塑料(GFRP)筋進(jìn)行拉伸力學(xué)性能與破壞形態(tài)實(shí)驗(yàn)。通過對比分析不同乙烯基樹脂含量的GFRP筋在受拉伸荷載作用下的初裂荷載以及破壞荷載表明：GFRP筋為脆性材料；不同樹脂含量下桿件首先是以剪應(yīng)力錯(cuò)動為主，而后轉(zhuǎn)為樹脂和纖維的共同斷裂與剪應(yīng)力錯(cuò)動綜合而破壞；通過比較GFRP筋的破壞荷載，最小強(qiáng)度為547.4 MPa，能夠代替鋼筋在建筑結(jié)構(gòu)中起到軸向受拉的作用。纖維增強(qiáng)塑料筋的上述特點(diǎn)使其結(jié)構(gòu)更加簡單，便于處理和運(yùn)輸，可實(shí)現(xiàn)對巖土工程的加固，從而充分提高以及調(diào)動巖土本身的穩(wěn)定性與巖土的強(qiáng)度，以降低自身的質(zhì)量，或者是減少建筑物的大小[17–18]，從而節(jié)約工程。在樓梯和墻壁中使用纖維增強(qiáng)塑料筋可有效提高其強(qiáng)度，保證墻壁等的抗壓、抗震能力。

曹升虎等[19]研究了碳纖維、玄武巖纖維及其不同混雜比增強(qiáng)乙烯基樹脂復(fù)合筋的張拉力學(xué)性能。結(jié)果表明，混雜復(fù)合筋的斷裂應(yīng)變隨玄武巖纖維含量的增加逐漸增大，且均大于單一碳纖維復(fù)合筋的斷裂應(yīng)變，呈現(xiàn)正的混雜效應(yīng)；彈性模量則隨碳纖維相對含量的增大而增大，基本符合混合定律，而混雜筋的拉伸強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)值則高于理論值。為保證復(fù)合筋材的強(qiáng)度不低于單一玄武巖筋材的強(qiáng)度，建議設(shè)計(jì)混雜筋材的碳、玄武巖纖維體積混雜比為2∶1。

3　纖維增強(qiáng)聚氨酯塑料

二十世紀(jì)七十年代以來，學(xué)者就已開啟了對纖維增強(qiáng)聚氨酯泡沫塑料(FFU)的研究[20]。從成型工藝的角度上講，F(xiàn)FU可分為結(jié)構(gòu)反應(yīng)注射成型(SRM)、增強(qiáng)反應(yīng)注射成型(RRM)等[17]。

在RRM工藝中，在硬質(zhì)增強(qiáng)聚氨酯塑料中加注粉末、片狀或者纖維這些剛性填料可制備FFU[21]。這種FFU成型方式的熱穩(wěn)定性、剛性以及生產(chǎn)效率都得到了有效提高。

在SRM工藝中，在金屬模具中加注由長玻纖制成的氈、網(wǎng)或者其他形狀的材料，并進(jìn)行反應(yīng)注射成型制成FFU。SRM制品的韌性、熱穩(wěn)定性和剛性都明顯提升。然而，SRM制品的表面光潔度不高，不能用在產(chǎn)品可視面。

通過電子與光學(xué)顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，剛性填料對硬質(zhì)聚氨酯的基本結(jié)構(gòu)不會有所改變[20]。通常狀況下，泡孔壁中有一定的纖維填料和顆粒填料，在提高復(fù)合物基體方面很有成效，它的熱穩(wěn)定性、彎曲彈性模量、抗蠕變能力、剪切強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度都得到了明顯提升。

FFU具有極好的耐水性、耐酸堿腐蝕性、力學(xué)性能以及耐候性等特點(diǎn)[22]，使得其能在環(huán)境極其惡劣的情況下使用，所以可將其應(yīng)用在鐵道枕木、汽車以及建筑當(dāng)中。采用連續(xù)玻纖氈均勻分散在聚氨酯泡沫中制造的水發(fā)泡FFU，不但具有較強(qiáng)的熱沖擊性、拉伸性能、低膨脹系數(shù)，還具有較強(qiáng)的剪切強(qiáng)度。

由于FFU在很大程度上改善了聚氨酯泡沫塑料的力學(xué)性能、加工性能、阻燃性及穩(wěn)定性，并且最大程度上對其優(yōu)良的耐候性、防水性、耐酸堿腐蝕性、保溫性等予以保留，因此在室內(nèi)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中是一種理想的隔熱保溫材料。在用作墻壁和地板時(shí)，不僅具有優(yōu)良的保溫性能，有效地降低建筑工程中的能耗，另外由于其更為優(yōu)異的力學(xué)性能，在室內(nèi)設(shè)計(jì)應(yīng)用中還可以提高其使用壽命和穩(wěn)定性。

4　結(jié)語

纖維增強(qiáng)塑料具有力學(xué)性能優(yōu)良、穩(wěn)定性好、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，將纖維增強(qiáng)塑料技術(shù)應(yīng)用到建筑及其室內(nèi)設(shè)計(jì)中，可有效節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境，提高其舒適度。長纖增強(qiáng)熱塑性材料能用于房間的隔板，在減少使用混凝土材料的同時(shí)，還可有效提高房間的隔音效果。將玻纖增強(qiáng)塑料土釘用在樓梯制作中，能有效減輕樓梯質(zhì)量，縮小樓梯的尺寸。隨著纖維增強(qiáng)塑料技術(shù)和工藝的不斷發(fā)展，其在建筑中的應(yīng)用前景會更廣闊。

參 考 文 獻(xiàn)

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Research Progress of Fiber Reinforced Plastics Used in Architecture

Shu Jiang
(Art and Design College of Chongqing Engineering Professional Technology Institute，Chongqing 400010， China)

Abstract：The basic principle of a variety of fiber reinforced plastics technology and its application in architectural design and interior design was introduced. Long fiber reinforced thermoplastic， glass fiber reinforced plastic bar，fiber reinforced polyurethane plastic technology in architectural design were interpreted. Experiments prove that fiber reinforced plastic technology could improve the innovation of interior and architectural design and the comfort of building.

Keywords：fiber reinforced plastic；architecture；progress

中圖分類號：TQ327

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-3539(2016)04-0136-04

doi:10.3969/j.issn.1001-3539.2016.04.030

收稿日期：2016-01-27