三聚氰胺-脲醛樹脂改性木基石膏復(fù)合材料的效果及機(jī)理

岳 孔，梁 冰，趙明元，唐中秋，王 烽，劉 健，劉偉慶

（南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，南京211800）

0 引 言

石膏板含有大量結(jié)晶水，火災(zāi)發(fā)生時(shí)能有效起到吸收熱量和降低溫度的作用，且具有輕質(zhì)、環(huán)保和節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，在木結(jié)構(gòu)中主要用作樓板和墻板的抗火覆面板[1-2]。研究表明，16 mm厚石膏板覆面的組合墻體，其耐火極限在120 min以上[3-4]，滿足抗火性能要求。但石膏板力學(xué)性能嚴(yán)重不足，在常規(guī)的加工、運(yùn)輸和施工中易折斷[5-6]，因此僅用作隔墻和裝飾板，無法在建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中用作受力構(gòu)件。

隨著人們對(duì)多高層木結(jié)構(gòu)需求的增加，建筑中常用到的木基結(jié)構(gòu)板剪力墻的抗側(cè)力性能和抗火性能需相應(yīng)提高。當(dāng)木基結(jié)構(gòu)板剪力墻承擔(dān)較大水平力作用時(shí)，力學(xué)性能較低的石膏板將過早破損，而失去隔火作用，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。同時(shí)，石膏板耐水性能較差，難以用于浴室或廚房等高濕環(huán)境中。

以石膏為連續(xù)相和膠凝材料、木刨花為增強(qiáng)相，復(fù)合緩凝劑制成的木基石膏復(fù)合材料，彌補(bǔ)了石膏板原本的高脆性，改善了刨花板的阻燃性能，因此兼具耐火和強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)[2,7]。研究表明，采用水性環(huán)氧樹脂預(yù)先對(duì)木刨花改性，由于環(huán)氧樹脂膠合性能較強(qiáng)[8]，增強(qiáng)了石膏與刨花之間的界面性能，制得的木基石膏復(fù)合材料具有較高的力學(xué)性能[9]。但石膏的膠凝硬固速度較快，無法提供足夠的操作時(shí)間以滿足連續(xù)相和增強(qiáng)相機(jī)械拌合的制備要求，因此傳統(tǒng)木基石膏復(fù)合材料制備中常采用添加復(fù)合緩凝劑水溶液的方式來延緩石膏的硬化速度，但緩凝劑和水分的加入會(huì)造成石膏晶體硬化孔徑大、結(jié)構(gòu)劣化，還降低了石膏晶體微結(jié)構(gòu)之間的互鎖效應(yīng)，導(dǎo)致復(fù)合材料強(qiáng)度的降低[10]。荷載作用下，復(fù)合材料連續(xù)相通過界面分散和傳遞應(yīng)力，因此界面結(jié)合是決定復(fù)合材料強(qiáng)度的關(guān)鍵因素[11-12]。常規(guī)木基石膏復(fù)合材料中，石膏與常用的植物纖維增強(qiáng)相之間為機(jī)械咬合作用，沒有化學(xué)結(jié)合，較弱的界面性能也是復(fù)合材料力學(xué)性能較低的重要因素[9,13]。此外，在現(xiàn)代結(jié)構(gòu)形式中，除結(jié)構(gòu)的承載力和耐久性需要加以關(guān)注的同時(shí)，結(jié)構(gòu)還需具備一定的變形能力，以滿足必要的延性性能，從而使結(jié)構(gòu)在反復(fù)荷載作用下保證整體性，但目前關(guān)于木基石膏復(fù)合材料延性性能的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道較少。

在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，為提高木基石膏復(fù)合材料的力學(xué)性能，本文提出了免加緩凝劑的木基石膏復(fù)合材料新型制備工藝，并開展其物理力學(xué)性能試驗(yàn)，以期為其力學(xué)性能的進(jìn)一步提升和產(chǎn)品的工程應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

國(guó)產(chǎn)杉木(Cunninghamia lancelolate)鋸材和10 mm厚石膏板均購(gòu)自南京工大木結(jié)構(gòu)科技有限公司，杉木的平均密度為0.350 g/cm3。常溫固化型結(jié)構(gòu)用雙組份三聚氰胺-脲醛樹脂膠黏劑(melamine-urea formaldehyde，MUF)，由Akzo Nobel Adhesives Pte.Ltd提供，膠黏劑主劑為白色粉狀固體，固化劑為黃色液體。建筑石膏粉由湖北美基石膏制品有限公司提供，其主要成分為半水石膏，初凝時(shí)間為5～14 min，終凝時(shí)間為16 min。9.5 mm厚度的紙面石膏板購(gòu)自泰山石膏股份有限公司。

1.2 石膏基復(fù)合材料制備

依次采用BX-218型雙鼓輪刨片機(jī)（鄭州榮銘機(jī)械設(shè)備有限公司）和BX-216型鼓式削片機(jī)（鄭州一銘機(jī)械設(shè)備有限公司），將杉木鋸材加工成長(zhǎng)條狀刨花，刨花的寬度、厚度和長(zhǎng)度范圍分別為1.60～3.16 mm、0.16～0.82 mm和3.0～15.0mm，加工出的杉木刨花增強(qiáng)相的形態(tài)見圖1。

圖1 木材刨花增強(qiáng)相Fig.1 Wood particle reinforcement

根據(jù)MUF供應(yīng)商產(chǎn)品手冊(cè)，按照5:1:9的質(zhì)量比將主劑、固化劑和水均勻混合。試驗(yàn)設(shè)定木基石膏復(fù)合材料名義厚度為10 mm，密度為1.2 g/cm3。通過單因素方法，依次通過第一階段MUF膠黏劑用量和第二階段木材/石膏質(zhì)量比對(duì)復(fù)合材料物理力學(xué)性能影響的試驗(yàn)，得到其優(yōu)化制備工藝。

在第一階段試驗(yàn)中，根據(jù)文獻(xiàn)[14]，首先固定木材/石膏質(zhì)量比為0.3、水膏比為0.4，參考單層刨花板施膠量為6%～10%時(shí)板材物理力學(xué)性能最優(yōu)、環(huán)保性能符合規(guī)范的研究結(jié)果[15]，設(shè)定MUF用量分別為木材刨花全干質(zhì)量的0、15%、21%、27%、33%和39%共計(jì)6種水平。將MUF膠黏劑溶液均勻噴灑在木材刨花表面，再通過HN-50型攪拌機(jī)（上海菲力博實(shí)業(yè)有限公司）的機(jī)械攪拌作用，將施膠后的木材刨花與建筑石膏粉充分混合。采用XLB-D680型平板硫化機(jī)（青島信本科技有限公司），在室溫環(huán)境中壓制板坯，根據(jù)MUF膠黏劑固化時(shí)間取壓合板坯時(shí)間為6 h[16]，壓力為4 MPa，通過MUF膠黏劑的粘結(jié)作用使木基石膏復(fù)合材料初步成型。再對(duì)板材表面噴灑水分，水分用量由水膏比和建筑石膏粉用量計(jì)算得到[11]，噴水后再次對(duì)板材施加壓力，壓合時(shí)間為8 h，壓力為1 MPa。木基石膏復(fù)合材料的初步成型和增濕固化的壓合全過程均采用厚度規(guī)控制板材厚度，壓制完成后，將成型后的板材置于45℃烘箱中，直至木基石膏復(fù)合材料的含水率(moisture content,MC)達(dá)到2%～3%。第二階段的試驗(yàn)在上述第一階段試驗(yàn)中MUF用量?jī)?yōu)化工藝基礎(chǔ)上，再采用0.35和0.40 2種木材/石膏質(zhì)量比進(jìn)行木基石膏復(fù)合材料的制備和性能測(cè)試，共計(jì)有8種復(fù)合材料。各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)試前，試件均在溫度為(20±2)℃、相對(duì)濕度為(65±5)%的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)7 d。

1.3 試驗(yàn)方法

石膏板及木基石膏復(fù)合材料試件的物理力學(xué)性能測(cè)試根據(jù)文獻(xiàn)[17]進(jìn)行，測(cè)試指標(biāo)包括密度、24 h吸水厚度膨脹率（24 h thickness swelling,TS）和含水率共計(jì)3個(gè)物理性能參數(shù)，以及內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度（internal bond strength，IB）、靜曲強(qiáng)度 （modulus of rupture，MOR）和彈性模量（modulus of elasticity，MOE）共計(jì)3個(gè)力學(xué)性能參數(shù)。測(cè)試密度、TS和含水率該3個(gè)物理性能參數(shù)，以及內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度的試件尺寸均為50 mm×50 mm×10 mm；測(cè)試抗彎強(qiáng)度和彈性模量的試件尺寸均為280 mm×50 mm×10 mm，跨距為230 mm；抗彎強(qiáng)度、彈性模量和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試時(shí)的加載速度均為2 mm/s。每項(xiàng)物理力學(xué)性能指標(biāo)的重復(fù)試件數(shù)量均為5個(gè)，共計(jì)240個(gè)試件，每個(gè)指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果取平均值。

木基石膏復(fù)合材料中石膏膠凝硬固后的晶體形態(tài)和木材/石膏界面情況，采用Phenom Pro型臺(tái)式掃描電鏡（復(fù)納科學(xué)儀器（上海）有限公司），對(duì)彎曲測(cè)試后的試件破壞面進(jìn)行觀測(cè)。通過機(jī)械切割方式，加工出尺寸為5 mm×5 mm×5 mm的試件，再用軟毛刷和空氣吹掃去除觀測(cè)面上附著的碎屑。

承受彎曲荷載構(gòu)件的延性采用位移延性系數(shù)μ△表示[18]。

式中Δy為屈服位移，mm；Δu為試件受彎試驗(yàn)中的跨中位移，mm。

彎曲荷載-位移曲線中的屈服點(diǎn)采用文獻(xiàn)[19]在幾何作圖法確定，如圖2所示。

圖2 彎曲荷載-位移曲線示意圖Fig.2 Curve of bending load with deformation

2 結(jié)果與分析

2.1 物理力學(xué)性能

制備的木基石膏復(fù)合材料如圖3所示。圖3表明，國(guó)產(chǎn)杉木鋸材經(jīng)機(jī)械刨切加工后制得的刨花為扁平、窄長(zhǎng)的粒狀形態(tài)；木材刨花與建筑石膏粉拌和并通過人工組坯鋪裝壓制成型后，木材刨花增強(qiáng)相在復(fù)合材料內(nèi)的分布較為均勻，木材刨花的纖維長(zhǎng)度方向在復(fù)合材料平面內(nèi)隨機(jī)分布，因此屬于平面內(nèi)各向同性材料；由于木材刨花的加入，制備的木基石膏復(fù)合材料呈現(xiàn)米白至淺黃色，復(fù)合材料的表面較為平整，無孔洞、裂隙、刨花團(tuán)聚、刨花卷曲和局部松軟等加工缺陷，能夠用作裝飾面層材料。

圖3 木基石膏復(fù)合材料Fig.3 Particle-gypsum composite

通過多次預(yù)備試驗(yàn)，基于木材刨花與建筑石膏粉的混合均勻性，在第一階段試驗(yàn)中得到的33%MUF膠黏劑用量、0.30木材/石膏質(zhì)量比的優(yōu)化工藝基礎(chǔ)上，再選擇0.35和0.40 2種木材/石膏質(zhì)量比，開展木材/石膏質(zhì)量比對(duì)復(fù)合材料物理力學(xué)性能影響試驗(yàn)研究。

不同MUF膠黏劑用量及不同木材/石膏質(zhì)量比下的木基石膏復(fù)合材料的物理力學(xué)性能，及其與石膏板、《石膏刨花板：LY/T 1598-2011》產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)[21]、《結(jié)構(gòu)膠合板：GB/T 35216-2017》[22]和《定向刨花板：LY/T 1580-2010》[23]結(jié)構(gòu)板材標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)范值和文獻(xiàn)[14,24-27]的比較情況見表1。

表1表明，MUF膠黏劑用量大于15%時(shí)，木基石膏復(fù)合材料的物理力學(xué)性能均能夠滿足《石膏刨花板：LY/T 1598-2011》產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)[21]的要求，除順紋抗彎強(qiáng)度外，其余力學(xué)性能指標(biāo)還符合《定向刨花板：LY/T 1580-2010》結(jié)構(gòu)板材標(biāo)準(zhǔn)[23]的規(guī)定；當(dāng)MUF膠黏劑用量為33%及以上時(shí)，木基石膏復(fù)合材料符合《結(jié)構(gòu)膠合板：GB/T 35216-2017》結(jié)構(gòu)板材標(biāo)準(zhǔn)[22]中E5.0-F16.0強(qiáng)度等級(jí)的規(guī)定。試驗(yàn)范圍內(nèi)，當(dāng)MUF用量為39%時(shí)，木基石膏復(fù)合材料的物理力學(xué)性能最優(yōu)，其內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、彈性模量和24 h吸水厚度膨脹率分別為1.86 MPa、16.61 MPa、7 836 MPa和0.80%，均高于已有研究結(jié)果[14,24-27]，說明本文提出的木基石膏復(fù)合材料能夠用作結(jié)構(gòu)板材。

從表1可以看出，MUF膠黏劑用量與木基復(fù)合材料內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和彈性模量等力學(xué)性能呈正相關(guān)關(guān)系，與24 h吸水厚度膨脹率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。未添加MUF膠黏劑時(shí)，木基石膏復(fù)合材料的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、彈性模量和24 h吸水厚度膨脹率分別為0.23 MPa、5.54 MPa、2 980 MPa和9.19%。說明石膏和木材刨花之間通過石膏水化結(jié)晶形成了物理結(jié)合，具有一定的強(qiáng)度，但僅通過這種物理結(jié)合形成的界面力，難以有效傳遞和分散應(yīng)力，木材刨花增強(qiáng)相未能充分發(fā)揮其強(qiáng)度性能。因此，除彈性模量外，R-0試件的力學(xué)性能和吸水厚度膨脹率均不能滿足《石膏刨花板：LY/T 1598-2011》產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)[21]的要求。隨著MUF膠黏劑用量的增加，木基石膏復(fù)合材料物理力學(xué)性能改善明顯，當(dāng)MUF膠黏劑用量為39%時(shí)，R-5試件的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和彈性模量分別較《石膏刨花板：LY/T 1598-2011》產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)[21]中的規(guī)范值提高520.0%、155.5%和291.8%，24 h吸水厚度膨脹率降至26.67%。由于木基石膏復(fù)合材料在制備時(shí)未對(duì)增強(qiáng)相進(jìn)行定向處理，增強(qiáng)相在復(fù)合材料平面內(nèi)隨機(jī)均勻分布，因此屬于平面內(nèi)各向同性材料，當(dāng)MUF膠黏劑用量為39%時(shí)，R-5試件的抗彎強(qiáng)度和彈性模量較《定向刨花板：LY/T 1580-2010》結(jié)構(gòu)板材標(biāo)準(zhǔn)[23]中的橫紋方向?qū)?yīng)指標(biāo)分別提高51.0%和459.7%，與該標(biāo)準(zhǔn)中的順紋彈性模量規(guī)范值提高123.9%，但抗彎強(qiáng)度較規(guī)范值低24.5%；較《結(jié)構(gòu)膠合板：GB/T 35216-2017》結(jié)構(gòu)板材標(biāo)準(zhǔn)[23]中E5.0-F16.0強(qiáng)度等級(jí)的橫紋方向?qū)?yīng)指標(biāo)分別提高66.1%和256.2%，較該標(biāo)準(zhǔn)中的順紋方向?qū)?yīng)指標(biāo)分別提高3.8%和56.7%。

MUF膠黏劑的粘結(jié)性能較好[16]，固化后耐水性強(qiáng)[28]，因此改善了石膏與木材刨花的粘結(jié)性，通過增強(qiáng)兩相界面性能，降低了木材刨花的吸水能力，提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能。同時(shí)，木材刨花尺寸較小，MUF膠黏劑在木材內(nèi)部有一定滲透，固化后對(duì)木材具有增強(qiáng)作用[29-30]，也導(dǎo)致復(fù)合材料力學(xué)性能的提高。添加MUF膠黏劑，還增加了石膏本身的強(qiáng)度，使得石膏晶體之間粘結(jié)更緊密；未被石膏覆蓋的木材刨花通過MUF膠黏劑相互粘結(jié)，彌補(bǔ)了石膏分布相對(duì)不均的不足。表1表明，隨著MUF膠黏劑用量的增加，木基石膏復(fù)合材料抗彎強(qiáng)度和彈性模量的增加幅度明顯低于內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度，尤其當(dāng)MUF膠黏劑用量從33%增加到39%時(shí)，內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度提高45.3%，但抗彎強(qiáng)度和彈性模量?jī)H分別提高3.2%和14.2%。因此，綜合考慮強(qiáng)度與成本，33%的MUF膠黏劑用量較合理。

表1還表明，試驗(yàn)范圍內(nèi)，隨著木材/石膏質(zhì)量比的增大，試件的力學(xué)性能略有降低，24 h吸水厚度膨脹率提高，但變化幅值較小，且均高于《石膏刨花板：LY/T 1598-2011》產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)[21]的要求；除順紋抗彎強(qiáng)度外，其余指標(biāo)均滿足《定向刨花板：LY/T 1580-2010》結(jié)構(gòu)板材標(biāo)準(zhǔn)[23]的規(guī)定，但抗彎強(qiáng)度略低于《結(jié)構(gòu)膠合板：GB/T 35216-2017》結(jié)構(gòu)板材標(biāo)準(zhǔn)[22]的規(guī)定。隨著木材/石膏質(zhì)量比的增加，石膏相對(duì)用量降低，使木材刨花與石膏之間的粘結(jié)面積相對(duì)減少，削弱了兩相間的界面力；木材刨花相對(duì)用量增加，其較強(qiáng)的吸水性影響了石膏的水化體系；同時(shí)，未被石膏覆蓋的親水性木材刨花裸露面積增多，試件的吸水厚度膨脹率增加。因此，隨著木材/石膏質(zhì)量比的增加，復(fù)合材料力學(xué)性能降低，試驗(yàn)范圍內(nèi)，0.30的木材/石膏質(zhì)量比較優(yōu)。

表1 本研究木基石膏復(fù)合材料與現(xiàn)有文獻(xiàn)物理力學(xué)性能對(duì)比Table 1 Comparison of physical and mechanical properties of particle-gypsum composites between present study and literatures

33%的MUF膠黏劑用量和0.30的木材/石膏質(zhì)量比的優(yōu)化工藝，木基石膏復(fù)合材料的物理力學(xué)性能符合《石膏刨花板：LY/T 1598-2011》產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)[21]的規(guī)定，并滿足《結(jié)構(gòu)膠合板：GB/T 35216-2017》結(jié)構(gòu)板材標(biāo)準(zhǔn)[22]中E5.0～F16.0強(qiáng)度等級(jí)的要求，能夠用作結(jié)構(gòu)板材。

2.2 抗彎延性性能

荷載作用下構(gòu)件進(jìn)入非線性狀態(tài)后，在承載力沒有顯著降低情況下的變形能力稱為延性[31]。石膏板和木基石膏復(fù)合材料試件的荷載-位移曲線分別見圖4和5。

圖4 石膏板彎曲荷載-位移曲線Fig.4 Load-deformation curves for gypsum plasterboard in bending tests

圖5表明，石膏板在彎曲破壞時(shí)位移較小，受彎全過程中其位移增量與荷載增量呈比例關(guān)系，試件底部受拉區(qū)斷裂破壞較為突然，出現(xiàn)承載力突然大幅下降現(xiàn)象，屬于明顯的脆性破壞。所有的木基石膏復(fù)合材料試件的荷載-位移曲線均表現(xiàn)出較為明顯的非線性特征，彎曲荷載作用下，其荷載-位移曲線前期斜率較大，表現(xiàn)出線彈性，位移隨著荷載的增加而緩慢增長(zhǎng)；當(dāng)荷載較大時(shí)，曲線進(jìn)入第二階段，表現(xiàn)出較為明顯的非線性特征，位移的增長(zhǎng)速度高于荷載的增長(zhǎng)速度，具有較為明顯的延性破壞特征。

根據(jù)彎曲試驗(yàn)中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，以及式(1)計(jì)算得到的試件位移延性系數(shù)μ△等的結(jié)果見表2。

表2表明，石膏板是線彈性材料，而木基石膏復(fù)合材料試件具有一定的延性，說明木材刨花以及木材刨花和石膏間的界面是賦予試件延性性能的主要因素。MUF膠黏劑用量不變時(shí)，試件的位移延性系數(shù)隨著木材/石膏質(zhì)量比的增加而提高，說明木材/石膏間界面粘結(jié)面積增大，兩相間界面作用力相對(duì)不足，可推測(cè)界面間剪切滑移的累積是導(dǎo)致試件宏觀大變形的主要因素。當(dāng)木材/石膏質(zhì)量比恒定時(shí)，MUF膠黏劑用量越大，試件的位移延性系數(shù)越小，說明木材刨花與石膏之間的粘結(jié)性能增強(qiáng)，再次證明了復(fù)合MUF膠黏劑有效改善了木材刨花與石膏晶體間的界面性能。

圖5 不同MUF用量和木材/石膏質(zhì)量比試件的荷載-位移曲線Fig.5 Load-deformation curves for composite samples with different MUF content and wood/gypsum ratio

表2 木基石膏復(fù)合材料彎曲試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Bending test results of particle-gypsum composites

抗彎試驗(yàn)中，木基石膏復(fù)合材料底部受拉區(qū)隨著荷載的增加逐漸出現(xiàn)微裂紋，由于復(fù)合材料中的增強(qiáng)相具有較好的阻止裂紋擴(kuò)展的作用，因此試件能夠繼續(xù)持載；隨著荷載的增加，試件受拉側(cè)裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展并增多，試件積聚了大量變形能，當(dāng)石膏晶體內(nèi)部或石膏與木材刨花之間的膠合強(qiáng)度達(dá)到其極限強(qiáng)度時(shí)，試件失去承載力導(dǎo)致斷裂破壞，同時(shí)釋放大量的能量。表明連續(xù)相有效充分地起到了傳遞和分散應(yīng)力的作用，連續(xù)相與增強(qiáng)相之間的界面摩擦力增大，使得木基石膏復(fù)合材料承受非彈性變形能力強(qiáng)。

2.3 微觀分析

圖6為4 000倍下MUF用量為33%時(shí)木基石膏復(fù)合材料平面內(nèi)石膏晶體微觀形貌的SEM照片。

圖6表明石膏晶體縱橫交錯(cuò)地交織在一起，呈長(zhǎng)細(xì)比較大的針狀。石膏晶體長(zhǎng)約20μm，寬度較小。在復(fù)合材料壓制過程中，部分石膏晶體也會(huì)進(jìn)入刨花內(nèi)部孔隙，結(jié)晶固化后形成膠釘；同時(shí)，在木基石膏復(fù)合材料制備過程中添加MUF，能夠改善木材刨花和石膏間的界面結(jié)合力。石膏晶體之間含有孔隙，石膏和刨花表面附著部分固體小顆粒使晶粒邊緣略顯不規(guī)則，但總的來說，石膏晶體間形成了有效地搭接，石膏結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)較致密，硬化體孔結(jié)構(gòu)形態(tài)較好，從而賦予復(fù)合材料較高的力學(xué)性能。

圖6 33%MUF用量復(fù)合材料掃描電鏡圖(4 000×)Fig.6 SEM image of composite with 33%MUF content(4 000×)

圖7 為不同MUF膠黏劑用量的4000倍放大倍率下木基石膏復(fù)合材料的斷面破壞處微觀形態(tài)SEM照片，其中較暗部分為刨花，較亮部分為石膏。

圖7表明，石膏粉嵌固在刨花表面，膠凝硬固后在刨花表面形成膠釘，從而使復(fù)合材料具有一定強(qiáng)度。觀測(cè)圖7a發(fā)現(xiàn)，未添加MUF膠黏劑時(shí)，刨花表面附著的石膏晶體為細(xì)長(zhǎng)的針狀形態(tài)，石膏晶體之間相互交錯(cuò)搭接，但總的來說，刨花表面的石膏包覆量較少，同時(shí)還覆蓋有小顆粒附著物，說明刨花與石膏晶體間界面結(jié)合力較弱，破壞多發(fā)生在刨花與石膏的膠合界面處。隨著MUF膠黏劑用量的增加，石膏晶體疊合現(xiàn)象明顯、相互間接觸面積增加，結(jié)構(gòu)更加致密；MUF膠黏劑的加入，還增加了石膏在刨花表面的覆蓋量，未被石膏附著的面積明顯減少，說明刨花與石膏晶體間的界面結(jié)合力明顯改善，破壞多發(fā)生在石膏晶體連續(xù)相，見圖7b-7f。

圖7 不同MUF用量木基石膏復(fù)合材料掃描電鏡圖(4 000×)Fig.7 SEM images of particle-gypsum composites with different MUF contents(4 000×)

3 結(jié) 論

1）提出了木基石膏復(fù)合材料初步成型和增濕固化兩步法制備方法。MUF膠黏劑用量為33%、木材/石膏質(zhì)量比為0.30是木基石膏復(fù)合材料較優(yōu)的原材料配比，采用該原材料配比，木基石膏復(fù)合材料的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度、靜曲強(qiáng)度和彈性模量分別為1.28、16.5和7 350 MPa，分別較產(chǎn)品行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)范值高326.7%、153.8%和267.5%，并且符合膠合板結(jié)構(gòu)板材標(biāo)準(zhǔn)中E5.0～F16.0強(qiáng)度等級(jí)的要求，除順紋方向抗彎強(qiáng)度外，其力學(xué)性能還符合定向刨花板結(jié)構(gòu)板材標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，并優(yōu)于現(xiàn)有研究的結(jié)果。研發(fā)的木基石膏復(fù)合材料能夠用作結(jié)構(gòu)板材。

2）石膏板是線彈性材料，其破壞模式為脆性破壞；木基石膏復(fù)合材料荷載-位移曲線具有明顯的非線性特征，具有一定的延性性能，MUF膠黏劑用量和木材/石膏質(zhì)量比對(duì)其位移延性系數(shù)影響較小，MUF膠黏劑用量為33%、木材/石膏質(zhì)量比為0.30時(shí)，木基石膏復(fù)合材料較優(yōu)的位移延性系數(shù)為1.64。

3）研發(fā)的木基石膏復(fù)合材料力學(xué)性能提高較明顯的原因在于石膏連續(xù)相強(qiáng)度的增加，以及木材刨花增強(qiáng)相與石膏連續(xù)相間界面性能的提高。采用提出的優(yōu)化制備工藝，復(fù)合材料中石膏晶體細(xì)長(zhǎng)，晶體間交錯(cuò)搭接，且隨著MUF膠黏劑的增加，石膏晶體疊合現(xiàn)象明顯、接觸面積增加，結(jié)構(gòu)更加致密，說明石膏連續(xù)相強(qiáng)度提高；在MUF膠黏劑粘結(jié)作用下，石膏在木材刨花表面的覆蓋量明顯增加，說明木材刨花與石膏晶體間的界面結(jié)合力增強(qiáng)。