多維界面沖壓空芯刨花板的保溫隔熱與隔聲性能

孫思佳，劉樂群

(1. 浙江省林業(yè)科學(xué)研究院，杭州 310023； 2. 南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210037)

圍護結(jié)構(gòu)是建筑的重要組成部分，其中墻體占整體建筑的70%，因此，墻體耗能直接影響建筑物的耗能[1]，并且其保溫、隔聲性能對室內(nèi)環(huán)境的舒適性有著重要的影響。木材是一種更環(huán)保、更貼近自然的建筑材料，木結(jié)構(gòu)建筑在全世界范圍內(nèi)已被證明是節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展的綠色建筑，得到大眾的普遍認(rèn)可和政府的大力推廣[2]?？招九倩ò迨且阅静臑樵系囊环N新型綠色環(huán)保產(chǎn)品，具有重量輕、制造成本低、原料利用率高、甲醛釋放量低以及良好的耐沖擊性、保溫隔熱和隔聲等多種優(yōu)點，可廣泛用于木門芯板、家具隔板、地?zé)岬匕寮敖ㄖw等領(lǐng)域[3-4]。

空芯刨花板目前均是通過沖壓工藝生產(chǎn)制備，立式?jīng)_壓法是制備空芯刨花板的主要方法。沖壓法生產(chǎn)是利用電機帶動大型旋轉(zhuǎn)輪，通過曲柄連桿機構(gòu)帶動沖壓裝置，在設(shè)定轉(zhuǎn)道上做上下往復(fù)運動，在沖壓頭上行讓出空間時，原料落入內(nèi)膜腔，沖壓頭下行時利用強大的沖力對原料沖壓，并使其能夠在內(nèi)膜腔中下移，形成連續(xù)移動的板坯。因此，人造板標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語中將沖壓工藝命名為擠壓法并不嚴(yán)謹(jǐn)甚至是錯誤的，故本研究將標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語中的擠壓法改述為沖壓法。如果能將沖壓成型的空芯刨花板直接用于木結(jié)構(gòu)建筑裝配式墻體材料，將大大推進我國木結(jié)構(gòu)建筑領(lǐng)域的發(fā)展。

但由于在沖壓的過程中，立式?jīng)_壓設(shè)備的平面沖壓頭對剛下落的刨花產(chǎn)生的壓力與下部已沖壓成型刨花界面的支撐力形成一對力偶，這對力偶會使刨花翻轉(zhuǎn)呈水平排列[5]，導(dǎo)致板材的物理力學(xué)性能(靜曲強度、彈性模量、內(nèi)結(jié)合強度、吸水厚度膨脹率和長度尺寸變化率)較低，且無法生產(chǎn)厚度超40 mm的厚板，影響其用于承重要求較高(如木結(jié)構(gòu)建筑用墻材)的場合。鑒于此，筆者所在團隊研發(fā)出一種基于立式?jīng)_壓原理的新工藝——多維界面沖壓工藝：即將傳統(tǒng)平面沖壓頭改造為多維的凹凸梯形狀，使生產(chǎn)的板材力學(xué)性能提升，同時也改善了尺寸穩(wěn)定性。已成功制備出了比傳統(tǒng)沖壓工藝制備的相同厚度和密度范圍內(nèi)的空芯刨花板的強度高3～5倍、尺寸穩(wěn)定性高2倍以上的空芯刨花板，具體原理結(jié)構(gòu)示意圖與物理力學(xué)性能參數(shù)可見文獻[6]。

除了力學(xué)性能，保溫隔熱與隔聲性能亦是評價墻體的關(guān)鍵指標(biāo)。為此，筆者采用多維界面沖壓工藝制備不同厚度的空芯刨花板，并測試其保溫隔熱和隔聲性能，為其用作木結(jié)構(gòu)建筑墻體材料的前期研究提供更加全面、系統(tǒng)的數(shù)據(jù)參考與技術(shù)支持。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

脲醛樹脂膠黏劑(UF)：購于德華兔寶寶裝飾新材股份有限公司，乳白色，pH為7.8，密度1.21 g/cm3，黏度74.5 mPa·s，固體含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))51%，固化時間80 s，游離甲醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.20%。

刨花：由家具廠和制材廠的木材加工剩余物制備而成，主要以杉木、楊木和桉木為主的針狀刨花，長度0.5～3 cm，厚度1～3 mm，寬度3～5 mm，含水率為10%～12%。

甲醛捕捉劑：無色透明液體。

1.2 試驗設(shè)備

主要設(shè)備有鼓式削片機、雙鼓輪刨片機、氣力輸送機、皮帶運輸機、刨花儲存?zhèn)}、振動篩、除鐵器、干燥窯、含水率測定儀、電控系統(tǒng)、拌膠機、螺旋噴膠機、板坯橫截鋸、立式?jīng)_壓機。沖壓機及其附屬設(shè)備利用浙江省湖州市德清縣某木業(yè)有限公司的生產(chǎn)線。

1.3 試驗方法

充分考慮產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率、原料成本，并結(jié)合生產(chǎn)線前期的生產(chǎn)經(jīng)驗，確定多維界面沖壓空芯刨花板的具體工藝參數(shù)見圖1和表1。多維界面沖壓空芯刨花板的尺寸為2 000 mm×1 200 mm(長×寬)，每種厚度分別制備4張試板。

圖1 橫截面示意圖Fig. 1 The cross section diagram

表1 空芯刨花板制備工藝參數(shù)Table 1 Preparation technology parameters of tubular particleboards

1.4 性能測試

1.4.1 保溫隔熱性能測試

使用當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)測定儀(RA17S-GA029503)按照GB/T 32981—2016《墻體材料當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)測定方法》測試當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)(λe)，試件規(guī)格300 mm×300 mm×d。

使用CD-J2XC1010-W系列建筑圍護傳熱系數(shù)檢測儀測定冷熱箱壁溫差ΔT=T1-T2，平均熱流密度q(W/m2)，計算出熱阻R=ΔT/q，再根據(jù)GB/T 13475—2008《絕熱穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)的測定標(biāo)定和防護熱箱法》計算出傳熱阻R0=R+Ri+Re，最后可計算出傳熱系數(shù)K=1/R0。

使用DSC 200F3，按照ASTM E1269-2011《用差式掃描量熱法測定比熱容的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》測試試樣比熱容，根據(jù) GB 50176—2016《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》提供的數(shù)值和公式計算蓄熱系數(shù)(S)和熱惰性指標(biāo)參數(shù)(D)。由于測試試件較大，每個厚度板材重復(fù)測試2次，結(jié)果取平均值。

1.4.2 隔聲性能測試

使用B&K2270多功能頻譜分析儀、丹麥B&K7841Dirac建聲測試分析軟件，按照GB/T 19889.3—2005《聲學(xué)建筑和建筑構(gòu)件隔聲測量第3部分：建筑構(gòu)件空氣聲隔聲的實驗室測量》測試計權(quán)隔聲量；按照GB/T 50121—2005《建筑隔聲評價標(biāo)準(zhǔn)》計算頻譜修正量，進行分析和評價。由于測試試件較大，每個厚度板材重復(fù)測試2次，結(jié)果取平均值。

2 結(jié)果與分析

多維界面沖壓空芯刨花板樣板(60 mm)樣品(圖2a)，其內(nèi)部空芯孔道分布均勻，表面平整光亮，結(jié)構(gòu)密實，板材縱向兩端橫截面處的凹進和凸出(圖2b)與多維界面沖壓頭(圖2c)表面形狀相對應(yīng)，表面等間距的溝槽可增加空芯刨花板的表面裝飾效果。

圖2 空芯刨花板樣品及改良沖壓頭Fig. 2 Tubular particleboard samples and improved punch

2.1 保溫隔熱性能

在實際建筑圍護中，保溫是指在冬季墻體結(jié)構(gòu)阻止室內(nèi)向外界傳熱，使室內(nèi)保持適宜溫度的能力，通常用當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)(λe)、傳熱系數(shù)(K)和傳熱阻(R0)來評價(傳熱系數(shù)與傳熱阻互為倒數(shù))。當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)越小、傳熱系數(shù)越小或者傳熱阻越大，表示材料的保溫性能越好。隔熱是指在夏季墻體結(jié)構(gòu)隔離輻射熱和室外高溫，使室內(nèi)保持適宜溫度的能力，通常用蓄熱系數(shù)(S)和熱惰性指標(biāo)(D)來評價。蓄熱系數(shù)越大或熱惰性指標(biāo)越大，表示材料的隔熱性能越好[7]。

不同厚度空芯刨花板的熱工參數(shù)測試結(jié)果見表2，空芯刨花板的保溫隔熱性能隨厚度變化的趨勢見圖3。通常在20 ℃狀態(tài)下導(dǎo)熱系數(shù)< 0. 233 W/(m·K)的材料可稱為保溫材料。材料正常使用條件下的熱工計算導(dǎo)熱系數(shù)是含水率10%時試件的數(shù)值，試件平均表觀密度為370 kg/m3。由表2可知，5種厚度多維界面沖壓空芯刨花板的各個當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)和平均當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)均小于保溫材料對導(dǎo)熱系數(shù)[<0.233 W/(m·K)]的要求[8]。

表2 不同厚度空芯刨花板的熱工參數(shù)Table 2 Thermal parameters of tubular particleboards with different thickness

圖3 空芯刨花板的保溫隔熱性能與厚度關(guān)系Fig. 3 The relationship between thermal insulation and thickness of tubular particleboards

由圖3可知，隨著空芯刨花板厚度增加，其傳熱阻逐漸增大，傳熱系數(shù)逐漸減小，表明隨著空芯刨花板厚度增加，其保溫性能逐漸提升。原因是隨著空芯刨花板厚度的增大，傳熱方向上實芯位置所用木材增多(表1)，木材具有較大的蓄熱系數(shù)，所以厚度增大對傳熱的阻礙作用就增加。另外，由表1可知，隨著空芯刨花板厚度增加，內(nèi)模管直徑增大，相當(dāng)于預(yù)留空氣層的空芯位置變大。固體材料是以導(dǎo)熱方式傳遞熱量，而在空氣層中存在導(dǎo)熱、對流和輻射3種傳熱方式，而空氣在常溫條件下的導(dǎo)熱系數(shù)[0.024 W/(m·K)]遠低于木材的導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)致整體傳熱阻增大[9]，所以保溫性能得到改善。但當(dāng)空氣層過大時，空氣在其中容易形成對流，反而會導(dǎo)致保溫性能降低。熱阻與傳熱阻對材料的保溫性能影響趨勢相同。

由于木材相比于混凝土、水泥砂漿、磚等其導(dǎo)熱系數(shù)較小且熱阻大，所以保溫性能優(yōu)異。查閱相關(guān)文獻[10-14]，不同材料與空芯刨花板的熱工參數(shù)對比見表3。

表3 不同材料熱工參數(shù)的比較Table 3 Comparison of thermal parameters of different materials

由表3可見，厚度<40 mm的多維界面空芯刨花板的保溫性能與190～240 mm的混凝土砌塊和實心燒結(jié)磚、280 mm厚鋼筋混凝土墻和黏土磚砌體墻的保溫性能相近；而60 mm厚的保溫隔熱性能與280 mm厚多孔磚墻體、50 mm厚的竹木復(fù)合墻體和85～160 mm厚傳統(tǒng)空芯刨花板復(fù)合墻體的保溫隔熱性能相近。

2.2 隔聲性能

不同厚度空芯刨花板的計權(quán)隔聲量見表4。空芯刨花板的隔聲特性曲線見圖4。

表4 空芯刨花板計權(quán)隔聲量Table 4 Correspondence between sound insulation and thickness of tubular particleboards

圖4 不同厚度空芯刨花板的隔聲特性曲線Fig. 4 Sound insulation characteristic curve of tubular particleboards

由圖4可知，隔聲量隨空芯刨花板厚度的增加而提高。在1 600 Hz以上隔聲量達到30 dB以上，和其他輕型復(fù)合墻體類似，具有隔低頻聲差、隔高頻聲好的特點[15]?？招九倩ò宓目涨还軤钐庮愃朴陔p層墻結(jié)構(gòu)，雙層墻的隔聲理論是當(dāng)聲波入射到第一層墻時，墻像薄膜一樣振動，把聲波傳到空氣層中，由于空氣層具有彈性作用，導(dǎo)致振動衰減后，又傳到第2層墻，再通過第2層墻隔聲，這使得與同樣面密度下的單層墻相比隔聲量顯著增加[16]。空芯刨花板厚度增加，中間孔道直徑增大，相當(dāng)于空氣層變大，使振動衰減效果增強，所以隔聲量提高。

另外，空芯刨花板內(nèi)部的空腔中充滿了空氣，聲波傳播時與腔壁摩擦，將聲能轉(zhuǎn)化為熱能，消耗掉部分能量；剩余的部分聲波能量會在空腔內(nèi)發(fā)生反復(fù)反射和復(fù)透射，將聲能轉(zhuǎn)化為動能，進一步消耗了聲能，最終使多維界面沖壓空芯刨花板的隔聲性能提高[17]。

查閱相關(guān)文獻[10,15]，空芯刨花板與一些常用外墻的隔聲性能比較如表5。由表5可以看出：厚度<40 mm的多維界面沖壓空芯刨花板的計權(quán)隔聲量最大為30 dB，高于120 mm厚木結(jié)構(gòu)填充玻璃棉2號墻體(計權(quán)隔聲量為21 dB)；60 mm厚多維界面沖壓空芯刨花板的計權(quán)隔聲量為34 dB，可與1號和4號墻體達到同一水平，且與3號和5號木結(jié)構(gòu)復(fù)合墻體的隔聲量較接近, 可達到GB/T 50121—2005《建筑隔聲評價標(biāo)準(zhǔn)》對4級的要求(30～35 dB)，僅略低于一些厚度100 mm以上的木結(jié)構(gòu)復(fù)合墻體的隔聲量(計權(quán)隔聲量約為39 dB)。

表5 與常用外墻的隔聲性能的比較Table 5 Comparison of sound insulation performances with commonly used walls

3 結(jié) 論

1)厚度<40 mm的多維界面空芯刨花板的保溫性能與190～340 mm的混凝土砌塊和實心燒結(jié)磚、280 mm厚鋼筋混凝土墻和黏土磚砌體墻的保溫性能相近；而60 mm厚的保溫隔熱性能與280 mm厚多孔磚墻體、50 mm厚的竹木復(fù)合墻體和80～160 mm厚傳統(tǒng)空芯刨花板復(fù)合墻體的保溫隔熱性能相近。

2)厚度<40 mm的多維界面沖壓空芯刨花板的計權(quán)隔聲量最大為30 dB，高于120 mm厚木結(jié)構(gòu)填充玻璃棉墻體(計權(quán)隔聲量為21 dB)；60 mm厚多維界面沖壓空芯刨花板的計權(quán)隔聲量為34 dB，達到GB/T 50121—2005《建筑隔聲評價標(biāo)準(zhǔn)》對4級的要求(30～35 dB)，僅略低于一些厚度100 mm以上的木結(jié)構(gòu)復(fù)合墻體的隔聲量(計權(quán)隔聲量約為39 dB)。

3)在本試驗范圍內(nèi)，采用多維界面沖壓工藝成功制備空芯刨花板，隨著空芯刨花板厚度的增加，其保溫隔熱性能提高；隔聲性能雖有改善，但存在隔低頻聲差、隔高頻聲好的特點。通過對5種不同厚度多維界面沖壓成型空芯刨花板與其他常用建筑材料保溫隔熱與隔聲性能相比，當(dāng)厚度達到一定程度時，其保溫隔聲性能可以達到單獨在木結(jié)構(gòu)建筑墻體的使用要求。