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森林资源短缺与农业秸秆剩余物的巨大浪费是当前农林领域面临亟待解决的重要问题。利用农作物纤维,研发可代木的秸秆板材将成为本世纪我国建材工业可持续发展的战略抉择之一,其核心问题是秸秆粘接聚合物基体的设计与复合材料长期性能的研究。迄今为止,“三醛”(脲醛、酚醛及三聚氰胺缩甲醛)、聚合异氰酸酯(p-MDI)两类秸秆复合材料粘接基体均存在较大的不足。前者的胶接与耐水性能差,后者高昂的价格使其运用举步维艰;秸秆板材的性能研究目前国内外仅限于材料密度、内结合强度(IB)、静曲强度(MOR)及厚度吸水膨胀率(TS)等的标准测试。本文以醋酸乙烯-乙烯共聚物乳液(VAE)/p-MDI混杂体系粘接制备新型麦秸复合材料,基于研发的连续可控湿热环境下的力学试验平台,对秸秆板材的粘弹断裂性能及其于湿-热-力耦合老化过程中抗拉强度的变化进行了研究。主要工作与结果如下:
(1)系统分析了主要农业剩余物纤维的组成和特点,筛选麦秸短纤维作为秸秆复合材料的增强相;阐述了现有秸秆粘接聚合物的优缺点,综合考虑性能、价格和环境友好要求,提出了以VAE/p-MDI混杂体系作为秸秆复合材料粘接基体的创新理念;
(2)借鉴传统木质刨花板和中密度纤维板的制备方法,设计了双粘接聚合物基秸秆板材的成型工艺,研制新型VAE/p-MDI/麦秸复合材料;
(3)通过正交试验研究了VAE/p-MDI施胶量、热压温度、麦秸含水率等工艺参数对秸秆复合材料m、MOR及TS的影响。经优化设计制备的VAE/p-MDI/麦秸复合材料的主要物理性能明显超越了GB/T4897-2003中A类一级刨花板的要求,且板材成本较纯p-MDI/麦秸复合材料低26.34%;
(4)对标准环境箱进行硬件改良,内置静力加载机构;编写控制程序实现了对相关模拟信号的数字化采集和处理,研发了湿-热-力多场耦合实验平台;
(5)由恒温/湿/力下的拉伸蠕变测试、三点弯试样的启裂试验和线性粘弹断裂力学方法,研究了秸秆复合材料的粘弹断裂特性。结果表明:VAE/p-MDI/麦秸复合材料的抗裂能力较纯p-MDI基麦秸复合材料有15%的提高;
(6)基于湿-热-力多场耦合试验平台,比较了麦秸复合材料老化过程中,其抗拉强度的变化,并初步探索了粘接体系对秸秆复合材料老化机制的影响。研究发现:VAE/p-MDI/麦秸复合材料的耐老化性能较纯p-MDI粘接秸杆板提高了10%。