酚醛泡沫夹芯复合板制备及性能研究

摘要

随着社会经济高速发展以及人民生活水平日益提高，社会大众对住宅舒适性（保温隔热）的需求有了进一步的增长。本研究以酚醛泡沫(PF)为芯材，两面叠层复合强度优良的阻燃中密度纤维板(FR-MDF)面板，制备一种阻燃轻质泡沫夹芯复合板，面板覆面不仅克服了酚醛泡沫表面易脱粉掉渣问题，同时较优的夹芯结构可以使复合板具有整体性能佳、保温效果好、力学性能优及表面装饰性好等优点。通过对夹芯复合板力学、阻燃、热学及声学等多方面的研究，旨在多方位评价这种纤维板覆面的新型保温材料，并基于不同用途优选合适结构单元厚度。主要研究内容及得出的主要结论如下:
　　(1)通过前期对不同夹芯单元优选，选用阻燃B1级的纤维板与B1级的酚醛泡沫作为结构单元，优选价格低廉的冷压白乳胶制备轻质夹芯复合板。胶合工艺优选对纤维板进行单面涂胶，施胶量90 g/m2，二次成型压力取相对压力0.01 MPa，表面胶合强度测试时拉伸破坏发生在泡沫上，两种材料的粘合性能良好。
　　(2)通过氧指数、烟密度、锥形量热仪等阻燃性能测试，表征了复合板遇火耐燃性。面板厚度5mm，芯板厚度20 mm、50mm的复合板热释放速率峰值分别为99.6 kW/m2、112.5 kW/m2，5min内释放的总热释放量分别为7.48 MJ/m2、15.67 MJ/m2，最大烟密度23.0％，燃烧及释烟性能优于聚氨酯泡沫与聚苯乙烯泡沫夹芯复合板，具有优异的成炭、难燃低烟特性。
　　在一定厚度范围(3 mm～5 mm)内，随着阻燃纤维板厚度增加，热释放速率峰值降低，且第二个热释放峰值出现的时间更晚。厚度5 mm FR-MDF热释放速率峰值相对于3mm板材降低约51.67 kW/m2，对应的热释放速率第二个峰值出现的时间延后约180 s，较厚的5 mm阻燃纤维板结构更加稳定，热释放速率更低，热释放速率峰值时间更晚。不同厚度酚醛泡沫热释放速率前期呈现基本一致的趋势，热释放速率为15 kW/m2～25kW/m2，总体较低，测试全程酚醛泡沫未出现引燃情况，表现较好的不燃性，且随着泡沫厚度增加，热释放速率略有提高，但是增幅不显著。
　　面板为5 mm厚的泡沫夹芯板热释放速率显著低于3 mm夹芯板的热释放速率。相对于3mm厚阻燃纤维板，5 mm阻燃纤维板经锥形量热仪测试后，炭层更加完整，有效阻隔热量进一步沿夹芯材料向下炭化，面板为5mm厚的夹芯板经过1200s之后，泡沫层均未完全炭化，复合板阻燃性能优良。
　　(3)通过压缩、三点弯曲、侧压、冲击等力学试验，分析了复合板受弯曲、侧压、冲击等载荷破坏模式及其力学性能，面板厚度5mm，芯板厚度20mm～50mm的复合板压缩强度0.22MPa，静曲强度为1.0MPa～3.3MPa，侧压强度5.42MPa，冲击韧性6.80kJ/m2～8.95kJ/m2。
　　(4)通过ANSYS有限元软件对夹芯复合板传热性能分析，并用导热系数测定仪测试厚度60 mm夹芯复合板热阻为1.47 m2· K/W，导热系数为0.041 W/(m·k)，模拟夏季外界边界温度50℃高温与室内恒温环境边界温度20℃时，室内恒温场因室内空调等制冷系统突然被打破时，复合板在厚度方向上温度传递的温度场分布。其中面板厚度5mm，芯材泡沫厚度分别为20mm、50mm的夹芯复合板低温端由原来20℃升温至34.4℃～36.1℃时所需时间分别为60min、180min，随着泡沫厚度增加，夹芯复合板升温过程传热速率大大降低，有利于节省能源、降低能耗。
　　(5)采用阻抗管对夹芯板隔声性能表征并进行结构优选，随着纤维板厚度增加1mm，板材的平均隔声量提高2dB～3dB。酚醛泡沫板每增加10mm，平均隔声量提高约2dB～5dB。纤维板夹芯酚醛泡沫复合板隔声量较单层结构单元隔声性能均有所提高，其中以面板厚度5mm，芯材泡沫厚度50mm的夹芯复合板提高最为显著，夹芯复合板相对于面板增加约8dB，相对于芯板增加约3dB，复合板隔声量35.55dB可达到GB50118-2010《民用建筑隔声设计规范》中住宅建筑的户内卧室墙隔声标准(≥35dB)要求。
　　(6)目前非金属面板泡沫夹芯复合板尚且没有相关参考标准及规范。本研究基于纤维板面板夹芯泡沫复合板力学、阻燃、热学及声学等方面的试验结果，对其市场化应用提出切实可行的工程建议。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究目的和意义

1．1．3 项目来源与经费支持

1．2 国内外研究现状

1．2．1 复合材料夹层结构研究现状

1．2．2 国内外隔热保温泡沫研究进展

1．2．3 国内外脆性泡沫强化研究进展

1．2．4 国内外泡沫夹芯复合材料研究进展

1．2．5 木质纤维面夹芯复合材料的发展趋势

1．3 研究目标和主要研究内容

1．3．1 研究目标

1．3．2 主要研究内容

1．4 研究技术路线

1．4．1 试验方法的设计

1．4．2 技术路线图

第二章 夹芯结构单元特性及对比研究

2．1 引言

2．2 实验材料与方法

2．2．1 实验材料

2．2．2 试验设备

2．2．3 实验方法

2．3 实验结果与分析

2．3．1 氧指数及烟密度分析

2．3．2 锥形量热仪分析

2．5 生烟速率(SPR)

2．6 总生烟量(TPS)

2．4 小结

第三章 FR-MDF酚醛泡沫复合板制备

3．1 引言

3．2 实验材料与方法

3．2．1 实验材料

3．2．2 实验设备

3．2．3 实验方法

3．3 实验结果与分析

3．3．1 泡沫夹芯复合板胶合工艺确定

3．3．2 施胶量对表面胶合强度的影响

3．3．3 施胶量对平面剪切强度的影响

3．3．4 胶黏剂种类对耐温性能影响

3．4 小结

第四章 FR-MDF酚醛泡沫复合板阻燃性能研究

4．1 引言

4．2 实验材料与方法

4．2．1 实验材料

4．2．2 实验设备

4．2．3 实验方法

4．3 实验结果与分析

4．3．1 不同厚度面板阻燃性能研究

4．3．2 不同厚度泡沫阻燃性能研究

4．3．3 泡沫夹芯复合板阻燃性能分析

4．4 小结

第五章 FR-MDF酚醛泡沫复合板力学性能研究

5．1 引言

5．2 实验材料与方法

5．2．1 实验材料

5．2．2 实验设备

5．2．3 实验方法

5．3 实验结果与分析

5．3．1 弯曲性能

5．3．2 侧压性能

5．3．3 抗冲击性能

5．4 小结

第六章 FR-MDF酚醛泡沫板传热特性研究

6．1 引言

6．2 实验材料与方法

6．2．1 实验材料

6．2．2 实验设备

6．2．3 实验方法

6．3 实验结果与分析

6．3．1 泡沫复合板导热系数计算

6．3．2 ANSYS有限元模拟传热分析

6．3．2 实验测试验证

6．4 小结

第七章 FR-MDF酚醛泡沫板隔声性能研究

7．1 引言

7．2 实验材料与方法

7．2．1 实验材料

7．2．2 实验设备

7．2．3 实验方法

7．3 实验结果与分析

7．3．1 不同厚度纤维板隔声性能

7．3．2 不同厚度酚醛泡沫隔声性能

7．3．3 不同厚度泡沫夹芯结构隔声性能

7．4 小结

第八章 结论与建议

8．1 结论

8．2 创新点

8．3 建议

参考文献

附录

索引

INDEX

在读期间的学术研究

致谢