Алюминиевые ламинированные панели: физико-механические свойства
Сеговия Ф., Бланше П., Барбута К. и Борегар Р. (2015). «Алюминиевые ламинированные панели: физико-механические свойства». БиоРес. 10 (3), 4751-4767.
Абстрактные
Алюминиевое ламинирование было выполнено для улучшения физико-механических свойств нескольких древесно-композитных панелей. Панели были ламинированы алюминием с двух сторон в горячем прессе при 689 кПа и 120°С в течение 6 мин. В качестве сердцевины использовались четыре типа древесно-полимерных композитов, а для обшивки лицевой стороны – листы из алюминиевого сплава 3003. Полиуретановый клей обеспечивает прочность соединения древесного композита с алюминиевыми листами. Цель состояла в том, чтобы оценить сэндвич-композитные панели из древесных композитов в качестве внутреннего слоя с ламинированными алюминием поверхностями. В этом исследовании оценивались физические и механические свойства этих панелей. Результаты показывают, что ламинированные алюминием панели имеют более высокую размерную стабильность (величины набухания по толщине и линейного расширения). Свойства изгиба, такие как кажущийся модуль упругости (приложение) и модуль разрыва (MOR) были значительно увеличены при ламинировании лицевой стороной. Ламинат из древесноволокнистой плиты средней плотности (МДФ) показал рост на 554% для приложение и 570% для MOR по сравнению с неламинированными панелями МДФ. Прочность на сдвиг по кромке ориентированно-стружечной плиты и фанеры увеличилась на 44% и 77% соответственно. Результаты подтверждают, что панели из ламинированного алюминия могут использоваться в качестве конструкционных панелей в будущем.
Полная статья
Алюминиевые ламинированные панели: физические и механические свойства
Франц Сеговия, a, * Пьер Бланше, a Костель Барбута, b и Робер Борегар, a
Алюминиевое ламинирование было выполнено для улучшения физико-механических свойств нескольких древесно-композитных панелей. Панели были ламинированы алюминием с двух сторон в горячем прессе при 689 кПа и 120°С в течение 6 мин. В качестве сердцевины использовались четыре типа древесно-полимерных композитов, а для обшивки лицевой стороны – листы из алюминиевого сплава 3003. Полиуретановый клей обеспечивает прочность соединения древесного композита с алюминиевыми листами. Цель состояла в том, чтобы оценить сэндвич-композитные панели из древесных композитов в качестве внутреннего слоя с ламинированными алюминием поверхностями. В этом исследовании оценивались физические и механические свойства этих панелей. Результаты показывают, что ламинированные алюминием панели имеют более высокую размерную стабильность (величины набухания по толщине и линейного расширения). Свойства изгиба, такие как кажущийся модуль упругости (Eприложение) и модуль разрыва (MOR) были значительно увеличены при ламинировании лицевой стороной. Ламинат из древесноволокнистой плиты средней плотности (МДФ) показал рост на 554% для Eприложение и 570% для MOR по сравнению с неламинированными панелями МДФ. Прочность на сдвиг по кромке ориентированно-стружечной плиты и фанеры увеличилась на 44% и 77% соответственно. Результаты подтверждают, что панели из ламинированного алюминия могут использоваться в качестве конструкционных панелей в будущем.
Ключевые слова: древесный композит; Листы из алюминиевого сплава; Отек толщины; Впитывание воды; Кажущийся модуль упругости; Модуль разрыва
Контактная информация: a: Centre de Recherche sur les Matériaux Renouvelables, Département des Sciences du Bois et de la Forêt, Faculté de Foresterie, de Geographie et de Géomatique, Pavillon Gene-H.-Kruger, 2426 Rue de la Terrasse, Québec (QC ), G1V0A6 Канада; b: FPInnovations, 319 Rue Franquet, Québec (QC) G1P4R4 Canada; * Автор, ответственный за переписку: franz.segovia-abanto.1@ulaval.ca
ВВЕДЕНИЕ
Композиты на основе древесины используются в ряде структурных и неструктурных приложений. Критерии эффективности напрямую связаны с конечным использованием этих композитов. Знание их физических и механических свойств имеет решающее значение для их будущего применения (Cai and Ross 2010). Традиционные древесные композиты обладают желаемыми свойствами для своих основных областей применения: плиты с ориентированной стружкой (OSB) и фанера используются в качестве конструкционного материала для строительства, тогда как древесно-стружечные плиты и древесноволокнистые плиты средней плотности (MDF) с ламинированной бумагой используются в столярных изделиях, мебели и т. молдинги (Maloney 1993). Некоторые недостатки, такие как их механические свойства, плохая водостойкость, стабильность размеров и долговечность, ограничивают их использование в приложениях, связанных с воздействием влажных условий окружающей среды. В последние десятилетия в нескольких исследованиях были предприняты попытки улучшить характеристики и конструкционную эффективность древесных композитов (Xu и др.. 1998а; Библис и Канино 2000; Кай 2006; Буффар и Амиотт, 2011). Армирование полезно для улучшения физических и механических свойств, уменьшения отклонений и повышения долговечности. Армирование материалами с высокой прочностью и жесткостью, такими как стекловолокно, углеродное волокно, кевлар, натуральные волокна и металл, использовалось для повышения свойств древесных композитов при изгибе и сдвиге. Эти усиления были размещены между шпоном или на поверхностях из фанеры, OSB, древесноволокнистых плит высокой плотности (HDF) и MDF. Сюй и др.. (1998b) использовали бамбуковое волокно и джутовое волокно в качестве армирующих материалов для изготовления армированной волокном фанеры с повышенными механическими свойствами. Другие исследования с использованием различных типов армирования между шпоном или волокнистыми слоями показали аналогичное увеличение механических свойств (Xu и др.. 1998а; Борисюк и др.. 2007 г.; Киши и Фудзита, 2008 г.; Абдул Халил и др.. 2010 г.; Чербу и другие 2010 г.; Мохебби и Тавассоли, 2011).
Ламинированные панели, также называемые сэндвич-панелями, имеют широкий спектр применения. Они уже давно широко используются в авиационной, автомобильной, морской и других конструкциях. Ламинированные панели представляют собой особую группу ламинатов, которые чаще всего состоят из трех слоев, сердцевина которых намного толще и имеет меньшую жесткость и жесткость, чем лицевые стороны (Bodig and Jayne, 1993). Недавние применения продемонстрировали, что ламинированные панели можно эффективно и экономично использовать в инженерной инфраструктуре (Manalo и другие 2010). Ламинированные панели обладают высокой жесткостью на изгиб и высоким отношением прочности к весу, что достигается при оптимальном взаимодействии лицевой и сердцевинной частей (Belouettar и др.. 2009). В конструкции ламинированных панелей использовались несколько типов лицевого и внутреннего материала. Часто используемые лицевые материалы включают алюминиевые сплавы, сталь, стекловолокно, оргалит и гипс, в то время как часто используемые материалы сердцевины включают полиуретан, полиизоцианурат, пенополистирол, экструдированный полистирол, минеральную вату и пробковое дерево (Pokharel and Mahendran 2003). В многослойной панели верхний и нижний слои (материалы лицевой стороны) несут изгибающие моменты в виде растягивающих или сжимающих напряжений, в то время как материалы сердцевины передают поперечные силы в виде напряжений сдвига и поддерживают лицевые стороны от коробления и образования складок (Шипша, 2013). Ламинированные панели могут обладать и другими свойствами, такими как хорошая прочность, легкость и высокая звуко- и/или теплоизоляция.
Среди разработок ламинированных панелей на основе древесины с улучшенными свойствами Biblis and Carino (2000) оценили механические свойства 3-слойной и 5-слойной фанеры из южной сосны, ламинированной пластиком, армированным стекловолокном. Результаты показали значительное улучшение жесткости и прочности фанерных панелей с лицевым ламинированием с обеих сторон слоями тонкого пластика, армированного стекловолокном. Точно так же Cai (2006) оценил механические и физические характеристики МДФ и ДСП, ламинированных стекловолокном. Ламинирование стекловолокном улучшило кажущийся модуль упругости (Eприложение) и модуль разрыва (MOR), а также сопротивление водопоглощению (WA) и набухание по толщине (TS). Библия и др.. (1996) сравнили свойства на изгиб композитных панелей OSB, покрытых деревянным шпоном, из южной сосны. Eприложение а значения MOR в направлении, параллельном волокнам шпона, увеличились на 96% и 117% по сравнению с панелями OSB без ламинирования шпоном. Результаты других исследований показали, что механические свойства древесных композитов можно значительно улучшить, если их ламинировать армированными материалами (Кавасаки). и др.. 1999 г.; Айрилмис и др.. 2008 г.; Де Фигейредо и др.. 2009 г.; Бююксари и др.. 2012). Другим механическим свойством, изучаемым в древесных композитах и ламинированных панелях, является прочность на сдвиг. Манало и др.. (2013) исследовали поведение при сдвиге ламинированной панели, состоящей из армированного стекловолокном полимерного покрытия и модифицированного фенольного материала сердцевины. Результаты показали значительное улучшение прочности на сдвиг ламинированных панелей в поперечном направлении. Прочность сцепления лицевых материалов важна, так как на материалы ламинирования влияют негативные условия, такие как высокая влажность, высокая температура, растягивающие и сжимающие напряжения (Kilic и другие 2009). Качество склеивания зависит от анизотропного и неоднородного характера древесины или других материалов, а также от природы клея. Клей должен обеспечивать передачу усилия и компенсировать различия в тепловом расширении, влагорасширении и удлинении в зависимости от ограничений различных материалов. Среди используемых клеев выделяются эпоксидные, полиэфирные и полиуретановые. Сила сцепления в ламинированных панелях между сердцевиной материала и лицевыми листами была тщательно изучена Kilic. и др.. (2009). Ли и Вейтсман (2004) и Сирирук и др.. (2008) использовали испытание ламинированной панели на разрушение при отсоединении, чтобы исследовать ударную вязкость на границе сердцевины и облицовки.
Цель
Цель этого исследования состояла в том, чтобы оценить характеристики древесных композитов в качестве внутреннего слоя ламинированных алюминием панелей. В этом исследовании оценивались физические свойства, такие как плотность, набухание по толщине, водопоглощение и линейное расширение, а также механические свойства, включая свойства на изгиб, прочность внутренней связи, сдвиг по кромке и прочность на растяжение поверхности древесных композитов с и без ламинирование листов из алюминиевого сплава. Определение физических и механических свойств имеет решающее значение для определения потенциальных областей применения ламинированных алюминием панелей. Наконец, это исследование определило оценку себестоимости производства ламинированных алюминием панелей. Эта оценка была определена с учетом всех ресурсов, потребляемых в процессе производства, а также переменных затрат и постоянных затрат.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ
Материалы
В качестве сердцевины использовались четыре вида древесно-композитных панелей: ХДФ, МДФ, ОСП и осиновая фанера (табл. 1). Эти панели поступили на рынок в том виде, в каком их выпускают производители, за исключением фанеры из осины, которая была изготовлена в лаборатории из пяти 2-мм слоев осины (тополь осинообразный Михкс). Фенол-резорцин-формальдегид использовали в качестве клея при расходе 260 г/м 2 . Фанеру изготавливали под давлением 689 кПа при комнатной температуре в течение 7 часов.
Таблица 1. Физические свойства древесных композитов
Рис. 1. Схематическое изображение панели из ламинированного алюминия
Полиуретановый клей наносили с расходом 130 г/м 2 в соответствии с инструкциями производителя. Листы из алюминиевого сплава были отшлифованы наждачной бумагой с зернистостью 150 и очищены ацетоном. Эта предварительная обработка является обычной при склеивании алюминиевых листов. Панели OSB и фанеры были отшлифованы наждачной бумагой с зернистостью 120. Ламинированные панели с двумя гранями из алюминиевого сплава прессовали в лабораторном горячем прессе при 689 кПа и 120 °С в течение 6 мин на прессе Dieffenbacher (Германия). После прессования ламинированные панели хранили в камере кондиционирования при температуре 20°C и относительной влажности 65% до достижения постоянной массы.
Определение физико-механических свойств
Для изготовления образцов для испытаний каждого типа древесных композитов использовали четыре ламинированные панели. Всего для каждого типа ламинированной панели было приготовлено десять ламинированных образцов размером 50 х 50 мм для проверки плотности и содержания влаги. Всего для испытаний TS и WA было изготовлено восемь образцов размером 150 х 150 мм. Для испытаний на линейное расширение (LE) были подготовлены восемь образцов размером 76 x 300 мм. Для механических испытаний были подготовлены двенадцать ламинированных образцов. Образцы неслоистых древесных композитов были испытаны с использованием тех же процедур для целей сравнения.
Плотность (р*) каждой ламинированной панели рассчитывали по уравнению. 1,
Рис. 3. Процесс производства ламинированных алюминиевых панелей. *Количество материала
Стоимость производства оценивалась на квадратный метр ламинированной алюминиевой панели при общем объеме производства 45,000 2 м 2013 /год. Переменные затраты были разделены на затраты на материалы и затраты на обработку в 3 году. Стоимость древесного композита была рассчитана исходя из толщины 8/9.525 дюйма (XNUMX мм) с использованием информации, опубликованной Spelter. и другие (2006) и РИСИ (2013). Стоимость листа из алюминиевого сплава оценивалась в 70% от розничной цены. Стоимость полиуретанового клея оценивалась в 6.5 канадских долларов/кг; это и стоимость обезжиривания были оценены на основе запросов от поставщика.
Ограничением точности результатов из-за затрат на обработку был уровень информации, доступной для каждого процесса склеивания и прессования ламинированных алюминиевых панелей. Несмотря на ограниченную точность, эта оценка обеспечивает порядок величины ламинированной алюминиевой панели с целью определения потенциальных применений.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Физические свойства
Были изучены различные физические свойства древесных композитов и алюминиевых ламинированных панелей, таких как TS, WA и LE, чтобы сравнить их технические характеристики при воздействии влажных условий окружающей среды. Результаты представлены в таблице 2.
Набухание по толщине (TS) и водопоглощение (WA)
Как и ожидалось для древесных композитов (без ламинирования), размерная стабильность после 24-часового замачивания фанеры в воде была выше по сравнению с другими древесными композитами. Значения TS древесных композитов снижались при ламинировании листами из алюминиевых сплавов (табл. 2), за исключением МДФ. Значение TS R-HDF было в 24 раза ниже, чем у HDF, значение TS R-OSB было в шесть раз ниже, чем у OSB, а значение TS R-PW было в 2.8 раза ниже, чем у PW. Это снижение значений TS в основном было вызвано уменьшением проникновения воды в древесный композит с алюминиевым ламинированием. Значения WA композитов на основе древесины также снижались при ламинировании листов из алюминиевого сплава. Эти результаты согласуются с предыдущими исследованиями (Cai 2006; Büyüksari). и др.. 2012). Что касается значений WA, R-HDF показал самое низкое значение WA по сравнению с другими древесными композитами с ламинированием или без него (таблица 2) для 24-часового пропитывания водой. Значение WA R-HDF было в 8.5 раз ниже, чем у HDF, значение WA R-OSB было в три раза ниже, чем у OSB, а значение WA R-PW было в 2.9 раза ниже, чем у PW. Значения WA для MDF и R-MDF не показали существенной разницы. Эти результаты могли быть вызваны трещинами, которые наблюдались в сердцевине МДФ. Считается, что это произошло в момент ламинирования алюминиевой фольги при 689 кПа, хотя используемый уровень давления был ниже, чем при ламинировании МДФ поливинилхлоридной пленкой, используемой в Kilic. и др.. (2009). Дополнительные ламинированные панели с сердцевиной из МДФ прессовали в горячем прессе при давлении 413 кПа и 138 кПа. Эти ламинированные панели не показали расслаивания на древесном композите. Значения TS и WA этих ламинированных панелей были ниже, чем у МДФ без ламинирования. После 24-часового замачивания в воде расслаивания между листами из алюминиевого сплава и композитом на основе древесины не наблюдалось, что свидетельствует о прочном сцеплении.
Таблица 2. Значения физических свойств древесных композитов с ламинированием листов из алюминиевого сплава и без него
Коэффициенты линейного расширения (β) древесных композитов улучшали ламинированием листами из алюминиевых сплавов (табл. 2). Ламинированные панели HDF и фанерные панели имеют самые низкие коэффициенты линейного расширения (β) по отношению к другим неламинированным композитам на основе древесины. β значения R-HDF и R-PW были в 19, 16, 6 и 6 раз ниже, чем у HDF, MDF, OSB и PW соответственно. Листы из алюминиевого сплава служили барьером для предотвращения проникновения водяного пара в ядро. В случае образцов с ламинированием Р-МДФ и Р-ОСП расслаивание наблюдалось в древесных композитах (сердцевинный слой) при изменении относительной влажности от 50% до 80%. Отслоение сердцевины ОСП и МДФ на кромке образцов привело к уменьшению меры длины образцов. Следовательно, значения коэффициентов линейного расширения для R-MDF и R-OSB были отброшены.
Механические свойства
Результаты для статического изгиба (Eприложение, MOR), прочность IB, прочность на сдвиг по кромке и прочность на растяжение поверхностных испытаний представлены в таблице 3.
Таблица 3. Значения механических свойств композитов на основе древесины с ламинированием и без ламинирования листами из алюминиевого сплава
Механические свойства изгиба, такие как Eприложение и MOR находились под сильным влиянием ламинирования листами из алюминиевого сплава. Eприложение значения значительно увеличились для всех ламинированных панелей по сравнению с неламинированными древесными композитами (рис. 4). Eприложение значения R-HDF увеличились на 554% по сравнению с HDF, в то время как Eприложение значения R-MDF, R-OSB и R-PW увеличились на 570%, 316% и 215% соответственно по сравнению с неламинированными древесными композитами. Это увеличение можно объяснить главным образом высоким модулем упругости листов алюминиевого сплава, их толщиной, а также их расположением в композите. Когда ламинированная панель подвергается чистому изгибу, лицевые листы вносят более значительный вклад в свойства изгиба. На лицевые листы воздействуют напряжения растяжения и сжатия, следовательно, лицевые листы должны быть прочными, чтобы выдерживать нагрузку на изгиб. В этом контексте материал сердцевины больше всего влияет на толщину ламинатов.
