摘 要：本研究旨在探讨黄麻纤维对石膏板力学性能的影响。将不同占比的纤维负荷纳入石膏材料，并进行冲击试验。试验结果表明，随着纤维载荷的增加，材料的硬度值逐渐提高，而硬度值呈下降趋势。红外光谱(FTIR)和扫描电镜(SEM)结果证实，复合材料主要依赖于绳状晶体之间以及纤维与石膏基体之间的力学键合。
关键词：抗拉强度；抗弯强度；里氏硬度；抗冲击性
石膏是一种矿物材料，是可回收的，具有良好的隔热性能，且易获得，但它本质上是脆性的，力学性能较差。研究人员正在用天然纤维加固石膏板，以解决这一问题[1]。有些学者研究了黄麻织物-石膏复合材料的力学表现，有效提高了其延展性和韧性[2]。本研究的主要目的是评估在石膏复合材料中使用黄麻纤维作为增强材料的可能性，并通过使用天然纤维来改善现有石膏板的力学性能。
1.1 材料
目的是使用容易获得的原材料，使得最终产品便宜且易于制造。本研究所用原料的基本规格清单如下：石膏粉、黄麻纤维束、清水、5%的氢氧化钠溶液、1g/L的醋酸溶液。按表1所示的百分比配制5种样品，制作不同试验的样品。
表1 样本列表
1.2 复合材料制造
复合材料的制备从表面改性开始，以增加界面结合。手工制作纤维束棒。每个重2g，这加强了石膏-水的分散。下面描述了每个步骤。
1.2.1 纤维束制备
首先，纤维束被手工切割机切成25mm左右的长度。纤维束长度的选择参照前人的研究[3]。单个纤维束直径在200μm左右，纤维束呈束状分布。然后，为了增加纤维束的开放性和蓬松性，对纤维束进行了处理，之后，将纤维束浸入5%NaOH溶液中，在30℃下浸泡8h，排出多余的碱溶液，然后用1g/L的稀乙酸溶液中和，PH维持在7左右，最后在室温下干燥48h。这些程序是根据先前研究人员的发现完成的。碱处理是为了改善纤维束表面的粗糙度，这种粗糙度通常有助于基体分子粘附在表面，从而改善纤维束与基体之间的界面结合。
1.2.2 纤维束的制备
2g纤维束用手尽可能均匀地铺在模具上，当成型时，要小心地从模具中取出来。其中，水的作用是将纤维束结合在一起，这一过程得益于纤维束之间的界面结合以及纤维束的波纹度。
1.2.3 基质制备
首先制作了巴黎水石膏(POP)分散体。当半水合硫酸钙形式的POP粉末与水混合时，它会变成白色的二水合硫酸钙分散体，几小时后，它会变成坚硬的固体。它固化非常快，不需要任何外部加热装置。如果在混合时加入更多的水，分散体会被稀释，会增加分散体的流动性和硬化时间。另一方面，加入较少的水会使分散体更粘稠，干燥得更快，并且很难处理这种分散体。
1.2.4 基质制备
复合材料的开发采用手工铺设法。采用柔性塑料模具，模具长177.8mm，宽127mm，高10mm。
1.2.5 固化
石膏-水悬浮液干得很快，可以在室温下固化。样品在室温下固化72h。每8h测量一次样品质量，72h后未见质量变化。
1.2.6 切成需要的形状
由于每次测试都需要根据特定的标准进行不同的特定尺寸,固化后，将固体石膏板按所需的形状切割。
1.3 测试试验
在标准条件（温度25±2℃，相对湿度65±2%）进行多次测试。
2.1 复合材料的显微图像
图1表明该结构具有多孔性，具有大量的孔隙。这在不含纤维束的样品中也很明显。由于施加的均匀压力小于所需的压力，手工铺层工艺趋向于制造多孔结构。但同时，石膏板在性质上也是多孔的，这取决于石膏的性质。石膏不像其他聚合物那样形成连续的薄膜，相反，它会形成针状晶体。
图1不同复合材料的SEM图像（左、右）
2.2 纤维束载荷对黄麻-石膏复合材料拉伸性能影响
拉伸试验结果显示了复合材料在拉伸至断裂点时所能承受的应力。由图2可知，当纤维束添加量达到6%时，试样断裂所需的应力更大。在这里，添加的纤维束表现出了增强作用，因为它们可以提供一些抗拉力的阻力。这需要更大的应力来破坏试样。此外，用碱进行表面改性，使纤维束外表面的木质素、蜡、果胶等去除，使纤维束表面粗糙。这种粗糙的表面与石膏基体形成更好的互锁，形成界面键。同时，纤维束体积的增加也有助于纤维束强度的提高，纤维束体积的强度得到提高。但当纤维束添加量为8%时，石膏晶体之间的结合破坏达到一定程度，纤维束体强度的轻微提高并不能提高复合材料的整体强度，相反，纤维束与石膏晶体之间的界面结合导致石膏晶体之间缺乏机械键合，从而导致复合材料强度降低。
图2 复合材料试样的平均抗拉强度
另一方面，伸长率的变化趋势与拉伸强度的变化趋势相似。添加6%纤维束的复合材料样品的伸长率增强。黄麻纤维束的加入对伸长率有积极的影响，因为纤维束的伸长率提高了。但当添加8%的纤维束时，伸长率下降。当黄麻纤维束的添加量超过最佳限制时，黄麻纤维束的比表面积大于基体分散量，导致复合材料内部基体减少。缺乏基质晶体相互结合的原因已经在前一节中讨论过了。由于基体量不足，黄麻-石膏结合不均匀，无法维持应力作用下的延伸。结果表明，当纤维束载荷为8%时，复合材料试样的断裂伸长率较低。据此，得出纤维束负荷为6%为纤维束添加量的最佳极限。
2.3 纤维束载荷对抗弯强度的影响
弯曲强度是试样在抗弯曲破裂之前所面临的最高应力。当纤维束掺入复合材料时，纤维束的抗折强度降低了8%。这是由于基体分子之间的弱键合以及复合材料内部存在空隙造成的。
实际上，本研究样品的抗弯强度结果与抗拉强度结果不同，抗拉强度随着纤维的添加而逐渐增加，而抗弯强度则呈下降趋势。拉伸测试是通过对样品施加压力来完成的，在测试过程中，样品的整个尺寸对施加的压力做出反应。在三点弯曲过程中进行的弯曲试验将更多的应力集中在单点上，应力主要作用在一半的样品上而不是整个结构上。由于纤维与基体力学性能的差异，纤维增强复合材料的局部弱度普遍较高，如果纤维与基体的结合不够牢固，则复合材料很难承受施加在特定点或区域的应力，而不是整个区域的应力[4]。本研究制备的复合材料仅依靠纤维与基体之间的机械结合，抗拉强度略有提高，但结构的局部弱点导致复合材料在抗弯试验中失效，随着纤维载荷的逐渐增加，所有样品的抗弯强度都有所下降。
2.4 纤维束载荷对抗冲击性能的影响
复合材料试样的冲击强度逐渐增大。这是因为纤维束的掺入越多，纤维束与纤维束之间的相互作用就越好，从而提高了冲击强度。这也增加了复合材料样品的韧性，使其能够在突然应力下抵抗断裂。碱处理的纤维束也提供了更好的纤维束与基体之间的界面结合。纤维束的柔软性使复合材料能够吸收突如其来的应力，在复合材料中表现出更高的抗冲击性。
2.5 纤维束载荷对表面硬度的影响
单里氏回弹硬度试验测量的是冲击体撞击测试表面时的能量损失。坚硬的材料表现出较高的回弹速度，这表明硬度值较高。硬度值越低表明材料越软。
里氏硬度测试评估材料表面的硬度，本研究中生产的复合材料在结构中含有纤维。结果表明，在纤维加载4%之前，样品的模量有所下降，而在纤维加载6%时，由于结构的致密性，样品的模量有所增加。拉伸试验涉及整个结构，而里氏硬度试验只涉及样品的表面。由于纤维被引入到复合材料中，并置于复合材料的表面之下，随着纤维量的增加，石膏层变得更薄。这导致表面变得更软，即使材料在拉伸测试结果中被发现是紧凑和刚性的。在试验过程中，表面仍然表现出弹性，这与前面描述的拉伸试验结果相匹配。
2.6 红外光谱分析
黄麻-石膏复合材料样品的光谱如图3所示。由于水分子被吸收后的拉伸和振动，在3245cm-1处出现了一个宽带[5]。由于复合材料中分子间存在弱氢键，所以峰宽大于峰尖。这意味着在纤维束和石膏晶体的水分子之间形成了氢键。但是这种结合的性质使得它对于材料的力学性能的任何改善都是微不足道的。SO42-的存在也被它们的特征波段检测到。600cm-1和674cm-1处的峰是由弯曲振动引起的，而1004cm-1处的峰是由硫酸盐基团的拉伸振动引起的。波数为2115cm-1和2236cm-1的频带由于水的弯曲振动而出现新的频带，这可能是由于纤维束与基体之间形成氢键而产生的。因此，以上讨论表明结构中存在黄麻和石膏，但未发现除氢键外的新的化学键，同时也未发现任何物质的化学结构有明显变化。在纤维束和石膏中的水分子之间形成了氢键。事实上，这部分并没有什么新意，因为整个结构主要依靠机械键合而不是化学键合，这在之前的结果中已经很明显了。
图3 复合材料的FTIR光谱
3 结论
测试结果支持将黄麻纤维束添加到易碎力学性能差的石膏板中成功的可能性：（1）在复合材料中，石膏晶体之间以及纤维束与石膏晶体之间的结合力主要为机械键合。（2）6%黄麻增强石膏复合材料的抗拉强度最佳。碱处理纤维束增强了界面结合。同时，试样的断裂伸长率也有相同的变化趋势。（3）随着纤维束的逐渐加入，复合材料的冲击强度逐渐提高，且黄麻的掺入越多，硬度就越低。（4）FTIR显示出大面积的氢键峰，表明黄麻纤维束与基体中存在的水分子之间存在氢键。
[1] 曹旭东,艾文兵,母军. 木丝增强脱硫石膏板制备及性能研究[J]. 西北林学院学报,2021,36(4):220-224.
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[4] 邓宇晨,王星. 空间结构复合材料的应用与受力分析研究进展[J]. 建筑技术开发,2019,46(19):15-17.
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文章摘自：罗彦霜.黄麻纤维对石膏板力学性能的影响[J].石材.2024,41(06):153-155.
