堿處理對麥秸纖維增強(qiáng)水泥板力學(xué)性能的影響

凌啟飛，鄭 霞，李新功

堿處理對麥秸纖維增強(qiáng)水泥板力學(xué)性能的影響

凌啟飛，鄭 霞，李新功

(中南林業(yè)科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410004)

采用半干法工藝制備了麥秸纖維增強(qiáng)水泥板，探討了堿處理對板材力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明: 1%堿處理纖維后板材的力學(xué)性能得到了明顯改善。通過堿處理麥秸纖維中的半纖維素被水解溶出，避免了在水泥水化環(huán)境中麥秸纖維半纖維素水解成單糖而阻礙水泥水化凝固。麥秸纖維表面變得粗糙，增大了水泥與纖維的機(jī)械交織力，從而提高了板材的力學(xué)性能。同時(shí)，堿處理后的纖維拉伸強(qiáng)度和長徑比的增大也改善了板材力學(xué)性能。

麥秸纖維增強(qiáng)水泥板；麥秸纖維；堿處理；力學(xué)性能

我國是農(nóng)業(yè)大國，每年會(huì)產(chǎn)生大量的麥秸等農(nóng)作物秸桿。目前，這些秸桿大部分被焚燒掉，不但沒有發(fā)揮其應(yīng)有價(jià)值，而且還污染了環(huán)境[1-2]。麥秸纖維具有價(jià)廉質(zhì)輕、比強(qiáng)度和比模量高等優(yōu)良特性[2-3]。以麥秸纖維為增強(qiáng)材料、水泥為基體材料，輔之以其他添加劑經(jīng)一定加工工藝而制成麥秸纖維增強(qiáng)水泥板既有強(qiáng)度高、防火、防腐、防蟲的優(yōu)點(diǎn)，又有隔音、隔熱及易進(jìn)行各種機(jī)械加工等良好性能，使用過程中不會(huì)釋放出甲醛等有害氣體，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)建筑和民用建筑的墻體材料，是一種綠色環(huán)保的新型建筑墻體材料。近年來，立足于麥秸等農(nóng)作物秸桿的有效利用，國內(nèi)外一些學(xué)者對麥秸纖維(碎料)增強(qiáng)水泥板進(jìn)行了研究。本文以堿處理前后的麥秸纖維為增強(qiáng)材料制備了麥秸纖維增強(qiáng)水泥板，探討了堿處理對麥秸纖維和麥秸纖維增強(qiáng)水泥板力學(xué)性能的影響。

1 材料與方法

1.1 原材料

麥秸纖維：采自湖北荊州基立環(huán)保板材有限公司，見圖1。水泥：普通復(fù)合硅酸鹽水泥，標(biāo)號R32.5，購自湖南省長沙市。氯化鈣(CaCl2)和氫氧化鈉(NaOH)均為湖南匯虹試劑有限公司生產(chǎn)，分析純。

圖1 麥秸纖維Fig. 1 Straw fibers

1.2 麥秸纖維堿處理與板材制備

將一定量的麥秸纖維分別浸入質(zhì)量百分濃度為1%、3%、5%的NaOH溶液中(固液重量混合比為1∶20)，在常溫下處理12 h后經(jīng)水洗脫堿至中性，然后在80 ℃的烘箱里干燥至含水率為10%，再用粉碎機(jī)粉碎后備用。

采用半干法熱壓工藝制備麥秸纖維增強(qiáng)水泥板。將添加劑氯化鈣溶于水后與干燥好的麥秸纖維充分混合，加入水泥攪拌均勻得到半干坯料。人工將半干坯料鋪裝成板坯后送入熱壓機(jī)熱壓，熱壓壓力為3.0 MPa，熱壓時(shí)間為3 min，卸壓后加濕自然養(yǎng)護(hù)2周。板材規(guī)格為210 mm×210 mm×8 mm，目標(biāo)密度1.2 g/cm3。根據(jù)前期的研究結(jié)果，本研究中麥秸纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%，CaCl2用量為水泥質(zhì)量的2.6%。

1.3 表征與性能測試

傅立葉紅外光譜(FTIR)在IRAffinity-1型傅立葉變換紅外光譜儀上測定。

堿處理前后麥秸纖維表面形態(tài)在美國FEI公司QUANTA200型掃描電鏡(SEM)下觀察。

麥秸纖維拉伸實(shí)驗(yàn)在日本津島公司的DCS-R-100萬能試驗(yàn)機(jī)上測試。麥秸纖維的直徑通過尼康V26D萬能投影機(jī)測量。堿處理前后纖維各取30個(gè)試樣。

水泥麥秸纖維板力學(xué)性能測試參照J(rèn)C411/T-2007水泥木屑板標(biāo)準(zhǔn)在萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上測試。檢測的力學(xué)性能包括靜曲強(qiáng)度(MOR)和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度(IB)。

2 結(jié)果與分析

2.1 堿液濃度對板材力學(xué)性能的影響

圖2顯示了不同濃度的堿液處理麥秸纖維對板材的靜曲強(qiáng)度和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度的影響。與堿處理前纖維制備的板材比較，由1%堿處理的麥秸纖維制備的板材靜曲強(qiáng)度和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度分別增加了25%和39%，但當(dāng)堿濃度超過1%時(shí)板材的靜曲強(qiáng)度和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度開始下降。這是因?yàn)辂溄绽w維化學(xué)組分主要包括纖維素、半纖維素、木質(zhì)素以及SiO2等，半纖維素含量較高[4-5]。水泥水化環(huán)境呈堿性，麥秸纖維中的半纖維素在堿性條件下可以水解生成單糖成分阻礙水泥凝固[6-7]，宏觀上體現(xiàn)為麥秸纖維與水泥相似性差，從而影響板材的力學(xué)性能。另外，麥秸表面有一層光滑的蠟質(zhì)層，水泥漿料不易進(jìn)入其內(nèi)部形成“膠釘”，降低了水泥和麥秸纖維機(jī)械交織力，也會(huì)影響板材的力學(xué)性能。通過堿處理，纖維中的半纖維素被去除，避免了半纖維素在水泥水化體系中水解產(chǎn)生水泥的阻凝成分—單糖，從而提高板材的力學(xué)性能。圖3為堿處理前后麥秸纖維的紅外光譜圖，表1為堿處理前后麥秸纖維主要伸縮振動(dòng)吸收峰的峰譜歸屬。可以看出堿處理前后麥秸纖維的伸縮振動(dòng)吸收峰基本一致，但堿處理麥秸纖維在1 850 cm-1處半纖維素的C=O伸縮振動(dòng)吸收峰的消失了，表明半纖維素在堿處理過程中被去除。

圖2 堿處理對纖維增強(qiáng)水泥板力學(xué)性能影響Fig. 2 Effects of alkali treatments on mechanical properties of fiber-reinforced cement board

圖3 1%堿處理前后麥秸纖維紅外光譜Fig. 3 FTIR spectra of untreated and 1% alkali treated straw fiber

表1 1%堿液處理前后麥秸纖維紅外譜數(shù)據(jù)Table 1 FTIR spectral data of untreated and 1% alkali treated straw fiber

為進(jìn)一步分析堿處理對麥秸纖維的影響，利用掃描電鏡對纖維表面進(jìn)行了表征。圖4(a)顯示堿處理前纖維表面比較光滑，圖4(b)顯示1%堿處理后纖維表面出現(xiàn)了因纖維中的半纖維素的去除而形成得的溝槽，纖維表面變得粗糙，增加了水泥和纖維的機(jī)械交織力，因此，板材力學(xué)性能改善了。進(jìn)一步比較不同濃度堿液的影響，如圖4(c)和圖4(d)所示，2%堿溶液處理后的纖維不僅表面粗糙度增加了，而且纖維出現(xiàn)了少量孔洞，說明纖維被一定程度的破壞。3%堿溶液處理后的纖維出現(xiàn)了大量孔洞，而且纖維縱向被分解裂開，橫向部分?jǐn)嗔?，纖維破壞相對嚴(yán)重。纖維的破壞會(huì)導(dǎo)致纖維本身強(qiáng)度下降。在水泥麥秸纖維板中纖維起增強(qiáng)作用，纖維本身強(qiáng)度的減小必然導(dǎo)致板材力學(xué)性能下降。

圖4 麥秸纖維掃描電鏡Fig. 4 SEM photograph of straw fibers

2.2 堿處理對麥秸纖維拉伸強(qiáng)度影響

為分析堿處理麥秸纖維對麥秸增強(qiáng)水泥板力學(xué)性能的影響，對1%堿處理前后的麥秸纖維拉伸強(qiáng)度進(jìn)行了測試，測試結(jié)果見圖5?？梢钥闯?，隨著堿處理前后的麥秸纖維直徑的減小，纖維拉伸強(qiáng)度呈逐漸增大趨勢，說明可以通過對麥秸纖維的減處理減小其直徑，提高其拉伸強(qiáng)度。未經(jīng)堿處理的纖維的平均拉伸強(qiáng)度32.23 MPa，平均直徑為0.55 mm，堿處理后纖維的平均拉伸強(qiáng)度增加到45.13 MPa，平均直徑減小到0.40 mm?？梢?，通過堿處理，纖維細(xì)化使麥秸纖維拉伸強(qiáng)度以及長徑比提高，因而堿處理后纖維制備的板材力學(xué)性能得到相應(yīng)的改善。

圖5 1%堿處理前后麥秸纖維拉伸強(qiáng)度Fig. 5 Tensile strength of untreated and 1% alkali treated straw fibers

3 結(jié) 論

(1)堿處理前后麥秸纖維中的大部分半纖維素被水解溶出，改善了水泥和纖維的相適性。

(2)麥秸纖維表面蠟質(zhì)層被去除，表面變得粗糙，增加了水泥與纖維的交織力。

(3)堿處理前后麥秸纖維的拉伸強(qiáng)度以及長徑比增大，平均拉伸強(qiáng)度也相應(yīng)增加。

(4)1%堿處理后的麥秸纖維制備的板材靜曲強(qiáng)度、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度與沒有經(jīng)堿處理麥秸纖維制備的板材相比有明顯的提高。

[1] 周定國.關(guān)于稻秸稈人造板的幾個(gè)問題[J].林產(chǎn)工業(yè), 2008,35(1): 3-12.

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[3] 連海蘭,周定國,尤紀(jì)雪,等.預(yù)處理對麥秸纖維板性能的影響及機(jī)理研究[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2008,32(4): 1-5.

[4] 連海蘭,潘明珠,周定國,等.預(yù)處理方法對稻草中纖板性能的影響[J].木材工業(yè), 2007, 21(2): 4-9.

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Effects of alkaline treatment on mechanical properties of straw fiber-reinforced cement board

LING Qi-fei, ZHENG Xia, LI Xin-gong
(School of Materials Science and Engineering, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

Straw fiber-reinforced cement board made from straw fiber and cement was prepared by semi-dry processing technology to investigate the effects of alkali treatment on the mechanical properties of the board. The results indicate that the board fibers were treated with 1% alkali solution showed obvious improvements in mechanical properties. After alkali treatment, hemi-celluloses of straw fiber were hydrolyzed and dissolved, which avoided hemi-celluloses hydrolyzing into monosaccharide to hinder the solidifying of cement.The fibers surface became rough, which increased the mechanical interweaving force between cement and fibers. Thereby the board’s mechanical properties were improved. At the same time, the increase of tensile strength and aspect ratio of the fibers improved the mechanical properties.

straw fiber-reinforced cement board; straw fiber; alkali treatment; mechanical properties

S784

A

1673-923X(2012)01-0157-04

2011-11-15

國家“十二五”科技計(jì)劃課題(2012BAD24B03)；國家林業(yè)公益性行業(yè)科研重大專項(xiàng)(2012040704)；湖南省科技廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(2010NK3034)；中南林業(yè)科技大學(xué)青年基金項(xiàng)目(101-0833)；中南林業(yè)科技大學(xué)木材科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)學(xué)科資助項(xiàng)目

凌啟飛(1981—)，男，安徽安慶人，碩士研究生，主要從事木質(zhì)與非木質(zhì)材料研究；E-mail: xysyzx@sohu.com

李新功(1970—)，男，河南固始人，副教授，主要從事木質(zhì)與非木質(zhì)復(fù)合材料的研究；E-mail: lxgwood@163.com

[本文編校：吳 毅]