硅烷偶聯(lián)劑提高玻璃棉板防水耐堿性的技術(shù)研究

路國忠，鄭學(xué)松，丁秀娟，周麗娟

（固廢資源化利用與節(jié)能建材國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100041）

硅烷偶聯(lián)劑提高玻璃棉板防水耐堿性的技術(shù)研究

路國忠，鄭學(xué)松，丁秀娟，周麗娟

（固廢資源化利用與節(jié)能建材國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100041）

采用硅烷偶聯(lián)劑對玻璃棉板進(jìn)行浸潤處理，從而提高玻璃棉板的防水耐堿性，考察了硅烷偶聯(lián)劑對玻璃棉板關(guān)鍵性能指標(biāo)的影響。測試結(jié)果表明，硅烷偶聯(lián)劑能夠提高玻璃棉板的防水和耐堿性能，硅烷偶聯(lián)劑用量控制在3%以下時對玻璃棉板其它性能不會造成損害，并且可以提高玻璃棉板的力學(xué)強(qiáng)度。

硅烷偶聯(lián)劑；玻璃棉板；防水性；耐堿性

0 前言

玻璃棉板是以石英砂、白云石、蠟石等天然礦石配以其它化工原料（如純堿、硼等）經(jīng)過高溫熔融、玻璃液澄清、離心甩絲、固化成型等關(guān)鍵工藝制成的保溫隔聲材料，具有良好的保溫、隔熱、吸聲性能，燃燒性能為A級，質(zhì)量輕（易于施工時的搬運(yùn)、加工、安裝），具有良好的物理和化學(xué)性能[1-3]。玻璃棉板作為防火A級的保溫材料在歐洲使用比較普遍、成熟，國內(nèi)一些單位也開展了玻璃棉板外墻外保溫技術(shù)的研究與應(yīng)用，但在使用過程中出現(xiàn)了許多問題。我國目前玻璃棉板的“短時間-部分浸泡吸水量”超過歐洲標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定指標(biāo)的10～20倍，是不適應(yīng)外墻外保溫要求的。因此，改善其防水性能對于保持無機(jī)纖維的保溫性，提高其耐用性非常必要。改善無機(jī)纖維棉板防水性能的方法主要是在纖維層和界面層之間設(shè)置防水膜、設(shè)置防水層（布或者紙材料）、噴涂防水層。盡管這些方法取得了一定的效果，但是成本很高，或者防水性能有限。因此，如何在成本增加不多的前提下大幅度提高無機(jī)纖維的防水性成為一個非常重要的課題。

此外，玻璃棉板的耐堿性也是業(yè)內(nèi)十分關(guān)注的問題。因?yàn)椴Ａ薨遄鳛楸夭牧希谏蠅^程中需要涂覆砂漿界面劑，而砂漿界面劑又多以堿性為主，因此玻璃棉板的耐堿性將直接決定系統(tǒng)的耐用性。如何提高無機(jī)纖維棉的防水性和耐堿性，降低處理成本，具有重要的研究價值。

本文采用硅烷偶聯(lián)劑對玻璃棉板進(jìn)行浸潤處理，從而提高玻璃棉板的防水耐堿性。無機(jī)纖維棉作為一種復(fù)合材料，硅烷偶聯(lián)劑既可以改善樹脂與玻璃纖維的界面狀態(tài)，防止其它介質(zhì)向界面滲透，同時能在玻璃纖維表面形成一層包覆層。因此，硅烷偶聯(lián)劑能夠提高玻璃棉板的防水性和耐堿性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

硅烷偶聯(lián)劑：KH550；冰醋酸；NaOH；玻璃棉板：金隅金海燕玻璃棉有限公司生產(chǎn)。

1.2 硅烷偶聯(lián)劑水溶液的配制

1.2.1 pH值對硅烷偶聯(lián)劑偶聯(lián)作用的影響

硅烷偶聯(lián)劑水溶液的pH值不僅影響處理的最終效果，而且還影響硅烷的水解速度[4]。硅烷水解后產(chǎn)生的硅烷三醇能夠縮聚產(chǎn)生雙硅氧烷和硅氧烷的低聚物，這些物質(zhì)沒有偶聯(lián)作用，而且水溶性弱，容易沉淀出來。KH550縮聚反應(yīng)速度與pH值的關(guān)系見表1。

從表1可以看出，為了保持硅烷偶聯(lián)劑KH550的穩(wěn)定性，硅烷偶聯(lián)劑水溶液的pH值應(yīng)控制在7～8。

1.2.2 硅烷偶聯(lián)劑濃度對偶聯(lián)作用的影響

實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，硅烷偶聯(lián)劑KH550的用量（質(zhì)量濃度）也影響其水溶液的水解速度。當(dāng)硅烷偶聯(lián)劑濃度超過3%時，硅烷偶聯(lián)劑的水解速度明顯加快，溶液很快就會出現(xiàn)液面結(jié)皮的現(xiàn)象；當(dāng)偶聯(lián)劑濃度超過5%時，溶液出現(xiàn)渾濁沉淀，無法使用。所以，選用硅烷偶聯(lián)劑的濃度為0.5%～2.0%。

1.3 硅烷偶聯(lián)劑浸潤處理玻璃棉板的工藝流程

首先，配制一定濃度和pH值的KH550溶液，并將玻璃棉板完全浸泡在KH550溶液中，浸泡時間為2 min，然后將浸泡后的玻璃棉板晾曬10 min，主要是瀝去玻璃棉板上過量的浸潤劑，然后將處理后的樣品放入70℃烘箱中干燥20 min。

1.4 改性玻璃棉的表征及性能測試

用日本日立公司的S-3400掃描電子顯微鏡觀察硅烷偶聯(lián)劑處理后的玻璃棉板的形貌，并通過質(zhì)量損失率試驗(yàn)考察改性玻璃棉板的耐堿性；通過短期吸水量變化對玻璃棉板的耐水性能進(jìn)行評價；考慮到玻璃棉板經(jīng)過浸潤處理后某些關(guān)鍵性能指標(biāo)可能受偶聯(lián)劑影響，采用對比試驗(yàn)，對改性玻璃棉板的防火性能、導(dǎo)熱系數(shù)、垂直拉拔強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度等進(jìn)行了測試[5-6]。

2 結(jié)果與討論

2.1 硅烷偶聯(lián)劑的耐堿作用

2.1.1 形貌表征

通過觀察玻璃棉板被堿侵蝕后的表面損毀程度表征其耐堿性能，堿液處理后的纖維表面越粗糙，說明該纖維耐堿性能越差。圖1所示為普通玻璃棉板和經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑KH550浸潤處理后的玻璃棉板經(jīng)NaOH溶液浸泡后的掃描電鏡照片。

從圖1可以看出，普通玻璃棉板經(jīng)NaOH溶液直接浸泡后，棉絲出現(xiàn)了空心結(jié)構(gòu)，同時棉絲表面出現(xiàn)嚴(yán)重的粉化掉渣現(xiàn)象；而經(jīng)過硅烷偶聯(lián)劑KH550浸潤處理過的玻璃棉板，雖然在棉絲表面也出現(xiàn)了一定的粉化現(xiàn)象，但粉化狀況明顯好于未處理的玻璃棉板。通過掃描電鏡照片對比可以得出，采用硅烷偶聯(lián)劑KH550對玻璃棉板進(jìn)行表面處理，具有一定的耐堿保護(hù)作用。

2.1.2 硅烷偶聯(lián)劑對玻璃棉板耐堿質(zhì)量損失率的影響

用10%的NaOH溶液浸泡一定質(zhì)量的玻璃棉板1 h，然后用蒸餾水進(jìn)行沖洗，烘干后稱量，并計(jì)算玻璃棉板的質(zhì)量損失率。NaOH溶液浸泡后普通玻璃棉板與改性玻璃棉板的質(zhì)量損失率分別為2.3%、1.8%?？梢?，經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑浸潤處理可以在一定程度上減少玻璃棉板的耐堿質(zhì)量損失率，但是僅用偶聯(lián)劑進(jìn)行耐堿處理，效果并不十分明顯。

2.2 硅烷偶聯(lián)劑的防水作用

短期吸水量能準(zhǔn)確、快速反應(yīng)材料的防水性能。采用不同濃度的硅烷偶聯(lián)劑KH550對玻璃棉板進(jìn)行浸潤處理，通過短期吸水量（部分浸入24 h，GB/T 25975—2010）的變化可以對玻璃棉板的防水性能進(jìn)行評價。圖2為玻璃棉板短期吸水量隨KH550濃度變化曲線。

從圖2可以看出，經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑改性后的玻璃棉板較普通玻璃棉板的短期吸水量明顯降低，當(dāng)KH550的濃度大于0.5%時，玻璃棉板的短期吸水量降低了40%～50%，硅烷偶聯(lián)劑能夠有效地提高玻璃棉板的防水性能。但當(dāng)硅烷偶聯(lián)劑濃度超過0.5%時，玻璃棉板的短期吸水量隨著硅烷偶聯(lián)劑用量的增加略有降低，但效果并不明顯，甚至當(dāng)硅烷偶聯(lián)劑處理液濃度超過3%時吸水量反而上升。因此，不需要高濃度的硅烷偶聯(lián)劑處理，就能達(dá)到較好的防水效果。

2.3 改性玻璃棉板的綜合性能參數(shù)

硅烷偶聯(lián)劑的浸潤處理對玻璃棉板的防水性能和耐堿性均具積極作用，但是否會影響玻璃棉板的其它性能仍需考證。本實(shí)驗(yàn)采用對比試驗(yàn)的方式，考察了硅烷偶聯(lián)劑浸潤處理對玻璃棉板其它性能指標(biāo)（可能受偶聯(lián)劑影響的關(guān)鍵指標(biāo)）的影響。參照GB 8624—2012《建筑材料及制品燃燒性能分析》、GB/T 20284—2006《建筑材料或制品的單體燃燒試驗(yàn)》等標(biāo)準(zhǔn)對改性玻璃棉板的關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行測試分析，結(jié)果如表2所示。

2.3.1 改性玻璃棉板的防火性能

硅烷偶聯(lián)劑的引入，可能會影響玻璃棉板本身的防火等級。但從表2可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)KH550溶液的濃度控制在3%以內(nèi)時，玻璃棉板的燃燒熱值基本不產(chǎn)生變化。因此，用硅烷偶聯(lián)劑處理過的玻璃棉板仍然可以保持良好的防火性能，其燃燒熱值可達(dá)到2.58 MJ/kg。

2.3.2 改性玻璃棉板的導(dǎo)熱系數(shù)

從表2可以發(fā)現(xiàn)，用硅烷偶聯(lián)劑處理的玻璃棉板導(dǎo)熱性能與普通玻璃棉板的導(dǎo)熱性能基本相同。

2.3.3 改性玻璃棉板的垂直拉拔強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度

從表2可以看出，浸潤處理后的玻璃棉板垂直拉拔強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度基本沒有變化或者略有提高。由于KH550能夠增大玻璃棉板中纖維的結(jié)合力，起到一定的粘結(jié)作用，但粘結(jié)力不會很大，同時KH550的使用量較少，因此浸潤處理后的玻璃棉板垂直拉拔強(qiáng)度基本沒有變化或者略有提高；壓縮強(qiáng)度也有同樣的變化規(guī)律，但是相對于壓縮強(qiáng)度的數(shù)值，偶聯(lián)劑對壓縮強(qiáng)度的影響就更小了。

3 結(jié)論

（1）硅烷偶聯(lián)劑的浸潤處理可以改善玻璃棉板的防水性能和耐堿性。

（2）硅烷偶聯(lián)劑KH550的適宜濃度為0.5%～2.0%，為了保持硅烷偶聯(lián)劑的穩(wěn)定性，硅烷偶聯(lián)劑水溶液的pH值應(yīng)限制在7～8。

（3）當(dāng)硅烷偶聯(lián)劑KH550的濃度控制3%以下時，對改性玻璃棉板的綜合性能不會造成損害，并且可以略微提高玻璃棉板的力學(xué)強(qiáng)度。

[1]周波.玻璃棉及其制品的應(yīng)用[J].塑料制造，2012（5）：74-75.

[2]姚家偉，侯兆銘，姚亦舒.幾種建筑外墻保溫材料的抗火性能分析[J].低溫建筑技術(shù)，2012（7）：4-6.

[3]于原.外墻外保溫材料性能分析及應(yīng)用思考[J].中國建材科技，2012（4）：52-55.

[4]葛敦世.玻璃纖維堿侵蝕反應(yīng)的動力學(xué)探討[J].玻璃纖維，2005 （5）：4-9.

[5]吳永坤，龔方紅，沙德仁.纖維玻璃耐堿性的研究[J].玻璃纖維，2004（4）：6-14.

[6]胡萍，姜明，黃疇，等.硅烷偶聯(lián)劑的界面性能研究[J].表面技術(shù)，2004（5）：19-21.

Technology research on the waterproofness and alkali resistance of silane coupling agent modified glass wool board

LU Guozhong，ZHENG Xuesong，DING Xiujuan，ZHOU Lijuan
（State Key Laboratory of Solid Waste Utilization in Building Materials，Beijing 100041，China）

The glass wool board was treated with silane coupling agent to improve its waterproofness and alkali resistance. And the effects on key performance indicators of silane coupling agent on glass wool board were investigated.Test results showed that silane coupling agent could enhance the waterproofness and alkali resistance of glass wool board.It will not cause damage to other property when the addition is less than 3%，and may enhance the mechanical strength of glass wool board.

silane coupling agent，glass wool board，waterproofness，alkali resistance

TU57+2

A

1001-702X（2015）06-0053-03

2014-12-25

路國忠，男，1969年生，北京人，教授級高級工程師，碩士，研究方向?yàn)楣?jié)能環(huán)保建材。