聚丙烯纖維?；⒅閺?fù)合保溫材料的性能

朱 江，李國忠

（濟(jì)南大學(xué) 建筑材料制備與測試技術(shù)山東省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250022）

以?；⒅闉檩p質(zhì)骨料，水泥、石膏和粉煤灰等膠凝材料為主要原料，經(jīng)模壓成型制備的?；⒅闊o機(jī)保溫材料，其密度與力學(xué)強(qiáng)度要求往往不能兼顧.在此體系中引入增強(qiáng)纖維，可以使保溫材料在較小密度下具有較高強(qiáng)度，且適宜摻量的增強(qiáng)纖維不會(huì)對保溫材料的密度和導(dǎo)熱系數(shù)有較大影響.聚丙烯纖維是一種柔性纖維，在水泥砂漿和混凝土制品中有著出色的阻裂效果［1－2］，但聚丙烯纖維表面能低，表面不含任何活性基團(tuán)，往往影響其應(yīng)用效果.對聚丙烯纖維表面進(jìn)行適當(dāng)改性，可增強(qiáng)其與水泥等無機(jī)膠凝材料的界面結(jié)合力，提高復(fù)合材料的力學(xué)強(qiáng)度.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

?；⒅椋荷綎|創(chuàng)智新材料科技有限公司產(chǎn)Ⅱ類玻化微珠，其主要性能指標(biāo)見表1；聚丙烯纖維（PP）：四川華神化學(xué)建材有限責(zé)任公司產(chǎn)，其基本性能指標(biāo)見表2；水泥：中聯(lián)水泥廠產(chǎn)42.5R 快硬硫鋁酸鹽水泥；粉煤灰：華電國際鄒縣發(fā)電廠Ⅰ級粉煤灰，符合GB／T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的各項(xiàng)要求；醋酸乙烯－乙烯共聚乳液（簡稱VAE乳液）：南京丹沛化工有限公司產(chǎn)，固含量（文中涉及的固含量、濃度和摻量等除特別注明外均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)）55.5%；聚乙烯醇縮甲醛膠，固含量3.38%；建筑石膏粉：0.2mm 方孔篩篩余量8.7%，初凝時(shí)間5min，終凝時(shí)間26min；氫氧化鈉：分析純化學(xué)試劑，NaOH 含量≥96%.

表1 ?；⒅槲锢硇阅躎able 1 Physical properties of vitrified small ball

表2 聚丙烯纖維基本性能指標(biāo)Table 2 Basic performance of polypropylene fiber

1.2 聚丙烯纖維表面改性處理

堿處理：取適量聚丙烯纖維放入濃度為5%的NaOH 溶液中浸泡8h后取出，用蒸餾水洗凈表面，晾干備用.

包覆改性處理：將堿處理后的聚丙烯纖維放入VAE乳液稀釋液（m（VAE 乳液）∶m（水）＝1∶1）中攪拌浸泡20min，取出纖維并壓擠出多余液體，物理分散、烘干后待用.

1.3 試驗(yàn)方法

按m（?；⒅椋胢（聚乙烯醇縮甲醛膠）∶m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（石膏）＝1.00∶1.00∶0.80∶0.20∶0.08，準(zhǔn)確稱量各物料.聚丙烯纖維摻量與相應(yīng)的試樣編號見表3，其中P 組為摻加未改性聚丙烯纖維的復(fù)合保溫材料試樣、A 組為摻加堿處理聚丙烯纖維的試樣、C組為摻加VAE乳液包覆改性聚丙烯纖維的試樣.先將?；⒅?、聚丙烯纖維、水泥、粉煤灰和石膏混合均勻，聚乙烯醇縮甲醛膠通過噴射槍以霧化狀態(tài)均勻噴射到混合料中，再將混合料倒入500mm×300mm×80mm 的模具中整平，并在0.47MPa壓力下模壓成型，1h后脫模，得到500 mm×300 mm×50 mm 的保溫板材.在20℃，相對濕度95%的條件下養(yǎng)護(hù)3d后，將保溫板材放入60℃電熱鼓風(fēng)干燥箱中烘干備用.

表3 聚丙烯纖維摻量Table 3 Polypropylene fiber content

將制備的保溫板材按照標(biāo)準(zhǔn)要求分別加工成250mm×100mm×50mm 的抗折試樣和100mm×100mm×50mm 的抗壓試樣，依據(jù)GB／T 5486—2008《無機(jī)硬質(zhì)絕熱制品試驗(yàn)方法》分別測試各試樣的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度；參照GB／T 20473—2006《建筑保溫砂漿》測試試樣的軟化系數(shù)，試樣尺寸與抗壓強(qiáng)度測試尺寸相同；將板材加工成尺寸為300mm×300 mm×25 mm，依照GB／T 10294—2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定 防護(hù)熱板法》，使用IMDRY3001－Ⅵ智能型雙平板導(dǎo)熱系數(shù)測定儀（精確至0.000 1，測量精度±3%）測試試樣的導(dǎo)熱系數(shù)；對改性前后聚丙烯纖維表面的微觀形貌及復(fù)合保溫材料的斷口形貌進(jìn)行SEM 分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 聚丙烯纖維摻量對復(fù)合保溫材料力學(xué)性能的影響

聚丙烯纖維摻量對玻化微珠復(fù)合保溫材料試樣力學(xué)性能影響如圖1所示.由圖1可以看出，復(fù)合保溫材料試樣的抗折強(qiáng)度隨聚丙烯纖維摻量的增加逐步增大，當(dāng)纖維摻量超過1.0%后，試樣的抗折強(qiáng)度趨于穩(wěn)定；復(fù)合保溫材料試樣的抗壓強(qiáng)度隨纖維摻量的增加先增大后減小，變化幅度不大；當(dāng)聚丙烯纖維的摻量達(dá)到1.0%時(shí)，試樣的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均達(dá)到最大，分別為0.62，1.47MPa，較空白試樣P0分別提高了93.75%和7.30%.

2.2 聚丙烯纖維摻量對復(fù)合保溫材料密度和導(dǎo)熱系數(shù)的影響

圖1 聚丙烯纖維摻量對復(fù)合保溫材料力學(xué)性能的影響Fig.1 Influence of polypropylene fiber content on mechanical properties of thermal insulation materials

復(fù)合保溫材料的密度和導(dǎo)熱系數(shù)測試結(jié)果見表4.由表4可以看出，聚丙烯纖維摻量對復(fù)合保溫材料的密度和導(dǎo)熱系數(shù)影響甚微，試樣的密度基本保持在299kg／m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.069 8～0.069 9 W／（m·K）.

表4 復(fù)合保溫材料的密度和導(dǎo)熱系數(shù)測試結(jié)果Table 4 Density and thermal conductivity of thermal insulation materials

2.3 聚丙烯纖維表面改性對復(fù)合保溫材料性能的影響

圖3 聚丙烯纖維表面改性方式對復(fù)合保溫材料軟化系數(shù)的影響Fig.3 Effects of different polypropylene fiber treatment methods on softening coefficient of thermal insulation materials

聚丙烯纖維表面改性對復(fù)合保溫材料力學(xué)性能和軟化系數(shù)的影響見圖2，3.由圖2可知，聚丙烯纖維分別經(jīng)堿處理和VAE 乳液包覆改性處理后，可使復(fù)合保溫材料試樣A 和試樣C 的抗折強(qiáng)度由未改性處理試樣P5 的0.62 MPa分別提高到0.71，0.98MPa，增加了14.52%和58.06%；試樣A 和試樣C的抗壓強(qiáng)度由試樣P5的1.47MPa分別提高到1.53，1.62MPa，增加了4.08%和10.20%.由圖3可以看出，經(jīng)堿處理的聚丙烯纖維對復(fù)合保溫材料的軟化系數(shù)基本沒有影響，而經(jīng)VAE 乳液包覆改性處理的聚丙烯纖維可使復(fù)合保溫材料的軟化系數(shù)由未改性處理試樣P5的0.40增大到0.45，提高了12.50%.由此可知，對聚丙烯纖維進(jìn)行堿處理和包覆改性處理均可明顯改善玻化微珠復(fù)合保溫材料的抗折強(qiáng)度.對比2種表面改性處理方式的效果，發(fā)現(xiàn)經(jīng)VAE 乳液包覆改性處理的聚丙烯纖維對復(fù)合保溫材料力學(xué)強(qiáng)度和軟化系數(shù)的提高作用均明顯優(yōu)于經(jīng)堿處理的聚丙烯纖維.

聚丙烯纖維表面處理方式對復(fù)合保溫材料密度和導(dǎo)熱系數(shù)的影響不大.復(fù)合保溫材料試樣A 和試樣C的密度和導(dǎo)熱系數(shù)與未改性處理試樣P5相比均無明顯變化，3種復(fù)合保溫材料試樣的密度和導(dǎo)熱系數(shù)基本上保持在299kg／m3和0.069 9 W／（m·K）左右.

2.4 聚丙烯纖維表面改性效果分析

聚丙烯纖維的表面改性提高了?；⒅閺?fù)合保溫材料力學(xué)強(qiáng)度和軟化系數(shù)，但纖維表面處理方式的增強(qiáng)效果明顯不同.為研究聚丙烯纖維表面處理方式對復(fù)合保溫材料增強(qiáng)效果的差異，利用SEM對纖維微觀形貌（圖4）進(jìn)行觀察.由圖4可見，未經(jīng)表面改性處理的聚丙烯纖維表面光滑潔凈，纖維比表面積較小；經(jīng)堿處理后的聚丙烯纖維表面出現(xiàn)一些點(diǎn)狀物和凹痕，粗糙度明顯提高，比表面積增加，表面能提高；經(jīng)VAE 乳液包覆改性處理的聚丙烯纖維表面改性效果最為明顯，表面包覆了1層乙烯與醋酸乙烯共聚物（EVA），呈現(xiàn)凹凸不平的形貌，纖維與基體材料的接觸面積顯著增大，改善了纖維與基體的界面吸附及結(jié)合狀況.

圖4 聚丙烯纖維經(jīng)不同表面改性處理后的微觀形貌Fig.4 Micro－morphology on the surfaces of polypropylene fibers after different treatment methods

聚丙烯纖維在堿處理的過程中，纖維表面的雜質(zhì)被侵蝕溶解，原來的雜質(zhì)位置上留下微小孔隙；當(dāng)纖維在VAE 乳液中充分?jǐn)嚢钑r(shí)，乳液中的EVA 容易吸附在不光滑的纖維表面上，與纖維形成較為牢固的結(jié)合.EVA 帶有的極性基團(tuán)及凹凸不平的表面，均可提高其與體系中膠凝材料（水泥、石膏和粉煤灰）水化產(chǎn)物及聚乙烯醇縮甲醛膠的界面結(jié)合，從而改善復(fù)合材料的界面性能.

根據(jù)復(fù)合保溫材料成型工藝的特點(diǎn)，物料經(jīng)攪拌和施膠后，?；⒅楹途郾├w維表面均黏附著1層水泥、粉煤灰、石膏顆粒及聚乙烯醇縮甲醛膠的混合物，經(jīng)模壓成型后這些混合物間相互黏合，通過膠凝材料的水化形成一體.基體材料中的水泥熟料礦物和石膏通過水化反應(yīng)生成AH3凝膠、C－S－H 凝膠、鈣礬石及CaSO4·2H2O 等水化產(chǎn)物，水化過程中釋放的Ca（OH）2與粉煤灰中的活性組分發(fā)生反應(yīng)生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣等.同時(shí)，隨著膠凝材料水化過程的進(jìn)行及水分的蒸發(fā)，體系中的聚乙烯醇縮甲醛膠在毛細(xì)孔表面、?；⒅椋a(chǎn)物界面和聚丙烯纖維－水化產(chǎn)物界面的局部發(fā)生絮凝而形成聚合物膜，聚合物膜中的極性基團(tuán)與水化產(chǎn)物和EVA 中的極性基團(tuán)相互鍵合，增強(qiáng)了基體與玻化微珠、聚丙烯纖維的界面結(jié)合，減少了微裂紋在界面上的發(fā)生，宏觀上表現(xiàn)為復(fù)合保溫材料力學(xué)強(qiáng)度和耐水性能的提高.

2.5 聚丙烯纖維對玻化微珠復(fù)合保溫材料的增強(qiáng)機(jī)制

聚丙烯纖維在?；⒅閺?fù)合保溫材料體系中分布均勻，在三維方向上呈亂向分布，形成網(wǎng)絡(luò)骨架，可起到分散應(yīng)力的作用.均勻分布在體系中的單絲纖維可承受材料因干燥收縮及吸水膨脹而產(chǎn)生的應(yīng)力，降低裂紋產(chǎn)生的概率.在材料的破壞過程中，纖維可以消耗裂紋發(fā)展過程的能量，纖維的界面破壞、拉長和拔出均會(huì)消耗一定的裂紋能量，減弱裂紋尖端的應(yīng)力集中作用，阻礙裂紋的生長和發(fā)展，增大了造成材料破壞所需要的能量［3－6］.

裂紋在材料中的發(fā)展過程如圖5所示.混合料經(jīng)模壓成型、膠凝材料水化而形成一體，但在玻化微珠與聚丙烯纖維及?；⒅橹g會(huì)形成一定的微小孔隙（見圖5（a））；在外力作用下，這些微小孔隙處因應(yīng)力集中而產(chǎn)生微裂紋，微裂紋沿基體擴(kuò)展到纖維和?；⒅榕c水化產(chǎn)物的界面處（見圖5（b），（c）），裂紋的能量在界面處發(fā)生流散，此時(shí)，裂紋能量的流散主要在于界面處鍵能的破壞和界面的剝離；在外界應(yīng)力的持續(xù)作用下，部分裂紋穿透纖維或?；⒅椋斐衫w維局部的拉長和拔出，以及?；⒅楹突w的破裂（見圖5（d），（e）），導(dǎo)致材料發(fā)生破壞、斷裂.

圖5 復(fù)合保溫材料裂紋的發(fā)展過程模型Fig.5 Models of crack development in thermal insulation materials

圖6為復(fù)合保溫材料試樣P5和試樣C 斷口形貌的SEM 照片.由圖6可以看出，試樣P5斷口處纖維表面較為光滑，只有少量的水化產(chǎn)物附著在上面；試樣C斷口處聚丙烯纖維表面包覆有大量的水化產(chǎn)物，只在局部發(fā)生脫黏.VAE 乳液包覆改性聚丙烯纖維與基體的界面結(jié)合較好，有利于聚丙烯纖維在復(fù)合保溫材料中強(qiáng)度的揮發(fā)，提高了復(fù)合保溫材料的力學(xué)強(qiáng)度和耐水性能.

圖6 聚丙烯纖維改性前后復(fù)合保溫材料的微觀結(jié)構(gòu)Fig.6 Microstructures of thermal insulation materials before and after polypropylene fiber modification

3 結(jié)論

（1）聚丙烯纖維摻量為1.0%時(shí)，可改善?；⒅閺?fù)合保溫材料的力學(xué)性能，尤其是復(fù)合保溫材料的抗折強(qiáng)度得到顯著提高，試樣的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度較空白試樣分別提高了93.75%和7.30%.

（2）聚丙烯纖維經(jīng)堿處理和VAE乳液包覆改性處理后均可改善纖維與基體的界面結(jié)合狀況，從而能進(jìn)一步提高復(fù)合保溫材料的性能，其中纖維經(jīng)VAE 乳液包覆改性的效果更好.在最佳聚丙烯纖維摻量下，經(jīng)VAE 乳液包覆改性處理后的聚丙烯纖維復(fù)合保溫材料試樣的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度達(dá)0.98，1.62 MPa，較未改性處理試樣分別提高了58.06%和10.20%，軟化系數(shù)提高了12.50%.

（3）與堿處理改性方式相比，VAE 乳液包覆改性處理使聚丙烯纖維表面包覆了1層EVA，形成了帶有極性基團(tuán)并凹凸不平的表面，增大了纖維與基體材料的接觸面積，改善了纖維與基體的界面吸附及結(jié)合狀況.

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