氯氧鎂水泥泡沫保溫板添加劑的研究與應(yīng)用

李瑞芬，姜效軍，張洪濤，郭德水，周杰，碗建華（.遼寧科技大學(xué)化工學(xué)院，遼寧鞍山　405；.遼寧華宇鎂建材有限公司，遼寧鞍山　400）

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氯氧鎂水泥泡沫保溫板添加劑的研究與應(yīng)用

李瑞芬1，姜效軍1，張洪濤2，郭德水1，周杰1，碗建華1
（1.遼寧科技大學(xué)化工學(xué)院，遼寧鞍山114051；2.遼寧華宇鎂建材有限公司，遼寧鞍山114200）

摘要：重點探討了影響氯氧鎂水泥泡沫保溫板性能的發(fā)泡劑、防水劑的制備與應(yīng)用。發(fā)泡劑主要由Ca（OH）2為催化劑水解動物蛋白制取，防水劑主要成分是硬脂酸皂化得到的硬脂酸鹽。最佳發(fā)泡效果的實驗條件為：反應(yīng)溫度為100℃，反應(yīng)時間為6 h，Ca（OH）2濃度為2.5%。穩(wěn)泡劑FeCl3摻量為發(fā)泡劑的0.6%時復(fù)配效果最好，稀釋后發(fā)泡倍數(shù)6.39，穩(wěn)泡時間12 h。當(dāng)復(fù)合堿用量為硬脂酸物質(zhì)的量的110%時防水劑效果最好，制得的氯氧鎂水泥泡沫保溫板耐火性為A2級，導(dǎo)熱系數(shù)0.050W/（m·K），抗壓強(qiáng)度0.31MPa，吸水率9%。

關(guān)鍵詞：氯氧鎂水泥；泡沫保溫板；發(fā)泡劑；防水劑

0　前言

聚苯乙烯泡沫板和擠塑泡沫板等外墻保溫材料雖質(zhì)量輕、保溫效果好、吸水率低，但易燃、耐久性差，增加了建筑的火災(zāi)荷載[1]，已不能滿足目前建筑業(yè)的要求，阻燃性建筑材料的開發(fā)和應(yīng)用受到廣泛的重視。氯氧鎂水泥泡沫保溫板[2-3]具有質(zhì)量較輕、強(qiáng)度高、導(dǎo)熱系數(shù)較小、防火、耐高溫、低溫、防腐等優(yōu)點，是一種很好的無機(jī)阻燃保溫材料，由氯氧鎂水泥[4]與發(fā)泡劑、防水劑等添加劑制備而成，其優(yōu)劣在很大程度上取決于所用發(fā)泡劑與防水劑的性能。國外研究泡沫混凝土發(fā)泡劑、防水劑較早，已有較成熟的產(chǎn)品[5-7]。目前國內(nèi)的發(fā)泡劑存在泡沫穩(wěn)定性低，防水劑防水效果不理想，泡沫保溫板制品強(qiáng)度不高等問題[8-11]，使得泡沫保溫板的開發(fā)應(yīng)用受到一定限制，有必要對發(fā)泡劑和防水劑進(jìn)行詳細(xì)探討。

水解動物蹄角粉所形成的氣泡液膜十分堅韌、富有彈性，受外力壓迫后可立即恢復(fù)原狀，不易破裂。與其它發(fā)泡劑相比，泡沫穩(wěn)定、來源豐富、合理利用動物廢棄品，有非常廣泛的應(yīng)用前景[12]。本實驗以硬脂酸和Ca（OH）2、ZnO和Na2CO3為主要原料制備金屬皂類防水劑，其具有較高的憎水性及優(yōu)異的防水效果，添加到氯氧鎂水泥保溫板中可以填充微小孔隙和堵塞毛細(xì)通道，切斷和減少外界水分向內(nèi)部的滲透，能夠抑制裂縫，增加其強(qiáng)度，是一種長效強(qiáng)力無污染的防水劑。

1　實驗

1.1原材料及主要實驗儀器

輕燒MgO、MgCl2：工業(yè)品，遼寧華宇鎂建材有限公司；膨化聚苯乙烯顆粒：工業(yè)品，江蘇新藝泡沫制品廠；動物蹄角粉：市售；硬脂酸、Ca（OH）2、Na2CO3、ZnO、FeCl3：工業(yè)品，天津市瑞金特化學(xué)品有限公司；羥甲基纖維素（HPMC）、瓜爾膠：工業(yè)品，肥城慶峰精細(xì)材料廠；十二烷基硫酸鈉（K-12）、十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）：工業(yè)品，上海順強(qiáng)生物科技有限公司。

JC2000C1型接觸角測量儀，上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司；80-2型離心機(jī)，常州市凱航儀器有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1發(fā)泡劑的制備

將30g動物蹄角粉放入三口燒瓶內(nèi)，加入不同濃度氫氧化鈣水溶液200ml，在一定溫度下水解若干小時，水解后用鹽酸調(diào)節(jié)pH值至7～8，過濾得到發(fā)泡劑原液。在發(fā)泡劑原液中加入不同的穩(wěn)泡劑與表面活性劑對其進(jìn)行復(fù)配，提高其發(fā)泡力和穩(wěn)泡性能。

1.2.2防水劑的制備

將一定量的Ca（OH）2和H2O加入三口燒瓶中，在恒溫電熱套上，升溫至90℃，電動攪拌20min，然后緩慢依次加入100份熔融后的硬脂酸和一定比例的Na2CO3和ZnO，攪拌反應(yīng)1.5h后冷卻，制得樣品。

1.2.3氯氧鎂水泥泡沫保溫板的制備

將活度65%的MgO加入到25%MgCl2溶液中，MgO、MgCl2與H2O三者的摩爾比為8∶1∶16，然后加入5%聚苯乙烯顆粒和3%自制防水劑（按1.2.2方法試制），在混凝土攪拌機(jī)中攪拌3min，自制的動物蛋白發(fā)泡劑（按1.2.1方法試制）摻量為氯氧鎂水泥的2%，稀釋40倍后通過發(fā)泡機(jī)發(fā)泡，將泡沫加入漿料中攪拌5min，配制好的漿體直接攤平在尺寸為180cm×90cm×8cm的自動化生產(chǎn)線板上，在室溫下硬化24 h，然后脫模，在溫度為23℃、相對濕度為59%的條件下養(yǎng)護(hù)硬化15d，制得保溫板，測試其防火、防水、導(dǎo)熱性能。

1.3性能測試

1.3.1發(fā)泡劑的性能測試

將以一定比例混合的發(fā)泡劑和水溶液100ml放入1000 ml的量筒中，在3000r/min的攪拌速度下攪拌2min進(jìn)行發(fā)泡，測量泡沫體積。當(dāng)泡沫體積剩余150ml時，記錄穩(wěn)泡時間。發(fā)泡倍數(shù)即泡沫發(fā)起的體積與液體體積的比值。

1.3.2防水劑表觀性能測試

乳化穩(wěn)定性測試：將10ml防水劑放入80-2型離心機(jī)中，以3000r/min離心處理15min，如果不分層為穩(wěn)定性好，如果分層為穩(wěn)定性差。

分散性測試：參照5個等級，一級最好，五級最差。具體見文獻(xiàn)[13]。

1.3.3氯氧鎂水泥保溫板性能測試

對保溫板樣板表面進(jìn)行接觸角測試，并按照GB8624—2006《建筑材料及制品燃燒性能分級》、GB/T5486—2008《無機(jī)硬質(zhì)絕熱制品試驗方法》，經(jīng)國家消防及阻燃產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心檢測導(dǎo)熱系數(shù)、阻燃等級。

2　結(jié)果與討論

2.1發(fā)泡劑配方確定

2.1.1動物蛋白水解條件優(yōu)化

水解動物蛋白受到堿濃度、水解時間和水解溫度的影響，為確定各因素的最佳值。本實驗以Ca（OH）2濃度、水解時間、水解溫度為3個因素，每個因素取3個水平，以此設(shè)計L9（34）正交試驗，確定水解最優(yōu)條件。正交試驗因素水平見表1，正交試驗結(jié)果及極差分析見表2。

表1　正交試驗因素水平

表2　　正交試驗結(jié)果及極差分析

從表2可以看出：

（1）對發(fā)泡倍數(shù)的影響因素順序為：B＞A＞C，水解溫度越高發(fā)泡能力越強(qiáng)。因為水解溫度越高，蛋白質(zhì)水解的越徹底，長鏈的蛋白質(zhì)分子變成短鏈的小分子肽越完全，因此發(fā)泡倍數(shù)越大。水解溫度太低，水解不完全，起泡性能差。

（2）對穩(wěn)泡時間的影響因素順序為：A＞B＞C，堿濃度的影響最大。當(dāng)溶液中Ca（OH）2濃度相對較小時，其對角蛋白結(jié)構(gòu)的水解能力弱，水解量相對較少，起泡能力差；當(dāng)堿濃度過大，多余的堿繼續(xù)水解小分子肽成氨基酸，徹底破壞肽鏈間相互作用，難以形成穩(wěn)定界面，泡沫穩(wěn)定性下降。通過極差分析，確定最佳的試驗條件為A3B3C2，即Ca（OH）2的濃度為2.5%，水解溫度為100℃，水解時間為6 h。實驗選用Ca（OH）2為水解催化劑，一方面，堿性較溫和，水解生成中間產(chǎn)物多，另一方面Ca2+能與蛋白質(zhì)形成配合物，增加了表面膜的厚度，更有利于提高泡沫的穩(wěn)定性。

2.1.2發(fā)泡劑復(fù)配

向發(fā)泡劑原液中加入穩(wěn)泡劑羥甲基纖維素（HPMC）、瓜爾膠、FeCl3和表面活性劑十二烷基硫酸鈉（K-12）、十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）來改善泡沫性能。不同穩(wěn)泡劑及摻量對泡沫發(fā)泡倍數(shù)和穩(wěn)泡時間的影響如圖1和圖2所示。

圖1　不同穩(wěn)泡劑及摻量對泡沫發(fā)泡倍數(shù)的影響

圖2　不同穩(wěn)泡劑及摻量對泡沫穩(wěn)泡時間的影響

從圖1、圖2可以看出：

（1）加入離子型表面活性劑SDBS和K-12雖然起泡力明顯增強(qiáng)，但穩(wěn)定性降低。因為離子型表面活性劑能降低水的表面張力，具有很強(qiáng)的起泡能力，但使體系產(chǎn)生富集行為從而降低了泡沫的穩(wěn)定性。

（2）加入穩(wěn)泡劑HPMC和瓜爾膠能提高泡沫的穩(wěn)定性。該類物質(zhì)由于能夠提高泡沫的黏度，降低泡沫流動性，從而具有一定的穩(wěn)泡效果，但會降低泡沫的起泡能力。

（3）加入FeCl3泡沫的穩(wěn)泡性明顯提高，因為能增加蛋白質(zhì)水解后得到的多肽等小分子之間的交聯(lián)與螯合，隨著FeCl3摻量增大，泡沫的穩(wěn)定時間越來越長，綜合考慮，當(dāng)FeCl3摻量為0.6%時效果較好，發(fā)泡倍數(shù)達(dá)到6.39，穩(wěn)泡時間12 h。

2.2堿用量對防水劑性能的影響

硬脂酸與復(fù)合堿[Ca（OH）2、Na2CO3和ZnO]反應(yīng)制備防水劑，測試不同復(fù)合堿用量（以硬脂酸物質(zhì)的量計）時防水劑的物理性能，結(jié)果見表3。

表3　堿用量對防水劑物理性能的影響

從表3看出，當(dāng)堿用量較少時，防水劑的黏度高，分散性差；當(dāng)堿用量較高時，穩(wěn)定性變差。因為硬脂酸過量，反應(yīng)不完全，使得防水劑的黏度劇烈增加，隨堿用量的增加，pH值逐漸增大，游離的硬脂酸量逐漸減少，黏度也相應(yīng)降低，而堿用量過多，產(chǎn)品易沉淀分層。所以，當(dāng)堿用量為硬脂酸物質(zhì)的量的110%時，防水劑的物理性能最好。

2.3接觸角分析

將實驗自制的金屬皂類防水劑加入到氯氧鎂水泥中，摻量為氯氧鎂水泥的3%。樣板1、2、3、4分別為使用堿用量占硬脂酸物質(zhì)的量70%、90%、110%和130%的防水劑制備的氯氧鎂水泥保溫板，分別測試其接觸角，結(jié)果如圖3所示。

圖3　不同堿用量氯氧鎂水泥泡沫保溫板的接觸角

從圖3可知，樣板1、2、3、4的接觸角分別為75.2°、77.7°、102°、64°。樣板3的接觸角明顯大于其余樣板，說明樣板3的表面疏水性更好，即當(dāng)堿用量為硬脂酸物質(zhì)的量的110%時，防水劑效果最好，硬脂酸鈣具有較高的憎水性與優(yōu)異的防水效果。另外，ZnO與硬脂酸反應(yīng)生成的硬脂酸鋅本身具有很好的防水性，可以作硬脂酸鈣的分散劑、潤滑劑、熱穩(wěn)定劑，與鈣皂、鈉皂等配合使用，可以在泡沫保溫板表面形成一層憎水性包裹膜，減少了水分在保溫板表面的濕潤，使水難以向孔隙中滲透，防水效果更好。但堿用量過大時，生成的鈉皂溶于水且防水劑分散液顆粒粗大，凝結(jié)成塊，不能吸附于保溫板表面形成薄膜防止水分的滲透。

2.4氯氧鎂水泥保溫板的性能

將樣板3經(jīng)國家消防及阻燃產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心根據(jù)GB 8624—2006、GB/T 5486—2008檢測其性能，結(jié)果如表4所示。

表4　氯氧鎂水泥泡沫保溫板的性能

從表4可以看出，氯氧鎂水泥泡沫保溫板耐火性達(dá)到A2級，密度低，導(dǎo)熱系數(shù)小，抗壓強(qiáng)度高，吸水率低，所測指標(biāo)均符合GB 8624—2006、GB/T 5486—2008標(biāo)準(zhǔn)要求。防水劑的主要成分硬脂酸鈣和硬脂酸鋅，兩者均不溶于水，硬脂酸鋅能有效提高硬脂酸鈣的熱穩(wěn)定性，高溫時可防止其遇熱分解失去其防水作用，結(jié)合接觸角的測試，增大了水的接觸角，證明是一種能提高氯氧鎂水泥性能且無污染的防水劑。

3　結(jié)論

（1）制備動物蛋白類發(fā)泡劑，實驗優(yōu)化的反應(yīng)溫度為100℃，反應(yīng)時間為6 h，Ca（OH）2濃度為2.5%，穩(wěn)泡劑FeCl3的摻量為發(fā)泡劑的0.6%時復(fù)配效果最好，稀釋后發(fā)泡倍數(shù)為6.39，穩(wěn)泡時間為12 h。

（2）當(dāng)復(fù)合堿用量為硬脂酸物質(zhì)的量的110%時，防水劑的穩(wěn)定性、分散性好，顆粒細(xì)小均勻、不分層，流動性好，摻加到氯氧鎂水泥保溫板中接觸角最大，憎水效果最好。

（3）制備的氯氧鎂水泥泡沫保溫板經(jīng)國家消防及阻燃產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心檢測，耐火性A2級，密度157 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)0.05W/（m·K），抗壓強(qiáng)度0.31MPa，吸水率9%，所測技術(shù)指標(biāo)均符合GB 8624—2006、GB/T 5486—2008標(biāo)準(zhǔn)要求，是一種性能優(yōu)異的外墻防火保溫板的新型材料。

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Research and application of additives for magnesium oxychloride cement foam insulation board

LI Ruifen1，JIANG Xiaojun1，ZHANG Hongtao2，GUO Deshui1，ZHOU Jie1，WAN Jianhua1
（1.School of Chemical Engineering，University of Science and Technology Liaoning，Anshan 114051，China；
2.Building Materials Limited Company of Huayu Liaoning，Anshan 114200，China）

Abstract：The foaming agent and waterproofing agent will influence the properties of magnesium cement foam insulation board，and the development and application of foaming agent and waterproofing agent were investigated.Foaming agent was mainly from the hydrolysis of animal protein with the catalysis of Ca（OH）2.The main component of waterproofing agent was stearic acid salt which is formed from the saponification of stearic acid.The optimal experimental conditions as follows：reaction temperature is 100℃，reaction time is 6 h，Ca（OH）2concentration is 2.5%.The addition of foam stabilizing agent FeCl3is 0.6%of the foaming agent which was proved to be the most significant for its synergism effectiveness,with its diluting foaming ratio 6.39 and 12 h stable time.When the molar ratio of stearic acid to compound alkali is 1/1.1，the waterproof effect is proved to be the best.And the fire resistance of magnesium cement foam insulation board is A2 level，the coefficient of thermal conductivity is 0.05W/（m·K），compressive strength is 0.31MPa and bibulous rate is 9%.

Key words：magnesium oxychloride cement，foam insulation board，foaming agent，waterproofing agent

作者簡介：李瑞芬，女，1990年生，山東濟(jì)寧人，碩士研究生。E-mail：fengshuluoye@163.com。通訊作者：姜效軍，地址：遼寧省鞍山市千山中路185號，E-mail：anshanjiangxj@163.com。

收稿日期：2015-09-28；

修訂日期：2015-11-05

中圖分類號：TU528.042

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-702X（2016）01-0072-04