聚合物乳液對發(fā)泡水泥板的改性研究

（中南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，湖南 長沙 410083）

0 引言

發(fā)泡水泥板是一種氣孔率大于90%的無機(jī)保溫材料，即在連續(xù)的水泥無機(jī)相中均勻分布泡孔結(jié)構(gòu)[1-2]。發(fā)泡水泥板具有優(yōu)良的保溫隔熱性能，并且阻燃性能達(dá)到A級不燃，在越來越注重安全問題的今天，發(fā)泡水泥板在民用建筑、工業(yè)保溫等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但已有研究[3-6]表明，傳統(tǒng)的發(fā)泡水泥板較脆，且抗壓強(qiáng)度較低，吸水率較高，因而需要對傳統(tǒng)發(fā)泡水泥板的性能進(jìn)行改進(jìn)。

將聚合物乳液應(yīng)用到水泥板中，利用乳液優(yōu)異的防水性能以及一定的彈性，可以對復(fù)合發(fā)泡水泥板的性能進(jìn)行改進(jìn)[7-11]。為使制得的復(fù)合發(fā)泡水泥板性能較好，需將聚合物乳液均勻地吸附在發(fā)泡水泥內(nèi)部。因此，如何采用新的工藝，使聚合物乳液能夠均勻地被吸附在發(fā)泡水泥板內(nèi)部，是一個(gè)需要解決的關(guān)鍵問題[12-15]。目前，關(guān)于以聚合物乳液與水泥復(fù)合制備發(fā)泡水泥板的研究報(bào)道相對較少。為此，本文擬開展石蠟乳液（paraffin emulsion，PE）、硅丙乳液（silicone-acrylic emulsion，SIAE）、苯丙乳液（the styrene-acrylic emulsion，STAE）對水泥的吸附改性及其對發(fā)泡水泥板性能影響的研究，這對指導(dǎo)新型墻體材料的研制具有非常重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑及儀器

實(shí)驗(yàn)用主要原材料見表1，實(shí)驗(yàn)儀器見表2。

表1 實(shí)驗(yàn)原材料Table 1 Experimental raw materials

表2 實(shí)驗(yàn)儀器Table 2 Experimental instruments

1.2 表征與測試方法

1.2.1 干密度的測定

根據(jù)GB/T 5486—2008《無機(jī)硬質(zhì)絕熱制品試驗(yàn)方法》中的要求計(jì)算試件的干密度。

1.2.2 聚合物乳液吸附率的測定

1）隨機(jī)取3塊樣品，并且將樣品加工成規(guī)格為300mm×300mm×30mm的試件。

2）將試件置干燥箱內(nèi)，緩慢升溫至（110±5）℃，烘干至恒定質(zhì)量，然后移至干燥器中冷卻至室溫。恒定質(zhì)量的判定依據(jù)為恒溫3 h前后 2次稱量的質(zhì)量變化率小于總質(zhì)量的0.2%。稱取試件自然狀態(tài)下的質(zhì)量，記為G1。

3）將吸附聚合物乳液后的試件置于干燥箱內(nèi)，緩慢升溫至（110±5）℃，烘干至恒定質(zhì)量，然后移至干燥器中冷卻至室溫。恒定質(zhì)量的判定依據(jù)為恒溫3 h前后2次稱量的質(zhì)量變化率小于總質(zhì)量的0.2%。稱取試件自然狀態(tài)下的質(zhì)量，記為G2。

4）根據(jù)公式（1）計(jì)算試件的吸附率ρ：

1.2.3 抗壓強(qiáng)度的測定

根據(jù)GB/T 5486—2008《無機(jī)硬質(zhì)絕熱制品試驗(yàn)方法》中的要求測定試件的抗壓強(qiáng)度。

1.2.4 體積吸水率的測定

根據(jù)GB/T 5486—2008《無機(jī)硬質(zhì)絕熱制品試驗(yàn)方法》中的要求測定并計(jì)算試件的體積吸水率。

1.3 聚合物乳液吸附改性發(fā)泡水泥板的制備

1.3.1 發(fā)泡水泥板的制備

本實(shí)驗(yàn)采用自制穩(wěn)泡劑，并以工業(yè)雙氧水為發(fā)泡劑，且添加憎水劑來改性水泥發(fā)泡板。具體操作如下：在膠砂攪拌機(jī)中，將普通硅酸鹽425水泥1 kg、聚羧酸減水劑0.01 kg、穩(wěn)泡劑0.01 kg混合，室溫下攪拌1 min；加入37 ℃的水0.47 kg，繼續(xù)攪拌2 min。攪拌均勻后，加入0.052 kg雙氧水，攪拌8 s后迅速將物料倒入模具中靜置發(fā)泡，室溫養(yǎng)護(hù)24 h，脫模。切割，自然養(yǎng)護(hù)28 d，待用。

1.3.2 工藝流程

聚合物乳液改性發(fā)泡水泥板的工藝流程見圖1。

圖1 聚合物乳液改性發(fā)泡水泥板的工藝流程Fig.1 Technological process of foaming cement boards modified by polymer emulsion

1.3.3 浸泡吸附

在1 000 mL燒杯中，將一定固含量的有機(jī)物乳液和定量的水，在室溫下攪拌20 min，有機(jī)物乳液和水混合均勻，沒有分層現(xiàn)象。將預(yù)制的發(fā)泡水泥板試件和一鐵塊用橡皮筋系在一起，放入乳液中，完全浸泡吸附。30 min后取出，置于烘箱中干燥，使聚合物固化成膜。

1.3.4 減壓吸附

聚合物乳液復(fù)合發(fā)泡水泥板的減壓吸附工藝流程如下：搭建好圖2所示裝置，將發(fā)泡水泥板試件放在布氏漏斗內(nèi)，空隙處用濾紙?zhí)钌?。? 000 mL燒杯中，將一定固含量的有機(jī)物乳液和一定量的水在室溫下攪拌20 min，有機(jī)物乳液和水混合均勻，沒有分層現(xiàn)象。將攪拌均勻的有機(jī)物乳液倒入布氏漏斗，打開真空泵抽濾，重復(fù)3次；將試件取出置于烘箱中干燥，使聚合物固化成膜。

圖2 減壓吸附裝置圖Fig.2 Vacuum adsorption device diagram

2 結(jié)果與討論

2.1 吸附工藝對吸附率的影響

在浸泡條件下進(jìn)行乳液吸附時(shí)，乳液在發(fā)泡水泥板表面和內(nèi)部吸附不均勻，因此本文改進(jìn)了吸附方法，采用減壓吸附（見圖2）的方法，利用抽氣泵使抽濾瓶中的壓強(qiáng)降低，達(dá)到快速吸附乳液的目的。在固體物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的條件下，以兩種吸附方式進(jìn)行對比試驗(yàn)，所得吸附率結(jié)果對比見圖3。

圖3 不同吸附方式下的乳液吸附率Fig.3 Adsorption rate of emulsion under different adsorption methods

由圖3可以得知，以常規(guī)的浸泡吸附方式處理發(fā)泡水泥板試件1 h后，測得PE的吸附率約為2.4%；而改變吸附工藝后，即以減壓吸附方式處理發(fā)泡水泥板試件3次后的PE吸附率約為3.4%，相比常規(guī)浸泡的約提高了41.7%。

由圖3還可以得知，以常規(guī)浸泡吸附方式處理發(fā)泡水泥板試件1 h后，測得SIAE的吸附率約為6.8%；而以減壓吸附處理發(fā)泡水泥板試件3次后，SIAE的吸附率約為9.2%，相比常規(guī)浸泡的約提高了35.3%。

常規(guī)浸泡吸附方式處理發(fā)泡水泥板試件1 h后，測得STAE的吸附率約為5.8%；而以減壓吸附處理發(fā)泡水泥板試件3次后，STAE的吸附率約為6.8%，相比常規(guī)浸泡的約提高了17.2%。

可見，在固體物質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同的條件下，減壓吸附方式的乳液吸附率相對較高，且減壓吸附方式更節(jié)省時(shí)間，所以乳液改性復(fù)合發(fā)泡水泥中應(yīng)優(yōu)先采用減壓吸附處理工藝。

2.2 聚合物乳液固含量對吸附率的影響

實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，改變吸附工藝后，乳液的吸附速率較快，在短時(shí)間內(nèi)即可被大量吸附，且吸附時(shí)間對吸附率的影響不大，表明乳液在發(fā)泡水泥板中的吸附率主要決定于乳液中的固體物質(zhì)量分?jǐn)?shù)。圖4所示為不同固體物質(zhì)量分?jǐn)?shù)下發(fā)泡水泥板對3種聚合物乳液的飽和吸附率曲線。

圖4 不同固體物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乳液吸附率Fig.4 Adsorption rates of emulsion with different solid mass fraction

由圖4可知，飽和乳液吸附率與乳液中的固體物質(zhì)量分?jǐn)?shù)成正比。開始階段，3種乳液的吸附率隨固體物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加緩慢增大，這是因?yàn)楣腆w物質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，可吸附的乳液分子較少；而當(dāng)乳液中固體物質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過15%后，隨著固體物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的進(jìn)一步增加，飽和乳液吸附率增加較快；而當(dāng)PE乳液中固體物質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過20%、SIAE、STAE乳液中固體物質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過25%后，隨著固體物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的繼續(xù)升高，發(fā)泡水泥板的孔隙逐漸被填滿，乳液的吸附率增加速度變慢。

相對而言，3種乳液中，PE的吸附率隨固體物質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加的變化趨勢較SIAE、STAE的小。在相同固體物質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，3種乳液在發(fā)泡水泥板中的吸附率由大到小依次為SIAE、STAE、PE。

2.3 聚合物乳液吸附對吸水率的影響

分別使用固體物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的石蠟乳液、硅丙乳液和苯丙乳液對發(fā)泡水泥板進(jìn)行改性，所得各復(fù)合發(fā)泡水泥板的性能指數(shù)見表3。

表3 發(fā)泡水泥板各項(xiàng)性能數(shù)據(jù)Table 3 Performance data of foamed cement boards

分析表3中的數(shù)據(jù)可以得知：改性前，自制的發(fā)泡水泥板的體積吸水率約為15.0%，而發(fā)泡水泥板的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為體積吸水率低于10%；經(jīng)石蠟乳液（PE）吸附改性后的發(fā)泡水泥板的體積吸水率為8.9%，相較于自制發(fā)泡水泥板的約降低了40.6%；而硅丙乳液和苯丙乳液對發(fā)泡水泥板的體積吸水率的改善效果不明顯。因此，選擇石蠟乳液做不同吸附率發(fā)泡水泥板的憎水改性實(shí)驗(yàn)，所得體積吸水率隨石蠟乳液吸附率的變化曲線如圖5所示。

圖5 體積吸水率隨石蠟乳液吸附率的變化曲線Fig.5 Curves of adsorption rate of water absorption with paraffin emulsion

由圖5可以得知，傳統(tǒng)發(fā)泡水泥板的體積吸水率較大，高達(dá)15.0%。這是因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)疏松多孔，孔隙率較高，體積吸水率較大。但石蠟乳液可以在發(fā)泡水泥孔隙上固化成膜，使發(fā)泡水泥板的結(jié)構(gòu)更為致密，并且石蠟具有極強(qiáng)的疏水性能，在發(fā)泡水泥板表面形成防水層后，水分子難以滲入，從而降低了發(fā)泡水泥板的吸水率。當(dāng)乳液的吸附率達(dá)到3.4%時(shí)，改性發(fā)泡水泥板的體積吸水率降至7.5%。之后，隨著吸附率的進(jìn)一步增大，發(fā)泡水泥板的體積吸水率下降趨緩。這可能是因?yàn)榘l(fā)泡水泥板本身固有的多孔特性導(dǎo)致體積吸水率再難以下降。因此，使用固體物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的石蠟乳液改性發(fā)泡水泥板較為合適，此時(shí)乳液的吸附率達(dá)2.4%，發(fā)泡水泥板的體積吸水率降至8.9%。

2.4 聚合物乳液對發(fā)泡水泥板抗壓強(qiáng)度的影響

有機(jī)乳液采用直接浸泡吸附在發(fā)泡水泥板上的方法，在發(fā)泡水泥板表面形成膜結(jié)構(gòu)，增大其抗壓強(qiáng)度，所得各復(fù)合發(fā)泡水泥板的應(yīng)力-應(yīng)變曲線檢測結(jié)果如圖6所示。

圖6 乳液改性發(fā)泡水泥板的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curves of foamed cement boards modified by emulsion

如表3所示，未改性發(fā)泡水泥板的抗壓強(qiáng)度僅為0.412 MPa，而經(jīng)硅丙乳液吸附改性后，其抗壓強(qiáng)度顯著上升至0.624 MPa，約提高了51.4%（見圖6）；經(jīng)苯丙乳液吸附改性后，復(fù)合水泥板的抗壓強(qiáng)度上升至0.527 MPa，約提高了27.9%（圖6）；而石蠟乳液對抗壓強(qiáng)度的影響不明顯。這是因?yàn)楸奖橐夯蛘吖璞橐壕o密黏附在水泥泡孔表面，其分子鏈擁有良好的韌性和強(qiáng)度，對發(fā)泡水泥板起到了明顯的增強(qiáng)作用；此外，發(fā)泡水泥板放置時(shí)間久了之后會出現(xiàn)微裂紋，在受到外力作用時(shí)，微裂紋會成為應(yīng)力集中點(diǎn)，從而降低發(fā)泡水泥板的抗壓強(qiáng)度，苯丙乳液或者硅丙乳液的分子可以填補(bǔ)發(fā)泡水泥板的微裂紋從而提高其抗壓強(qiáng)度。

苯丙乳液和硅丙乳液對發(fā)泡水泥板的抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)效果比較明顯。但是在市場上苯丙乳液約為6 000元/t，硅丙乳液成本約為8 000元/t，從成本上考慮，應(yīng)選擇苯丙乳液做不同吸附率發(fā)泡水泥板的改性。發(fā)泡水泥板抗壓強(qiáng)度隨著苯丙乳液吸附率變化曲線如圖7所示。

圖7 抗壓強(qiáng)度-苯丙乳液吸附率變化曲線Fig.7 Variation curves of compressive strength with styrene acrylic emulsion

由圖7可以得知，發(fā)泡水泥板的抗壓強(qiáng)度隨著苯丙乳液吸附率的增大而加大，吸附率越大，增強(qiáng)效果越明顯。

3 結(jié)論

本文采用石蠟乳液、硅丙乳液、苯丙乳液對發(fā)泡水泥板進(jìn)行了吸附改性，并且在乳液固體物質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定的情況下，研究并分析了以不同吸附方法對改性發(fā)泡水泥板中乳液吸附率的影響，以及不同的乳液固體物質(zhì)量分?jǐn)?shù)對發(fā)泡水泥板乳液吸附率的影響，然后對改性發(fā)泡板的力學(xué)性能以及吸水率等進(jìn)行了測試和分析，得到如下主要結(jié)果：

1）與普通的浸泡吸附相比，減壓吸附能在更短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到更好的吸附效果。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相較于浸泡吸附，減壓吸附時(shí)石蠟乳液（PE）的吸附率約提高了41.7%；硅丙乳液（SIAE）的吸附率約提高了35.3%。苯丙乳液（STAE）的吸附率約提高了17.2%。

2）發(fā)泡水泥板的乳液吸附率與乳液中固體物質(zhì)量分?jǐn)?shù)正相關(guān)。隨著乳液中固體物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，開始階段，乳液吸附率增加較慢；至一定階段，即固體物質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過15%后，隨著其進(jìn)一步增加，飽和乳液的吸附率增加較快；一定階段后，隨著固體物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，乳液的吸附率增加速度又變慢。

3）經(jīng)石蠟乳液（PE）吸附改性的發(fā)泡水泥板的體積吸水率為8.9%，約降低了40.6%；硅丙乳液和苯丙乳液對發(fā)泡水泥板的體積吸水率無明顯影響。使用固體物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的石蠟乳液改性發(fā)泡水泥板較合適，此時(shí)乳液吸附率達(dá)2.4%，而發(fā)泡水泥板的體積吸水率降至8.9%。

4）對使用乳液改性后的發(fā)泡水泥板的力學(xué)性能測試結(jié)果表明，未改性發(fā)泡水泥板的抗壓強(qiáng)度僅為0.412 MPa，而經(jīng)硅丙乳液吸附改性后，其抗壓強(qiáng)度顯著上升，為0.624 MPa，約提高了51.4%；經(jīng)苯丙乳液吸附改性水泥板的抗壓強(qiáng)度上升至0.527 MPa，約提高了27.9%；而石蠟乳液對水泥板抗壓強(qiáng)度的影響不明顯。

通過與傳統(tǒng)的發(fā)泡水泥板性能對比可知，本實(shí)驗(yàn)制備的改性發(fā)泡水泥板具有力學(xué)性能優(yōu)異、抗壓強(qiáng)度較高、體積吸水率較低等優(yōu)點(diǎn)。但是文中側(cè)重使用單一型的聚合物改性發(fā)泡水泥板，以提高其某一方面的性能。因此，采用復(fù)合型的聚合物乳液改性發(fā)泡水泥板，得到吸附率高、吸水率低、力學(xué)性能兼具的改性發(fā)泡水泥板，并將其推廣到工業(yè)化生產(chǎn)中，是下一步的研究方向。

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