鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料強(qiáng)度和孔結(jié)構(gòu)調(diào)控研究

左迎峰， 王 健， 肖俊華， 李文豪， 劉文杰， 吳義強(qiáng)

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

中國(guó)菱鎂礦已探明儲(chǔ)量為31億t，占世界總量的1/4，位居世界首位[1].利用中國(guó)在菱鎂礦資源儲(chǔ)量上的優(yōu)勢(shì)，開發(fā)鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料無(wú)疑是較佳的選擇，而且無(wú)機(jī)發(fā)泡材料具有保溫性和低成本特點(diǎn)，以及作為A級(jí)不燃材料的優(yōu)勢(shì)，已受到廣泛關(guān)注[2].鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料是以鎂系膠凝材料為基料，經(jīng)過(guò)發(fā)泡劑發(fā)泡、穩(wěn)泡劑及增稠劑等穩(wěn)泡而形成的內(nèi)部含有大量密閉氣孔的輕質(zhì)材料[3].在建筑中充分應(yīng)用鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料可以大大降低建筑物的自重，同時(shí)結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)費(fèi)用也會(huì)隨之減少[4-5].此外，鎂質(zhì)無(wú)機(jī)發(fā)泡材料中的多孔結(jié)構(gòu)賦予其輕質(zhì)、保溫隔熱、隔音耐火、抗震和易于加工等特殊性能[6-7]，完全滿足中國(guó)應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展高強(qiáng)、輕質(zhì)、綠色、保溫、節(jié)能、防火、隔音、抗震、防水等功能融為一體的新型墻體材料和綠色建筑裝飾裝修材料的指導(dǎo)意見(jiàn)[8].可見(jiàn)，開發(fā)輕質(zhì)高強(qiáng)、保溫隔音的新型建材既符合國(guó)家政策，又對(duì)推動(dòng)中國(guó)節(jié)能減排、綠色環(huán)保等戰(zhàn)略目標(biāo)具有十分重要的意義.

傳統(tǒng)鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料是通過(guò)提前制備泡沫，再將泡沫與磷酸鎂[9]或氯氧鎂等漿料[10]混合、養(yǎng)護(hù)制得的，這種物理混合制備出的氣泡尺寸大小偏差大，氣泡的穩(wěn)定性較差[11]，形成的氣孔不完美，影響材料力學(xué)強(qiáng)度.另外，不論是采用單一的氯氧鎂還是磷酸鎂做發(fā)泡漿料，其制品強(qiáng)度和耐水性均不理想.鑒于此，本研究采用廉價(jià)、易控的雙氧水[12]作為發(fā)泡劑對(duì)用硫酸鎂改性的氯氧鎂水泥(鎂系膠凝材料)[13]進(jìn)行化學(xué)原位發(fā)泡[14].為了使鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料制備過(guò)程中氣泡能穩(wěn)定存在，往往需要在漿體中添加一些穩(wěn)泡劑[15].目前常用的穩(wěn)泡劑分為大分子物質(zhì)和非離子表面活性劑2種類型.綜合考慮實(shí)際生產(chǎn)成本和試劑的特性，本研究選用硬脂酸鈣作為穩(wěn)泡劑(不僅能起到穩(wěn)泡的作用，還能提高材料的防水性).為滿足無(wú)機(jī)泡沫材料的某些特殊性能要求，如提高材料穩(wěn)定性、提高力學(xué)強(qiáng)度、降低干縮值和吸水率等，則須加入適量的增稠劑，增稠劑添加量越多材料孔徑越小，其力學(xué)強(qiáng)度也隨著增稠劑添加量的多少而改變.因此，本研究以鎂系膠凝材料為基體，以雙氧水為發(fā)泡劑，選用硬脂酸鈣作為穩(wěn)泡劑和聚丙烯酰胺作為增稠劑，探究了穩(wěn)泡劑和增稠劑對(duì)鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料發(fā)泡倍率、表觀密度、力學(xué)強(qiáng)度等宏觀物理性能和孔徑尺寸、分布以及孔隙率等微觀孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，同時(shí)對(duì)改性前后材料的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，旨在制備出性能優(yōu)良的鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料，并為新型建筑墻體材料的研究與應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)和理論支持.

1 試驗(yàn)

1.1 材料及設(shè)備

輕燒氧化鎂(MgO)，工業(yè)級(jí)，其化學(xué)組成如表1所示，遼寧省發(fā)達(dá)礦業(yè)有限公司；六水氯化鎂(MgCl2·6H2O)和七水硫酸鎂(MgSO4·7H2O)，工業(yè)級(jí)，山東裕豐化工有限公司；雙氧水(H2O2)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；二氧化錳(MnO2)，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；硬脂酸鈣(C36H70O4Ca)，化學(xué)純，溫州市化學(xué)用料廠；聚丙烯酰胺((C3H5NO)n)，陰離子型，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；超純水，實(shí)驗(yàn)室自制.

表1 輕燒氧化鎂化學(xué)組成Table 1 Chemical composition of light burned magnesium w/%

SXJQ-1數(shù)顯直流無(wú)級(jí)調(diào)速攪拌器，鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司；DK-98-11A電熱恒溫水浴鍋，天津市泰斯特儀器有限公司；DZF-300恒溫鼓風(fēng)干燥箱，北京恒豐場(chǎng)偉科技有限公司；MJ-90精密推臺(tái)鋸，沈陽(yáng)新宇木工機(jī)械廠；MWW-100微機(jī)控制萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，濟(jì)南耐而試驗(yàn)機(jī)有限公司；Canon EOS 7D數(shù)碼相機(jī)，佳能(中國(guó))有限公司；XD -2型X射線衍射儀，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司.

1.2 鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料制備

在前期大量預(yù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，得到了鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料的基礎(chǔ)配比為m(鎂系膠凝材料)∶m(雙氧水)∶m(二氧化錳)∶m(聚丙烯酰胺)∶m(硬脂酸鈣)=1000.0∶12.0∶0.8∶0.8∶7.0.在此基礎(chǔ)配比之上，固定水灰比(質(zhì)量比)為1.4，發(fā)泡劑添加量為12‰(文中涉及的添加量等均以膠凝材料質(zhì)量計(jì))，改變穩(wěn)泡劑硬脂酸鈣和增稠劑聚丙烯酰胺的添加量，探究其對(duì)鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料性能和孔結(jié)構(gòu)的影響.

由于氯氧鎂膠凝材料存在耐水性不足以及變形大等缺點(diǎn)，因此本研究選用硫酸鎂改性的氯氧鎂水泥，其中適量硫酸鎂的加入會(huì)形成一定量的膠狀硫氧化鎂膠體，這些膠體提高了5相結(jié)晶點(diǎn)的穩(wěn)定性，在浸水時(shí)可阻止或減慢晶體結(jié)構(gòu)的溶解速度，同時(shí)也使Mg(OH)2晶體的結(jié)晶接觸點(diǎn)穩(wěn)定性相應(yīng)提高[16].其具體制備方法為：將六水氯化鎂、七水硫酸鎂和水按照一定比例配成鎂鹽溶液；將氧化鎂粉與硬脂酸鈣混合均勻后加入鎂鹽溶液并攪拌均勻，再加入二氧化錳和聚丙烯酰胺，攪拌5～10min 后迅速加入雙氧水發(fā)泡劑，高速攪拌10s后，制得發(fā)泡膠料；將制得的發(fā)泡膠料倒入模具中，并將模具置于25℃，相對(duì)濕度為95%的恒溫恒濕箱中進(jìn)行靜停發(fā)泡，24h后脫模取出，再在25℃，相對(duì)濕度大于60%條件下養(yǎng)護(hù)3d，即得鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料.然后在(103±1) ℃下干燥至恒重，進(jìn)行性能檢測(cè).

1.3 性能測(cè)試與表征

1.3.1表觀密度測(cè)定

按照GB/T 5486—2008《無(wú)機(jī)硬質(zhì)絕熱制品試驗(yàn)方法》進(jìn)行.制備尺寸為40mm×40mm×40mm的試塊，干燥至恒重后稱取其質(zhì)量M0(精確至0.1g)，測(cè)量其長(zhǎng)寬高3個(gè)方向上的軸線尺寸l1，l2，l3(精確到0.1mm)，則試塊體積V=l1×l2×l3(mm3)，表觀密度ρ=(M0/V)×106(kg/m3).

1.3.2壓縮強(qiáng)度測(cè)定

鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料作為建筑墻體的潛在應(yīng)用材料，必須要考慮其承壓性能.制備尺寸為40mm×40mm×40mm的試件，干燥至恒重后在萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上以10mm/min的速率對(duì)試件加壓，記錄壓縮變形值直至試件破壞.若壓縮變形至5%時(shí)試件發(fā)生破壞，則視壓縮變形為5%時(shí)的載荷為破壞載荷P(N).試件的壓縮強(qiáng)度σ=P/S(MPa)，其中S為試件受壓面積(mm2).

1.3.3彎曲強(qiáng)度測(cè)定

制備尺寸為160mm×40mm×40mm的試件，干燥至恒重后在萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上以10mm/min的速率勻速加載，兩支點(diǎn)間距L為100mm，得到彎曲強(qiáng)度R=3PL/2bh2(MPa).其中b為試件厚度，mm；h為試件寬度，mm.

1.3.4吸水率測(cè)定

取干燥后的試件稱重，記為M0(g)，然后將試件在(20±5) ℃的水中浸泡24h，取出試件用毛巾擦干水分后進(jìn)行稱重，記為Mg(g).則吸水率WR=[(Mg-M0)/M0]×100%.

1.3.5軟化系數(shù)測(cè)定

取干燥后的試件，在(20±5) ℃的水中浸泡24h 后測(cè)定其抗壓強(qiáng)度σ1，σ1與未浸水試件抗壓強(qiáng)度σ0的比值稱為軟化系數(shù)Rf，Rf=σ1/σ0.

1.3.6孔結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

將制得的鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料每組取3個(gè)試件，將其截面清刷干凈后，放置直尺進(jìn)行尺度標(biāo)記，然后用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行圖像采集，再?gòu)拿總€(gè)試件拍到的截面中截取12mm×12mm的圖像信息用Image Pro Plus軟件進(jìn)行分析處理(其中，孔隙率=氣孔面積之和/截面總面積[17]；孔徑大小由軟件計(jì)算得出)，最后對(duì)各組數(shù)據(jù)取平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.

1.3.7X射線衍射(XRD)分析

采用X射線衍射儀對(duì)鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料(試樣干燥后經(jīng)研磨粉碎過(guò)0.074mm(200目)篩)的晶相結(jié)構(gòu)和晶體類型進(jìn)行分析，測(cè)試電壓40kV，電流35mA，Cu Kα靶(λ=0.154mm)，掃描速度為8 (°)/min，掃描范圍為5°～70°.

2 結(jié)果與討論

2.1 穩(wěn)泡劑對(duì)鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料表觀密度和強(qiáng)度的影響

分散在液-固相中的氣泡體積分?jǐn)?shù)非常高，它們有較大的氣-液界面，為熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，因此氣泡會(huì)自動(dòng)破壞[18]，嚴(yán)重?fù)p害發(fā)泡材料的整體性，降低制品性能.為了避免這種情況的發(fā)生，需加入適量的穩(wěn)泡劑來(lái)提高體系漿體黏度，增強(qiáng)泡沫的厚度和強(qiáng)度[19].由此可知，穩(wěn)泡劑對(duì)鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料的泡孔形成具有非常重要的作用，必然會(huì)影響其表觀密度.因此，分別測(cè)試了穩(wěn)泡劑添加量(ws)為3‰，5‰，7‰，9‰，11‰時(shí)鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料的表觀密度，結(jié)果如圖1所示.從圖1中可以看出：穩(wěn)泡劑添加量從3‰增加到5‰時(shí)，材料表觀密度略有增加，由于硬脂酸鈣可降低氣泡的表面張力，提高氣泡薄膜的質(zhì)量，從而減少因表面張力作用而破裂的氣泡數(shù)，有效提高氣泡的穩(wěn)定性，因此材料表觀密度提高；但當(dāng)穩(wěn)泡劑添加量繼續(xù)增加時(shí)，材料表觀密度保持不變，說(shuō)明5‰到9‰為合適的穩(wěn)泡劑添加量；穩(wěn)泡劑添加量超過(guò)9‰時(shí)，材料表觀密度反而下降，這是由于硬脂酸鈣添加量過(guò)多會(huì)使氣泡內(nèi)動(dòng)力不足、氣泡直徑過(guò)小所致.

圖1 不同穩(wěn)泡劑添加量下鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料的表觀密度Fig.1 Apparent density of magnesium inorganic foaming materials with different stabilizer additions

對(duì)不同穩(wěn)泡劑添加量的鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料壓縮強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如圖2所示.從圖2中可知，穩(wěn)泡劑添加量增大時(shí)，鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料的壓縮強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度均表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì).硬脂酸鈣具有穩(wěn)泡能力，它能吸附在氣泡表面，降低氣泡表面能，延緩氣泡裂化，有利于減少試件內(nèi)因氣泡分布不均、氣孔不規(guī)則、并泡等所形成的缺陷[20]，從而提高鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料的力學(xué)強(qiáng)度.因此，穩(wěn)泡劑添加量從3‰增至7‰時(shí)，鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料的壓縮強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度逐漸增大.但是硬脂酸鈣也會(huì)在漿體中形成憎水膜[21]，過(guò)量添加硬脂酸鈣反而會(huì)阻礙鹽水與氧化鎂顆粒的接觸，對(duì)漿體的水化造成不利影響，導(dǎo)致試件的力學(xué)強(qiáng)度下降.因而，當(dāng)穩(wěn)泡劑添加量超過(guò)7‰時(shí)，鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料的壓縮強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度反而減小.

圖2 不同穩(wěn)泡劑添加量下鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料的力學(xué)強(qiáng)度Fig.2 Mechanical strength of magnesium inorganic foaming materials with different stabilizer additions

2.2 穩(wěn)泡劑對(duì)鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料孔結(jié)構(gòu)的影響

對(duì)于無(wú)機(jī)發(fā)泡材料來(lái)說(shuō)，氣孔是其重要組成部分，孔隙率(體積分?jǐn)?shù))一般都在50%以上，孔結(jié)構(gòu)在很大程度上決定了無(wú)機(jī)發(fā)泡材料的性能[22].對(duì)不同穩(wěn)泡劑添加量下制得的鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料孔結(jié)構(gòu)及其參數(shù)進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果如圖3和表2所示.

從圖3和表2可明顯看出：隨著穩(wěn)泡劑添加量的增加，鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料氣孔孔徑明顯減小.穩(wěn)泡劑添加量為3‰時(shí)，氣孔尺寸較大，孔壁較厚，且孔壁間有許多小氣孔，可明顯看到穿孔等有害孔；穩(wěn)泡劑添加量為5‰時(shí)，氣孔尺寸顯著減小，但仍舊存在少量穿孔；當(dāng)穩(wěn)泡劑添加量為11‰時(shí)，氣孔尺寸最小，平均孔徑減小到了0.66mm，未見(jiàn)穿孔、并孔等有害孔.而且添加穩(wěn)泡劑之后，氣孔的平均圓度值均接近于1，當(dāng)穩(wěn)泡劑添加量為7‰時(shí)，鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料的孔隙率為72.30%，最接近開普勒球體填充模型的理論數(shù)值(74.05%)，平均圓度值僅為1.01，說(shuō)明氣孔形狀接近于球形.這是因?yàn)榉€(wěn)泡劑的表面活性作用可以提高氣泡液膜的穩(wěn)定性，隨著穩(wěn)泡劑添加量的增加，氣泡液膜表面張力增大，當(dāng)氣泡的內(nèi)壓力不變時(shí)，氣泡不容易克服漿體本身的重量和表面張力而長(zhǎng)大，從而可以有效減少氣泡的合并以及破裂.因此氣孔的孔徑減小，最終形成閉合性完好、尺寸均一的類球形泡孔結(jié)構(gòu)，從而提高鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料的力學(xué)強(qiáng)度.表2中材料的孔隙率隨著穩(wěn)定劑添加量的增加而增加，與圖1中表觀密度的變化不一致，這可能是因?yàn)榭讖诫S著穩(wěn)定劑添加量的增加而不斷減小，由于孔隙率檢測(cè)器材分辨率的限制，使得大氣孔間一些微觀孔隙沒(méi)有被檢測(cè)出來(lái)[17]，宏觀表現(xiàn)為孔隙率不斷增加.

圖3 不同穩(wěn)泡劑添加量下鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料的孔結(jié)構(gòu)Fig.3 Pore structure of magnesium inorganic foaming materials with different stabilizer additions

ws/‰Porosity(by volume)/%Average pore size/mmAverage roundness value363.301.201.02570.600.881.01772.300.721.01980.400.691.011180.800.661.01

2.3 穩(wěn)泡劑對(duì)鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料吸水率與軟化系數(shù)的影響

硬脂酸鈣具有憎水性，當(dāng)其作為穩(wěn)泡劑使用時(shí)，能在一定程度上提高制品的耐水性.吸水率(WR)和軟化系數(shù)(Rf)是表征材料耐水性能的2個(gè)重要物理參數(shù)，不同穩(wěn)泡劑用量下鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料的耐水性測(cè)試結(jié)果如圖4所示.

圖4 不同穩(wěn)泡劑添加量下鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料的耐水性Fig.4 Water resistance of magnesium inorganic foaming materials with different stabilizer additions

當(dāng)作為潛在的建筑保溫材料應(yīng)用時(shí)，鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料的吸水率越低越好.由于濕態(tài)時(shí)無(wú)機(jī)材料的導(dǎo)熱系數(shù)大于干態(tài)時(shí)，因此鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料吸水后保溫效果將急劇下降.而且，在低溫寒冷天氣條件下材料會(huì)因凍融而造成強(qiáng)度降低，甚至結(jié)構(gòu)破壞.從圖4中可知：穩(wěn)泡劑添加量從3‰增至7‰時(shí)，鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料的吸水率顯著降低，從32.0%降到了21.9%；而軟化系數(shù)明顯提高，從71.1%提高到了89.4%.但是當(dāng)穩(wěn)泡劑添加量超過(guò)7‰之后，鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料的吸水率和軟化系數(shù)變化均不明顯.因此，硬脂酸鈣作為穩(wěn)泡劑時(shí)不僅可以穩(wěn)定氣泡，而且可以提高鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料的耐水性.

2.4 增稠劑對(duì)鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料表觀密度和強(qiáng)度的影響

硬脂酸鈣作為穩(wěn)泡劑時(shí)，由于其較小的密度及憎水特性，容易浮于漿體表面，因此需要添加適量增稠劑.聚丙烯酰胺具有大分子鏈的架橋作用和陰離子基團(tuán)的電荷作用，有絮凝、減阻、分散等功效[23]，是增稠劑的較優(yōu)選擇.本研究分別以聚丙烯酰胺增稠劑添加量(wt)0.6‰，0.8‰，1.0‰，1.2‰，1.4‰制備鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料，再對(duì)不同增稠劑添加量下制品的表觀密度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖5所示.從圖5中可以看出：鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料增稠劑添加量從0.6‰增加到0.8‰時(shí)，材料表觀密度保持不變；當(dāng)增稠劑添加量從0.8‰增加到1.0‰時(shí)，材料表觀密度增加了0.01g/cm3；此后，隨著增稠劑添加量繼續(xù)增大，材料表觀密度卻一直保持不變.說(shuō)明增稠劑添加量對(duì)鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料的表觀密度沒(méi)有較大影響.

圖5 不同增稠劑添加量下鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料的表觀密度Fig.5 Apparent density of magnesium inorganic foaming materials with different thickener additions

不同增稠劑添加量下鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料的壓縮強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖6所示.由圖6可見(jiàn)：隨著增稠劑添加量的增加，鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料的壓縮強(qiáng)度不斷增大；彎曲強(qiáng)度先略有降低后不斷增大，但是總體呈上升趨勢(shì).增稠劑添加量從0.6‰增加到1.4‰時(shí)，材料壓縮強(qiáng)度從5.63MPa增大到了8.32MPa，提高了47.8%；彎曲強(qiáng)度從1.35MPa增大到了1.90MPa，提高了40.7%.聚丙烯酰胺分子鏈上的側(cè)基為具有較強(qiáng)親水性和保水性的酰胺基團(tuán)[24]，聚丙烯酰胺分子能吸附在鎂系膠凝材料微顆粒表面形成水膜，保證了鎂系膠凝材料的充分水化.同時(shí)，聚丙烯酰胺分子上的酰胺基會(huì)水解轉(zhuǎn)化為羧基[25]，可以同鎂系膠凝材料中的Mg2+發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，通過(guò)化學(xué)鍵與膠凝材料連結(jié)在一起形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增大了膠凝材料的黏結(jié)力和整體性，從而在宏觀上表現(xiàn)為鎂系膠凝材料的壓縮強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度大幅提高.但是在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，繼續(xù)增加增稠劑添加量至1.6‰時(shí)，漿體稠度過(guò)大，不利于發(fā)泡成型.

圖6 不同增稠劑添加量下鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料的力學(xué)強(qiáng)度Fig.6 Mechanical strength of magnesium inorganic foaming materials with different thickener additions

2.5 增稠劑對(duì)鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響

增稠劑添加量對(duì)鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響如表3所示.從表3中可知，當(dāng)增稠劑添加量為0.6‰～1.4‰時(shí)，材料孔隙率、平均孔徑及圓度值沒(méi)有較大變化，說(shuō)明增稠劑添加量在此范圍內(nèi)對(duì)鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料的孔結(jié)構(gòu)無(wú)較大影響.試樣力學(xué)性能改變的原因與孔結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)，而與聚丙烯酰胺分子上的酰胺基水解后與Mg2+發(fā)生反應(yīng)形成絡(luò)合物有關(guān)，這與表觀密度和力學(xué)強(qiáng)度的分析結(jié)果一致.

2.6 XRD分析

從上述分析可知，穩(wěn)泡劑和增稠劑的加入提高了鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料中氣孔結(jié)構(gòu)的均勻性和穩(wěn)定性，其強(qiáng)度也隨之增大.同時(shí)，穩(wěn)泡劑和增稠劑的加入還會(huì)影響化學(xué)發(fā)泡法制得的鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料的結(jié)構(gòu).常溫下3Mg(OH)2·MgCl2·8H2O(3相)和5Mg(OH)2·MgCl2·8H2O(5相)是鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料主要的結(jié)晶相，但是5相和3相之間可以相互進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其中針狀樣的5相是鎂系膠凝材料的強(qiáng)度相，它生成的數(shù)量越多，材料的強(qiáng)度就越高.為了從晶體結(jié)構(gòu)方面分析鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料性能的變化，對(duì)加入7‰穩(wěn)泡劑和1.4‰增稠劑改性前后的鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料進(jìn)行了XRD表征，結(jié)果如圖7所示.

表3 增稠劑添加量對(duì)鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響Table 3 Effect of thickener addition on pore structure parameters of magnesium inorganic foaming materials

圖7 鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料改性前后XRD衍射圖Fig.7 XRD patterns of magnesium inorganic foam materials before and after modification

從圖7中可以看到，鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料的結(jié)晶相由3相和5相共同組成，加入穩(wěn)泡劑和增稠劑后并沒(méi)有使鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料產(chǎn)生新的晶相結(jié)構(gòu).未改性的鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料的3相衍射峰強(qiáng)度較大，經(jīng)穩(wěn)泡劑和增稠劑改性后鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料的3相衍射峰強(qiáng)度減弱，特別是在2θ=32.6°，42.8°，62.3°處的衍射峰強(qiáng)度明顯減弱；而5相衍射峰強(qiáng)度普遍得到增強(qiáng).這是由于聚丙烯酰胺分子會(huì)在鎂系膠凝材料表面形成水膜，保證了材料的充分水化，同時(shí)它與Mg2+反應(yīng)所形成的絡(luò)合物，抑制了鎂系膠凝材料水化過(guò)程中的早期結(jié)晶速度，而這些均有利于5相晶體的生成[26].這正好與添加穩(wěn)泡劑和增稠劑后鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料力學(xué)強(qiáng)度提高的事實(shí)相印證.

3 結(jié)論

(1)穩(wěn)泡劑硬脂酸鈣的添加有效提高了氣泡的穩(wěn)定性，當(dāng)穩(wěn)泡劑添加量為7‰時(shí)，鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料表觀密度較佳，壓縮強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度達(dá)到最大值，孔隙率為72.30%，最接近開普勒球體填充模型的理論數(shù)值74.05%，平均圓度值僅為1.01，氣孔形狀接近于球形，耐久性能顯著提高.

(2)增稠劑聚丙烯酰胺提高了鎂系膠凝材料的黏結(jié)力和整體性，但對(duì)鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料的表觀密度和孔結(jié)構(gòu)影響較小，當(dāng)其添加量為1.4‰時(shí)，材料壓縮強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度達(dá)到最大值，孔隙率為73.60%，平均圓度值為1.01，具有較好的球形氣孔.

(3)XRD分析顯示，添加穩(wěn)泡劑和增稠劑后鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料的3相衍射峰強(qiáng)度明顯減弱，5相衍射峰強(qiáng)度增強(qiáng)，從晶體結(jié)構(gòu)方面解釋了鎂系無(wú)機(jī)發(fā)泡材料強(qiáng)度提高的原因.

致謝：感謝中南林業(yè)科技大學(xué)木竹資源高效利用湖南省2011協(xié)同創(chuàng)新中心、湖南省生物質(zhì)材料及綠色轉(zhuǎn)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、湖南省竹木加工工程技術(shù)研究中心、竹業(yè)湖南省工程研究中心木材科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科、林業(yè)工程湖南省重點(diǎn)學(xué)科和湖南省普通高等學(xué)校生物質(zhì)復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供平臺(tái)支持.

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