木絲增強(qiáng)脫硫石膏板制備及性能研究

曹旭東，艾文兵，母 軍

(北京林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

石膏板具有隔音阻燃、生產(chǎn)清潔環(huán)保、自動(dòng)化程度高、原料回收利用等優(yōu)勢(shì)[1]，廣泛應(yīng)用于商業(yè)地產(chǎn)、公共建筑和家庭住宅等建筑空間的吊頂裝飾、建筑隔墻等領(lǐng)域[2]。目前紙面石膏板和纖維石膏板是市場(chǎng)上主要的石膏板產(chǎn)品。紙面石膏板產(chǎn)量約占石膏總產(chǎn)品的80%[3]，但其力學(xué)強(qiáng)度較低，握釘力差，使用中易出現(xiàn)受剪撕裂、角部壓潰、拼接脫開和擠壓破壞等問題[4]。而纖維石膏板通過在石膏基質(zhì)中加入纖維增強(qiáng)材料，可有效提升石膏板綜合性能[5]，除具有紙面石膏板的優(yōu)點(diǎn)外，其內(nèi)部結(jié)合牢固，具有較高的抗彎強(qiáng)度和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度，同時(shí)在防火、防潮、保溫、隔音等方面也優(yōu)于紙面石膏板[6]。因此，越來越多研究者將目光集中于研發(fā)纖維增強(qiáng)石膏板[7]。

實(shí)際生產(chǎn)中，玻璃纖維、碳纖維等合成纖維和天然纖維作為纖維石膏板的增強(qiáng)纖維，均在不同程度上提升了纖維石膏板的性能[8]。出于對(duì)環(huán)保的需求，石膏基纖維材料的增強(qiáng)纖維逐漸從合成纖維向可再生的生物質(zhì)材料過度。天然纖維不僅具有來源廣泛、可持續(xù)發(fā)展等特點(diǎn)[9]，并且天然纖維的抗拉強(qiáng)度較高，彈性模量較低，具有良好的韌性和強(qiáng)度，物理力學(xué)性能不低于甚至優(yōu)于合成纖維[10-11]。李新功等[12]研究了石膏刨花板的生產(chǎn)工藝，并對(duì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的各個(gè)工段及注意事項(xiàng)進(jìn)行了介紹。F.Iucolano等[13]對(duì)蕉麻纖維與石膏基質(zhì)之間的相互作用進(jìn)行了分析，探究了纖維尺寸、纖維添加量等因素對(duì)板材物理及機(jī)械性能的影響，發(fā)現(xiàn)在石膏中加2%的蕉麻纖維可以提高復(fù)合材料的韌性，同時(shí)保證復(fù)合材料具有良好的抗彎強(qiáng)度和可加工性。M.Nazerian等[14]分別用秸稈和甘蔗渣作為原材料制備了石膏刨花板，分析了不同木膏比對(duì)板材抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度和吸水厚度膨脹率等指標(biāo)的影響，發(fā)現(xiàn)添加較低比例的木質(zhì)纖維會(huì)導(dǎo)致板材 MOR和MOE降低。目前針對(duì)天然纖維增強(qiáng)石膏板的制備工藝問題已進(jìn)行了大量基礎(chǔ)性研究，并就增強(qiáng)材料層面物理力學(xué)性能的研究得到了眾多成果。其中木纖維具有無毒、無味、無污染、成本低、循環(huán)利用等特點(diǎn)，吸引了眾多研究者關(guān)注[15]。

木絲以木材枝椏材，小徑材和木材加工剩余物等為原材料，經(jīng)專門抽絲機(jī)加工而成，是一種拉伸強(qiáng)度高、韌性好、易加工、密度低的綠色可持續(xù)性生物質(zhì)增強(qiáng)材料[16]，在建材領(lǐng)域利用廣泛[17]。木絲作為復(fù)合板材的增強(qiáng)材料，其尺寸和含量對(duì)復(fù)合材料性能具有重要影響，本研究采用6種不同規(guī)格尺寸的木絲對(duì)脫硫石膏板材進(jìn)行制備和性能測(cè)試，確定了較優(yōu)的工藝參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 材料

樺木木絲，含水率為3.94%，細(xì)木絲(寬度0.90±0.05 mm，厚度0.46±0.02 mm)、粗木絲(寬度1.80±0.05 mm，厚度0.46±0.02 mm)均由秦皇島裕源木業(yè)有限公司提供；脫硫建筑石膏粉，主要成分為半水石膏，初凝時(shí)間44 s，終凝時(shí)間130 s，北新建材集團(tuán)涿州石膏廠提供；一水合檸檬酸、分析純購自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 木絲增強(qiáng)石膏板制備

按比例稱量脫硫建筑石膏粉、木絲、水(室溫20℃)和檸檬酸緩凝劑，水與石膏的質(zhì)量比為1∶1。先將檸檬酸顆粒加入水中溶解，后加入脫硫建筑石膏粉，在JJ-5型攪拌機(jī)中攪拌均勻，之后迅速加入木絲，混合均勻后，將漿料澆注鋪裝在不銹鋼模型中制成尺寸為300 mm×300 mm×12 mm的樣品。在石膏初凝開始前將混合漿料迅速放入冷壓機(jī)中，壓力2.5 MPa，直到石膏水化結(jié)束。取出試件將其放置在溫度40℃的烘箱內(nèi)干燥48 h至恒重，然后取出樣品之后在室溫下保養(yǎng)7 d，鋸割成試件，進(jìn)行性能檢測(cè)及表征。

將粗(1.8±0.05)mm、細(xì)(0.9±0.05)mm的木絲裁剪成(10±0.5)mm、(50±0.5)mm、(100±0.5)mm 3種長(zhǎng)度，木絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、10%、15%、20%制備木絲增強(qiáng)石膏復(fù)合材料，研究木絲的不同尺寸形態(tài)和木絲含量對(duì)木絲增強(qiáng)石膏復(fù)合材料性能的影響。

1.3 性能測(cè)試與分析方法

板材力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試：參照標(biāo)準(zhǔn)《LY/T 1598-2011 石膏刨花板》和《GB/T 17657-2013 人造板及飾面人造板理化性能實(shí)驗(yàn)方法》，使用MMW-50微機(jī)控制人造板萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)，對(duì)板材的抗折強(qiáng)度和握螺釘力進(jìn)行檢測(cè)。其中抗折強(qiáng)度樣品尺寸為290 mm×50 mm×12 mm，跨距240 mm，加載速度5 mm/min，每組測(cè)試12個(gè)試件；握螺釘力的樣品尺寸為75 mm×50 mm×12 mm，將2個(gè)試件膠合成1件，總厚度>15 mm，測(cè)試板面握螺釘力，每組測(cè)試8個(gè)試件，一張板的板面握螺釘力是同一張板內(nèi)全部握螺釘力的算數(shù)平均值。

導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試：參照標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 10294-2008絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測(cè)定 防護(hù)熱板法》，使用DRH-300導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀，對(duì)板材的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行分析檢測(cè)。樣品尺寸300 mm×300 mm×12 mm，環(huán)境溫度23.5℃，冷面設(shè)置溫度25.5℃，護(hù)熱板設(shè)置溫度45.5℃，每組試樣測(cè)試3次。

2 結(jié)果與分析

2.1 木絲尺寸及添加量對(duì)板材性能的影響

由圖1可以看到，木膏比<5%時(shí)，板材的抗折強(qiáng)度與純石膏板相比均有所下降，強(qiáng)度損失達(dá)21.29%～40.70%。木膏比為5%～20%時(shí)，添加木絲纖維長(zhǎng)度為50、100 mm的板材的抗折強(qiáng)度明顯提升。尤其是當(dāng)長(zhǎng)度為100 mm的木絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到20%時(shí)，與純石膏板相比，(0.9±0.05)mm、(1.8±0.05)mm 2種尺寸的木絲復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度分別提高了67.12%和44.20%。

木絲尺寸對(duì)板材強(qiáng)度的影響明顯大于木絲添加量的影響。當(dāng)木絲含量為20%時(shí)，木絲長(zhǎng)度為100 mm的板材與10 mm的板材相比，細(xì)(0.9±0.05)mm、粗(1.8±0.05)mm 2組復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度分別上升了130.48%和205.71%；100 mm長(zhǎng)的細(xì)木絲組較粗木絲組的抗折強(qiáng)度增加了15.89%；而添加長(zhǎng)度為10 mm的木絲所制得板材的強(qiáng)度均低于純石膏板。

分析其原因可知，當(dāng)木絲的添加量較少、尺寸較小時(shí)，復(fù)合材料中木絲間的互鎖和層疊作用減小，無法起到明顯的增強(qiáng)作用，且細(xì)小纖維比表面積大，易吸水，阻礙了石膏基質(zhì)間的水化凝結(jié)硬化[6]，這些都導(dǎo)致復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度越低。當(dāng)木絲的長(zhǎng)寬比較大時(shí)，木絲自身具有較高的抗拉強(qiáng)度，且板材內(nèi)部木絲彼此搭接交錯(cuò)形成交叉網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有效交接點(diǎn)增多，增強(qiáng)了交接作用和互鎖效應(yīng)，提升了復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度。

圖1 木絲增強(qiáng)石膏復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度變化Fig.1 The bending strength of the wood filaments reinforced gypsum composite material

由圖2可以看出，當(dāng)施加荷載達(dá)到最大時(shí)，沒有添加木絲的試樣會(huì)突然破壞斷裂成兩部分，說明石膏材料韌性較差。添加木絲的試樣在施加最大荷載后，橫截面出現(xiàn)較多的裂紋，但尺寸上仍能保持較好的完整性，說明木絲的添加能夠顯著地改善復(fù)合材料的脆性，起到增韌作用。

圖2 未添加和添加木絲組的破壞示意圖Fig.2 The failure models of the gypsum-based composites with wood-wool

2.2 木絲尺寸及添加量對(duì)復(fù)合材料握螺釘力的影響

握螺釘力是衡量建筑墻體材料性能的重要指標(biāo)。不同尺寸木絲下的復(fù)合材料的握螺釘力見圖3。純石膏板的握螺釘力較低，僅為136 N，而木絲的添加明顯提升了板材的握螺釘力。對(duì)于木絲長(zhǎng)度為10 mm的細(xì)(0.9±0.05)mm、粗(1.8±0.05)mm 2組復(fù)合材料而言，木膏比為5%時(shí)握螺釘力較純石膏板分別增加了41.9%和78.7%，當(dāng)木絲添加量增加到20%時(shí)，握螺釘力較純石膏板分別提高了156.6%和193.4%?？梢姀?fù)合石膏板材的握螺釘力隨著木絲添加量的增加有了顯著改善。10、50 mm和100 mm木絲組間的握螺釘力差值不大，說明木絲長(zhǎng)度對(duì)材料的握螺釘力影響不大。

木絲增強(qiáng)石膏分析其原因可知，由于木絲能在石膏中形成交叉網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)螺釘受力拔出時(shí)，木絲能額外提供水平方向的阻力，從而提高復(fù)合材料的握螺釘力；而且木質(zhì)材料相比于石膏材料握螺釘力更大，因此木絲含量越高的板材表現(xiàn)出更好的握螺釘力。此外，木絲寬度越大，與螺釘?shù)慕佑|面積越大，較粗的木絲和螺釘?shù)膰Ш献饔迷綇?qiáng)，也導(dǎo)致板材的握螺釘力顯著增強(qiáng)。

2.3 木絲尺寸及添加量對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響

由圖4可知，尺寸較小的木絲在添加量較少的情況下，板材的導(dǎo)熱系數(shù)和對(duì)照組相比無顯著差異，且木絲的尺寸對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響不大，這是因?yàn)槟窘z在復(fù)合材料中所占體積分?jǐn)?shù)較低，使得材料的導(dǎo)熱系數(shù)沒有太大變化。隨著各組木絲的含量不斷增大，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)均下降，尤其是隨著木絲長(zhǎng)度的增加，材料導(dǎo)熱系數(shù)下降的趨勢(shì)越明顯。這可能是纖維長(zhǎng)度的增加，導(dǎo)致復(fù)合材料內(nèi)部纖維熱量通道變長(zhǎng)，熱損失增加，從而使復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)降低。

圖3 木絲增強(qiáng)石膏復(fù)合材料的握螺釘力的變化Fig.3 The nail-holding ability of the wood filaments reinforced gypsum composite material

圖4 木絲增強(qiáng)石膏復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)的變化Fig.4 The thermal conductivity of the wood filaments reinforced gypsum composite material

當(dāng)復(fù)合材料中木絲的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%、寬長(zhǎng)比為0.018，即100 mm細(xì)木絲和50 mm粗木絲時(shí)，板材的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.119 7 W/(m·K)和0.118 9 W/(m·K)，均<0.25 W/(m·K)，符合建筑保溫材料的定義[18]。

3 結(jié)論與討論

木絲長(zhǎng)度和寬度對(duì)材料的抗折強(qiáng)度影響顯著。當(dāng)木膏比為20%，木絲長(zhǎng)度100 mm，寬度0.9 mm時(shí)，板材的抗折強(qiáng)度為6.20 MPa，與純石膏板相比提高了67.12%。

木絲寬度對(duì)材料的握螺釘力影響顯著而長(zhǎng)度對(duì)其影響不顯著。當(dāng)木膏比為20%、木絲長(zhǎng)度100 mm、寬度1.8 mm時(shí)，板材的握螺釘力為391 N，較純石膏提高了193.4%。

木絲含量的增加對(duì)材料導(dǎo)熱系數(shù)的降低影響顯著。添加20%含量的100 mm細(xì)木絲和50 mm粗木絲時(shí)，板材的導(dǎo)熱系數(shù)均<0.25 W/(m·K)，符合建筑保溫材料的定義。

在試驗(yàn)條件范圍內(nèi)，添加木絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%、長(zhǎng)度為100 mm的復(fù)合石膏板材具有較好的抗折強(qiáng)度、握螺釘力及導(dǎo)熱系數(shù)。所制備的木絲增強(qiáng)脫硫石膏板材在建筑內(nèi)墻墻體材料方面具有一定的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。該板材的制備可將樺木廢片加工而成的木絲作為增強(qiáng)材料，以工業(yè)副產(chǎn)物脫硫石膏為無機(jī)凝膠材料，在提高傳統(tǒng)無紙面石膏力學(xué)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，既可以為國(guó)內(nèi)脫硫石膏的循環(huán)利用和深加工提供解決思路，也為天然纖維增強(qiáng)石膏材料的進(jìn)一步研究及在建材領(lǐng)域的應(yīng)用提供了一定的理論依據(jù)。