羧甲基纖維素鈉對硅酸鹽基材料性能的影響

摘要：研究了羧甲基纖維素鈉溶液的添加量對硅酸鹽基材料抗壓強度的影響規(guī)律，并通過抗壓測試、掃描電鏡（SEM）、斷層掃描CT測試技術(shù)，研究了羧甲基纖維素鈉加入前后硅酸基鹽材料抗壓強度、壓縮模量、壓縮形變的變化，分析了羧甲基纖維素鈉對硅酸鹽基材料抗壓強度的影響機理。結(jié)果表明：當(dāng)硅酸鹽基材料中羧甲基纖維素鈉質(zhì)量分數(shù)為1%時，可改善硅酸鹽基材料的孔徑分布，并提高了孔壁的密實度，使硅酸鹽基材料的抗壓強度和壓縮模量顯著提高。

關(guān)鍵詞：羧甲基纖維素鈉；硅酸鹽基材料；抗壓強度；壓縮模量

中圖分類號：TQ175.4文獻標志碼： A 文章編號： 1004-0935（2025）02-0205-04

硅酸鹽基材料作為工程材料在世界上的應(yīng)用較為廣泛，在近代硅酸鹽基材料的使用過程中，硅酸鹽基材料研究關(guān)注的重點方向是低能耗以及材料用途的多功能化[1]。硅酸鹽材料由于基質(zhì)本身所具有的高脆性導(dǎo)致其材料在使用過程中韌性較低，對材料的使用場景和壽命具有極大的限制[2]。因此，需要對硅酸鹽基材料的強度進行改性處理，以增加其抗壓強度和壓縮模量。

目前對硅酸鹽基材料大部分的研究主要分為兩大類[3]。一是對硅酸鹽功能復(fù)合材料的研究和開發(fā)，目前硅酸鹽基材料功能化的研究廣泛多樣，如硅酸鹽基導(dǎo)電材料[4]、壓電材料等[5]，除了滿足材料使用的不同環(huán)境、不同應(yīng)用場景的功能需求，還需要滿足大規(guī)模的建筑領(lǐng)域中所需的高強度需要。但硅酸鹽基復(fù)合材料中不同材料的摻入會導(dǎo)致其出現(xiàn)一定的性能損失[6]，如韌性、強度的降低。羧甲基纖維素具有力學(xué)性能強、無毒等優(yōu)良性能[7]，使得其在各領(lǐng)域很受歡迎。但由于其親水性較差，在材料生產(chǎn)中鮮有應(yīng)用。

近年來，羧甲基纖維素鈉由于其親水性較好而得到不斷發(fā)展，發(fā)展目標轉(zhuǎn)向在工業(yè)生產(chǎn)中[8]，在硅酸鹽基涂料中使用，可提高涂料的穩(wěn)定性，改善涂料體系中的保水性[9]。矯長發(fā)等[10]以羧甲基纖維素鈉作為穩(wěn)泡劑，探究了羧甲基纖維素鈉的加入量對鎂鋁尖晶石質(zhì)多孔隔熱材料性能的影響。馬艷梅等[11]研究了羧甲基纖維素鈉凝膠的吸水性能，結(jié)果表明羧甲基纖維素鈉凝膠具有一定的吸水性和保水性。

目前，纖維素的研究和應(yīng)用主要集中在廢水處理領(lǐng)域和生物醫(yī)藥領(lǐng)域[12]，在硅酸鹽基材料方向的研究鮮有報道。在水中的溶解度極低限制了羧甲基纖維素的發(fā)展，在與材料進行反應(yīng)過程中，極難溶于水的特性導(dǎo)致反應(yīng)較為困難。而羧甲基纖維素鈉（SCMC）具有良好的水溶性、能夠與材料發(fā)生反應(yīng)的特點而被廣泛研究 [13]。羧甲基纖維素鈉的易獲得性和使用便捷性使其應(yīng)用范圍較廣。

通過在硅酸鹽基材料中添加SCMC以達到改善其抗壓性能的目的，研究在硅酸鹽基材料中添加SCMC對其抗壓強度及微觀結(jié)構(gòu)的影響，為硅酸鹽基材料在實際中的生產(chǎn)應(yīng)用提供參考。

1實驗部分

1.1原料

聚乙烯醇（PVA），質(zhì)量分數(shù)≥99.0%，國藥集團有限公司；羧甲基纖維素鈉（SCMC），天津紅巖化學(xué)試劑廠；硅酸鈣，模數(shù)為1.2（SiO2與CaO的物質(zhì)的量比），河南鉑潤鑄造材料有限公司；珍珠巖，70～100目（0.150～0.212 mm），廊坊新大眾助濾劑有限公司；玻璃纖維，斷裂伸長率80％，靈壽縣嘉碩建材加工有限公司。珍珠巖成分組成如表1所示。

1.2樣品制備

將硅酸鈣、珍珠巖和玻璃纖維按照表2中基礎(chǔ)配比放入水泥膠砂攪拌機中，以80 r·min-1攪拌3 min，至混合均勻；然后多次少量加入蒸餾水和PVA，以140 r·min-1攪拌5 min，然后將不同質(zhì)量分數(shù)的SCMC溶液加入攪拌機中，調(diào)至280 r·min-1攪拌2 min，使其混合均勻至無顆粒態(tài)混合膏狀材料。

將制得膏狀材料裝入尺寸為40 mm×40 mm×40 mm的正方體模具中，振實，并涂抹平整表面。在室溫下放置24 h，防止水分蒸發(fā)過快表面開裂，轉(zhuǎn)放到恒溫干燥箱中恒溫40 ℃、6 h，再升溫至60 ℃烘干12～14 h，至樣品質(zhì)量無明顯變化。脫除模具，將硅酸鹽基材料放入50 ℃烘箱中進行干燥養(yǎng)護。

1.3性能測試

性能測試根據(jù)標準《水泥膠砂強度檢驗方法》（GB/T 17671—2021）進行，采用型號YAW-300D微機控制抗折抗壓試驗機對試樣進行壓縮強度測試，預(yù)壓力0.2 kN，速度為4.5 mm·min-1。然后取部分樣品通過型號TESCANMIRA4掃描電子顯微鏡進行掃描電鏡表征。通過掃描電鏡（SEM）分析SCMC溶液對硅酸鹽基材料微觀形貌的影響。另取部分樣品使用斷層掃描（CT）儀對樣品進行斷層掃描，試樣為表面打磨平整10 mm×10 mm×10 mm的正方體。使用VGSTUDIO MAX3.4.3軟件對試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行三維重建，分析材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

2結(jié)果與分析

2.1SCMC的質(zhì)量分數(shù)對硅酸鹽基材料抗壓強度的影響

研究了硅酸鹽基材料添加SCMC溶液的用量對其抗壓強度的影響，實驗中SCMC溶液的質(zhì)量分數(shù)為1%，向攪拌均勻的漿料中加入SCMC溶液，其添加量分別為0、30、60、90 mL。結(jié)果表明未添加SCMC溶液的空白試樣其抗壓強度為0.916 MPa，壓縮模量為33.591 MPa。

試樣改性前后壓縮性能如表3所示。由表3可以看出，經(jīng)SCMC溶液改性的硅酸鹽基材料可以有效地提升硅酸鹽基材料的抗壓性能。當(dāng)SCMC質(zhì)量分數(shù)為0.5%時，此時硅酸鹽基材料的壓縮強度和壓縮模量分別為1.106、43.524 MPa，比空白試樣分別提升了20.74%、29.57%；當(dāng)SCMC質(zhì)量分數(shù)為1.0%時，硅酸鹽基材料的壓縮強度和壓縮模量分別為1.157、51.874 MPa，分別提升了26.31%、54.43%，此時硅酸鹽基材料的壓縮模量和壓縮強度達到最大；當(dāng)SCMC質(zhì)量分數(shù)為1.5%時，試樣的壓縮強度和壓縮模量分別為0.943、39.547MPa，比未添加SCMC溶液的空白試樣分別提升了3.00%、17.73%。

2.2SCMC溶液的用量對硅酸鹽基材料壓縮形變的影響

研究了SCMC溶液用量對硅酸鹽基材料壓縮形變的影響，實驗中SCMC溶液的質(zhì)量分數(shù)為1%，攪拌均勻的漿料中溶液的添加量分別為0、30、60、90 mL，經(jīng)測試空白試樣（未添加SCMC）的壓縮形變?yōu)?7.154%。SCMC質(zhì)量分數(shù)對硅酸鹽基材料壓縮強度和壓縮形變的影響如圖1所示。

由圖1可以看出，當(dāng)SCMC質(zhì)量分數(shù)為0.5%、1.0%、1.5%時，硅酸鹽基材料的壓縮強度均高于空白試樣；當(dāng)SCMC質(zhì)量分數(shù)為1.0%時，硅酸鹽基材料的壓縮強度達到最大，隨SCMC質(zhì)量分數(shù)的增加，試樣的壓縮強度先升高后降低，且高于未添加SCMC的空白試樣。當(dāng)SCMC質(zhì)量分數(shù)為0.5%、1.0%、1.5%時，硅酸鹽基材料的壓縮形變均低于空白試樣，且隨SCMC質(zhì)量分數(shù)的增加，硅酸鹽基材料的壓縮形變逐漸減小，其原因是隨SCMC質(zhì)量分數(shù)的增加，硅酸鹽基材料中氣孔分布更加均勻，氣孔間隙更加緊湊，其形變空間逐步減少，當(dāng)硅酸鹽基材料中SCMC質(zhì)量分數(shù)高于1.0%時，試樣更傾向于從中間斷裂。

2.3SCMC對硅酸基材料結(jié)構(gòu)的影響

硅酸鹽基材料的抗壓強度與其氣孔的尺寸大小和分布的均勻程度密切相關(guān)，為了探究SCMC對硅酸鹽基材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響效果，采用VGSTUDIO MAX3.4.3軟件測定了試樣的斷層掃描CT圖，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出，硅酸鹽基材料中未添加SCMC的空白試樣其內(nèi)部結(jié)構(gòu)氣孔分布較為混亂，存在部分無規(guī)則孔徑，其孔徑分布范圍較大。原因是硅酸鹽基材料吸水性較強，在脫水過程中由于溫度過高，導(dǎo)致內(nèi)部水分的快速流失，出現(xiàn)小顆粒的聚合現(xiàn)象，形成不規(guī)則孔洞。而在硅酸鹽基材料中添加SCMC的試樣，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分布范圍更加均勻，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的平均孔徑有所減小。當(dāng)硅酸鹽基材料受到壓力時，壓力在材料內(nèi)部傳導(dǎo)，材料內(nèi)部的不均勻分布會導(dǎo)致大孔徑部分出現(xiàn)破裂，隨后形成裂縫，而結(jié)構(gòu)均勻的材料受到壓力時，壓力能夠在材料內(nèi)部均勻傳遞，氣孔受力均勻，則在一定程度上提高材料的抗壓強度。但當(dāng)氣孔分布過于致密時，分子間的斥力呈現(xiàn)指數(shù)級增長，材料硬度提升的同時會導(dǎo)致材料的脆性增加，反而會使材料的抗壓強度減小。因此氣孔大小的均勻程度和孔徑大小是否合適對硅酸鹽基材料的壓縮模量和抗壓強度有較為重要的影響。

試樣孔結(jié)構(gòu)參數(shù)如表4所示。由表4可以看出，硅酸鹽基材料在未添加SCMC時，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的孔徑分布范圍較大，平均孔徑大致為2.4 mm，而硅酸鹽基材料在添加了SCMC后其內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加緊湊，孔徑分布范圍也出現(xiàn)明顯減小的現(xiàn)象。硅酸鹽基材料在添加60 mL SCMC溶液和添加90 mL SCMC溶液后所呈現(xiàn)的氣孔分布情況如圖2（b）和圖2（c）所示。內(nèi)部結(jié)構(gòu)的平均孔徑明顯小于未添加SCMC溶液的空白試樣，其大小分別為1.8、1.4 mm。對比添加SCMC溶液前后材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分布可以看出，在硅酸鹽基材料中添加60 mL SCMC溶液，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的氣孔分布也更加趨向均勻，且孔徑大小較為合適，試樣的抗壓強度比未添加SCMC溶液時的硅酸鹽基材料有所提升。而在硅酸鹽基材料中添加90 mL SCMC溶液的試樣，其抗壓強度比未添加SCMC溶液的硅酸鹽基材料略高。這是由于在內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，其氣孔分布過于致密，試樣脆性增加，因而抗壓強度有所回落，但由于其氣孔分布較為均勻且致密，所以抗壓強度有所提升。在硅酸鹽基材料未添加SCMC溶液時，空白試樣的孔徑范圍為1.2～3.4 mm，而加入了60 m LSCMC溶液的試樣孔徑范圍為0.8～2.6 mm，說明SCMC溶液有利于提升孔徑分布的致密程度和均勻程度。這也進一步證明，添加60 mL的SCMC溶液有利于硅酸鹽基材料抗壓強度的增長。

2.4SEM分析

對未改性的硅酸鹽基材料和經(jīng)過SCMC改性的硅酸鹽基材料的微觀表面進行掃描電鏡觀察，結(jié)果如圖3所示。

由圖3（a）可以看出，未添加SCMC的硅酸鹽基材料的內(nèi)部存在較大孔隙結(jié)構(gòu)，這是由于其氣孔分布不均勻?qū)е?，其?nèi)部的結(jié)構(gòu)混亂，所形成的較為疏松結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了其抗壓強度較低。而在硅酸鹽基材料加入SCMC溶液后的其內(nèi)部結(jié)構(gòu)分布較為致密，且其氣孔分布趨向均勻，如圖3（b）所示。由SCMC溶液在其表面形成了一層膜狀物質(zhì)，分布均勻且表面光滑平坦。結(jié)構(gòu)中所存在的硅酸鈣和未完全反應(yīng)的水化產(chǎn)物之間形成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種連續(xù)貫通的空間結(jié)構(gòu)增加了材料的聚合力，改善了硅酸鹽基材料的總體強度。所以在硅酸鹽基材料中添加了60 mL SCMC溶液的試樣相較于未添加SCMC溶液的硅酸鹽基材料具有更高的抗壓強度和壓縮模量。

3結(jié) 論

1）在硅酸鹽基材料中添加不同質(zhì)量分數(shù)的SCMC對其抗壓強度和壓縮模量有著不同程度的提高。當(dāng)硅酸鹽基材料摻入的SCMC質(zhì)量分數(shù)為1.0%時，硅酸鹽基材料的壓縮強度為1.157 MPa，壓縮模量為51.874 MPa，對比與未添加SCMC的硅酸鹽基材料提高了26.31%和54.43%，此時硅酸鹽基材料的壓縮強度和壓縮模量均得到較大的提升。

2）硅酸鹽基材料中添加SCMC使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)氣孔的分布更加均勻，孔徑的尺寸也相對減小。硅酸鹽基材料的壓縮形變隨SCMC質(zhì)量分數(shù)的增加而 減少。

3）硅酸鹽基材料加入SCMC后的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分布較為致密，增加了材料的內(nèi)聚力，改善了硅酸鹽基材料的總體強度。

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Effect of Sodium Carboxymethylcellulose on Properties of Silicate-Based Material

CHEN Xiayin1， TIAN Yunan2， WEI Li1

（1. School of Materials Science and Engineering， Shenyang Ligong University， Shenyang Liaoning 110159， China;

2. School of Materials Science and Engineering， Shenyang Jianzhu University， Shenyang Liaoning 110168， China）

Abstract： The effect of added amount of carboxymethylcellulose sodium solution on the compressive strength of silicate-based materials was studied， and the changes of compressive strength， compressive modulus and compressive deformation of silicate-based materials before and after adding sodium carboxymethyl cellulose were studied by compression testing， scanning electron microscopy （SEM）， and tomography CT testing technology. The influence mechanism of sodium carboxymethyl cellulose on the compressive strength of silicate-based materials was analyzed. The results showed that when the mass fraction of sodium carboxymethyl cellulose in silicate-based materials was 1%， the pore size distribution of silicate-based materials was improved， and the density of the pore walls was increased， making the silicate-based materials more durable to improve the compressive strength and compression modulus.

Key words： Sodium carboxymethylcellulose; Silicate-based materials; Compressive strength; Compression modulus