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漂白化学桉木浆的掺入对硅酸钙板物理性能的影响

  • 楚守兴 1
  • 杨仁党 1
  • 陈敬福 2
  • 王阳 1 ✉
1. 华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州，510640； 2. 三乐建材集团，广东肇庆，526238

中图分类号： TS749+.1

最近更新：2023-03-01

DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2023.02.008

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EN 引
目录contents

摘要

本研究主要探讨了在制备硅酸钙板过程中掺入漂白化学桉木浆对其物理性能的影响。结果表明，与空白样（只添加未漂硫酸盐针叶木浆）相比，当漂白化学桉木浆纤维添加量为20%（替代未漂硫酸盐针叶木浆比例）时，硅酸钙板弯曲强度为17.3 MPa，提高了0.2 MPa；抗冲击强度由9.5 kJ/m2提高至10.5 kJ/m2，提高了10.5%；层间结合强度为1.54 MPa，也有小幅提升；孔隙率和吸水率达到最佳平衡点。此外，扫描电子显微镜和红外光谱分析表明，掺入漂白化学桉木浆对硅酸钙板的物理性能和微观晶型无明显负面影响。

硅酸钙板是以硅质、钙质材料为基材，无机矿物纤维或植物纤维等为增强材料，经制浆、成形、蒸汽养护形成[

1-2]。因其具有轻质、环保、高强度、外观效果多样化等优点，被广泛应用于建筑外墙、装修吊顶、地铁、机场等场所[3-4]。出于对硅酸钙板防火性能的考虑，纤维添加量不可超过8%，且主要以长纤维作为增强纤维。针叶木浆纤维具有合适的长径比、较高的杨氏模量、绿色环保等优点[5]，是理想的硅酸钙板增强纤维。环保可再生的植物纤维[6-7]用作硅酸钙板的增强纤维顺应了绿色建材发展的趋势[8]。一般而言，植物纤维添加量占硅酸钙板的6%~10%，由于现有的硅酸钙板的生产过程中添加的都是单一的、昂贵的针叶木浆纤维，其成本占到了硅酸钙板生产过程中成本的50%~60%。同时，针叶木浆中半纤维素含量少，而半纤维素的吸水润胀性优于纤维素[9]。半纤维素优异吸水润胀性能一方面对细纤维化和分丝帚化[10]有利，使得纤维表面可以吸附[11]更多粉料；另一方面提升木浆纤维与基体之间的黏结（见图1）。阔叶木浆具有价格低廉，半纤维素含量高等优点[12-13]，与针叶木浆纤维搭配使用，不仅可以改善硅酸钙板的性能，还可以降低其生产成本，对实际的工业生产具有重要意义。

图1  纤维在硅酸钙板中的分布示意图

Fig. 1  Schematic diagram of fiber distribution in calcium silicate board

因此，本研究在制备硅酸钙板过程中，掺入了不同用量的漂白化学桉木浆（bleached chemical eucalyptus pulp，以下简写为BCEP），通过调整未漂硫酸盐针叶木浆（unbleached kraft softwood pulp，以下简写为UKSP）和BCEP的配比，研究了其添加量对硅酸钙板弯曲强度、层间结合强度、抗冲击强度以及孔隙率等关键性能的影响。

1 实验

1.1　实验原料与仪器

1.1.1　实验原料

BCEP，浙江某纸厂；阴离子聚丙烯酰胺（APAM，分子质量1800万~2000万），日本三菱化工；UKSP、石英粉、消石灰、硅酸盐水泥，三乐建材集团。

1.1.2　实验仪器

本实验所用实验仪器具体见表1。

表1  实验仪器
Table 1  Experimental instrument
名称型号生产厂家
电子分析天平 AE223 上海舜宇恒平科学仪器
PFI磨浆机 HAMJERN MASKIN6 21 挪威Hamjern Maskin
硅酸钙板成型器 三乐建材集团
电热恒温干燥箱 101-1A 广州翼恒仪器有限公司
傅里叶变换红外光谱仪 Nicolet IS50 Thermo Fisher Scientific
扫描电子显微镜 LEO1530VP Zeiss
拉伸压缩材料试验机 INSTRON 5565 美国INSTRON
电脑伺服拉力试验机 BGD 574 标格达精密仪器（广州）

1.2　实验方法

1.2.1　浆料打浆

采用PFI磨浆机按照国家标准GB/T 29287—2012打浆，在10%浆浓的条件下，进行零间距打浆，并将UKSP和BCEP分别磨浆至35 °SR和30 °SR。

1.2.2　硅酸钙板制备

（1）絮凝剂的配制

准确称取0.6 g APAM于2 L的烧杯中，加入1 L水，在300 r/min的条件下搅拌30 min，待APAM分散均匀，烧杯中形成均一、稳定的胶体时，停止搅拌，转移至试剂瓶中备用。

（2）硅酸钙板制备

实验室硅酸钙板的制备采用浇铸成形法。按照单一因素控制变量的原则，分别加入0（空白样，只添加UKSP，用量为硅酸钙板绝干质量的8%）、10%（BCEP替换UKSP的比例，下同）、20%、30%、40%BCEP纤维，消石灰51.2 g、石英粉665.6 g、水泥225.28 g和一定量的水，2500 r/min条件下搅拌10 min后，最后加入絮凝剂，2000 r/min转速下搅拌5 min，再使用成型器浇铸成形，压机脱水后送往蒸养釜，180 ℃下进行蒸压养护12 h。具体制备过程如图2所示。

图2  硅酸钙板制备流程图

Fig. 2  Preparation flow chart of calcium silicate board

1.3　检测方法

1.3.1　物理性能测定

采用拉伸压缩材料试验机使用三点弯曲法（见图3）测试不同BCEP纤维添加量硅酸钙板的力学性能。测试条件为：跨距7 cm，加载速度0.5 mm/min。

图3  三点弯曲法示意图

Fig. 3  Schematic diagram of three-point bending method

硅酸钙板的抗冲击强度的计算取弯曲强度-位移曲线图中，弯曲强度降到最大破坏载荷的50%弯曲强度-位移曲线的积分值。

1.3.2　SEM分析

采用扫描电子显微镜（SEM）来观察不同BCEP纤维添加量硅酸钙板的形貌和表面微观结构。测试方法：样品充分干燥后制成小块，将样品按顺序贴在样品台的导电胶上，喷金处理后进行观察。

1.3.3　层间结合强度测定

采用电脑伺服拉力试验机测试不同BCEP纤维添加量硅酸钙板的层间结合强度。制样方法：样品切成50 mm×50 mm的方形试块，用胶粘在试样台上，待胶水凝固后进行实验。

1.3.4　孔隙率测定

根据GB/T 7019—2014纤维水泥制品实验方法来测试不同BCEP纤维添加量硅酸钙板的孔隙率，在水介质中测定，取3个样品，其最终孔隙率数值为3个样品的平均值，计算如式(1)所示。

K=m3-m1m3-m2×100% （1）

式中，K为硅酸钙板的孔隙率，%；m1为硅酸钙板干燥后的质量，g；m2为硅酸钙板的饱水质量，g；m3为硅酸钙板在水中的悬浮质量，g。

1.3.5　红外光谱分析

采用傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR）对不同BCEP添加量硅酸钙板进行扫描测试。扫描参数：扫描次数32次，扫描速度0.2 cm/s，波数范围400~4000 cm-1，分辨率4 cm-1。

2 结果与讨论

2.1　物理性能分析

使用拉伸压缩材料试验机采用三点弯曲方法来测试不同BCEP纤维添加量对硅酸钙板力学性能的影响，结果如图4所示。由图4可以看出，未添加BCEP的硅酸钙板其弯曲强度为17.1 MPa，当BCEP添加量为10%和20%时，其弯曲强度分别为17.5 MPa、17.3 MPa，相对于未添加BCEP的硅酸钙板分别提高了0.4 MPa和0.2 MPa。而其添加量为30%和40%时，硅酸钙板的弯曲强度为14.4 MPa和13.9 MPa，相较于未添加BCEP的板材，其强度损失较为明显，分别为15.8%和18.5%。上述弯曲强度发生变化的原因可能是随着BCEP的适量加入，BCEP中的半纤维素吸水润胀，一方面促进了针叶木浆的细纤维化和分丝帚化，使得纤维表面可以吸附更多粉料；另一方面提升木浆纤维与基体之间的摩擦力，充分发挥“配筋”作用[

14]，提升板材的强度，但是随着其添加量的增加，BCEP纤维短且长径比小的缺点[15]越发突出，削弱了针叶木长纤维的“桥接”作用[16]，且半纤维素大量吸水润胀，使得板材疏松多孔，强度显著降低。

图4  不同BCEP添加量硅酸钙板的力学性能图

Fig. 4  Mechanical propertiy of calcium silicate board with different addition amounts of BCEP

硅酸钙板的抗冲击强度测定结果如图5所示。由图5可以看出，随着BCEP添加量的提高，硅酸钙板的抗冲击强度呈现出先升高后降低的趋势。未添加BCEP硅酸钙板的抗冲击强度为9.5 kJ/m2，当BCEP添加量为20%时，硅酸钙板的抗冲击强度达到最大值，为10.5 kJ/m2，相较于未添加BCEP的板材提高了10.5%。其原因是当BCEP添加量为20%时，BCEP中的短纤维充分与针叶木浆中的长纤维相互交织成网，更加紧密，一方面吸附截留住更多的粉料，另一方面当硅酸钙板受到外力冲击时，交织紧密的纤维网络更好地分担了应力，从而保护了硅酸钙板。其添加量继续增加时，针叶木浆长纤维的“桥接”作用减弱，与基体的接触面积减小，摩擦力减小，从而导致硅酸钙板强度降低。

图5  不同BCEP添加量硅酸钙板抗冲击强度图

Fig. 5  Impact strength diagram of calcium silicate board with different addition amount of BCEP

2.2　微观形貌分析

使用SEM来观察不同BCEP纤维添加量硅酸钙板的形貌和表面微观结构，结果如图6所示。从图6可以看出，不同BCEP纤维添加量硅酸钙板中生成了大量的层状、片状或者板状的托贝莫来石晶体，这说明BCEP纤维的加入不会影响托贝莫来石晶体的形成与生长。这些层状、片状或者板状的托贝莫来石晶体，一方面相互交叉形成致密的连锁结构为硅酸钙板提供物理强度；另一方面又形成了微小的孔隙，约在几十到几百纳米之间，这也是硅酸钙板具有高强度、低密度的原因之一。

图6  不同BCEP添加量硅酸钙板SEM图

Fig. 6  SEM images of calcium silicate board with different addition amount of BCEP

注   (a) 未添加BCEP；(b) 10% BCEP；(c) 20% BCEP；(d) 30% BCEP；(e) 40% BCEP。

2.3　层间结合强度分析

使用电脑伺服拉力试验机对不同BCEP纤维添加量硅酸钙板层间结合强度进行测试，结果如图7所示。由图7可知，随着BCEP添加量的提高，硅酸钙板的层间结合强度呈现出先平稳升高再大幅下降的趋势，BCEP添加量为20%时，硅酸钙板层间结合强度达到最大，1.54 MPa。其原因可能是制备硅酸钙板过程中加入适量的BCEP能够充分发挥出短纤维的“配筋”作用，提升木浆纤维与基体之间的摩擦力，提升板材层间结合力，但随着其添加量的增加，BCEP纤维短且长径比小的缺点越发突出，削弱了针叶木长纤维的“桥接”主导作用，且半纤维素大量吸水润胀，使得板材疏松多孔，从而导致硅酸钙板层间结合强度显著降低。

图7  不同BCEP添加量硅酸钙板层间结合强度

Fig. 7  Interlayer bonding strength of calcium silicate board with different addition amounts of BCEP

2.4　孔隙率分析

孔隙率是硅酸钙板的重要性能指标之一，较大孔隙率使得硅酸钙板吸水率升高，抗冻融性能降低，影响硅酸钙板的使用寿命[

17-18]。本研究根据GB/T 7019—2014 纤维水泥制品实验方法测试不同BCEP纤维添加量硅酸钙板的孔隙率，结果如图8所示。由图8可知，随着BCEP添加量的提高，所制硅酸钙板的密度呈现出先下降后稳定的趋势，而硅酸钙板的吸水率和孔隙率呈现出逐渐升高的趋势。其原因可能是BCEP中半纤维素含量高，制备硅酸钙板过程中其吸水润胀性能强于纤维素，含量越高其吸水润胀就越强，因此其吸水率呈现出逐渐升高的趋势。随着硅酸钙板中水分减少，BCEP吸附的水分蒸发，大量的BCEP纤维收缩，进而导致其与板材基体之间产生大量孔隙[19-20]，因此孔隙率也呈现出逐渐升高的趋势。当其应用于建筑外墙时，吸水率高会导致低温时板材冻裂，严重缩短板材的使用寿命。综合考虑，当BCEP添加量为20%时，孔隙率和吸水率达到最佳平衡点。

图8  不同BECP添加量硅酸钙板的吸水率、孔隙率和密度

Fig. 8  Water absorption, porosity and density of calcium silicate board with different addition amount of BCEP

2.5　红外光谱分析

采用傅里叶变换红外光谱仪对不同BCEP纤维添加量硅酸钙板进行扫描测试，其结果如图9所示。从图9中可以看出，当BECP添加量为0、10%、20%、30%和40%时，制备的硅酸钙板的红外吸收峰的位置基本一致，不同红外吸收波数对应不同的官能团。图9中以3618 cm-1为中心出现一个宽而钝的吸收峰，此处的峰来源于水分子中的O—H弯曲振动峰，在1643 cm-1处有一非对称的O—H伸缩振动峰。在3349 cm-1处有一非对称的仲N—H伸缩振动峰，其产生原因是制备硅酸钙板中加入了APAM。由于原料的Ca/SiO2摩尔比约为0.29，与最佳的Ca/SiO2摩尔比0.83相差较多，因此所制备的硅酸钙板会产生过量的SiO2，在1042 cm-1处有1个Si—O非对称伸缩振动峰，在626 cm-1处有1个Si—O—Si对称伸缩振动峰，在454 cm-1处有1个Si—O弯曲振动峰[

21]。结合2.2中的SEM图可以得知，不同比例BCEP的加入对最终硅酸钙板的物理性能以及微观晶型没有负面影响。

图9  不同BCEP添加量硅酸钙板的FT-IR谱图

Fig. 9  FT-IR spectra of calcium silicate board with different addition amount of BCEP

3 结论

本研究在制备硅酸钙板过程中掺入漂白化学桉木浆（BCEP），通过调整未漂硫酸盐针叶木浆（UKSP）和BCEP的配比，对不同BCEP添加量的硅酸钙板的弯曲强度、抗冲击强度、表面形貌、层间结合强度及孔隙率进行了测试和分析。

3.1 从力学性能图和抗冲击强度图中可以看出，随着BCEP添加量的提高，硅酸钙板弯曲强度呈现出先小幅提高后大幅降低的趋势，抗冲击强度呈现出先升高后降低的趋势，层间结合强度呈现出先平稳升高再大幅下降的趋势。当BCEP添加量为20%时，硅酸钙板的抗冲击强度达到最大值，为10.5 kJ/m2，相对于只添加UKSP的硅酸钙板，提高了10.5%；弯曲强度为17.3 MPa，相对于只添加UKSP的硅酸钙板，提高了0.2 MPa；层间结合强度达1.54 MPa。

3.2 不同BCEP纤维添加量硅酸钙板中生成了大量的层状、片状或者板状且相互交叉的托贝莫来石晶体，赋予硅酸钙板轻质高强的特性，这说明BCEP的加入不会影响托贝莫来石晶体的形成与生长。

3.3 随着BCEP添加量的提高，所制备硅酸钙板的密度呈现出先下降后稳定的趋势，而硅酸钙板的吸水率和孔隙率呈现出逐渐升高的趋势，综合考虑，BECP添加量为20%时，孔隙率和吸水率达到最佳平衡点。

3.4 当BCEP添加量为0、10%、20%、30%和40%时，所制备的硅酸钙板红外吸收峰的位置基本一致，表明BECP的加入并未影响硅酸钙板的生产。

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