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石膏刨花板研究綜述

媒體:中國人造板技術裝備網  作者:《世界林業研究》編輯
專業號:中國人造板技術裝備網1 2018/4/25 15:16:34

                      石膏刨花板研究綜述

作者簡介:李萌禹,男,碩士研究生,主要從事木基石膏板材研究,E-mail:dayujs@163.com。

通信作者:岳孔,男,副研究員,E-mail:yuekong@njtech.edu.cn。

紙面石膏板以建筑石膏為主要原料,摻入適量外加劑,在與水攪拌后澆注于護面紙之間,并與護面紙牢固地粘結在一起,其強度主要由護面紙提供。石膏板被廣泛用于木結構墻體和樓板的覆面板,主要起防火和裝飾作用。由于石膏板的力學性能較差,在使用中容易出現局部破壞,如受剪撕裂、角部壓潰、拼接脫開和擠壓破壞等。與之相比,具有較好力學性能的石膏刨花板是一種由刨花和石膏復合而成的無機膠合板材,其中刨花作為增強材料,石膏作為膠粘劑。與其他木基板材(定向刨花板、中密度板、層壓板等)相比,石膏刨花板具有環保、高耐火性以及較好的隔音等優點,也可以進行鋸切、碾磨及拋光等機械加工。在石膏刨花板的制備過程中,木材單元無需干燥,板坯在常溫條件下壓制,生產能耗低。此外,所生產的石膏刨花板多是采用工業廢棄的石膏,是許多化學過程的副產物;在刨花原料方面除了傳統的木材外,還可以用竹子、洋麻桿、麥秸以及甘蔗渣等,不僅可以達到充分利用資源的目的,還可以生產出符合特定要求的板材,而且更有利于生態環境的保護。因此,國內外學者在石膏刨花板的制備、微觀表征和性能分析等方面開展了大量研究。
在石膏刨花板中,纖維的存在彌補了石膏原本的高脆性,使得板材具有很好的力學性能,尤其是具有較高的彈性模量。一方面,板材力學性能的提高有助于其物理性能的改善,特別是在其他條件不變的情況下,當內結合強度提高時板材的吸水厚度膨脹率會有所下降。另一方面,石膏自身具有優異的抗火性能,因此石膏刨花板具有較好的火災抵抗能力。國內外學者對影響石膏刨花板性能的因素進行了系列研究,主要包括纖維種類及形態、各組分比例、后處理工藝和復合助劑等。其中,纖維形態除了使用傳統扁平形態的刨花外,還可以使用木屑;各組分的比例因纖維種類不同而有所區別,當采用木材作為增強纖維,木膏比和水膏比分別為0.3~0.4和0.2~0.3時,所制備的石膏刨花板具有較好的物理力學性能;同時,采用加熱后處理、添加硅酸鹽水泥復合助劑等都是提高石膏刨花板物理力學性能的有效措施。

1 石膏刨花板制備工藝
下面從石膏刨花板中不同緩凝劑的作用機理、不同植物纖維類型的增強效果、后處理方式的影響和外加劑對板材性能改善的機理等方面綜述石膏刨花板的生產制備工藝研究情況。
1.1  緩凝劑的作用機理
通常石膏的凝結硬化速度很快,無法提供足夠的時間以滿足工業化生產的要求,因此常采用添加復合緩凝劑的方式來延緩石膏的凝固速度。緩凝劑主要有有機酸類、磷酸鹽類、蛋白類、復配體系等4大類 。不同緩凝劑的工作機理各不相同,總的來說,骨膠在新生二水石膏晶核表面產生化學吸附,覆蓋在二水石膏晶核表面降低晶核的表面能,通過抑制二水石膏晶核生長,使建筑石膏水化凝結時間延長;檸檬酸通過吸附在半水石膏顆粒表面阻礙其溶解,或吸附在新生成的二水石膏晶核上,使晶核達到臨界成核尺寸的時間延長,從而達到使石膏凝固時間延長的目的;六偏磷酸鈉緩凝離子在半水石膏晶體表面與Ca2 形成難溶物,降低半水石膏的溶解速度,使其水化進程降低,從而使石膏的凝結時間延長。
Marcos Lanzón等以恒定的水膏比研究了不同濃度檸檬酸的緩凝作用,結果表明,當檸檬酸在500~1 000 ppm時可達到制造所需時間;當檸檬酸濃度高于1 500 ppm時,石膏的凝固時間變化不顯著;但檸檬酸的添加對石膏強度有負面影響,當劑量高于1 000 ppm時尤其顯著,其主要原因是檸檬酸降低了石膏晶體顯微結構之間的互鎖效應??傮w而言,緩凝劑的加入降低了膠凝材料水化早期液相過飽和度,改變了二水石膏結晶習性和晶體形貌,石膏晶體明顯粗化,晶形也由針狀轉變為短柱狀,大大削弱了晶體間的搭接程度,硬化體孔徑增大,大孔比例明顯增加,孔結構劣化,并最終導致石膏強度的降低。其中,強度損失與其緩凝效果基本成正比,摻量越高,緩凝時間越長,強度損失越大。研究表明,在生產石膏刨花板時,酸性緩凝劑優于堿性緩凝劑,且對石膏刨花板性能的影響較小。采用適量的檸檬酸三鈉或檸檬酸,石膏刨花板可以獲得較好的性能,并且石膏的初凝時間可延長至2 h。當添加堿性緩凝劑時,石膏的初凝時間較短,同時石膏刨花板的內結合強度、彈性模量以及靜曲強度等力學性能明顯下降。由于石膏固化在弱酸條件下完成,因此強堿會降低石膏與刨花的結合強度。然而,強酸也會影響石膏的結合強度,并使刨花的強度有所下降。熱分析表明,石膏固化屬于吸熱反應,高的吸熱量可以使石膏更好地固化,使其具有更高的結合強度。
1.2  復合纖維的增強效果
Dasong Dai等研究了木材化學組成對石膏刨花板性能的影響,結果表明,單寧、乙酸、半纖維素和木質素等組份對石膏刨花板的力學性能無不良影響,當加入消泡劑后,石膏刨花板的力學性能明顯提高。石膏刨花板強度較低與木材中化學成分無直接關系,而是由木材單元較高的吸水率導致。采用水性環氧樹脂改性木刨花制備的石膏刨花板,由于水性環氧樹脂具有較好的附著力,改善了石膏與木刨花的粘結性,降低了木刨花的吸水率,從而具有較高的力學性能。
Morteza Nazerian等利用甘蔗渣和麥秸制備石膏板材,結果表明,當木膏比一定時,麥秸所占比例越大,板材的吸水率越低,這主要源自麥秸自身較低的吸水率。除此之外,密度也是影響板材吸水率的一個重要因素,密度越低吸水率就越大。在相同木膏比條件下,麥秸量越高,厚度膨脹率就越高。原因在于麥秸表皮細胞是最外側的表面細胞且被憎水的蠟層所覆蓋,該層降低了秸稈與水的潤濕性,因此阻止石膏糊劑滲透到細胞壁中,且在礦物基質和顆粒之間沒有產生良好的機械互鎖,這是導致內結合強度額外損失的主要原因,從而影響板材的厚度膨脹率。研究還發現,木膏比的降低將導致靜曲強度和彈性模量的降低,這是石膏的高脆性和低彈性模量造成的。潘淑清等以石膏和蔗渣為主要原料制造石膏刨花板,試驗表明,該板材具有較高的強度、耐燃性、保溫吸音性和透氣性,其表面潔白,不影響后續表面的噴涂和貼面,可用作裝修材料。
張顯權等開展了原材料形態、料膏比、乳白膠加入量和原材料預處理方式等對麥秸石膏復合材料性能影響的試驗研究,并利用體視顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察復合材料的膠結狀況,結果表明,當料膏比為10%、水膏比為35%、原料篩網目數為10~20目、乳白膠加入量為12.5%、麥秸經熱水處理時間為3 h時,所制備的麥秸/石膏復合材料的各項物理力學性能達到最優,并滿足標準規定。
Deng等研究了不同長度和含量的聚丙烯纖維對石膏刨花板性能的影響,結果表明,當纖維長度為9 mm、質量分數為9%時,石膏刨花板的內結合強度最高;當纖維長度為12 mm、質量分數為12%時,板材的靜曲強度最高;適量的聚丙烯纖維有助于提高板材的力學性能,但加入過多的聚丙烯纖維將會因纖維的結團而導致石膏刨花板內結合強度、靜曲強度和彈性模量的下降;此外,聚丙烯纖維的加入導致刨花比例的相對減少,因此石膏刨花板的厚度膨脹率和吸水率得到改善。
Tiziano等對定向刨花板和石膏纖維板的釘連接性能進行了試驗研究,結果表明,石膏纖維板與定向刨花板的釘連接極限承載力和剛度接近,但定向刨花板釘連接節點的延性和耗能能力優于石膏纖維板。
1.3  后處理方式的影響
鄧玉和等通過用加熱法研究了熱量與石膏刨花板性能的關系,結果表明,在30~40 ℃溫度范圍內,加熱有助于提高石膏刨花板的內結合強度。這是因為石膏凝結固化是吸熱反應,通過給板坯加適量的熱量增加石膏凝結固化過程中的吸熱量,使石膏水化完全,從而提高其內結合強度。但當溫度超過40 ℃時,板材的內結合強度下降,這是由于溫度過高導致石膏結晶水化過度造成的。為了縮短加熱時間,提高實際生產效率,可采用加壓1 h工藝。溫度對石膏刨花板的靜曲強度和彈性模量的影響與板內結合強度有相同的趨勢,對板材的吸水率和吸水厚度膨脹率的影響不顯著,但在試驗范圍內,石膏刨花板的吸水率和厚度膨脹率均滿足標準要求。
1.4  復合助劑的影響
研究表明,干燥狀態下,復合硅酸鹽水泥可以增加石膏刨花板的靜曲強度和內結合強度,并有效降低板材的2 h、24 h吸水率和吸水厚度膨脹率。
Rangavar等在石膏中復合不同比例的葡萄藤和硅酸鹽水泥以改善其性能,結果表明,當水泥質量從0增加至石膏質量的10%時,板材的吸水率和吸水厚度膨脹率均降低;當水泥從0增加到5%時,板材的靜曲強度、彈性模量和內結合強度提高,但添加量從5%提高至10%時,結果則相反。其原因在于,過多的水泥加速了石膏凝結,阻礙了化學反應的完成,從而也阻止其形成強化學鍵,最終影響板材的力學性能。其中,當發生快速固化時,混合物溫度升高,體積顯著增加,產生微裂紋,微裂紋在板材中傳播并導致板材彎曲強度下降。研究還發現,水泥的加入有助于改善石膏板材的尺寸穩定性。Halim等提出添加的水泥比例必須適量才能改善石膏刨花板的物理力學性能。
宣玲等研究了有機硅防水劑對石膏刨花板物理力學性能的影響,試驗表明,添加適量的有機硅防水劑能改善石膏刨花板的吸水厚度膨脹率和吸水率,并得到較好的力學性能。特別是有機硅防水劑添加量為3 %時,板材的防水性能最優,且板材的內結合強度、靜曲強度和彈性模量也達到最高值。過多地添加防水劑對石膏刨花板的防水性能改進不明顯,反而會降低板材的力學性能,其原因在于過量的有機硅防水劑使石膏固化體呈堿性,阻礙石膏的水化反應,板材的內結合強度降低,吸水厚度膨脹率和吸水率增加。
2 石膏刨花板的物理力學性能
國內外學者開展了石膏刨花板的制備工藝、力學性能和抗火性能等大量的基礎性研究工作,主要集中在材料層面的抗彎強度、抗彎彈性模量、內結合強度和24 h吸水厚度膨脹率等指標,其基本性能對比如表 1所示。

 

表 1 石膏刨花板物理力學性能對比

 

3 石膏刨花板的抗火性能
石膏刨花板的抗火性主要源于石膏(CaSO4·2H2O)晶體中質量占比約21%的結合水,板材在受火過程中石膏的化學分解(化學結合水的解離)發生在2個階段,在第1階段二水硫酸鈣(CaSO4·2H2O)損失75%的水,形成半水硫酸鈣(CaSO 4·1/2 H2O);進一步加熱石膏,則發生第2階段的反應,半水硫酸鈣失去剩余的水形成無水硫酸鈣石膏(CaSO4)。2個反應都是吸熱的,需要大量的能量來完成。因此,通過石膏的熱傳遞實際上被阻礙,直到脫水過程完成,石膏刨花板的抗火特性主要歸功于這一效果。
在輕型木結構中石膏板用作墻體和樓板的覆面板主要起抗火作用。Kolaitis 等開展了全尺寸木結構的火災試驗,研究了石膏板和常規木基板材抗火性能的差異,結果表明,與木基板材相比,石膏板具有更好的抗火性能,由其包覆的木構件沒有出現炭化現象,而木基板材的抗火性能不足。整個試驗過程中石膏板均沒有出現失效,但由刨花板作為覆面板的墻體在受火35 min后坍塌。
Byoung-Ho Lee等使用錐形量熱計研究了石膏刨花板的抗火性能,并與其他木基板材進行了對比分析,試驗表明,其他木基板材都有點燃時間,而當石膏刨花板暴露于火災下時,無法測出其點燃時間,同時石膏刨花板的熱釋放速率及其峰值、煙生成速率和一氧化碳生成速率均顯著低于木基板材,從材性角度證明了石膏刨花板比其他木基板材具有更高的抗火性以及更好的熱穩定性,以其為室內材料可以有效提高建筑物的抗火性。研究表明,來自刨花板當中的甲醛和總揮發性有機化合物的排放量隨著溫度的升高而增加,因此在發生火災時刨花板會釋放出有毒氣體,而石膏刨花板由于自身較好的抗火性以及材料組成簡單,相對來說會更安全。
4 結論及展望
石膏刨花板所用原材料大多是農業或工業副產品,量大面廣,且其生產過程能源消耗少,材料成本較低,生產和使用過程中均不會釋放出有毒氣體,是一種綠色的建筑材料。同時,石膏刨花板具有木材單元較高的物理力學性能,以及石膏單元良好的抗火性能,因此具有良好的應用前景。
對石膏刨花板的研究已經取得一定的成果,但仍處于材料研究的實驗室階段,在石膏刨花板的制備工藝、性能提升、作用機理研究等方面還需要進一步研究,具體有以下幾個方面:
1)石膏刨花板中兩相界面之間的粘結對板材的力學性能尤為重要,現有研究表明其多為物理作用,粘結強度較弱,難以大幅度提升石膏刨花板的力學性能。與之相比,通過化學粘結等方式進一步提高界面間作用的研究較少。
2)土木建筑作為石膏板材應用的最主要領域,由于石膏板力學性能低,以其作為覆面板的墻體和樓蓋等構件的結構性能一般不考慮石膏板的貢獻。與常規石膏板相比,石膏刨花板的力學性能已有大幅度提高,但與承載型的結構用膠合板、定向刨花板等板材相比,其力學性能仍需進一步提高。同時,目前以石膏刨花板為覆面板的墻體、樓蓋等構件的結構性能研究尚未涉及。另外,石膏刨花板的釘連接性能、石膏刨花板覆面的結構構件承載中應力重分配及其協同工作等在結構領域中應用的主要問題需要進一步明確,并開展針對性的深入研究。
3)用作結構構件覆面板的木基板材,由于含有大量可燃性木材單元,不具備良好的抗火性能,需要在其表面進行防火材料的包覆,以滿足抗火性能的要求。石膏刨花板由于石膏晶體中結晶水的存在,其抗火性能有所提升,但對其在火災中力學性能、釘連接性能等的演變規律研究較少,不同強度等級(不同木刨花質量分數)的石膏刨花板的耐火極限及其在火災條件下對內部材料的防火機理等還需要進一步深入研究。

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