木絲增強脫硫石膏板制備及性能研究

曹旭東，艾文兵，母 軍

(北京林業大學 材料科學與技術學院，北京 100083)

石膏板具有隔音阻燃、生產清潔環保、自動化程度高、原料回收利用等優勢[1]，廣泛應用于商業地產、公共建筑和家庭住宅等建筑空間的吊頂裝飾、建筑隔墻等領域[2]。目前紙面石膏板和纖維石膏板是市場上主要的石膏板產品。紙面石膏板產量約占石膏總產品的80%[3]，但其力學強度較低，握釘力差，使用中易出現受剪撕裂、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中加入纖維增強材料，可有效提升石膏板綜合性能[5]，除具有紙面石膏板的優點外，其內部結合牢固，具有較高的抗彎強度和內結合強度，同時在防火、防潮、保溫、隔音等方面也優于紙面石膏板[6]。因此，越來越多研究者將目光集中于研發纖維增強石膏板[7]。

實際生產中，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纖維，均在不同程度上提升了纖維石膏板的性能[8]。出于對環保的需求，石膏基纖維材料的增強纖維逐漸從合成纖維向可再生的生物質材料過度。天然纖維不僅具有來源廣泛、可持續發展等特點[9]，并且天然纖維的抗拉強度較高，彈性模量較低，具有良好的韌性和強度，物理力學性能不低于甚至優于合成纖維[10-11]。李新功等[12]研究了石膏刨花板的生產工藝，并對生產環節的各個工段及注意事項進行了介紹。F.Iucolano等[13]對蕉麻纖維與石膏基質之間的相互作用進行了分析，探究了纖維尺寸、纖維添加量等因素對板材物理及機械性能的影響，發現在石膏中加2%的蕉麻纖維可以提高復合材料的韌性，同時保證復合材料具有良好的抗彎強度和可加工性。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板材抗彎強度、抗彎彈性模量、內結合強度和吸水厚度膨脹率等指標的影響，發現添加較低比例的木質纖維會導致板材 MOR和MOE降低。目前針對天然纖維增強石膏板的制備工藝問題已進行了大量基礎性研究，并就增強材料層面物理力學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、循環利用等特點，吸引了眾多研究者關注[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，經專門抽絲機加工而成，是一種拉伸強度高、韌性好、易加工、密度低的綠色可持續性生物質增強材料[16]，在建材領域利用廣泛[17]。木絲作為復合板材的增強材料，其尺寸和含量對復合材料性能具有重要影響，本研究采用6種不同規格尺寸的木絲對脫硫石膏板材進行制備和性能測試，確定了較優的工藝參數。

1 材料與方法

1.1 材料

樺木木絲，含水率為3.94%，細木絲(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，初凝時間44 s，終凝時間130 s，北新建材集團涿州石膏廠提供；一水合檸檬酸、分析純購自國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 木絲增強石膏板制備

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中，壓力2.5 MPa，直到石膏水化結束。取出試件將其放置在溫度40℃的烘箱內干燥48 h至恒重，然后取出樣品之后在室溫下保養7 d，鋸割成試件，進行性能檢測及表征。

將粗(1.8±0.05)mm、細(0.9±0.05)mm的木絲裁剪成(10±0.5)mm、(50±0.5)mm、(100±0.5)mm 3種長度，木絲質量分數為5%、10%、15%、20%制備木絲增強石膏復合材料，研究木絲的不同尺寸形態和木絲含量對木絲增強石膏復合材料性能的影響。

1.3 性能測試與分析方法

板材力學強度測試：參照標準《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驗方法》，使用MMW-50微機控制人造板萬能實驗機，對板材的抗折強度和握螺釘力進行檢測。其中抗折強度樣品尺寸為290 mm×50 mm×12 mm，跨距240 mm，加載速度5 mm/min，每組測試12個試件；握螺釘力的樣品尺寸為75 mm×50 mm×12 mm，將2個試件膠合成1件，總厚度>15 mm，測試板面握螺釘力，每組測試8個試件，一張板的板面握螺釘力是同一張板內全部握螺釘力的算數平均值。

導熱系數測試：參照標準《GB/T 10294-2008絕熱材料穩態熱阻及有關特性的測定 防護熱板法》，使用DRH-300導熱系數測試儀，對板材的導熱系數進行分析檢測。樣品尺寸300 mm×300 mm×12 mm，環境溫度23.5℃，冷面設置溫度25.5℃，護熱板設置溫度45.5℃，每組試樣測試3次。

2 結果與分析

2.1 木絲尺寸及添加量對板材性能的影響

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

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

分析其原因可知，當木絲的添加量較少、尺寸較小時，復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作用，且細小纖維比表面積大，易吸水，阻礙了石膏基質間的水化凝結硬化[6]，這些都導致復合材料的抗折強度越低。當木絲的長寬比較大時，木絲自身具有較高的抗拉強度，且板材內部木絲彼此搭接交錯形成交叉網狀結構，有效交接點增多，增強了交接作用和互鎖效應，提升了復合材料的抗折強度。

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

由圖2可以看出，當施加荷載達到最大時，沒有添加木絲的試樣會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復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。不同尺寸木絲下的復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。對于木絲長度為10 mm的細(0.9±0.05)mm、粗(1.8±0.05)mm 2組復合材料而言，木膏比為5%時握螺釘力較純石膏板分別增加了41.9%和78.7%，當木絲添加量增加到20%時，握螺釘力較純石膏板分別提高了156.6%和193.4%。可見復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，說明木絲長度對材料的握螺釘力影響不大。

木絲增強石膏分析其原因可知，由于木絲能在石膏中形成交叉網狀結構，當螺釘受力拔出時，木絲能額外提供水平方向的阻力，從而提高復合材料的握螺釘力；而且木質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出更好的握螺釘力。此外，木絲寬度越大，與螺釘的接觸面積越大，較粗的木絲和螺釘的嚙合作用越強，也導致板材的握螺釘力顯著增強。

2.3 木絲尺寸及添加量對復合材料導熱性能的影響

由圖4可知，尺寸較小的木絲在添加量較少的情況下，板材的導熱系數和對照組相比無顯著差異，且木絲的尺寸對導熱系數的影響不大，這是因為木絲在復合材料中所占體積分數較低，使得材料的導熱系數沒有太大變化。隨著各組木絲的含量不斷增大，復合材料的導熱系數均下降，尤其是隨著木絲長度的增加，材料導熱系數下降的趨勢越明顯。這可能是纖維長度的增加，導致復合材料內部纖維熱量通道變長，熱損失增加，從而使復合材料的導熱系數降低。

圖3 木絲增強石膏復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 木絲增強石膏復合材料的導熱系數的變化Fig.4 The thermal conductivity of the wood filaments reinforced gypsum composite material

當復合材料中木絲的質量分數為20%、寬長比為0.018，即100 mm細木絲和50 mm粗木絲時，板材的導熱系數分別為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 結論與討論

木絲長度和寬度對材料的抗折強度影響顯著。當木膏比為20%，木絲長度100 mm，寬度0.9 mm時，板材的抗折強度為6.20 MPa，與純石膏板相比提高了67.12%。

木絲寬度對材料的握螺釘力影響顯著而長度對其影響不顯著。當木膏比為20%、木絲長度100 mm、寬度1.8 mm時，板材的握螺釘力為391 N，較純石膏提高了193.4%。

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

在試驗條件范圍內，添加木絲質量分數為20%、長度為100 mm的復合石膏板材具有較好的抗折強度、握螺釘力及導熱系數。所制備的木絲增強脫硫石膏板材在建筑內墻墻體材料方面具有一定的應用優勢。該板材的制備可將樺木廢片加工而成的木絲作為增強材料，以工業副產物脫硫石膏為無機凝膠材料，在提高傳統無紙面石膏力學強度的基礎上，既可以為國內脫硫石膏的循環利用和深加工提供解決思路，也為天然纖維增強石膏材料的進一步研究及在建材領域的應用提供了一定的理論依據。