漂白化學(xué)桉木漿的摻入對硅酸鈣板物理性能的影響

楚守興 楊仁黨 陳敬福 王 陽，*

（1.華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州，510640；2.三樂建材集團(tuán)，廣東肇慶，526238）

硅酸鈣板是以硅質(zhì)、鈣質(zhì)材料為基材，無機(jī)礦物纖維或植物纖維等為增強(qiáng)材料，經(jīng)制漿、成形、蒸汽養(yǎng)護(hù)形成[1-2]。因其具有輕質(zhì)、環(huán)保、高強(qiáng)度、外觀效果多樣化等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于建筑外墻、裝修吊頂、地鐵、機(jī)場等場所[3-4]。出于對硅酸鈣板防火性能的考慮，纖維添加量不可超過8%，且主要以長纖維作為增強(qiáng)纖維。針葉木漿纖維具有合適的長徑比、較高的楊氏模量、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[5]，是理想的硅酸鈣板增強(qiáng)纖維。環(huán)保可再生的植物纖維[6-7]用作硅酸鈣板的增強(qiáng)纖維順應(yīng)了綠色建材發(fā)展的趨勢[8]。一般而言，植物纖維添加量占硅酸鈣板的6%～10%，由于現(xiàn)有的硅酸鈣板的生產(chǎn)過程中添加的都是單一的、昂貴的針葉木漿纖維，其成本占到了硅酸鈣板生產(chǎn)過程中成本的50%～60%。同時(shí)，針葉木漿中半纖維素含量少，而半纖維素的吸水潤脹性優(yōu)于纖維素[9]。半纖維素優(yōu)異吸水潤脹性能一方面對細(xì)纖維化和分絲帚化[10]有利，使得纖維表面可以吸附[11]更多粉料；另一方面提升木漿纖維與基體之間的黏結(jié)（見圖1）。闊葉木漿具有價(jià)格低廉，半纖維素含量高等優(yōu)點(diǎn)[12-13]，與針葉木漿纖維搭配使用，不僅可以改善硅酸鈣板的性能，還可以降低其生產(chǎn)成本，對實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。

圖1 纖維在硅酸鈣板中的分布示意圖Fig.1 Schematic diagram of fiber distribution in calcium silicate board

因此，本研究在制備硅酸鈣板過程中，摻入了不同用量的漂白化學(xué)桉木漿（bleached chemical eucalyptus pulp，以下簡寫為BCEP），通過調(diào)整未漂硫酸鹽針葉木漿（unbleached kraft softwood pulp，以下簡寫為UKSP）和BCEP的配比，研究了其添加量對硅酸鈣板彎曲強(qiáng)度、層間結(jié)合強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度以及孔隙率等關(guān)鍵性能的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料與儀器

1.1.1 實(shí)驗(yàn)原料

BCEP，浙江某紙廠；陰離子聚丙烯酰胺（APAM，分子質(zhì)量1800萬～2000萬），日本三菱化工；UKSP、石英粉、消石灰、硅酸鹽水泥，三樂建材集團(tuán)。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

本實(shí)驗(yàn)所用實(shí)驗(yàn)儀器具體見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)儀器Table 1 Experimental instrument

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 漿料打漿

采用PFI磨漿機(jī)按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 29287—2012打漿，在10%漿濃的條件下，進(jìn)行零間距打漿，并將UKSP和BCEP分別磨漿至35 °SR和30 °SR。

1.2.2 硅酸鈣板制備

（1）絮凝劑的配制

準(zhǔn)確稱取0.6 g APAM于2 L的燒杯中，加入1 L水，在300 r/min的條件下攪拌30 min，待APAM分散均勻，燒杯中形成均一、穩(wěn)定的膠體時(shí)，停止攪拌，轉(zhuǎn)移至試劑瓶中備用。

（2）硅酸鈣板制備

實(shí)驗(yàn)室硅酸鈣板的制備采用澆鑄成形法。按照單一因素控制變量的原則，分別加入0（空白樣，只添加UKSP，用量為硅酸鈣板絕干質(zhì)量的8%）、10%（BCEP替換UKSP的比例，下同）、20%、30%、40%BCEP纖維，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條件下攪拌10 min后，最后加入絮凝劑，2000 r/min轉(zhuǎn)速下攪拌5 min，再使用成型器澆鑄成形，壓機(jī)脫水后送往蒸養(yǎng)釜，180 ℃下進(jìn)行蒸壓養(yǎng)護(hù)12 h。具體制備過程如圖2所示。

圖2 硅酸鈣板制備流程圖Fig.2 Preparation flow chart of calcium silicate board

1.3 檢測方法

1.3.1 物理性能測定

采用拉伸壓縮材料試驗(yàn)機(jī)使用三點(diǎn)彎曲法（見圖3）測試不同BCEP纖維添加量硅酸鈣板的力學(xué)性能。測試條件為：跨距7 cm，加載速度0.5 mm/min。

圖3 三點(diǎn)彎曲法示意圖Fig.3 Schematic diagram of three-point bending method

硅酸鈣板的抗沖擊強(qiáng)度的計(jì)算取彎曲強(qiáng)度-位移曲線圖中，彎曲強(qiáng)度降到最大破壞載荷的50%彎曲強(qiáng)度-位移曲線的積分值。

1.3.2 SEM分析

采用掃描電子顯微鏡（SEM）來觀察不同BCEP纖維添加量硅酸鈣板的形貌和表面微觀結(jié)構(gòu)。測試方法：樣品充分干燥后制成小塊，將樣品按順序貼在樣品臺(tái)的導(dǎo)電膠上，噴金處理后進(jìn)行觀察。

1.3.3 層間結(jié)合強(qiáng)度測定

采用電腦伺服拉力試驗(yàn)機(jī)測試不同BCEP纖維添加量硅酸鈣板的層間結(jié)合強(qiáng)度。制樣方法：樣品切成50 mm×50 mm的方形試塊，用膠粘在試樣臺(tái)上，待膠水凝固后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.3.4 孔隙率測定

根據(jù)GB/T 7019—2014纖維水泥制品實(shí)驗(yàn)方法來測試不同BCEP纖維添加量硅酸鈣板的孔隙率，在水介質(zhì)中測定，取3個(gè)樣品，其最終孔隙率數(shù)值為3個(gè)樣品的平均值，計(jì)算如式(1)所示。

式中，K為硅酸鈣板的孔隙率，%；m1為硅酸鈣板干燥后的質(zhì)量，g；m2為硅酸鈣板的飽水質(zhì)量，g；m3為硅酸鈣板在水中的懸浮質(zhì)量，g。

1.3.5 紅外光譜分析

采用傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR）對不同BCEP添加量硅酸鈣板進(jìn)行掃描測試。掃描參數(shù)：掃描次數(shù)32次，掃描速度0.2 cm/s，波數(shù)范圍400～4000 cm-1，分辨率 4 cm-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 物理性能分析

使用拉伸壓縮材料試驗(yàn)機(jī)采用三點(diǎn)彎曲方法來測試不同BCEP纖維添加量對硅酸鈣板力學(xué)性能的影響，結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，未添加BCEP的硅酸鈣板其彎曲強(qiáng)度為17.1 MPa，當(dāng)BCEP添加量為10%和20%時(shí)，其彎曲強(qiáng)度分別為17.5 MPa、17.3 MPa，相對于未添加BCEP的硅酸鈣板分別提高了0.4 MPa和0.2 MPa。而其添加量為30%和40%時(shí)，硅酸鈣板的彎曲強(qiáng)度為14.4 MPa和13.9 MPa，相較于未添加BCEP的板材，其強(qiáng)度損失較為明顯，分別為15.8%和18.5%。上述彎曲強(qiáng)度發(fā)生變化的原因可能是隨著BCEP的適量加入，BCEP中的半纖維素吸水潤脹，一方面促進(jìn)了針葉木漿的細(xì)纖維化和分絲帚化，使得纖維表面可以吸附更多粉料；另一方面提升木漿纖維與基體之間的摩擦力，充分發(fā)揮“配筋”作用[14]，提升板材的強(qiáng)度，但是隨著其添加量的增加，BCEP纖維短且長徑比小的缺點(diǎn)[15]越發(fā)突出，削弱了針葉木長纖維的“橋接”作用[16]，且半纖維素大量吸水潤脹，使得板材疏松多孔，強(qiáng)度顯著降低。

圖4 不同BCEP添加量硅酸鈣板的力學(xué)性能圖Fig.4 Mechanical propertiy of calcium silicate board with different addition amounts of BCEP

硅酸鈣板的抗沖擊強(qiáng)度測定結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出，隨著BCEP添加量的提高，硅酸鈣板的抗沖擊強(qiáng)度呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢。未添加BCEP硅酸鈣板的抗沖擊強(qiáng)度為9.5 kJ/m2，當(dāng)BCEP添加量為20%時(shí)，硅酸鈣板的抗沖擊強(qiáng)度達(dá)到最大值，為10.5 kJ/m2，相較于未添加BCEP的板材提高了10.5%。其原因是當(dāng)BCEP添加量為20%時(shí)，BCEP中的短纖維充分與針葉木漿中的長纖維相互交織成網(wǎng)，更加緊密，一方面吸附截留住更多的粉料，另一方面當(dāng)硅酸鈣板受到外力沖擊時(shí)，交織緊密的纖維網(wǎng)絡(luò)更好地分擔(dān)了應(yīng)力，從而保護(hù)了硅酸鈣板。其添加量繼續(xù)增加時(shí)，針葉木漿長纖維的“橋接”作用減弱，與基體的接觸面積減小，摩擦力減小，從而導(dǎo)致硅酸鈣板強(qiáng)度降低。

圖5 不同BCEP添加量硅酸鈣板抗沖擊強(qiáng)度圖Fig.5 Impact strength diagram of calcium silicate board with different addition amount of BCEP

2.2 微觀形貌分析

使用SEM來觀察不同BCEP纖維添加量硅酸鈣板的形貌和表面微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，不同BCEP纖維添加量硅酸鈣板中生成了大量的層狀、片狀或者板狀的托貝莫來石晶體，這說明BCEP纖維的加入不會(huì)影響托貝莫來石晶體的形成與生長。這些層狀、片狀或者板狀的托貝莫來石晶體，一方面相互交叉形成致密的連鎖結(jié)構(gòu)為硅酸鈣板提供物理強(qiáng)度；另一方面又形成了微小的孔隙，約在幾十到幾百納米之間，這也是硅酸鈣板具有高強(qiáng)度、低密度的原因之一。

圖6 不同BCEP添加量硅酸鈣板SEM圖Fig.6 SEM images of calcium silicate board with different addition amount of BCEP

2.3 層間結(jié)合強(qiáng)度分析

使用電腦伺服拉力試驗(yàn)機(jī)對不同BCEP纖維添加量硅酸鈣板層間結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行測試，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，隨著BCEP添加量的提高，硅酸鈣板的層間結(jié)合強(qiáng)度呈現(xiàn)出先平穩(wěn)升高再大幅下降的趨勢，BCEP添加量為20%時(shí)，硅酸鈣板層間結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到最大，1.54 MPa。其原因可能是制備硅酸鈣板過程中加入適量的BCEP能夠充分發(fā)揮出短纖維的“配筋”作用，提升木漿纖維與基體之間的摩擦力，提升板材層間結(jié)合力，但隨著其添加量的增加，BCEP纖維短且長徑比小的缺點(diǎn)越發(fā)突出，削弱了針葉木長纖維的“橋接”主導(dǎo)作用，且半纖維素大量吸水潤脹，使得板材疏松多孔，從而導(dǎo)致硅酸鈣板層間結(jié)合強(qiáng)度顯著降低。

圖7 不同BCEP添加量硅酸鈣板層間結(jié)合強(qiáng)度Fig.7 Interlayer bonding strength of calcium silicate board with different addition amounts of BCEP

2.4 孔隙率分析

孔隙率是硅酸鈣板的重要性能指標(biāo)之一，較大孔隙率使得硅酸鈣板吸水率升高，抗凍融性能降低，影響硅酸鈣板的使用壽命[17-18]。本研究根據(jù)GB/T 7019—2014 纖維水泥制品實(shí)驗(yàn)方法測試不同BCEP纖維添加量硅酸鈣板的孔隙率，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，隨著BCEP添加量的提高，所制硅酸鈣板的密度呈現(xiàn)出先下降后穩(wěn)定的趨勢，而硅酸鈣板的吸水率和孔隙率呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢。其原因可能是BCEP中半纖維素含量高，制備硅酸鈣板過程中其吸水潤脹性能強(qiáng)于纖維素，含量越高其吸水潤脹就越強(qiáng)，因此其吸水率呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢。隨著硅酸鈣板中水分減少，BCEP吸附的水分蒸發(fā)，大量的BCEP纖維收縮，進(jìn)而導(dǎo)致其與板材基體之間產(chǎn)生大量孔隙[19-20]，因此孔隙率也呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢。當(dāng)其應(yīng)用于建筑外墻時(shí)，吸水率高會(huì)導(dǎo)致低溫時(shí)板材凍裂，嚴(yán)重縮短板材的使用壽命。綜合考慮，當(dāng)BCEP添加量為20%時(shí)，孔隙率和吸水率達(dá)到最佳平衡點(diǎn)。

圖8 不同BECP添加量硅酸鈣板的吸水率、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 紅外光譜分析

采用傅里葉變換紅外光譜儀對不同BCEP纖維添加量硅酸鈣板進(jìn)行掃描測試，其結(jié)果如圖9所示。從圖9中可以看出，當(dāng)BECP添加量為0、10%、20%、30%和40%時(shí)，制備的硅酸鈣板的紅外吸收峰的位置基本一致，不同紅外吸收波數(shù)對應(yīng)不同的官能團(tuán)。圖9中以3618 cm-1為中心出現(xiàn)一個(gè)寬而鈍的吸收峰，此處的峰來源于水分子中的O—H彎曲振動(dòng)峰，在1643 cm-1處有一非對稱的O—H伸縮振動(dòng)峰。在3349 cm-1處有一非對稱的仲N—H伸縮振動(dòng)峰，其產(chǎn)生原因是制備硅酸鈣板中加入了APAM。由于原料的Ca/SiO2摩爾比約為0.29，與最佳的Ca/SiO2摩爾比0.83相差較多，因此所制備的硅酸鈣板會(huì)產(chǎn)生過量的SiO2，在1042 cm-1處有1個(gè)Si—O非對稱伸縮振動(dòng)峰，在626 cm-1處有1個(gè)Si—O—Si對稱伸縮振動(dòng)峰，在454 cm-1處有1個(gè)Si—O彎曲振動(dòng)峰[21]。結(jié)合2.2中的SEM圖可以得知，不同比例BCEP的加入對最終硅酸鈣板的物理性能以及微觀晶型沒有負(fù)面影響。

圖9 不同BCEP添加量硅酸鈣板的FT-IR譜圖Fig.9 FT-IR spectra of calcium silicate board with different addition amount of BCEP

3 結(jié) 論

本研究在制備硅酸鈣板過程中摻入漂白化學(xué)桉木漿（BCEP），通過調(diào)整未漂硫酸鹽針葉木漿（UKSP）和BCEP的配比，對不同BCEP添加量的硅酸鈣板的彎曲強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度、表面形貌、層間結(jié)合強(qiáng)度及孔隙率進(jìn)行了測試和分析。

3.1 從力學(xué)性能圖和抗沖擊強(qiáng)度圖中可以看出，隨著BCEP添加量的提高，硅酸鈣板彎曲強(qiáng)度呈現(xiàn)出先小幅提高后大幅降低的趨勢，抗沖擊強(qiáng)度呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，層間結(jié)合強(qiáng)度呈現(xiàn)出先平穩(wěn)升高再大幅下降的趨勢。當(dāng)BCEP添加量為20%時(shí)，硅酸鈣板的抗沖擊強(qiáng)度達(dá)到最大值，為10.5 kJ/m2，相對于只添加UKSP的硅酸鈣板，提高了10.5%；彎曲強(qiáng)度為17.3 MPa，相對于只添加UKSP的硅酸鈣板，提高了0.2 MPa；層間結(jié)合強(qiáng)度達(dá)1.54 MPa。

3.2 不同BCEP纖維添加量硅酸鈣板中生成了大量的層狀、片狀或者板狀且相互交叉的托貝莫來石晶體，賦予硅酸鈣板輕質(zhì)高強(qiáng)的特性，這說明BCEP的加入不會(huì)影響托貝莫來石晶體的形成與生長。

3.3 隨著BCEP添加量的提高，所制備硅酸鈣板的密度呈現(xiàn)出先下降后穩(wěn)定的趨勢，而硅酸鈣板的吸水率和孔隙率呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢，綜合考慮，BECP添加量為20%時(shí)，孔隙率和吸水率達(dá)到最佳平衡點(diǎn)。

3.4 當(dāng)BCEP添加量為0、10%、20%、30%和40%時(shí)，所制備的硅酸鈣板紅外吸收峰的位置基本一致，表明BECP的加入并未影響硅酸鈣板的生產(chǎn)。