水泥人造板的制備及改性發展現狀與前景*

苑許碩 李曉寶 孫振炳 李曉平

（西南林業大學云南省膠黏劑與膠合制品重點實驗室，云南 昆明 650224）

《中國人造板產業報告2021》顯示，2020年我國人造板總產量3.110 1億m3，同比增長0.8%，再創歷史新高[1]。我國用于人造板材的膠黏劑大多為合成樹脂型膠黏劑，而有機合成膠黏劑的生產會對環境和人類健康造成不利影響，因為其以不可再生的石油資源為原料，且生產與使用過程中會釋放大量游離甲醛。

近年來，隨著國家制定雙碳目標、推行新型墻體材料等一系列政策標準，使得人們將目光放在了環保、高性能的水泥人造板上。水泥人造板作為新型建筑材料中的一員，與傳統人造板材、混凝土制品、粘土磚、石材相比，具有其獨特的優點。水泥人造板成本低廉、綠色環保、耐蟲耐腐、吸音隔音、易于加工，且施工速度快、勞動生產率高[2]，被廣泛應用于裝修、墻體、消防等領域。但水泥人造板也存在著一些不足，如：植物纖維在硅酸鹽水泥中耐久性差的缺陷等，限制了水泥人造板在國內的生產與發展。目前，已有學者對水泥人造板的原料改性和快速固化工藝進行了研究，生產制備出了具有優異性能的水泥人造板。

羧甲基纖維素具有良好的保水性、成膜性、水溶性、黏結性和增稠性，近年來也被用于改性水泥基材料。羧甲基纖維素溶于水后在水泥的堿性環境下具有良好的粘結效果，其立體網絡結構與水泥水化產物之間相互貫穿連接，調節了水泥基材料的力學性能。但目前關于羧甲基纖維素應用于水泥人造板中的改性研究較少。本文概述水泥人造板的分類及應用研究，綜述水泥人造板改性的現狀進展及羧甲基纖維素應用于水泥基材料的研究，旨在為水泥人造板的改性和可持續發展提供研究思路。

1 水泥人造板的概念及其發展概況

1.1 水泥人造板

水泥人造板主要以硅酸鹽水泥為膠黏劑，在其中混入刨花、纖維、木絲等原料，加入水和化學助劑，經混合攪拌、成型、加壓和養護而制成的一種人造板[3]。其被認為是一種性能優良、綠色環保的新型輕質建筑材料，也是國家大力推廣的重要墻體材料之一。按照纖維原料的形狀不同，水泥人造板可分類為：水泥刨花板、水泥木絲板、水泥纖維板[4]。

1.2 水泥人造板的應用

1.2.1 水泥刨花板

水泥刨花板具有高強度、防水阻燃、適用性廣泛等特點，主要作為建筑材料在各國使用，包括非承重的內外墻樓地板、預制房屋、隔音墻等[5-7]。北美將水泥刨花板制成的屋頂板取代被禁用的石棉產品。日本將水泥刨花板主要用作防火、防水的建筑材料[8]。瑞士利用水泥刨花板制成空心磚，用于低層與高層建筑[9]。S.O.Amiandamhen[10]等使用木材殘留物制得水泥刨花板，認為其可做為建筑結構的天花板。此外，水泥刨花板還可作為家具行業和建筑工程中木制品的替代品[11]。

1.2.2 水泥木絲板

水泥木絲板于奧地利生產后，在歐洲各地得到了廣泛應用。其使用厚度為0.2～0.5 mm的木絲作為原料，以1～2 mm寬細木絲為原料的細絲產品用作吸音板，以3～5 mm寬粗木絲為原料的粗絲產品用作隔熱板[12]。最初的水泥木絲板是一種密度為350～550 kg/m3的輕質板材[13]，其強度較低，抗彎強度較差。為得到更適合作為建筑材料的產品，研究學者們提高板的強度后研發出了艾托板、大型水泥木絲墻板等產品。

（1）艾托板

20世紀90年代，荷蘭Eltomation公司使用了寬度為8mm的木絲作為原料，研發出了密度為800～900 kg/m3的高強度艾托板（Elto Board），又稱為水泥木線板。其密度僅為水泥刨花板密度的70%[14]，處于傳統水泥木絲板與水泥刨花板之間，但在主要性能方面可達到甚至優于水泥刨花板的水平。此外，艾托板的生產能力與生產成本均優于傳統的水泥木絲板及其他多數板材，使其更適合作為低成本房屋建材。

（2）大型水泥木絲墻板

水泥木絲板的產品形式多為條狀，為擴大其應用范圍，瑞典Traullit公司于2003年成功研發了一種大型水泥木絲墻板，并申請了歐洲專利[15]，他們用其建造了1～2層的別墅和聯排別墅。2009年，山東農業大學建造了一棟兩層的水泥木絲板樣板房，經過長時間的觀察，該建筑的保溫、隔音、調濕效果均良好[16]。大型水泥木絲墻板的開發在一定程度上減少了現場墻體砌筑工作，最大程度上節約了現場施工時間。

1.2.3 水泥纖維板

研究者在以往的研究中使用天然纖維作為硅酸鹽水泥膠粘劑的增強材料，研究發現，在水泥基材料中摻入一定量的纖維后，纖維在其中呈隨機的分布，水泥固化后可有效提高材料的各項性能。尹如霞[17]測試了添加稻草纖維摻量為水泥質量的3%、5%、6%、8%的復合材料與素水泥基材料相比的性能。結果表明，當稻草纖維摻量為5%時，水泥基材料的抗沖擊性能提升最為顯著。郝聰杰[18]使用桉木纖維制得實際密度為1 300 kg/m3左右的水泥纖維板，適用于非承重的內墻板、天花板、地板等領域。Schabowicz K[19]等人分析了水泥纖維板作為外墻覆層在發生火災時的承載能力變化。Hasan K[20]等人的研究評估了利用硅酸鹽水泥和匈牙利七種不同木本植物的混合纖維，生產了厚度為12 mm、密度約為1 200 kg/m3的水泥纖維板。并通過熱重分析和差熱分析表明該水泥纖維板具有較好的熱穩定性，可作為潛在的建筑保溫板。

2 水泥人造板的生產工藝

水泥人造板可采用半干法（也稱為冷壓法）進行生產（圖1）。該生產過程是在混合配料時加入盡可能少的水，使混合物呈半干狀態后均勻鋪裝在墊板上，然后送至壓機加壓，鎖緊加壓裝置后水泥發生固化，卸模，自然養護一段時間至板材干燥，最后進行鋸邊、砂光處理、表面裝飾等工作。

圖1 半干法生產水泥人造板流程圖

半干法生產工藝加工簡單、能耗低。郝聰杰[21]等研究表明，桉木紙漿纖維與水泥的相適性較好，采用半干法制備木漿纖維水泥板可行。但由于硅酸鹽水泥的水化是一個非常緩慢的過程，使用傳統半干法生產的水泥人造板需要較長的加壓、養護時間[22]，時間與設備的能耗限制了水泥人造板生產的發展。因此，國內外學者們不斷進行著水泥人造板生產工藝的優化及創新。

1989年芬蘭Raurna-Repola公司和匈牙利Falco公司合作設計了一種通過噴射二氧化碳氣體生產水泥刨花板的工藝[23]。該工藝是在冷壓板坯的同時將CO2氣體通過特定的裝置噴射到板坯上，使板坯可以在幾分鐘內迅速獲得脫模硬化強度，從而縮短加壓時間[24]。劉義海[25]等使用CO2氣體噴射法生產水泥刨花板，結果表明：加壓時間可從冷壓法的8 h縮短至4～5 min，但采用CO2氣體噴射法壓制的水泥刨花板強度低于采用冷壓法生產的水泥刨花板。Hermawan D[26]等通過傳統的冷壓法生產水泥刨花板，然后使用氣態或超臨界CO2進行固化處理，這使得水泥刨花板的固化明顯加速。

快速固化技術可以縮短水泥人造板的生產周期，但由于可操作性、可靠性、成本等問題，快速固化工藝在我國的實施與推廣存在局限性，應用的規模與產量不大，目前水泥人造板的生產仍以半干法為主，快速固化技術仍然是目前需解決的重大課題。

3 水泥人造板的不足及改性研究

3.1 原材料的不足

水泥人造板作為一種新型墻體材料，與傳統人造板相比，水泥人造板中硅酸鹽水泥膠粘劑對木材的膠合強度不高，植物纖維在水泥基體中的耐久性不強，這是由于水泥漿是一種pH值為11～12的堿性介質，造成某些木材種類與水泥之間存在不相容性[27-28]。

水泥人造板中的植物纖維原料由纖維素、半纖維素、木質素和少量抽出物以及灰分等物質組成[29]，這些物質均會在不同程度上影響水泥的水化反應。與此同時，水泥基體的堿性環境也會對植物纖維的機械性能造成影響。Weber H[30]和Bever MB[31]研究認為水泥刨花板中木材的糖分含量若超過0.6%，則這些木材種類不適合與水泥混合。Ashori A[32]等人利用桉樹（赤桉）和楊樹（美洲黑楊）制造水泥木絲板，試驗表明：楊木纖維增強復合材料的力學性能明顯高于桉樹板材，這可能是因為楊樹的抽提物少，與水泥的相容性較好。

3.2 國內發展的不足

在瑞士、德國、日本等國家，強重比大、易加工、性能良好的水泥人造板常被作為建筑材料。在我國，人造板大多被應用于家具、包裝領域。而水泥人造板在建筑領域的優勢更為突出，但我國通常為鋼筋混凝土建筑，這使得人們對新型墻體材料的認可度、接受度不高；此外，與混凝土制品相比，水泥人造板的容重較輕，僅為混凝土容重的一半，但可達到較高的強度[33]。但是與傳統人造板材相比，雖然水泥人造板的生產成本低廉，但自重大造成了水泥人造板的運輸成本較高，也導致了國內水泥人造板工廠規模不大，無法大規模引進外國的先進生產線。這使得國內的水泥人造板在產量、品種、質量上與國外相比還很落后。

針對該問題，李曉平等[34]認為利用工業大麻稈來制備輕質刨花板和輕質無機人造板是可行的；俞友明[35]對輕質水泥刨花板進行了系統研究，認為在其試驗范圍內，輕質水泥刨花板的生產以刨花長度為6 cm、刨花厚度為0.2～0.5 mm、灰木比為2.0時較佳。

3.3 水泥人造板的改性研究

目前，學者們對水泥人造板進行的一些改性研究主要是圍繞以下兩方面進行的：一是對木質纖維進行預處理，以提高其與水泥的相適性，降低其對水泥硬化的阻凝作用；另一個解決方法是改性硅酸鹽水泥膠黏劑。

3.3.1 對植物纖維的改性

Melichar T[36]等通過實驗證明了增加刨花濕度對水泥刨花板的水化過程和最終性能具有輕微負面影響，這很可能是刨花中的糖分被釋放出來導致的，其認為通過水洗從木材中提取糖是可能的。湯正捷[37]等采用高溫干燥技術，探討了刨花不同的高溫處理條件對刨花和水泥混合物水化熱以及水泥刨花板力學性能的影響。試驗結果表明，170℃、2.5 h是刨花的最優處理條件。Pereira C[38]等用葡萄牙生長的海松、藍膠和針葉材刨花制成水泥刨花板，實驗發現改善性能的最佳方法是添加交聯劑CaCl2。

3.3.2 對硅酸鹽水泥膠黏劑的改性

硅酸鹽膠黏劑雖有性能穩定、價格低廉等諸多優點，但其是一種脆性材料，易收縮開裂、耐水性不高、抗彎與抗拉效果均較差，且因為水泥的孔洞分布不均、粘結效果不強等因素，會削弱材料的整體結構，導致水泥人造板力學性能不強，因此對水泥進行改性顯得尤為重要。

Akinyemi B A[39]等人對使用丙烯酸乳液聚合物改性水泥基材料進行了研究，其中竹纖維作為增強材料，研究發現，竹纖維大大提高了復合建筑材料的熱性能，而丙烯酸聚合物的加入也在很大程度上阻礙了水分滲入毛細管網絡。此后，Akinyemi B A[40]等人也對使用硅烷基防水劑改性水泥基體進行了研究。還有學者對硅酸鹽水泥的碳化進行了研究，認為碳化導致水泥基材料的堿度降低，從而提高水泥與木材的相適性。Almeida[41]等人評估了早期碳化對桉樹紙漿增強水泥基復合材料的機械、物理性能和微觀結構的影響。結果表明，碳化可以減輕水泥基復合材料中纖維素纖維的降解，從而使其在水泥的侵蝕性條件下保持良好的機械性能，這使得復合材料的機械性能更好、耐久性提高。

4 CMC的概念及其在水泥改性方面的應用

羧甲基纖維素因其優良的保水、增稠和緩凝性能，也被廣泛應用于水泥基材料中[42]。但將其應用于水泥人造板的研究較少，本研究使用羧甲基纖維素對硅酸鹽水泥膠黏劑進行改性，作為提高水泥人造板性能的一種方法。

4.1 CMC的概念及制備

羧甲基纖維素（Carboxymethyl Cellulose）簡稱CMC。CMC上的羧酸基團使其可以攜帶不同的陽離子，其中羧甲基纖維素的鈉鹽CMC-Na具有易溶于水、易發生反應等特點得到了最為普遍的應用，因此通常將工業生產和生活中使用的羧甲基纖維素鈉稱為CMC。CMC是纖維素的水溶性衍生物[43]。其作為當今世界上應用最廣、用量最大的纖維素醚類之一，不僅具備與纖維素相同的優點[44]，還具備了天然纖維所沒有的黏結性、增稠性、水溶性等特點，被廣泛應用于食品、醫藥、造紙、石油開采等行業[45]。

羧甲基纖維素最早由德國于1918年制得，其制備工藝簡單、成本低廉。制備CMC可以使用木材、棉花、蘆葦等，也可利用農業廢棄物及其他廢棄物，這是由于此類材料的主要成分之一是纖維素。將纖維素分子中的脫水葡萄糖結構單元（AGU）經過堿處理后，通過與一氯乙酸醚化作用在纖維素分子上引入羧甲基（CH3COO），就制得羧甲基纖維素。Adinugraha[46]等人利用香蕉假莖制備出純度達98.23%的工業級羧甲基纖維素鈉。李歡[47]以廢棄一次性紙杯為原料成功制備高取代度的CMC，這能夠減少對傳統原材料的投資成本，并且為廢棄一次性紙杯的回收利用提供了新的途徑。

4.2 CMC在水泥改性方面的研究應用

CMC改性硅酸鹽膠黏劑具有獨特的優越性，國內外學者對其進行了深入研究并取得了很多有意義的成果。

4.2.1 緩凝作用

P.C.Mishra[48]等發現水泥的初凝和終凝時間分別為130和230 min，添加量為0.05%CMC的水泥初始和最終凝固時間分別為160和320 min，添加量為4%CMC的水泥初始和最終凝固時間分別為706和783 min，表明CMC起到了緩凝劑的作用。

4.2.2 保水、增稠和防開裂作用

王京軍[49]在實施大壩除險加固工程中，在一般地層泥漿配比中添加了0.05%～0.1%的CMC，在漏失地層泥漿配比中添加了0.1%～0.2%的CMC，結果表明，CMC的添加顯著改善了大壩的滲流情況。王成祥[50]等在研究不同纖維和摻合料對混凝土面板前后期抗裂性能的影響時，發現CMC對防止混凝土早期開裂性能優異。魏征[51]在分析CMC對砂漿作用的保水性能作用機理時中，通過SEM掃描電鏡發現CMC在砂漿中水解以后有網絡結構和片狀結構鉸接在一起，其中水泥顆粒和水泥水化晶體穿插在里面。

4.2.3 調節力學性能作用

Zhang[52]等人發現CMC用量為7.5%時，可使硅酸鹽膠黏劑強度提高56.3%。LüGaole[53]等人的實驗結果表明，聚合物CMC-PSS/PVAc在適當的水灰質量比和聚合物/水泥質量比條件下，能顯著提高水泥砂漿的力學性能。

然而，CMC對水泥基材料也具有一定的引氣作用，導致水泥基材料的孔隙率增加，密實度降低，從而導致強度降低[54]，但這些氣體能夠有效降低砂漿內部的毛細孔壓應力從而減小砂漿的收縮[55]。劉鵬飛[56]在機噴水泥砂漿的制備與性能研究時，對比砂漿容重隨CMC摻量變化的柱狀圖，發現CMC的摻量在低于0.3%時幾乎無引氣作用。

Clotilde Capacchione[57]等人使用羧甲基纖維素經水解和磺乙基化制備羧甲基纖維素超塑化劑(CMC SP)，研究了其作為新型高效減水劑在水泥基材料中的性能。LüGaole[53]等人和呂高磊[58]的研究中采用CMC作為底物，分別合成接枝共聚物乳液CMC-PSS/PVAc和CMC-g-PSSNa/PVAc，并進行了其在減少用水量的同時影響水泥基材料性能的研究。

5 CMC應用于水泥人造板的可行性分析

CMC是一種聚合物，在水中具有高溶解性，且能夠在水泥顆粒表面形成非常薄的不透水膜，增加了水泥基材料的粘性與密封效果[59-60]。其在水泥漿內部形成較高韌性和強度的聚合物微纖維甚至聚合物膜對水泥漿的微裂縫具有“橋接”作用，從而改善水泥的強度[54]。CMC的加入延緩水泥的凝結與硬化，這對于提高水泥人造板的可操作時間有利，但也存在延緩水泥人造板生產進度的可能。CMC的保水性有利于防止原料中的水分過早蒸發或被吸收，確保水泥在凝結硬化期間得到充分水化。除此之外，CMC的加入對于水泥人造板在抗凍性、耐老化性、耐腐蝕性方面也有一定的提高。

在原料利用方面，水泥人造板中的木材作為原材料的比例要遠遠低于傳統的刨花板[9]。此外，天然纖維素材料是地球上最豐富的可再生資源之一，這使得制備CMC的原料豐富、成本價格低廉，與此同時有助于廢棄物的管理和有效利用。

6 結語與展望

水泥人造板是一種具有良好的功能性、耐用性、可加工性的板材，其生產有效降低對木材資源的消耗，提高對木材的綜合利用，減少板材中的游離甲醛，對人造板產業的可持續發展具有重要意義。水泥人造板的應用與推廣，迎合了我國政策性法規的發展趨勢，并且建筑業的快速發展也為其發展創造了契機。眾多優勢為高性能環保的水泥人造板的發展提供了廣闊空間，發展輕質高強度的水泥人造板成為新型建筑材料發展的趨勢。

但水泥人造板存在原材料相適性差、國內認可度不高等問題，使其發展仍有一定的局限性。目前，對于水泥人造板的改性研究主要都是圍繞植物纖維的預處理，以及提高硅酸鹽水泥膠黏劑的性能來進行的。利用CMC改性的水泥砂漿具有諸多優異特性，目前在石油鉆采、建筑工程、大壩修補加固等方面對水泥改性已有研究及應用，但其用于改性水泥人造板的研究較為少見。若將CMC的使用推廣到水泥人造板中，可能會使水泥人造板內部結構更致密、均勻，從而增強水泥人造板的性能。

另外，由于CMC的分子參數、摻量、原料的攪拌方式、養護條件等因素的不同，其改性水泥人造板的性能必然會有差別，我們還需對CMC影響水泥人造板的機理進行深化研究，以制得性能優異的水泥人造板，使其在現實生活中得到更好地應用。同時還應根據國內實際生產需要，加強水泥人造板的研究與實踐，提高其在國內的認可度。