漂白化學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.華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室，廣東廣州，510640；2.三樂建材集團，廣東肇慶，526238）

硅酸鈣板是以硅質、鈣質材料為基材，無機礦物纖維或植物纖維等為增強材料，經制漿、成形、蒸汽養護形成[1-2]。因其具有輕質、環保、高強度、外觀效果多樣化等優點，被廣泛應用于建筑外墻、裝修吊頂、地鐵、機場等場所[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、綠色環保等優點[5]，是理想的硅酸鈣板增強纖維。環?？稍偕闹参锢w維[6-7]用作硅酸鈣板的增強纖維順應了綠色建材發展的趨勢[8]。一般而言，植物纖維添加量占硅酸鈣板的6%～10%，由于現有的硅酸鈣板的生產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過程中成本的50%～60%。同時，針葉木漿中半纖維素含量少，而半纖維素的吸水潤脹性優于纖維素[9]。半纖維素優異吸水潤脹性能一方面對細纖維化和分絲帚化[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（見圖1）。闊葉木漿具有價格低廉，半纖維素含量高等優點[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，還可以降低其生產成本，對實際的工業生產具有重要意義。

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桉木漿（bleached chemical eucalyptus pulp，以下簡寫為BCEP），通過調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度、層間結合強度、抗沖擊強度以及孔隙率等關鍵性能的影響。

1 實 驗

1.1 實驗原料與儀器

1.1.1 實驗原料

BCEP，浙江某紙廠；陰離子聚丙烯酰胺（APAM，分子質量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。

1.1.2 實驗儀器

本實驗所用實驗儀器具體見表1。

表1 實驗儀器Table 1 Experimental instrument

1.2 實驗方法

1.2.1 漿料打漿

采用PFI磨漿機按照國家標準GB/T 29287—2012打漿，在10%漿濃的條件下，進行零間距打漿，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、穩定的膠體時，停止攪拌，轉移至試劑瓶中備用。

（2）硅酸鈣板制備

實驗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轉速下攪拌5 min，再使用成型器澆鑄成形，壓機脫水后送往蒸養釜，180 ℃下進行蒸壓養護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機使用三點彎曲法（見圖3）測試不同BCEP纖維添加量硅酸鈣板的力學性能。測試條件為：跨距7 cm，加載速度0.5 mm/min。

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

硅酸鈣板的抗沖擊強度的計算取彎曲強度-位移曲線圖中，彎曲強度降到最大破壞載荷的50%彎曲強度-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構。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的導電膠上，噴金處理后進行觀察。

1.3.3 層間結合強度測定

采用電腦伺服拉力試驗機測試不同BCEP纖維添加量硅酸鈣板的層間結合強度。制樣方法：樣品切成50 mm×50 mm的方形試塊，用膠粘在試樣臺上，待膠水凝固后進行實驗。

1.3.4 孔隙率測定

根據GB/T 7019—2014纖維水泥制品實驗方法來測試不同BCEP纖維添加量硅酸鈣板的孔隙率，在水介質中測定，取3個樣品，其最終孔隙率數值為3個樣品的平均值，計算如式(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量，g；m2為硅酸鈣板的飽水質量，g；m3為硅酸鈣板在水中的懸浮質量，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添加量硅酸鈣板進行掃描測試。掃描參數：掃描次數32次，掃描速度0.2 cm/s，波數范圍400～4000 cm-1，分辨率 4 cm-1。

2 結果與討論

2.1 物理性能分析

使用拉伸壓縮材料試驗機采用三點彎曲方法來測試不同BCEP纖維添加量對硅酸鈣板力學性能的影響，結果如圖4所示。由圖4可以看出，未添加BCEP的硅酸鈣板其彎曲強度為17.1 MPa，當BCEP添加量為10%和20%時，其彎曲強度分別為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，硅酸鈣板的彎曲強度為14.4 MPa和13.9 MPa，相較于未添加BCEP的板材，其強度損失較為明顯，分別為15.8%和18.5%。上述彎曲強度發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，一方面促進了針葉木漿的細纖維化和分絲帚化，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，充分發揮“配筋”作用[14]，提升板材的強度，但是隨著其添加量的增加，BCEP纖維短且長徑比小的缺點[15]越發突出，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，強度顯著降低。

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

硅酸鈣板的抗沖擊強度測定結果如圖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度呈現出先升高后降低的趨勢。未添加BCEP硅酸鈣板的抗沖擊強度為9.5 kJ/m2，當BCEP添加量為20%時，硅酸鈣板的抗沖擊強度達到最大值，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BCEP添加量為20%時，BCEP中的短纖維充分與針葉木漿中的長纖維相互交織成網，更加緊密，一方面吸附截留住更多的粉料，另一方面當硅酸鈣板受到外力沖擊時，交織緊密的纖維網絡更好地分擔了應力，從而保護了硅酸鈣板。其添加量繼續增加時，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，從而導致硅酸鈣板強度降低。

圖5 不同BCEP添加量硅酸鈣板抗沖擊強度圖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構，結果如圖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構為硅酸鈣板提供物理強度；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 層間結合強度分析

使用電腦伺服拉力試驗機對不同BCEP纖維添加量硅酸鈣板層間結合強度進行測試，結果如圖7所示。由圖7可知，隨著BCEP添加量的提高，硅酸鈣板的層間結合強度呈現出先平穩升高再大幅下降的趨勢，BCEP添加量為20%時，硅酸鈣板層間結合強度達到最大，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，提升板材層間結合力，但隨著其添加量的增加，BCEP纖維短且長徑比小的缺點越發突出，削弱了針葉木長纖維的“橋接”主導作用，且半纖維素大量吸水潤脹，使得板材疏松多孔，從而導致硅酸鈣板層間結合強度顯著降低。

圖7 不同BCEP添加量硅酸鈣板層間結合強度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GB/T 7019—2014 纖維水泥制品實驗方法測試不同BCEP纖維添加量硅酸鈣板的孔隙率，結果如圖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出先下降后穩定的趨勢，而硅酸鈣板的吸水率和孔隙率呈現出逐漸升高的趨勢。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于纖維素，含量越高其吸水潤脹就越強，因此其吸水率呈現出逐漸升高的趨勢。隨著硅酸鈣板中水分減少，BCEP吸附的水分蒸發，大量的BCEP纖維收縮，進而導致其與板材基體之間產生大量孔隙[19-20]，因此孔隙率也呈現出逐漸升高的趨勢。當其應用于建筑外墻時，吸水率高會導致低溫時板材凍裂，嚴重縮短板材的使用壽命。綜合考慮，當BCEP添加量為20%時，孔隙率和吸水率達到最佳平衡點。

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行掃描測試，其結果如圖9所示。從圖9中可以看出，當BECP添加量為0、10%、20%、30%和40%時，制備的硅酸鈣板的紅外吸收峰的位置基本一致，不同紅外吸收波數對應不同的官能團。圖9中以3618 cm-1為中心出現一個寬而鈍的吸收峰，此處的峰來源于水分子中的O—H彎曲振動峰，在1643 cm-1處有一非對稱的O—H伸縮振動峰。在3349 cm-1處有一非對稱的仲N—H伸縮振動峰，其產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產生過量的SiO2，在1042 cm-1處有1個Si—O非對稱伸縮振動峰，在626 cm-1處有1個Si—O—Si對稱伸縮振動峰，在454 cm-1處有1個Si—O彎曲振動峰[21]。結合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 論

本研究在制備硅酸鈣板過程中摻入漂白化學桉木漿（BCEP），通過調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度、抗沖擊強度、表面形貌、層間結合強度及孔隙率進行了測試和分析。

3.1 從力學性能圖和抗沖擊強度圖中可以看出，隨著BCEP添加量的提高，硅酸鈣板彎曲強度呈現出先小幅提高后大幅降低的趨勢，抗沖擊強度呈現出先升高后降低的趨勢，層間結合強度呈現出先平穩升高再大幅下降的趨勢。當BCEP添加量為20%時，硅酸鈣板的抗沖擊強度達到最大值，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；層間結合強度達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，賦予硅酸鈣板輕質高強的特性，這說明BCEP的加入不會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出先下降后穩定的趨勢，而硅酸鈣板的吸水率和孔隙率呈現出逐漸升高的趨勢，綜合考慮，BECP添加量為20%時，孔隙率和吸水率達到最佳平衡點。

3.4 當BCEP添加量為0、10%、20%、30%和40%時，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。