乳胶粉和玻纤对玻化微珠保温材料性能的影响

发布日期:2015-03-05 17:05:11

乳胶粉和玻纤对玻化微珠保温材料性能的影响和玻化微珠

乳胶粉和玻纤对玻化微珠保温材料性能的影响,以玻化微珠、水泥、粉煤灰、乳胶粉为原材料,经模压成型制备玻化微珠保温材料,研究了可 再分散乳胶粉对其力学性能和耐水性能的影响,分析了乳肢粉作用机理;利用苯丙乳液对耐碱玻 纤进行表面处理,分别研究处理前后玻纤对玻化微珠保温材料力学性能的影响,并利用扫描电镜 对试样断口微观形貌进行观察和分析,探讨了玻纤增强机理•结果表明:乳胶粉质量占玻化微珠质 量的4%时,试样抗折强度、抗压强度较空白试样分别提高了 48. 00% ,20.83%,试样的2,24 h吸 水率分别降低了 71. 37%和66. 94%;当玻纤质量占玻化微珠质量的1.0%时,掺加经过表面处理 玻纤的试样与掺加未经表面处理玻纤的试样相比,前者的抗折强度提高35. 71%,抗压强度提 高 8. 34%.

外墙保温是建筑节能的重要组成部分,乳胶粉和玻纤对玻化微珠保温材料性能的影响,性能优 异的保温材料是实现能源节约的关键.传统建筑保 温材料为聚苯乙烯泡沫塑料、聚氨酯硬质泡沫塑料 等有机保温材料,虽然其保温隔热性能好,但存在防 火性差的严重缺陷&3].玻化微珠板、岩棉板、膨胀珍 珠岩板等无机保温材料具有密度小、保温隔热性能 好、不燃烧等诸多优点,是目前较理想的保温材料, 但是其力学性能一般较差,吸水率较高[4 5].加人水 泥可以改善其力学性能和防水性能,但水泥掺量的 增加会使保温板密度增大、导热系数增高,导致其保 温效果较差,而通过掺加乳胶粉和纤维可减少水泥 用量,提高保温材料强度,降低材料吸水率,使制品 轻质高强.
1试验
1.1试验原材料
玻化微珠:山东创智新材料科技有限公司生产, 其外观形貌和内部结构的SEM(扫描电镜)照片见 图1,2;水泥:某水泥厂生产的42. 5R快硬硫铝酸盐 水泥;粉煤灰:山东某热电厂生产的I级灰,其性能 符合GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉 煤灰》的各项要求;纤维:某玻纤公司生产的耐碱玻 纤,具有良好的分散性,密度为2 500〜2 700 kg/m3, 弹性模量为74 GPa,抗拉强度为1 800 MPa,抗拉极 限延伸率为2. 4%;可再分散乳胶粉:山东新大地工 贸有限公司生产的XDD~503胶粉,成分为乙烯/醋 酸乙烯/叔碳酸乙烯的共聚产物,堆积密度为500〜 600 kg/m3,PH值5〜8,灰分质量分数为(12 士 2)%,不挥发物质量分数不小于98%,最低成膜温 度为0 °C ;苯丙乳液:某涂料公司生产的S400 F型 苯丙乳液.
L 2耐碱玻纤表面处理
将耐碱玻纤置于苯丙乳液中浸泡20 min后取 出,挤压尽残余的苯丙乳液,在自然条件下干燥,将 其均匀分散后待用.由于空气中存在水分,玻纤表面 常常牢固地吸附着一层水分子,并与玻纤组成中的 碱金属相互作用,在纤维表面形成硅羟基M.经苯丙 乳液浸泡后,纤维表面的硅羟基通过范德华力与乳 液大分子相互结合,从而在玻纤表面形成一层有机 乳液包覆层.图3是未经表面处理和经过表面处理 的耐碱玻纤SEM照片.由图3可以看出,未经表面 处理的耐碱玻纤表面光滑,而经过表面处理的玻纤 表面被大量苯丙乳液覆盖包裹,明显粗糙化,致使其 比表面积增加,可以期望其在复合材料中具有更好 的机械啮合性,乳胶粉和玻纤对玻化微珠保温材料性能的影响,与水泥等胶凝物质结合更牢固.
外惨乳胶粉和耐械 玻化微珠质量的百分数表示.试 I S组,其中A组试样(A0〜A5)
&掺量最优的基础上,分别掺加 过表面处理玻纤的试样:试样 [的玻纤,其掺量分别为0.6%, ;试样S1〜S4掺经过处理的玻 6%,0.8%,1.0%,1.2%.将干 后,加水搅拌均匀,置于500 mm 模具中,模压成型(成型压力为 F静置0.5 h后脱模,得到尺寸 mX40 mm的玻化微珠保温板 )C泥标准养护箱(20°C,相对湿 再放人110 °C电热恒温鼓风干 2次称量试样质量变化率小于 燥处冷却至室温,待用.
6—2008《无机硬质绝热制品试 1294—2008《绝热材料稳态热阻 防护热板法》,将材料加工成相 干密度、抗折强度、抗压强度、质 女;采用 QUANTA FEG 250 型 ^样的断口微观形貌进行观察.
分析
粉最佳掺置的确定
t料的导热系数、强度和吸水率 fff变化的情况如表1和图4所 备温材料导热系数随乳胶粉掺量 由图4(a)可知,不同乳胶粉掺 S强度和抗折强度得到不同程度
的提高;随着乳胶粉掺量增加,材料抗压强度呈先增 大后减小的趋势,当乳胶粉掺量超过4%之后,材料 的抗压强度降低,这是因为聚合物膜的弹性模量低 于水化产物,过多的聚合物膜在一定程度上可视为 材料中的孔隙,使材料承受压应力的能力减弱[7_8]; 随着乳胶粉掺量增加,材料抗折强度呈逐渐增大的 趋势,当乳胶粉掺量超过4%之后,材料的抗折强度 趋于稳定.从图4(b)可以看出,随着乳胶粉掺量增 加,材料的吸水率先减小后趋于稳定,当乳胶粉掺量 达到4%之后,再增加其掺量对材料吸水率影响不 明显.由此,可再分散乳胶粉掺量选定为4%,此时试 样A4的抗压强度、抗折强度分别为0. 58,0. 37 MPa, 较空白试样A0分别提高20. 83%,48. 00%;2,24 h 吸水率分别为16. 2%和39.8%,较空白试样A0分 别降低71. 37%和66. 94% ;材料干密度和导热系数 分别为282 kg/m3和0• 067 WAm . K),符合相关标 准要求.
表2不同播置的未经处理玻纤对试样性能的影响 Table 2 Effect of different contents of untreated glass fiber on the performance of samples
Fiber DryThermalStrength/MPa
Code contentCby density/ conductivity/ 
mass)/% (kg*m-3) (W-m-'-K-1) Compressive Flexural
A402820.0670. 580. 37
R10. 62820. 0680. 580. 38
R20.82830.0670. 590. 40
R31.02810.0670. 600. 42
R41.22840. 0680.580. 41
图5为不同掺量的经过表面处理玻纤对玻化微 珠保温材料干密度和强度影响的测试结果.由图5 可知,玻纤掺量的不同对保温材料干密度影响较小; 随着玻纤掺量增加,材料抗压强度和抗折强度均
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呈先增大后减小的趋势.玻纤的掺加增强了材料强 度,当玻纤掺量为1.0%时,试样S3的抗压强度峰 值为0.65 MPa,较掺加未经表面处理玻纤的试样 R3提高了 8. 34% ;试样S3的抗折强度峰值为 0. 57 MPa,较掺加未经表面处理玻纤的试样R3提 高了 35. 71%.但当玻纤掺量过大时,玻纤彼此缠 绕,容易结团成束,在材料内部分布不均匀,从而使 材料产生应力集中,其抗折强度反而下降.对于抗压 强度而言,过多玻纤的掺人相当于引人了孔隙缺陷, 使材料容易发生破裂,反而对材料抗压强度产生不 利影响.经以上分析,经过表面处理的玻纤掺量选定 为1.0%,此时试样S3的干密度和导热系数分别为 283 kg/m3和0.068 W^m • K),均符合相关标准 要求. 
图5不同掺量、经过表面处理的玻纤对试样干密度和强度的影响 Fig. 5 Effect of different contents of treated glass fiber on dry density and strength of samples 
2.3乳胶粉和玻纤对保温材料作用机理分析
2. 3.1可再分散乳胶粉对保温材料的作用机理 试样A0和S3的断面微观形貌如图6所示.由 图6(a)可见,未掺乳胶粉试样A0的骨料-基体界面 结合疏松,水化产物零星覆盖粘结在骨料表面,结合 界面存在大量孔隙;由图6(b)可见,掺加乳胶粉试 样S3的骨料-基体界面结合紧密,界面处没有明显 的孔隙和裂纹,原因是聚合物膜填充在界面间隙,减
(a) Sample A0(b) Sample S3
图6试样A0和S3的断面微观形貌 Fig. 6 Micromorphology on the section of samples A〇, S3
少了界面处孔隙,提高了结合界面密实程度,显著增 加了骨料与基体结合的牢固程度,并阻碍了界面处 微裂纹的产生和发展,宏观表现为材料的强度增加.
将水加人到物料中后,乳胶粉迅速与水相互作 用形成聚合物乳液,并均匀分布在基体中.随着水化 反应的进行,乳液粒子逐渐失水形成高分子聚合物 膜,覆盖在骨料、水泥颗粒、玻纤等表面或填充于其 孔隙中,同时与水泥、粉煤灰水化产物相互交联,提 高了保温材料的防水性能和力学性能.为了进一步 说明乳液对玻化微珠保温材料的作用机理,构造出 保温材料结构形成模型示于图7.结构形成过程分 为4个步骤:(a)基体中的乳液粒子分布到骨料、水 泥颗粒、粉煤灰颗粒、水化产物凝胶体和玻纤表面或 周围;(b)随着水化反应的进行,水化产物增多,同时 乳液粒子失水,开始融合形成分散均匀的小面积高 分子聚合物膜,初步形成了由水化产物和髙分子聚 合物膜组成的复合胶凝体系;(c)随着水化过程持续
图7保温材料结构形成模型
Fig. 7 Models of structure formation of insulation material
进行以及水分不断散失,乳液粒子进一步失水生成 更多的聚合物膜,乳胶粉和玻纤对玻化微珠保温材料性能的影响,且聚合物膜彼此结合长大,覆盖或 包裹骨料、水泥颗粒、粉煤灰颗粒、玻纤、水化产物, 填充于骨料、水泥颗粒、玻纤之间的孔隙中,使各种 物料的结合界面得到加强;(d)在水泥水化和表层蒸 发的作用下,乳液失水形成的聚合物膜与水化产物 之间协调发展,两者相互穿插、交联,并与骨料、玻纤 结合为一个较为牢固的整体,形成贯穿于材料内部 的三维空间网状结构,从而阻碍了材料内部微裂纹 的产生与扩展,同时嵌人水泥水化产物内部的聚合 物膜彼此连接成为不规则聚合物薄膜网络,具有“类 纤维”的增强作用,使保温材料的抗折、抗压强度和 防水性能得到提高.
2.3.2经过表面处理的耐碱玻纤对保温材料的作 用机理
玻纤具有弹性模量大、抗拉强度高的特性,适量 经过表面处理的耐碱玻纤在材料中均匀乱向分布,可 形成三维空间网状的支撑结构•当材料受到抗折破坏 时,外力在材料表面产生微裂纹,裂纹尖端会产生应 力集中致使裂纹扩展,其扩展将受到纤维的阻碍和拦 截,削弱外力的破坏作用,并缓解裂纹尖端应力集中; 玻纤具有微筋络作用,其抗弯矩和抗拉能力强,当其 拉伸甚至拉断时会消耗大量的能量,特别是经过处理 后的玻纤,其表面粗糙度较高,与聚合物膜和水化产 物结合较好,当其从材料内部拔出时,需要克服更大 的界面黏结力和摩擦力,表现在宏观上即为材料抗折 强度增加;当材料受到抗压破坏时,材料主要依靠其 基体材料强度来抵抗压力破坏,而玻纤只能承担有限 的压力载荷,所以玻纤对材料抗压强度的增强作用明 显弱于其对抗折强度的增强作用.
试样S3断口处的玻纤微观形貌见图8.试样断 口中拔出的玻纤表面被大量胶凝物质覆盖,玻纤拔 出断面发生在基体内,说明玻纤与胶凝物质之间存 在较为牢固的界面层,使玻纤与胶凝物质之间紧密 黏结,从而在试样内部形成密实的“玻纤-胶凝材料- 骨料”结构.图8中1点处的C,0元素含量较高,说 明玻纤-基体界面层上含有大量有机聚合物;且1点 处含有Al,Ca元素,说明界面处含有水泥水化产 物,因此得出玻纤与基体的界面层由水化产物和聚 合物膜交织构成的结论.良好的结合界面层提髙了 玻纤与基体的黏结强度,其黏结强度越高,玻纤对材 料的增强作用就越好.一方面,玻纤可跨接裂纹,通 过良好的界面层将裂纹分离的部分桥接起来,当材 料受到外界应力作用时,外力沿着三维空间分布的 玻纤传递,并通过玻纤-基体之间的牢固界面层继续 传递到基体,可以有效分散应力,控制裂纹的进一步 扩展,且在此传递过程中消耗外力能量,使材料的 强度得到大幅提高;另一方面,结合界面层上问时 存在具有良好韧性的苯丙聚合物膜和胶粉聚合物 膜,可缓冲外部作用力,钝化保温材料裂纹尖端的 应力集中,并有效抑制界面处裂纹的扩展,从而提 高材料强度. 
 
图8试样S3断口处的玻纤微观形貌
Fig. 8 Micromorphology of glass fiber on the fracture of the sample S3 
3结论
(1)掺加可再分散乳胶粉可以明显改善玻化微 珠保温材料的力学性能和耐水性能.在乳胶粉掺量 为4%时,保温材料的抗折强度、抗压强度较空白试 样分别提高了 48. 00%,20. 83%;2,24 h吸水率较 空白试样则分别降低了 71. 37%和66. 94%.
(2)经苯丙乳液表面处理后的玻纤与基体的结 合界面层由水化产物和聚合物膜交织构成,乳胶粉和玻纤对玻化微珠保温材料性能的影响,能有效 抑制裂纹的扩展和增强界面结合强度,显著提高材 料的力学性能.当经过表面处理的玻纤掺量为 1. 0%时,材料抗折强度较掺加未经表面处理玻纤试 样提高了 35. 71%,抗压强度提高了 8. 34%.
(3)体系中乳胶粉失水可形成聚合物膜,嵌入水 化产物内部,连接成不规则薄膜网络,使材料强度和 防水性能得到提高.玻纤的存在可形成空间网状支 撑结构,有效缓解应力集中,阻挡裂纹扩展.当玻纤 经苯丙乳液处理后,玻纤-基体间可形成较为牢固的 界面层,通过界面层将外力传递、分散到基体,且界 面层上存在靭性的聚合物膜,能有效缓冲外部作用 力,从而提高材料强度.
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