一種高強耐水型玻璃纖維增強增韌石膏板及其製備方法與流程
2023-08-22 17:58:31 1
本發明具體涉及一種高強耐水型玻璃纖維增強增韌石膏板及其製備方法，屬於建築領域。
背景技術：
石膏用於建築有許多優良特性，它的硬化體絕熱性能和吸音性能良好，防火性能好，硬化時體積略有膨脹，可使硬化體表面光滑飽滿，乾燥時不開裂，裝飾性好，可加工性好等等。由於石膏是一種脆性基體，雖然具有優異的抗壓性能，但其抗折抗彎強度低，因而需要通過某種方式改善石膏的抗彎抗折性能。近十多年來，對石膏牆板的改性研究獲得極大的成果，改性後的石膏板在國內外得到廣泛應用。我國目前生產的建築石膏製品主要有紙面石膏板、空心石膏條板、纖維石膏板、石膏砌塊和裝飾石膏製品等。但組成石膏板的半水石膏在水化形成二水石膏的過程中會使板體內部產生大量孔隙，相比密實的石膏板，高孔隙率的石膏板的抗壓強度會大打折扣，這就限制石膏板材的進一步的推廣與應用。
專利cn104944882a公開了一種高強耐水石膏板複合板材及其製備工藝，利用乙醇、酚醛樹脂、矽烷偶聯劑與碳酸丙烯酯配製成改性液，對脫硫石膏進行改性，並在5mpa～20mpa，90℃～200℃下熱壓成型，製得所述石膏板。雖然，這種改性石膏板具有較為優異的防水性能，但其仍然以石膏作為主要的受力材料，因而其板材的抗彎抗折性能有限；而且，這種石膏板的製備工藝複雜，需在一定溫度和壓力下成型，而且所用材料多，製備的成本也比一般的石膏板高。
專利cn86105530a發明了一種輕質高強耐水裝飾石膏板的製備方法，利用聚乙烯醇、脲醛樹脂和石蠟乳液在石膏板表面形成一層防水膜，從而賦予石膏板材一定的防水能力。但是，這種耐水石膏板的製備工藝流程複雜，且石蠟屬於烷烴混合物，其熔點低，而聚乙烯醇和脲醛樹脂都屬於有毒有害物質，脲醛樹脂在使用過程中會向環境中釋放甲醛，因而通過該專利所述方法製得的輕質高強耐水裝飾石膏板不宜用於建築裝飾。
專利cn20140243040.4公開了一種高強石膏板的製備方法，其原理在於將單層的石膏板做成多層複合的石膏板，在每一層中都引入玻璃纖維、植物纖維等增強增韌材料，從而克服了傳統製備工藝中石膏板本身對於增強增韌材料的限制。但是，這種複合石膏板的生產工藝十分複雜，每一層板都由3層甚至以上的材料構成，這大大增加了實際生產成本。此外，多層石膏板層與層之間的結合力的減弱或不足導致石膏板的損壞是使用過程中的一種隱患。
專利cn201320471968.3公開了一種增強玻璃纖維高強防火保溫石膏板，該專利中所述的石膏板為雙層結構，一層是嵌有網格布的石膏板層和結合與石膏板基材表面的保溫層。由於石膏板基材與表面保溫層的力學性質的不同，當石膏板在使用過程中受到外力的作用導致變形時，層與層之間的應變存在差異，這種應力差異很可能導致表面保溫層的剝落。
市場上現有的具有保溫、保溼、增強增韌、防火防水等複合性能的石膏板多為多層複合石膏板，成本高、製備工藝複雜，而且這種石膏板在使用過程中易因層與層之間的力學、熱學等性質的差異導致石膏板的損壞。此外，現有的石膏板內部大多孔隙率高，石膏板的很難達到理想的抗壓強度。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術存在的不足而提供一種高強耐水型玻璃纖維增強增韌石膏板及其製備方法，內部孔隙率低，結構密實，石膏板的抗壓強度、抗彎強度高，且具有較好的防水能力，方法簡單易行、成本低，適合於大規模工業生產。
本發明為解決上述提出的問題所採用的技術方案為：
一種高強耐水型玻璃纖維增強增韌石膏板，其原料按重量份計為：α型半水石膏1000份、二水石膏50～100份、輕質碳酸鈣10～50份、玻璃纖維100～200份、水300～400份、鋁鋯偶聯劑10.3～11.5份。
按上述方案，原料中的α半水石膏與二水石膏的合成材料來源於源於氨鹼法純鹼廠副產的氯化鈣廢液和硫酸鈉。具體地，以氯化鈣與硫酸鈉為原料合成二水石膏，純度高，caso4·2h2o的含量可達99％以上，並用高純度的二水石膏在常壓水熱條件下轉化生產α半水石膏。
按上述方案，所述玻璃纖維優選e-玻璃纖維。
按上述方案，所述α半水石膏的橫向尺寸為20～40μm，長徑比為1：1～5。
按上述方案，所述二水石膏的縱向尺寸為100～300μm，長徑比為1：5～15。
本發明所述的高強耐水型玻璃纖維增強增韌石膏板的製備方法，主要步驟如下：
步驟一、按本發明所述原料配比稱取半水石膏、二水石膏、輕質碳酸鈣、玻璃纖維、水和鋁鋯偶聯劑，備用；
步驟二、將鋁鋯偶聯劑與水混合均勻，形成鋁鋯偶聯劑溶液；將玻璃纖維均勻分散到鋁鋯偶聯劑溶液中，得到表面帶有疏水基團的改性玻璃纖維的溶液；
步驟三、將步驟二所得改性玻璃纖維的溶液加入到半水石膏、二水石膏及輕質碳酸鈣的混合物中，使半水石膏水化，攪拌使各組分混合均勻，得到混合漿體；
步驟四、將混合漿體注入到模具中，脫模後的試樣經養護，即得高強耐水型玻璃纖維增強增韌石膏板。
按上述方案，所述步驟三中攪拌時間控制在3min鍾內完成。
本發明的基本原理：鋁鋯偶聯劑與水混合均勻，形成鋁鋯偶聯劑溶液，通過在常溫下簡單的混合操作加入玻璃纖維後，鋁鋯偶聯劑改性玻璃纖維，水溶液中的部分偶聯劑與玻璃纖維表面的羥基反應，形成-si-o-m-鍵(其中m為al或zr)，就可以在玻璃纖維表面引入大量疏水性的偶聯劑，使得玻璃纖維與改性後的二水石膏、輕質碳酸鈣的相互作用力增強，提高了石膏板內部各組分的相互結合力，該反應過程如圖1所示。
而表面帶有疏水基團的改性玻璃纖維的溶液加入到半水石膏、二水石膏和輕質碳酸鈣的混合物中，鋁鋯偶聯劑與半水石膏在水溶液中反應，半水石膏表面的羥基與偶聯劑的親水性基團的相互作用，可以引起部分被偶聯劑包覆的水滴與半水石膏的定向反應形成二水石膏，一方面大大減少了水的用量，降低了石膏板內部的孔隙率，另一方面又恰當的在水化生成的二水石膏表面引入偶聯劑(已經形成的二水石膏表面的羥基為未成鍵的偶聯劑提供了新的化學吸附位點)，從而使新生成的二水石膏表面修飾上一層鋁鋯偶聯劑，形成表面疏水的改性二水石膏(即新生成的二水石膏也發生改性)，提高了石膏板的防水性能；外摻的二水石膏由於其本身具有較高的長徑比，再經改性後在石膏板中可以起到一定的纖維增強增韌的作用，且二水石膏是工業固廢的合成產物，可以降低石膏板的製備成本；未完全反應的偶聯劑可以繼續與輕質碳酸鈣反應，使碳酸鈣表面也修飾上疏水性的官能團；具體反應過程如圖2和圖3所示。
與現有技術相比，本發明的有益效果是：
1、本發明所述的玻璃纖維增強增韌石膏板的內部孔隙率低，結構密實，石膏板的抗壓強度、抗彎強度高，且具有較好的防水能力，方法簡單易行、成本低，適合於大規模工業生產，在建築房屋的內牆與屋頂等方面具有廣泛的用途，在房屋的外牆裝飾領域具有良好的應用前景。
2.本發明利用低成本的鋁鋯偶聯劑改性玻璃纖維、二水石膏與輕質碳酸鈣，使這些高強石膏板的增強增韌材料表面修飾上一層疏水的有機官能團，大幅提高材料的防水性能。
3.本發明中，α-半水石膏與水反應形成二水石膏可以為未被吸附的鋁鋯偶聯劑提供吸附位點，使偶聯劑能夠儘可能多地被吸附，提高偶聯劑的利用率，降低成本；而新生成的二水石膏也由於被偶聯劑吸附，具備了一定的防水能力，板材整體的防水性能也因此進一步得到保證。
4.本發明以氨鹼法純鹼廠副產的氯化鈣廢液和硫酸鈉為原料，製備二水石膏與半水石膏，製備的二水石膏的長徑比良好，可以部分替代玻璃纖維作為纖維增強增韌材料；二水石膏的純度也較高，水化後可以獲得較高的強度，這種高效利用工業固廢的方法可以降低氯化鈣廢液對環境的汙染，實現了工業副產物的高效利用，提高了工業生產的經濟效益與環境效益。
附圖說明
圖1為步驟二中鋁鋯偶聯劑改性e玻璃纖維的反應過程；
圖2為步驟三中α型半水石膏與偶聯劑的作用過程；
圖3為步驟三中輕質碳酸鈣與偶聯劑的反應過程。
具體實施方式
為了更好地理解本發明，下面結合實施例進一步闡明本發明的內容，但本發明不僅僅局限於下面的實施例。
下述實施例中，均利用氨鹼法純鹼廠副產的氯化鈣廢液和硫酸鈉為原料，在一定溫度下合成二水石膏，並利用常壓水熱法製備α型半水石膏。
實施例1
一種高強耐水型玻璃纖維增強增韌石膏板，其原料按重量份計為：α型半水石膏1000份、二水石膏50份、輕質碳酸鈣20份、長度為15mm的e-玻璃纖維150份、水400份、鋁鋯偶聯劑11份。
上述高強耐水型玻璃纖維增強增韌石膏板的製備方法，其製備方法如下：
步驟一、稱取半水石膏1kg、二水石膏50g、輕質碳酸鈣20g、15mm長e玻璃纖維150g、水400g、鋁鋯偶聯劑11g，備用；
步驟二、將鋁鋯偶聯劑加入到水中，用玻璃棒攪拌使偶聯劑與水混合均勻，然後加入玻璃纖維，繼續攪拌3min使玻璃纖維分散均勻，並使偶聯劑與纖維表面形成化學作用，得到表面帶有疏水基團的改性玻璃纖維的溶液；
步驟四、將表面帶有疏水基團的改性玻璃纖維的溶液加入到α型半水石膏、二水石膏及輕質碳酸鈣的混合物中，用攪拌器攪拌混合均勻5min，使半水石膏水化，並使鋁鋯偶聯劑與石膏表面形成化學結合，得到混合均勻的漿體；
步驟五、將混合均勻的漿體注入40mm×40mm×160mm的模具內，1.5h後脫模，脫模後的試樣在室溫下自然養護0.5h後，得高強耐水型玻璃纖維增強增韌石膏板。自然氧護0.5h時，測試其石膏板的抗壓強度為33.2mpa，抗折強度14.2mpa；兩小時後測得2h絕幹吸水率為1.98％；並按照《中華人民共和國jct698-1998》所述的石膏板的軟化係數測試方法測得軟化係數為0.88。
實施例2～6
實施例2～6中所述的高強耐水型玻璃纖維增強增韌石膏板及其製備方法，其具體實施步驟與實施例1基本相同，原料配比、製備工藝參數不同，具體如表1所示，各項性能指標結果也如表1所示。
表1.實施例2～6中原料配比、製備工藝參數及所得石膏板性能
將上述實施例結果相互對比(實施例2為空白對照組)，可知，在半水石膏用量一致的條件下，二水石膏和玻璃纖維的加入可以使石膏板的抗折強度提升38％以上，鋁鋯偶聯劑的加入可以改善石膏板的防水性能，加入鋁鋯偶聯劑後的石膏板的軟化係數可提高28％以上，吸水率也大幅降低。這說明，利用本發明所述的方法製備的增強增韌耐水型石膏板的各項性能都得到明顯提升。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明創造構思的前提下，還可以做出若干改進和變換，這些都屬於本發明的保護範圍。