乳膠粉和玻纖對玻化微珠保溫材料性能的影響

李小龍， 李國忠

（濟南大學建筑材料制備與測試技術山東省重點實驗室，山東濟南250022）

外墻保溫是建筑節能的重要組成部分，性能優異的保溫材料是實現能源節約的關鍵.傳統建筑保溫材料為聚苯乙烯泡沫塑料、聚氨酯硬質泡沫塑料等有機保溫材料，雖然其保溫隔熱性能好，但存在防火性差的嚴重缺陷[1－3].玻化微珠板、巖棉板、膨脹珍珠巖板等無機保溫材料具有密度小、保溫隔熱性能好、不燃燒等諸多優點，是目前較理想的保溫材料，但是其力學性能一般較差，吸水率較高[4－5].加入水泥可以改善其力學性能和防水性能，但水泥摻量的增加會使保溫板密度增大、導熱系數增高，導致其保溫效果較差，而通過摻加乳膠粉和纖維可減少水泥用量，提高保溫材料強度，降低材料吸水率，使制品輕質高強.

1 試驗

1.1 試驗原材料

玻化微珠：山東創智新材料科技有限公司生產，其外觀形貌和內部結構的SEM（掃描電鏡）照片見圖1，2；水泥：某水泥廠生產的42.5R快硬硫鋁酸鹽水泥；粉煤灰：山東某熱電廠生產的Ⅰ級灰，其性能符合GB／T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的各項要求；纖維：某玻纖公司生產的耐堿玻纖，具有良好的分散性，密度為2 500～2 700kg／m3，彈性模量為74GPa，抗拉強度為1 800MPa，抗拉極限延伸率為2.4%；可再分散乳膠粉：山東新大地工貿有限公司生產的XDD－503膠粉，成分為乙烯／醋酸乙烯／叔碳酸乙烯的共聚產物，堆積密度為500～600kg／m3，pH值5～8，灰分質量分數為（12± 2）%，不揮發物質量分數不小于98%，最低成膜溫度為0℃；苯丙乳液：某涂料公司生產的S400F型苯丙乳液.

圖1 玻化微珠外觀形貌Fig.1 External morphology of glazed hollow bead

圖2 玻化微珠內部結構Fig.2 Internal structure of glazed hollow bead

1.2 耐堿玻纖表面處理

將耐堿玻纖置于苯丙乳液中浸泡20min后取出，擠壓盡殘余的苯丙乳液，在自然條件下干燥，將其均勻分散后待用.由于空氣中存在水分，玻纖表面常常牢固地吸附著一層水分子，并與玻纖組成中的堿金屬相互作用，在纖維表面形成硅羥基[6].經苯丙乳液浸泡后，纖維表面的硅羥基通過范德華力與乳液大分子相互結合，從而在玻纖表面形成一層有機乳液包覆層.圖3是未經表面處理和經過表面處理的耐堿玻纖SEM照片.由圖3可以看出，未經表面處理的耐堿玻纖表面光滑，而經過表面處理的玻纖表面被大量苯丙乳液覆蓋包裹，明顯粗糙化，致使其比表面積增加，可以期望其在復合材料中具有更好的機械嚙合性，與水泥等膠凝物質結合更牢固.

圖3 耐堿玻纖表面微觀形貌Fig.3 Micromorphology on the surface of alkali－resistant glass fiber

1.3 試驗方法

前期研究表明，玻化微珠保溫材料的密度和導熱系數均隨水泥和粉煤灰摻量（本文所涉及的摻量均指質量分數）的增加而增大，水泥摻量為40%，粉煤灰摻量為10%時，保溫材料的密度和導熱系數分別為278kg／m3，0.068W／（m·K），符合相關要求.本文試驗中固定玻化微珠、水、水泥、粉煤灰的摻量分別為100%，80%，40%，10%；外摻乳膠粉和耐堿玻纖，摻量均以其占玻化微珠質量的百分數表示.試樣分成A組、R組和S組，其中A組試樣（A0～A5）的乳膠粉摻量分別為0%，1%，2%，3%，4%，5%；R組和S組是在乳膠粉摻量最優的基礎上，分別摻加未經表面處理和經過表面處理玻纖的試樣：試樣R1～R4摻未經處理的玻纖，其摻量分別為0.6%，0.8%，1.0%，1.2%；試樣S1～S4摻經過處理的玻纖，其摻量分別為0.6%，0.8%，1.0%，1.2%.將干物料準確計量、混合后，加水攪拌均勻，置于500mm ×300mm×80mm模具中，模壓成型（成型壓力為0.48MPa），在室溫下靜置0.5h后脫模，得到尺寸為500mm×300mm×40mm的玻化微珠保溫板材.板材脫模后，在水泥標準養護箱（20℃，相對濕度95%）中養護7d，再放入110℃電熱恒溫鼓風干燥箱中烘干至恒重（2次稱量試樣質量變化率小于0.2%），然后移至干燥處冷卻至室溫，待用.

依照GB／T 5486—2008《無機硬質絕熱制品試驗方法》和GB／T 10294—2008《絕熱材料穩態熱阻及有關特性的測定 防護熱板法》，將材料加工成相應尺寸，分別測試其干密度、抗折強度、抗壓強度、質量吸水率和導熱系數；采用QUANTA FEG 250型掃描電子顯微鏡對試樣的斷口微觀形貌進行觀察.

2 試驗結果與分析

2.1 可再分散乳膠粉最佳摻量的確定

玻化微珠保溫材料的導熱系數、強度和吸水率隨乳膠粉摻量增加而變化的情況如表1和圖4所示.分析表1可得，保溫材料導熱系數隨乳膠粉摻量的增加變化不明顯.由圖4（a）可知，不同乳膠粉摻量使保溫材料的抗壓強度和抗折強度得到不同程度的提高；隨著乳膠粉摻量增加，材料抗壓強度呈先增大后減小的趨勢，當乳膠粉摻量超過4%之后，材料的抗壓強度降低，這是因為聚合物膜的彈性模量低于水化產物，過多的聚合物膜在一定程度上可視為材料中的孔隙，使材料承受壓應力的能力減弱[7－8]；隨著乳膠粉摻量增加，材料抗折強度呈逐漸增大的趨勢，當乳膠粉摻量超過4%之后，材料的抗折強度趨于穩定.從圖4（b）可以看出，隨著乳膠粉摻量增加，材料的吸水率先減小后趨于穩定，當乳膠粉摻量達到4%之后，再增加其摻量對材料吸水率影響不明顯.由此，可再分散乳膠粉摻量選定為4%，此時試樣A4的抗壓強度、抗折強度分別為0.58，0.37MPa，較空白試樣A0分別提高20.83%，48.00%；2，24h吸水率分別為16.2%和39.8%，較空白試樣A0分別降低71.37%和66.94%；材料干密度和導熱系數分別為282kg／m3和0.067W／（m·K），符合相關標準要求.

表1 不同摻量乳膠粉對試樣導熱系數的影響Table 1 Effect of different contents of latex powder on thermal conductivity of samples

2.2 耐堿玻纖最佳摻量的確定

不同摻量的未經表面處理玻纖對玻化微珠保溫材料性能影響的測試結果如表2所示.由表2可知，玻纖的摻加對材料干密度和導熱系數無明顯影響；未經表面處理玻纖的摻加對材料抗壓強度和抗折強度的提高不十分明顯.

圖4 不同摻量乳膠粉對試樣強度和吸水率的影響Fig.4 Effect of different contents of latex powder on strength and water absorption of samples

表2 不同摻量的未經處理玻纖對試樣性能的影響Table 2 Effect of different contents of untreated glass fiber on the performance of samples

圖5為不同摻量的經過表面處理玻纖對玻化微珠保溫材料干密度和強度影響的測試結果.由圖5可知，玻纖摻量的不同對保溫材料干密度影響較小；隨著玻纖摻量增加，材料抗壓強度和抗折強度均呈先增大后減小的趨勢.玻纖的摻加增強了材料強度，當玻纖摻量為1.0%時，試樣S3的抗壓強度峰值為0.65MPa，較摻加未經表面處理玻纖的試樣R3提高了8.34%；試樣S3的抗折強度峰值為0.57MPa，較摻加未經表面處理玻纖的試樣R3提高了35.71%.但當玻纖摻量過大時，玻纖彼此纏繞，容易結團成束，在材料內部分布不均勻，從而使材料產生應力集中，其抗折強度反而下降.對于抗壓強度而言，過多玻纖的摻入相當于引入了孔隙缺陷，使材料容易發生破裂，反而對材料抗壓強度產生不利影響.經以上分析，經過表面處理的玻纖摻量選定為1.0%，此時試樣S3的干密度和導熱系數分別為283kg／m3和0.068W／（m·K），均符合相關標準要求.

圖5 不同摻量、經過表面處理的玻纖對試樣干密度和強度的影響Fig.5 Effect of different contents of treated glass fiber on dry density and strength of samples

2.3 乳膠粉和玻纖對保溫材料作用機理分析

2.3.1 可再分散乳膠粉對保溫材料的作用機理

試樣A0和S3的斷面微觀形貌如圖6所示.由圖6（a）可見，未摻乳膠粉試樣A0的骨料－基體界面結合疏松，水化產物零星覆蓋粘結在骨料表面，結合界面存在大量孔隙；由圖6（b）可見，摻加乳膠粉試樣S3的骨料－基體界面結合緊密，界面處沒有明顯的孔隙和裂紋，原因是聚合物膜填充在界面間隙，減少了界面處孔隙，提高了結合界面密實程度，顯著增加了骨料與基體結合的牢固程度，并阻礙了界面處微裂紋的產生和發展，宏觀表現為材料的強度增加.

圖6 試樣A0和S3的斷面微觀形貌Fig.6 Micromorphology on the section of samples A0，S3

將水加入到物料中后，乳膠粉迅速與水相互作用形成聚合物乳液，并均勻分布在基體中.隨著水化反應的進行，乳液粒子逐漸失水形成高分子聚合物膜，覆蓋在骨料、水泥顆粒、玻纖等表面或填充于其孔隙中，同時與水泥、粉煤灰水化產物相互交聯，提高了保溫材料的防水性能和力學性能.為了進一步說明乳液對玻化微珠保溫材料的作用機理，構造出保溫材料結構形成模型示于圖7.結構形成過程分為4個步驟：（a）基體中的乳液粒子分布到骨料、水泥顆粒、粉煤灰顆粒、水化產物凝膠體和玻纖表面或周圍；（b）隨著水化反應的進行，水化產物增多，同時乳液粒子失水，開始融合形成分散均勻的小面積高分子聚合物膜，初步形成了由水化產物和高分子聚合物膜組成的復合膠凝體系；（c）隨著水化過程持續進行以及水分不斷散失，乳液粒子進一步失水生成更多的聚合物膜，且聚合物膜彼此結合長大，覆蓋或包裹骨料、水泥顆粒、粉煤灰顆粒、玻纖、水化產物，填充于骨料、水泥顆粒、玻纖之間的孔隙中，使各種物料的結合界面得到加強；（d）在水泥水化和表層蒸發的作用下，乳液失水形成的聚合物膜與水化產物之間協調發展，兩者相互穿插、交聯，并與骨料、玻纖結合為一個較為牢固的整體，形成貫穿于材料內部的三維空間網狀結構，從而阻礙了材料內部微裂紋的產生與擴展，同時嵌入水泥水化產物內部的聚合物膜彼此連接成為不規則聚合物薄膜網絡，具有“類纖維”的增強作用，使保溫材料的抗折、抗壓強度和防水性能得到提高.

圖7 保溫材料結構形成模型Fig.7 Models of structure formation of insulation material

2.3.2 經過表面處理的耐堿玻纖對保溫材料的作用機理

玻纖具有彈性模量大、抗拉強度高的特性，適量經過表面處理的耐堿玻纖在材料中均勻亂向分布，可形成三維空間網狀的支撐結構.當材料受到抗折破壞時，外力在材料表面產生微裂紋，裂紋尖端會產生應力集中致使裂紋擴展，其擴展將受到纖維的阻礙和攔截，削弱外力的破壞作用，并緩解裂紋尖端應力集中；玻纖具有微筋絡作用，其抗彎矩和抗拉能力強，當其拉伸甚至拉斷時會消耗大量的能量，特別是經過處理后的玻纖，其表面粗糙度較高，與聚合物膜和水化產物結合較好，當其從材料內部拔出時，需要克服更大的界面黏結力和摩擦力，表現在宏觀上即為材料抗折強度增加；當材料受到抗壓破壞時，材料主要依靠其基體材料強度來抵抗壓力破壞，而玻纖只能承擔有限的壓力載荷，所以玻纖對材料抗壓強度的增強作用明顯弱于其對抗折強度的增強作用.

試樣S3斷口處的玻纖微觀形貌見圖8.試樣斷口中拔出的玻纖表面被大量膠凝物質覆蓋，玻纖拔出斷面發生在基體內，說明玻纖與膠凝物質之間存在較為牢固的界面層，使玻纖與膠凝物質之間緊密黏結，從而在試樣內部形成密實的“玻纖－膠凝材料－骨料”結構.圖8中1點處的C，O元素含量較高，說明玻纖－基體界面層上含有大量有機聚合物；且1點處含有Al，Ca元素，說明界面處含有水泥水化產物，因此得出玻纖與基體的界面層由水化產物和聚合物膜交織構成的結論.良好的結合界面層提高了玻纖與基體的黏結強度，其黏結強度越高，玻纖對材料的增強作用就越好.一方面，玻纖可跨接裂紋，通過良好的界面層將裂紋分離的部分橋接起來，當材料受到外界應力作用時，外力沿著三維空間分布的玻纖傳遞，并通過玻纖－基體之間的牢固界面層繼續傳遞到基體，可以有效分散應力，控制裂紋的進一步擴展，且在此傳遞過程中消耗外力能量，使材料的強度得到大幅提高；另一方面，結合界面層上同時存在具有良好韌性的苯丙聚合物膜和膠粉聚合物膜，可緩沖外部作用力，鈍化保溫材料裂紋尖端的應力集中，并有效抑制界面處裂紋的擴展，從而提高材料強度.

圖8 試樣S3斷口處的玻纖微觀形貌Fig.8 Micromorphology of glass fiber on the fracture of the sample S3

3 結論

（1）摻加可再分散乳膠粉可以明顯改善玻化微珠保溫材料的力學性能和耐水性能.在乳膠粉摻量為4%時，保溫材料的抗折強度、抗壓強度較空白試樣分別提高了48.00%，20.83%；2，24h吸水率較空白試樣則分別降低了71.37%和66.94%.

（2）經苯丙乳液表面處理后的玻纖與基體的結合界面層由水化產物和聚合物膜交織構成，能有效抑制裂紋的擴展和增強界面結合強度，顯著提高材料的力學性能.當經過表面處理的玻纖摻量為1.0%時，材料抗折強度較摻加未經表面處理玻纖試樣提高了35.71%，抗壓強度提高了8.34%.

（3）體系中乳膠粉失水可形成聚合物膜，嵌入水化產物內部，連接成不規則薄膜網絡，使材料強度和防水性能得到提高.玻纖的存在可形成空間網狀支撐結構，有效緩解應力集中，阻擋裂紋擴展.當玻纖經苯丙乳液處理后，玻纖－基體間可形成較為牢固的界面層，通過界面層將外力傳遞、分散到基體，且界面層上存在韌性的聚合物膜，能有效緩沖外部作用力，從而提高材料強度.

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