提高紙面石膏板抗折強度和黏紙性的試驗研究

尚云寶， 保興國， 朱玉梅， 張曉猛

(內蒙古大地云天化工有限公司 內蒙古赤峰 024076)

受原料磷礦石的影響，濕法磷酸生產中副產的磷石膏(二水石膏)雜質含量較高，其使用受限。目前，大多數磷石膏均采用堆放的形式進行處置，只有少量的磷石膏用于生產水泥或紙面石膏板，但制得的紙面石膏板經常出現抗折強度低、不黏紙等問題。針對以磷石膏為原料制取紙面石膏板存在的問題，開展了強度改良試驗和黏紙性改良試驗。

1 抗折強度改良試驗

1.1 試驗原理

半水石膏具有水化后凝結硬化的特點，即半水石膏與水會發生化學反應，重新獲得力學強度。根據此原理，磷石膏脫水得到的半水石膏可用于生產石膏板，一般通過測定半水石膏粉的抗折強度來判定其是否能生產出強度合格的石膏板。

1.2 流程簡介

以磷石膏為原料生產紙面石膏板的常規流程：對磷石膏進行烘炒制成半水石膏，然后在半水石膏中加入適量的水(為減輕成品石膏板的質量，同時加入適量的發泡劑、淀粉等)形成料漿，由泵輸送至滾動皮帶機并進行黏紙試驗，最后送入烘箱中烘干即得到成品紙面石膏板。

紙面石膏板生產過程中的控制要點是磷石膏的烘炒時間和溫度以及水、發泡劑、淀粉的加入量。磷石膏烘炒時間過長或溫度過高，炒制后的石膏粉中半水石膏含量少而無水石膏多，石膏粉的抗折強度較差，必須陳化處理后才能用于紙面石膏板生產。水、發泡劑、淀粉的用量必須嚴格控制，水的用量由半水石膏粉的標稠用水確定，發泡劑、淀粉的用量應根據每批半水石膏粉的黏紙試驗結果確定。

1.3 半水石膏的制取

半水石膏可采用一步法或兩步法制取。一步法是二水石膏在150 ℃下直接烘炒脫水制成半水石膏；兩步法是將二水石膏在高溫下脫水成無水石膏，然后在濕度較大的環境下陳化轉變成半水石膏。

分別采用一步法和兩步法制取半水石膏，破碎后的顆粒(粒徑106～120 μm的占90%以上)主要參數對比見表1。

表1 一步法和兩步法制取的半水石膏主要參數對比

由表1可知，兩步法制取的半水石膏具有較大的比表面積和較高的抗折強度，且標稠用水相對較少。但實踐表明，兩步法生產耗時較長，生產成本較高。一步法生產的半水石膏抗折強度雖較差，但可以通過嚴格控制工藝指標(半水石膏含量、粒徑等)，使抗折強度符合指標要求。

1.4 半水石膏工藝指標的確定

將磷石膏于150 ℃下烘炒不同時間，然后分別測定無水石膏、半水石膏、二水石膏的含量，再研磨不同時間考察對半水石膏比表面積、標稠用水、抗折強度的影響，試驗結果見表2。

表2 不同烘炒時間和不同研磨時間對半水石膏含量及性質的影響

根據生產要求：半水石膏的抗折強度≥3.0 N，半水石膏質量分數≥65.00%，二水石膏質量分數≤4.90%；若無水石膏質量分數>14.99%，應陳化后再用于紙面石膏板生產。

研磨時間決定粒徑大小，而粒徑又直接影響半水石膏的比表面積和堆密度，所以控制粒徑非常重要。但半水石膏粒徑過小，標稠用水少，也會出現抗折強度降低的情況，其原因是水化后溶液過飽和時間過長，形成的小結晶和結晶觸點過多，產生了反向作用，因此半水石膏的比表面積應控制在4 800～6 400 m2/kg。

2 黏紙性改良試驗

2.1 黏紙性及其影響因素

黏紙性是指護面紙在成品紙面石膏板的粘接牢靠程度，其是紙面石膏板生產過程中重要的指標之一，也是判斷紙面石膏板質量最直觀的指標之一。影響黏紙性的因素很多，主要有護面紙的吸水性和透氣性、淀粉加入量、半水石膏的水化速度等。護面紙的吸水性和透氣性是采購護面紙的硬性指標，嚴格控制即可，因此試驗考察了淀粉的加入量和半水石膏的水化速度對黏紙性的影響。

淀粉的作用是輔助粘接，普通淀粉無法滿足粘接要求，必須使用改性淀粉。改性淀粉具有一定的流動性，有較強的遷移能力，黏度隨溫度升高變化不大但隨溫度降低增大[1]，所以選擇優質的淀粉有助于提高黏紙性。

半水石膏的水化速度體現在初凝時間和終凝時間上。在標稠用水量固定的條件下，初凝和終凝時間越長，表明水化速度越慢，結晶狀態也越差，反之則表明水化速度快，結晶狀態相對較好。在生產過程中加入硫酸銨或其他促凝物質，可提高水化速度。

半水石膏的初凝時間和終凝時間是影響紙面石膏板黏紙性的重要因素之一，一般初凝時間和終凝時間越長，黏紙性越差，抗折強度也會受到一定影響。曾經加入硫酸銨進行試驗，黏紙性雖有提高但不穩定，且成本較高。

2.2 提高水化速度的試驗

根據黏紙性原理，為提高水化速度，水化必須快速完成且過飽和溶液持續時間相對較短。設計加入磷石膏進行試驗，即在200 g半水石膏中加入標稠用水(68%)，然后在水化過程中加入不同量的磷石膏，測定初凝時間、終凝時間和黏紙性。加入的磷石膏游離水質量分數控制在0.1%以內，磷石膏粒徑小于75 μm，試驗結果見表3。

從表3可以看出：磷石膏對提高水化速度和黏紙性有一定的促進作用，但磷石膏加入量過多后，將導致二水石膏總量上升，會影響抗折強度；加入的磷石膏質量分數超過2.00%時，凝固速度過快；加入的磷石膏質量分數為1.00%和0.50%時,對提高凝固速度有限，所以試驗選擇磷石膏質量分數為1.50%和2.00%。

表3 加入不同量的磷石膏對初凝時間、終凝時間和黏紙性的影響

2.3 提高黏結劑性能

淀粉作為黏結劑的工作原理是在毛細管作用下，輔助水分遷移至石膏板表面并進入護面紙縫隙中，所以加快水分遷移速率以及增強淀粉的遷移能力可提高黏紙性。基于此原理，在標稠用水為68%的條件下，將恒溫箱溫度分別設置在35、40、45 ℃，并在水化過程中分別加入質量分數為1.50%、2.00%的磷石膏進行黏紙試驗，結果見表4。

由表4可以看出：溫度對黏紙性有一定影響，溫度不能過高，否則降低黏紙性并影響水化結晶；試驗所用半水石膏中加入的磷石膏質量分數以1.50%為宜，在恒溫40 ℃的條件下完成初凝和終凝。

表4 不同溫度和磷石膏添加量對黏紙性的影響

3 改良后抗折強度和黏紙性的變化

隨機選取3組磷石膏，采用一步法烘炒制得半水石膏，控制指標：半水石膏質量分數≥65.00%，比表面積4 800～6 400 m2/kg，磷石膏添加質量分數1.50%。半水石膏測定強度后，于40 ℃恒溫箱中進行黏紙性測定，同時進行不添加磷石膏的空白試驗，數據見表5。

由表5可以看出：在以磷石膏為原料生產紙面石膏板過程中，添加磷石膏可起到促凝效果，通過控制環境溫度(40 ℃)可提高黏紙性。

表5 改良后抗折強度和黏紙性試驗結果

4 結語

(1)采用磷石膏烘炒制取半水石膏時，應嚴格控制半水石膏含量和粒徑，半水石膏質量分數≥65.00%，二水石膏質量分數≤4.90%。若制得的半水石膏中無水石膏質量分數>14.99%，應陳化后再用于紙面石膏板生產。以比表面積作為粒徑的檢驗方法，控制范圍推薦為4 800～6 400 m2/kg。

(2)采用磷石膏生產紙面石膏板時，需在恒溫40 ℃的條件下完成初凝和終凝，并根據實際生產情況確定促凝劑磷石膏的加入量，建議添加質量分數不超過2%。

(3)試驗得到的結論適用于以純磷石膏為生產原料，是否適用于脫硫石膏及含脫硫石膏的石膏粉，有待進一步研究。