聚氨酯后處理對發(fā)泡水泥保溫板性能的影響*

林益軍，劉 萍，王健雁，唐愛東，潘春躍

(中南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，長沙 410083)

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聚氨酯后處理對發(fā)泡水泥保溫板性能的影響*

林益軍，劉 萍，王健雁，唐愛東，潘春躍

(中南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，長沙 410083)

采用全水發(fā)泡填充和溶液浸泡兩種后處理方式考察聚氨酯宏觀結(jié)構(gòu)對發(fā)泡水泥密度、孔形貌、吸水率、導(dǎo)熱性能及強(qiáng)度的影響，并對其作用機(jī)制做了進(jìn)一步探討。研究發(fā)現(xiàn)，聚氨酯全水發(fā)泡填充使得發(fā)泡水泥容重下降，吸水率增加，抗壓強(qiáng)度隨著填充孔徑減小而增大；經(jīng)過聚氨酯溶液浸泡后的水泥發(fā)泡體系質(zhì)量吸水率降低37.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，抗壓強(qiáng)度提高364%，導(dǎo)熱系數(shù)下降32.4%。

發(fā)泡水泥；聚氨酯；抗壓強(qiáng)度；后處理

0 引 言

發(fā)泡水泥具有阻燃防火、抗震隔音、環(huán)保低價(jià)，與墻體粘結(jié)性好等優(yōu)點(diǎn)，在建筑及裝飾領(lǐng)域中已得到較廣泛應(yīng)用[1-4]。但普通發(fā)泡水泥導(dǎo)熱系數(shù)偏高，強(qiáng)度低、脆性大[5]，抗壓、抗折、抗裂及防水性能差，為滿足節(jié)能保溫工程的要求，一般需要降低其脆性和吸水率，提高綜合強(qiáng)度[6-8]。常規(guī)改性多以摻雜陶粒、聚丙烯纖維、聚乙烯纖維、耐堿玻璃纖維，以及木質(zhì)纖維等為主[7, 9-12]，而聚合物乳液雖能顯著改善水泥制品的強(qiáng)度和耐久性[13-15]，但對水泥水化有明顯的延遲作用，若采用傳統(tǒng)的物理共混方式，則在發(fā)泡過程中很容易阻礙水泥早期強(qiáng)度的提高，導(dǎo)致嚴(yán)重塌模[6, 16-17]。

本文通過對預(yù)制的發(fā)泡水泥板以全水發(fā)泡填充和溶液浸泡兩種聚氨酯后處理工藝，分析其對疏水性及導(dǎo)熱系數(shù)的影響，并對比了聚氨酯固化物形態(tài)差異對發(fā)泡水泥板的增強(qiáng)效果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料及儀器

P·O·42.5硅酸鹽水泥：比表面積350 m2/kg、密度3.10 g/cm3，化學(xué)成分見表1，湖南寧鄉(xiāng)南方水泥廠；RSAC 525硫鋁酸鹽水泥：性能指標(biāo)見表2，鄭州市建文特材科技有限公司；硬脂酸鈣：化學(xué)純，CaO含量8.1%～9.8%，汕頭市西隴化工廠；聚丙烯短切纖維：長度9 mm，湖南正德建材有限公司；Viscocrete 225P(聚羧酸減水劑)：瑞士西卡天津公司；Wannate PM-200(多亞甲基多苯基多異氰酸酯)：粘度150～250 cp、—NCO含量30.5%～32%、酸分≤0.05%，萬華化學(xué)(寧波)容威聚氨酯有限公司；TMN450(聚醚多元醇)：羥值440～460 mg KOH/g、粘度200～500 cp、酸值≤0.1 mg KOH/g、水分≤0.1%，天津石化第三廠；環(huán)戊烷、乙酸乙酯：化學(xué)純，上海國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；27.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))雙氧水、甲酸鈣及其它原材料均為市售。

萬能試驗(yàn)機(jī)：DBSL-30t型，Transcell Technology Inc 產(chǎn)；導(dǎo)熱系數(shù)儀：DRCD-3030型，天津美特斯試驗(yàn)機(jī)廠；金相顯微鏡：BX51WI 型，Olympus產(chǎn)。

表1 P·O·42.5硅酸鹽水泥化學(xué)成分

表2 RSAC 525硫鋁酸鹽水泥物理指標(biāo)

1.2 材料制備

1.2.1 發(fā)泡水泥板制備(Sample-0)

將兩種水泥、甲酸鈣、硬脂酸鈣、減水劑、聚丙烯短切纖維和水等原料按一定配比計(jì)量，利用高速攪拌機(jī)(攪拌速率2 500 r/min)將其攪拌成均勻漿體，攪拌時(shí)間控制在80～100 s；然后在漿體中加入適量雙氧水，繼續(xù)攪拌5～10 s后，快速澆注到模具中靜置發(fā)泡，48 h后脫模，室溫養(yǎng)護(hù)28 d，最后于65 ℃烘箱中干燥至恒重待用。

1.2.2 全水發(fā)泡聚氨酯填充發(fā)泡水泥板的制備(Sample-1)

將干燥的發(fā)泡水泥板在表面依1.5 cm間距設(shè)置直徑1.2 cm圓柱形開放孔，孔洞貫穿水泥板的上下表面，而后將PM-200、TMN450、H2O、環(huán)戊烷混合均勻的溶液迅速灌注至圓柱形孔洞中，數(shù)分鐘后聚氨酯溶液即開始起泡膨脹，緩慢填滿整個(gè)孔腔。

1.2.3 聚氨酯溶液浸泡發(fā)泡水泥板的制備(Sample-2)

將PM-200、TMN450、T-12、乙酸乙酯配制成均一溶液，在-0.1 MPa真空度下將干燥后的發(fā)泡水泥板完全浸沒于該溶液中，30 min后取出置于60 ℃真空干燥箱中隔絕水汽使聚氨酯固化成膜。

1.3 性能測試

試樣泡孔形貌利用金相顯微鏡觀察，抗壓強(qiáng)度、干密度及吸水率按《無機(jī)硬質(zhì)絕熱制品試驗(yàn)方法》(GB/T 5486-2008)測試，試樣尺寸100 mm×100 mm×50 mm；導(dǎo)熱系數(shù)參照《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定 防護(hù)熱板法》(GB/T 10294-2008)標(biāo)準(zhǔn)測定，試樣尺寸300 mm×300 mm×50 mm，每組數(shù)據(jù)取3個(gè)測試樣的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚氨酯固化與全水發(fā)泡

PM-200與TMN450的混合液滲透進(jìn)入水泥泡孔后，在催化劑作用下，受熱固化生成聚氨酯，并緊密粘附在水泥泡孔表面形成致密的韌性防水膜，使得水滴在其上可呈現(xiàn)出近似半圓球狀(圖1(a)及圖2(c))；當(dāng)體系中有水分子存在時(shí)，異氰酸酯可與多元醇及水發(fā)生加聚反應(yīng)，同時(shí)釋放出CO2氣體，對生成的聚氨基甲酸酯與聚脲進(jìn)行發(fā)泡，從而使聚合產(chǎn)物成為疏松多孔結(jié)構(gòu)(圖1(b)及圖2(b))。全水發(fā)泡聚氨酯孔隙率高、密度小、導(dǎo)熱系數(shù)低，目前已廣泛應(yīng)用于汽車、建筑、設(shè)備制冷、工業(yè)保溫等諸多領(lǐng)域[18-20]。

圖1 聚氨酯固化與全水發(fā)泡機(jī)理

Fig 1 Curing and water-blown mechanism of polyurethane

2.2 聚氨酯后處理對發(fā)泡水泥密度及外觀形貌的影響

發(fā)泡水泥由于具有多孔結(jié)構(gòu)，容重一般僅為傳統(tǒng)水泥制品的10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))左右。未處理前試樣干密度為226 kg/m3，泡孔均勻規(guī)整，截面呈圓形，泡徑約2 mm(圖2(a)及表3)。

圖2 聚氨酯后處理發(fā)泡水泥泡孔形貌

Fig 2 Morphology of foam cement cell proceed by polyurethane

經(jīng)全水發(fā)泡聚氨酯填充后，相對較輕的聚氨酯泡占據(jù)了孔洞位置，使得發(fā)泡水泥板的密度降至206 kg/m3。有趣的是，在孔洞內(nèi)壁與發(fā)泡水泥的結(jié)合部位，因?yàn)榭臻g限制，聚氨酯發(fā)泡受阻，出現(xiàn)了厚約0.5～1 mm的未發(fā)泡聚氨酯界面層，此界面層結(jié)構(gòu)密實(shí)，壓縮強(qiáng)度高(圖2(b)及圖4)。而以聚氨酯溶液浸泡的水泥板泡孔表面均被致密的聚氨酯固化膜包覆，密度增重至305 kg/m3(圖2(c)、表3)。

2.3 聚氨酯后處理對發(fā)泡水泥板導(dǎo)熱及吸水率的影響

聚氨酯導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.017～0.023 W/(m·K)[18,21-22]，遠(yuǎn)小于水泥(0.30 W/(m·K))[23]及發(fā)泡水泥制品(0.06 W/(m·K))[24]，甚至低于干燥的空氣(0.024 W/(m·K))[25]，因而常作為絕熱材料在保溫隔熱行業(yè)應(yīng)用廣泛。從表3可知，經(jīng)過聚氨酯全水發(fā)泡填充和溶液浸泡處理后的發(fā)泡水泥板導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.0433、0.0402 W/(m·K)，較改性前各降低了27.2%和32.4%，且后者下降更為明顯，這主要是由于固化形成的聚氨酯膜包裹在水泥泡孔的表面，封閉了孔道，減少了空氣對流傳熱。聚氨酯經(jīng)全水發(fā)泡后結(jié)構(gòu)疏松多孔，孔隙率高于發(fā)泡水泥，因而吸水率較處理前有所增加，分別達(dá)到48.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))、10%(體積分?jǐn)?shù))；但未發(fā)泡的聚氨酯固化膜結(jié)構(gòu)致密，水分子難以滲入，可在水泥泡孔表面形成防水層，使得質(zhì)量吸水率僅為改性前的62.8%。

表3 聚氨酯后處理發(fā)泡水泥板綜合性能

2.4 聚氨酯后處理對發(fā)泡水泥板抗壓性能的影響

如表3所示，未改性發(fā)泡水泥板抗壓強(qiáng)度僅為0.343 MPa，經(jīng)聚氨酯溶液浸泡后，抗壓性能顯著上升至1.59 MPa，提高了364%(表3、圖3)，這是因?yàn)榫o密粘附在水泥泡孔表面的聚氨酯分子鏈擁有良好的韌性和強(qiáng)度，對發(fā)泡水泥基體起到了明顯增強(qiáng)。全水發(fā)泡聚氨酯泡沫由于宏觀形態(tài)的疏松多孔性，其強(qiáng)度遠(yuǎn)低于未發(fā)泡聚氨酯，抗壓一般不超過200 kPa[18,20,26]，因而經(jīng)其處理后的水泥板強(qiáng)度略有下降，為0.32 MPa。

圖3 聚氨酯溶液浸泡發(fā)泡水泥板抗壓性能

Fig 3 Compressive strength of polyurethane-sinked foam cement board

圖4 全水發(fā)泡聚氨酯改性發(fā)泡水泥板增強(qiáng)模型(截面)

Fig 4 Reinforcement model of foam cement board filled with rigid polyurethane foam(Cross section)

為進(jìn)一步比較全水發(fā)泡聚氨酯填充尺寸對發(fā)泡水泥板抗壓性能的影響，我們將水泥板表面人為開孔的直徑縮小至0.6 cm。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在聚氨酯泡沫所占發(fā)泡水泥的總體積率一定時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)及吸水率基本維持不變，但抗壓強(qiáng)度提高至0.476 MPa，漲幅達(dá)38.8%。這主要是由于開孔直徑越小，空腔內(nèi)壁處未發(fā)泡聚氨酯界面層(圖4)所占比例越大，從而對水泥板的增強(qiáng)效果也相對突出。

3 結(jié) 論

全水發(fā)泡填充和溶液浸泡兩種聚氨酯后處理途徑對發(fā)泡水泥的綜合性能存在較大影響。結(jié)果表明：

(1) 經(jīng)聚氨酯溶液浸泡后固化形成的致密韌性膜能夠緊密粘附在水泥泡孔的表面，大幅提升水泥板的疏水、保溫和抗壓性能，其中抗壓強(qiáng)度提高了364%，導(dǎo)熱系數(shù)下降32.4%。

(2) 全水發(fā)泡聚氨酯因其形態(tài)的疏松多孔性，可有效降低發(fā)泡水泥板的密度，對抗壓強(qiáng)度的影響則取決于聚氨酯泡沫的填充尺寸，當(dāng)填充直徑為0.6 cm時(shí)，改性水泥板強(qiáng)度增長38.8%。

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Effect of polyurethane-processing on the properties of foam cement

LIN Yijun, LIU Ping, WANG Jianyan, TANG Aidong, PAN Chunyue

(College of Chemistry and Chemical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

The effect of macro morphology of polyurethane on density, porous structure, water absorption, thermal conductivity and strength of the foam cement was studied by means of polyurethane solvent sinking and water-blown foam filling. And the interaction mechanism was furtherly investigated as well. The results showed that the density and water absorption of water-blown polyurethane filled foam cement was reduced and enhanced, respectively. The compression of the proceed was increased and then decreased with the increasing of the diameter of filled hole. However, the water absorption of weight and coefficient of thermal conductivity of foam cement board with polyurethane sinked was decreased 37.2wt% and 32.4%, respectively, and the compressive strength of that product was increased by 364%.

foam cement; polyurethane; compressive strength; processing

1001-9731(2016)11-11068-04

中南大學(xué)博士后基金資助項(xiàng)目(140050292)

2016-01-07

2016-03-09 通訊作者：潘春躍，E-mail: panchunyue@csu.edu.cn

林益軍 (1981-)，男，博士后，中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院博士后科研流動(dòng)站，目前從事新型建筑材料研究。

TU528

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.11.013