乳胶粉和玻纤对玻化微珠保温材料性能的影响

李小龙， 李国忠

（济南大学建筑材料制备与测试技术山东省重点实验室，山东济南250022）

外墙保温是建筑节能的重要组成部分，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[1－3].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].加入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 700kg／m3，弹性模量为74GPa，抗拉强度为1 800MPa，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500～600kg／m3，pH值5～8，灰分质量分数为（12± 2）%，不挥发物质量分数不小于98%，最低成膜温度为0℃；苯丙乳液：某涂料公司生产的S400F型苯丙乳液.

图1 玻化微珠外观形貌Fig.1 External morphology of glazed hollow bead

图2 玻化微珠内部结构Fig.2 Internal structure of glazed hollow bead

1.2 耐碱玻纤表面处理

将耐碱玻纤置于苯丙乳液中浸泡20min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[6].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，与水泥等胶凝物质结合更牢固.

图3 耐碱玻纤表面微观形貌Fig.3 Micromorphology on the surface of alkali－resistant glass fiber

1.3 试验方法

前期研究表明，玻化微珠保温材料的密度和导热系数均随水泥和粉煤灰掺量（本文所涉及的掺量均指质量分数）的增加而增大，水泥掺量为40%，粉煤灰掺量为10%时，保温材料的密度和导热系数分别为278kg／m3，0.068W／（m·K），符合相关要求.本文试验中固定玻化微珠、水、水泥、粉煤灰的掺量分别为100%，80%，40%，10%；外掺乳胶粉和耐碱玻纤，掺量均以其占玻化微珠质量的百分数表示.试样分成A组、R组和S组，其中A组试样（A0～A5）的乳胶粉掺量分别为0%，1%，2%，3%，4%，5%；R组和S组是在乳胶粉掺量最优的基础上，分别掺加未经表面处理和经过表面处理玻纤的试样：试样R1～R4掺未经处理的玻纤，其掺量分别为0.6%，0.8%，1.0%，1.2%；试样S1～S4掺经过处理的玻纤，其掺量分别为0.6%，0.8%，1.0%，1.2%.将干物料准确计量、混合后，加水搅拌均匀，置于500mm ×300mm×80mm模具中，模压成型（成型压力为0.48MPa），在室温下静置0.5h后脱模，得到尺寸为500mm×300mm×40mm的玻化微珠保温板材.板材脱模后，在水泥标准养护箱（20℃，相对湿度95%）中养护7d，再放入110℃电热恒温鼓风干燥箱中烘干至恒重（2次称量试样质量变化率小于0.2%），然后移至干燥处冷却至室温，待用.

依照GB／T 5486—2008《无机硬质绝热制品试验方法》和GB／T 10294—2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定 防护热板法》，将材料加工成相应尺寸，分别测试其干密度、抗折强度、抗压强度、质量吸水率和导热系数；采用QUANTA FEG 250型扫描电子显微镜对试样的断口微观形貌进行观察.

2 试验结果与分析

2.1 可再分散乳胶粉最佳掺量的确定

玻化微珠保温材料的导热系数、强度和吸水率随乳胶粉掺量增加而变化的情况如表1和图4所示.分析表1可得，保温材料导热系数随乳胶粉掺量的增加变化不明显.由图4（a）可知，不同乳胶粉掺量使保温材料的抗压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0.58，0.37MPa，较空白试样A0分别提高20.83%，48.00%；2，24h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282kg／m3和0.067W／（m·K），符合相关标准要求.

表1 不同掺量乳胶粉对试样导热系数的影响Table 1 Effect of different contents of latex powder on thermal conductivity of samples

2.2 耐碱玻纤最佳掺量的确定

不同掺量的未经表面处理玻纤对玻化微珠保温材料性能影响的测试结果如表2所示.由表2可知，玻纤的掺加对材料干密度和导热系数无明显影响；未经表面处理玻纤的掺加对材料抗压强度和抗折强度的提高不十分明显.

图4 不同掺量乳胶粉对试样强度和吸水率的影响Fig.4 Effect of different contents of latex powder on strength and water absorption of samples

表2 不同掺量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

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0.65MPa，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0.57MPa，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，过多玻纤的掺入相当于引入了孔隙缺陷，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283kg／m3和0.068W／（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.

图6 试样A0和S3的断面微观形貌Fig.6 Micromorphology on the section of samples A0，S3

将水加入到物料中后，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高分子聚合物膜组成的复合胶凝体系；（c）随着水化过程持续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，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，同时嵌入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.

图7 保温材料结构形成模型Fig.7 Models of structure formation of insulation material

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，O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高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，结合界面层上同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%；2，24h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，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，且界面层上存在韧性的聚合物膜，能有效缓冲外部作用力，从而提高材料强度.

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