氯氧镁水泥泡沫保温板添加剂的研究与应用

李瑞芬，姜效军，张洪涛，郭德水，周杰，碗建华（.辽宁科技大学化工学院，辽宁鞍山　405；.辽宁华宇镁建材有限公司，辽宁鞍山　400）



氯氧镁水泥泡沫保温板添加剂的研究与应用

李瑞芬1，姜效军1，张洪涛2，郭德水1，周杰1，碗建华1
（1.辽宁科技大学化工学院，辽宁鞍山114051；2.辽宁华宇镁建材有限公司，辽宁鞍山114200）

摘要：重点探讨了影响氯氧镁水泥泡沫保温板性能的发泡剂、防水剂的制备与应用。发泡剂主要由Ca（OH）2为催化剂水解动物蛋白制取，防水剂主要成分是硬脂酸皂化得到的硬脂酸盐。最佳发泡效果的实验条件为：反应温度为100℃，反应时间为6 h，Ca（OH）2浓度为2.5%。稳泡剂FeCl3掺量为发泡剂的0.6%时复配效果最好，稀释后发泡倍数6.39，稳泡时间12 h。当复合碱用量为硬脂酸物质的量的110%时防水剂效果最好，制得的氯氧镁水泥泡沫保温板耐火性为A2级，导热系数0.050W/（m·K），抗压强度0.31MPa，吸水率9%。

关键词：氯氧镁水泥；泡沫保温板；发泡剂；防水剂

0　前言

聚苯乙烯泡沫板和挤塑泡沫板等外墙保温材料虽质量轻、保温效果好、吸水率低，但易燃、耐久性差，增加了建筑的火灾荷载[1]，已不能满足目前建筑业的要求，阻燃性建筑材料的开发和应用受到广泛的重视。氯氧镁水泥泡沫保温板[2-3]具有质量较轻、强度高、导热系数较小、防火、耐高温、低温、防腐等优点，是一种很好的无机阻燃保温材料，由氯氧镁水泥[4]与发泡剂、防水剂等添加剂制备而成，其优劣在很大程度上取决于所用发泡剂与防水剂的性能。国外研究泡沫混凝土发泡剂、防水剂较早，已有较成熟的产品[5-7]。目前国内的发泡剂存在泡沫稳定性低，防水剂防水效果不理想，泡沫保温板制品强度不高等问题[8-11]，使得泡沫保温板的开发应用受到一定限制，有必要对发泡剂和防水剂进行详细探讨。

水解动物蹄角粉所形成的气泡液膜十分坚韧、富有弹性，受外力压迫后可立即恢复原状，不易破裂。与其它发泡剂相比，泡沫稳定、来源丰富、合理利用动物废弃品，有非常广泛的应用前景[12]。本实验以硬脂酸和Ca（OH）2、ZnO和Na2CO3为主要原料制备金属皂类防水剂，其具有较高的憎水性及优异的防水效果，添加到氯氧镁水泥保温板中可以填充微小孔隙和堵塞毛细通道，切断和减少外界水分向内部的渗透，能够抑制裂缝，增加其强度，是一种长效强力无污染的防水剂。

1　实验

1.1原材料及主要实验仪器

轻烧MgO、MgCl2：工业品，辽宁华宇镁建材有限公司；膨化聚苯乙烯颗粒：工业品，江苏新艺泡沫制品厂；动物蹄角粉：市售；硬脂酸、Ca（OH）2、Na2CO3、ZnO、FeCl3：工业品，天津市瑞金特化学品有限公司；羟甲基纤维素（HPMC）、瓜尔胶：工业品，肥城庆峰精细材料厂；十二烷基硫酸钠（K-12）、十二烷基苯磺酸钠（SDBS）：工业品，上海顺强生物科技有限公司。

JC2000C1型接触角测量仪，上海中晨数字技术设备有限公司；80-2型离心机，常州市凯航仪器有限公司。

1.2实验方法

1.2.1发泡剂的制备

将30g动物蹄角粉放入三口烧瓶内，加入不同浓度氢氧化钙水溶液200ml，在一定温度下水解若干小时，水解后用盐酸调节pH值至7～8，过滤得到发泡剂原液。在发泡剂原液中加入不同的稳泡剂与表面活性剂对其进行复配，提高其发泡力和稳泡性能。

1.2.2防水剂的制备

将一定量的Ca（OH）2和H2O加入三口烧瓶中，在恒温电热套上，升温至90℃，电动搅拌20min，然后缓慢依次加入100份熔融后的硬脂酸和一定比例的Na2CO3和ZnO，搅拌反应1.5h后冷却，制得样品。

1.2.3氯氧镁水泥泡沫保温板的制备

将活度65%的MgO加入到25%MgCl2溶液中，MgO、MgCl2与H2O三者的摩尔比为8∶1∶16，然后加入5%聚苯乙烯颗粒和3%自制防水剂（按1.2.2方法试制），在混凝土搅拌机中搅拌3min，自制的动物蛋白发泡剂（按1.2.1方法试制）掺量为氯氧镁水泥的2%，稀释40倍后通过发泡机发泡，将泡沫加入浆料中搅拌5min，配制好的浆体直接摊平在尺寸为180cm×90cm×8cm的自动化生产线板上，在室温下硬化24 h，然后脱模，在温度为23℃、相对湿度为59%的条件下养护硬化15d，制得保温板，测试其防火、防水、导热性能。

1.3性能测试

1.3.1发泡剂的性能测试

将以一定比例混合的发泡剂和水溶液100ml放入1000 ml的量筒中，在3000r/min的搅拌速度下搅拌2min进行发泡，测量泡沫体积。当泡沫体积剩余150ml时，记录稳泡时间。发泡倍数即泡沫发起的体积与液体体积的比值。

1.3.2防水剂表观性能测试

乳化稳定性测试：将10ml防水剂放入80-2型离心机中，以3000r/min离心处理15min，如果不分层为稳定性好，如果分层为稳定性差。

分散性测试：参照5个等级，一级最好，五级最差。具体见文献[13]。

1.3.3氯氧镁水泥保温板性能测试

对保温板样板表面进行接触角测试，并按照GB8624—2006《建筑材料及制品燃烧性能分级》、GB/T5486—2008《无机硬质绝热制品试验方法》，经国家消防及阻燃产品质量监督检测中心检测导热系数、阻燃等级。

2　结果与讨论

2.1发泡剂配方确定

2.1.1动物蛋白水解条件优化

水解动物蛋白受到碱浓度、水解时间和水解温度的影响，为确定各因素的最佳值。本实验以Ca（OH）2浓度、水解时间、水解温度为3个因素，每个因素取3个水平，以此设计L9（34）正交试验，确定水解最优条件。正交试验因素水平见表1，正交试验结果及极差分析见表2。

表1　正交试验因素水平

表2　　正交试验结果及极差分析

从表2可以看出：

（1）对发泡倍数的影响因素顺序为：B＞A＞C，水解温度越高发泡能力越强。因为水解温度越高，蛋白质水解的越彻底，长链的蛋白质分子变成短链的小分子肽越完全，因此发泡倍数越大。水解温度太低，水解不完全，起泡性能差。

（2）对稳泡时间的影响因素顺序为：A＞B＞C，碱浓度的影响最大。当溶液中Ca（OH）2浓度相对较小时，其对角蛋白结构的水解能力弱，水解量相对较少，起泡能力差；当碱浓度过大，多余的碱继续水解小分子肽成氨基酸，彻底破坏肽链间相互作用，难以形成稳定界面，泡沫稳定性下降。通过极差分析，确定最佳的试验条件为A3B3C2，即Ca（OH）2的浓度为2.5%，水解温度为100℃，水解时间为6 h。实验选用Ca（OH）2为水解催化剂，一方面，碱性较温和，水解生成中间产物多，另一方面Ca2+能与蛋白质形成配合物，增加了表面膜的厚度，更有利于提高泡沫的稳定性。

2.1.2发泡剂复配

向发泡剂原液中加入稳泡剂羟甲基纤维素（HPMC）、瓜尔胶、FeCl3和表面活性剂十二烷基硫酸钠（K-12）、十二烷基苯磺酸钠（SDBS）来改善泡沫性能。不同稳泡剂及掺量对泡沫发泡倍数和稳泡时间的影响如图1和图2所示。

图1　不同稳泡剂及掺量对泡沫发泡倍数的影响

图2　不同稳泡剂及掺量对泡沫稳泡时间的影响

从图1、图2可以看出：

（1）加入离子型表面活性剂SDBS和K-12虽然起泡力明显增强，但稳定性降低。因为离子型表面活性剂能降低水的表面张力，具有很强的起泡能力，但使体系产生富集行为从而降低了泡沫的稳定性。

（2）加入稳泡剂HPMC和瓜尔胶能提高泡沫的稳定性。该类物质由于能够提高泡沫的黏度，降低泡沫流动性，从而具有一定的稳泡效果，但会降低泡沫的起泡能力。

（3）加入FeCl3泡沫的稳泡性明显提高，因为能增加蛋白质水解后得到的多肽等小分子之间的交联与螯合，随着FeCl3掺量增大，泡沫的稳定时间越来越长，综合考虑，当FeCl3掺量为0.6%时效果较好，发泡倍数达到6.39，稳泡时间12 h。

2.2碱用量对防水剂性能的影响

硬脂酸与复合碱[Ca（OH）2、Na2CO3和ZnO]反应制备防水剂，测试不同复合碱用量（以硬脂酸物质的量计）时防水剂的物理性能，结果见表3。

表3　碱用量对防水剂物理性能的影响

从表3看出，当碱用量较少时，防水剂的黏度高，分散性差；当碱用量较高时，稳定性变差。因为硬脂酸过量，反应不完全，使得防水剂的黏度剧烈增加，随碱用量的增加，pH值逐渐增大，游离的硬脂酸量逐渐减少，黏度也相应降低，而碱用量过多，产品易沉淀分层。所以，当碱用量为硬脂酸物质的量的110%时，防水剂的物理性能最好。

2.3接触角分析

将实验自制的金属皂类防水剂加入到氯氧镁水泥中，掺量为氯氧镁水泥的3%。样板1、2、3、4分别为使用碱用量占硬脂酸物质的量70%、90%、110%和130%的防水剂制备的氯氧镁水泥保温板，分别测试其接触角，结果如图3所示。

图3　不同碱用量氯氧镁水泥泡沫保温板的接触角

从图3可知，样板1、2、3、4的接触角分别为75.2°、77.7°、102°、64°。样板3的接触角明显大于其余样板，说明样板3的表面疏水性更好，即当碱用量为硬脂酸物质的量的110%时，防水剂效果最好，硬脂酸钙具有较高的憎水性与优异的防水效果。另外，ZnO与硬脂酸反应生成的硬脂酸锌本身具有很好的防水性，可以作硬脂酸钙的分散剂、润滑剂、热稳定剂，与钙皂、钠皂等配合使用，可以在泡沫保温板表面形成一层憎水性包裹膜，减少了水分在保温板表面的湿润，使水难以向孔隙中渗透，防水效果更好。但碱用量过大时，生成的钠皂溶于水且防水剂分散液颗粒粗大，凝结成块，不能吸附于保温板表面形成薄膜防止水分的渗透。

2.4氯氧镁水泥保温板的性能

将样板3经国家消防及阻燃产品质量监督检测中心根据GB 8624—2006、GB/T 5486—2008检测其性能，结果如表4所示。

表4　氯氧镁水泥泡沫保温板的性能

从表4可以看出，氯氧镁水泥泡沫保温板耐火性达到A2级，密度低，导热系数小，抗压强度高，吸水率低，所测指标均符合GB 8624—2006、GB/T 5486—2008标准要求。防水剂的主要成分硬脂酸钙和硬脂酸锌，两者均不溶于水，硬脂酸锌能有效提高硬脂酸钙的热稳定性，高温时可防止其遇热分解失去其防水作用，结合接触角的测试，增大了水的接触角，证明是一种能提高氯氧镁水泥性能且无污染的防水剂。

3　结论

（1）制备动物蛋白类发泡剂，实验优化的反应温度为100℃，反应时间为6 h，Ca（OH）2浓度为2.5%，稳泡剂FeCl3的掺量为发泡剂的0.6%时复配效果最好，稀释后发泡倍数为6.39，稳泡时间为12 h。

（2）当复合碱用量为硬脂酸物质的量的110%时，防水剂的稳定性、分散性好，颗粒细小均匀、不分层，流动性好，掺加到氯氧镁水泥保温板中接触角最大，憎水效果最好。

（3）制备的氯氧镁水泥泡沫保温板经国家消防及阻燃产品质量监督检测中心检测，耐火性A2级，密度157 kg/m3，导热系数0.05W/（m·K），抗压强度0.31MPa，吸水率9%，所测技术指标均符合GB 8624—2006、GB/T 5486—2008标准要求，是一种性能优异的外墙防火保温板的新型材料。

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Research and application of additives for magnesium oxychloride cement foam insulation board

LI Ruifen1，JIANG Xiaojun1，ZHANG Hongtao2，GUO Deshui1，ZHOU Jie1，WAN Jianhua1
（1.School of Chemical Engineering，University of Science and Technology Liaoning，Anshan 114051，China；
2.Building Materials Limited Company of Huayu Liaoning，Anshan 114200，China）

Abstract：The foaming agent and waterproofing agent will influence the properties of magnesium cement foam insulation board，and the development and application of foaming agent and waterproofing agent were investigated.Foaming agent was mainly from the hydrolysis of animal protein with the catalysis of Ca（OH）2.The main component of waterproofing agent was stearic acid salt which is formed from the saponification of stearic acid.The optimal experimental conditions as follows：reaction temperature is 100℃，reaction time is 6 h，Ca（OH）2concentration is 2.5%.The addition of foam stabilizing agent FeCl3is 0.6%of the foaming agent which was proved to be the most significant for its synergism effectiveness,with its diluting foaming ratio 6.39 and 12 h stable time.When the molar ratio of stearic acid to compound alkali is 1/1.1，the waterproof effect is proved to be the best.And the fire resistance of magnesium cement foam insulation board is A2 level，the coefficient of thermal conductivity is 0.05W/（m·K），compressive strength is 0.31MPa and bibulous rate is 9%.

Key words：magnesium oxychloride cement，foam insulation board，foaming agent，waterproofing agent

作者简介：李瑞芬，女，1990年生，山东济宁人，硕士研究生。E-mail：fengshuluoye@163.com。通讯作者：姜效军，地址：辽宁省鞍山市千山中路185号，E-mail：anshanjiangxj@163.com。

收稿日期：2015-09-28；

修订日期：2015-11-05

中图分类号：TU528.042

文献标识码：A

文章编号：1001-702X（2016）01-0072-04