氯氧镁水泥复合发泡剂的研究

2019-01-17马秋杨红健杨少明岂珊珊吴潇潇

新型建筑材料 2018年12期

马秋，杨红健，杨少明，岂珊珊，吴潇潇

（河北工业大学化工学院，天津 300130）

发泡氯氧镁水泥（Foamed Magnesium Oxychloride Cement，FMOC）是一种气硬性胶凝材料，是用物理或化学的方法将气泡加入或引入到氯氧镁浆体（MOC）中，经混合搅拌、浇筑成型、养护而成的一种含大量细小封闭气孔并具有一定强度的材料。与传统泡沫混凝土相比，FMOC具有硬化成型快、耐火性能好、力学强度高等优点[1-3]。FMOC主要用于生产轻质保温板、电绝缘材料和防火建筑材料等[4-10]。FMOC的性能受到诸多因素的影响，其中发泡剂的影响尤为显著。因此迫切需要一种适合MOC的优质发泡剂，以制备低密度、高强度的FMOC。目前国内市场上的发泡剂主要有松香类发泡剂、合成类发泡剂、蛋白类发泡剂及复合类发泡剂[11]，性能各不相同。由于复合型发泡剂可以发挥不同发泡剂的优点[12-14]，是比较理想的发泡剂。

在各类单一发泡剂中，阴离子表面活性剂因发泡倍数大而受到普遍欢迎。本研究经过前期筛选工作，确定选用浓度为1%的十二烷基硫酸钠阴离子表面活性剂作为发泡剂，并对该发泡剂进行复配改性，以进一步改善发泡剂的稳泡性能，最后将不同复合发泡剂制备的泡沫加入到MOC中，以期得到一种发泡倍数大、稳泡性能高、与MOC相容性能好的发泡剂。

1 试验

1.1 原材料

发泡剂：十二烷基硫酸钠（K12），质量浓度≥95%，工业级，天津市高砂鉴臣化工有限公司。

稳泡剂：壬基酚聚氧乙烯醚（TX-10），质量浓度≥99%；明胶（GA），质量浓度≥99.5%；茶皂素（TS），质量浓度≥35%；改性硅树脂聚醚乳液（MPS）质量浓度≥55%，工业级，天津市高砂鉴臣化工有限公司。

氯氧镁水泥原料：轻烧氧化镁（MgO），工业级90粉，辽宁省海城市华丰镁业矿产有限公司；氯化镁（MgCl2·6H2O≥95%），工业级，潍坊海之源化工有限公司；水，自来水。

1.2 发泡氯氧镁水泥的制备

FMOC试块的制备过程如下：（1）按MgO、MgCl2和H2O的摩尔比为7.5∶1∶16称取氧化镁和氯化镁溶液，采用天津市北辰建工试验仪器厂生产的NJ-160B型水泥净浆搅拌机以140 r/min的转速搅拌原料至均匀，然后以280 r/min的转速持续搅拌20 min。（2）在MOC浆料中加入一定体积的不同类型的泡沫，再继续搅拌3~5 min，必须保证料浆与泡沫混合均匀。（3）将搅拌均匀的FMOC浇注到40 mm×40 mm×160 mm标准金属模具中。（4）将模具在室温下密封养护放置24 h后拆模，试块样品置于温度25℃、相对湿度65%的恒温恒湿箱（HWP-160DA，天津津立仪器设备科技发展有限公司）中养护至所需测量龄期后用于性能测试。

1.3 测试与表征

（1）发泡剂的发泡性能测试

发泡倍数是评价发泡剂溶液起泡难易程度的重要指标。利用发泡机（HKQ-4，上海华凝自动化科技有限公司，空压机压力0.5 MPa）制备水性泡沫。发泡倍数按式（1）计算[15]：

式中：M——发泡倍数，倍；V——泡沫体积，取680 mL；m——泡沫质量，g；ρ——发泡剂密度，取1 g/cm3。

（2）发泡剂的稳泡性能测试

半衰期是评价泡沫稳定性的重要指标。按照GB/T 7462—94《表面活性剂发泡力的测定改进Ross-Miles法》利用罗氏泡沫仪（2152型，上海隆拓仪器仪表有限公司）测试泡沫体积，计算泡沫的半衰期。

（3）发泡氯氧镁水泥密度测试

按照GB/T 11969—2008《蒸压加气混凝土性能试验方法》测试养护龄期为28 d的FMOC试块的干密度。

（4）发泡氯氧镁水泥抗压强度测试

利用深圳三思纵横科技股份有限公司生产的300 kN的UTM5305微机控制电子万能试验机测试养护28 dFMOC试块的抗压强度，试验机以50 N/s的加载速度连续而均匀地对试样进行加荷直至试件破坏，记录此时的抗压强度。

（5）发泡氯氧镁水泥孔结构测试

采用上海炳宇光学仪器有限公司生产的BXT-90B体式显微镜获得28 d样品的截面图片，通过图像分析软件Image-Pro Plus[16]获取FMOC试块的孔径大小。

2 结果与讨论

2.1 稳泡剂对发泡剂发泡稳泡性能的影响

尽管阴离子发泡剂的发泡倍数高，但其泡沫稳定性差，需要向其中添加稳泡剂进行复配改性。稳泡剂按其作用方式可分为2类[17]：一类是通过协同作用加强表面吸附分子之间的相互作用，使泡沫膜的弹性增大，透气性减小，从而提高泡沫的稳定性；另一类主要是通过提高液相黏度来降低泡沫的排液速率，延长半衰期，从而提高泡沫稳定性。

本研究经过筛选确定1%K12溶液作为发泡剂，考察了TX-10、TS、GA、MPS 四种稳泡剂浓度分别为 0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、3.0%时对复合发泡剂发泡稳泡性能的影响，结果如图1所示。

图1 不同浓度稳泡剂对K12发泡倍数和半衰期的影响

由图1可见：

（1）当TX-10浓度小于1.5%时，随TX-10掺量增加，发泡倍数由16.80倍增大到17.89倍；半衰期由20.10 min延长为50.69 min。这是由于TX-10是非离子表面活性剂，本身具有一定的发泡能力，掺量较小时可以提高发泡剂的发泡能力。同时TX-10可以插入K12阴离子之间，从而减弱同性电荷的排斥力，使其界面处离子排列更为紧密，提高了发泡剂的稳泡性能。但随着TX-10浓度继续增大，TX-10分子本身的亲水基和疏水基会发生吸附缠绕使溶液黏度增大，导致发泡能力降低。此外，TX-10掺量过大，会减弱K12表面活性离子间的相互作用，导致泡沫的稳泡定性降低。因此TX-10的最佳浓度为1.5%。

（2）随TS掺量的增加，发泡倍数先增大后减小，半衰期延长。其中TS浓度为3.0%时发泡倍数为17.25倍，泡沫半衰期为34.5 min。和TX-10的作用原理相似，TS也属于一种非离子表面活性剂，但其相对分子质量较大，分子中含有大量电负性极强的含氧基团如—COOH、—OH、—O—等，当TS掺量较大时，复合发泡剂黏度较大，从而抑制其发泡能力，提高了稳泡性能。综合考虑，TS的最佳浓度为3.0%。

（3）随着GA浓度的增加，复合发泡剂的发泡倍数和半衰期都呈现先增加后减小的趋势，半衰期的缩短滞后于发泡倍数的减小。当GA浓度为1%时，发泡剂倍数为16.75倍，半衰期为55 min。作为一种最常见的两性表面活性剂，GA分子中含有较多的亲水基，在GA浓度较小时，可以和K12离子结合提高其憎水性，降低溶液的表面张力，从而使发泡倍数略微增大。但随着GA浓度的增大，溶液的黏度也随之升高，延缓了气泡液膜的排液速度，延长了半衰期。当明胶浓度超过2%时，复合发泡剂的发泡能力急剧下降，泡沫孔径也变大，严重影响了泡沫的稳定性。因此GA的最佳浓度为1%。

（4）随MPS浓度的增大，发泡倍数和半衰期都呈先增大后减小，MPS浓度为0.5%时，发泡倍数为17.08倍，半衰期达最大值为216.81 min。这是由于MPS可以改变分子内部排列顺序，控制气泡液膜的结构稳定性，提高泡沫的弹性和自修复能力，从而达到比较理想的稳泡效果[18]。因此MPS的最佳浓度为0.5%。

综上，以下试验选择在1%K12中分别掺加浓度为1.5%TX-10、3.0%TS、1%GA、0.5%MPS作为复合发泡剂。其中以在1%K12中掺加0.5%MPS稳泡剂所得复合发泡剂的发泡性能最优，掺加1%GA、1.5%TX-10稳泡剂所得复合发泡剂的发泡性能次之，而掺加3.0%TS所得复合发泡剂的发泡性能相对最差。

2.2 发泡剂对发泡氯氧镁水泥性能的影响

MOC料浆对加入的泡沫会有一定的消蚀作用，从而影响FMOC的性能，试验分别研究1%K12（代号K）、1%K12+1.5%TX-10（代号 KTX）、1%K12+3.0%TS（代号 KTS）、1%K12+1%GA（代号 KGA）和 1%K12+0.5%MPS（代号 KMPS）5 种发泡剂对FMOC性能的影响。

2.2.1 发泡剂对FMOC密度及抗压强度的影响

不同发泡剂制备的FMOC试块的28 d干密度及抗压强度见表1。

表1 不同发泡剂对FMOC干密度及抗压强度的影响

由表1可以看出：

（1）FMOC试块的密度随泡沫掺量的增加而减小，但变化趋势略有不同。其中加入K或KMPS发泡剂所制备的FMOC试块的密度远大于其他3种。这是由于K发泡剂是单一阴离子发泡剂，在与料浆结合时严重消泡。尽管KMPS发泡剂的稳泡效果极佳，但加入到水泥净浆中也出现了严重的消泡现象，这有可能是MOC中的盐分造成了MPS稳泡剂的破乳，进而影响了泡沫的性能。KTS、KGA发泡剂制备的泡沫在MOC中稳定性较好，试块密度较低。虽然KTX发泡也能够获得较为满意的FMOC试块密度，但当泡沫掺量较大（6 mL/gMgO）时试块易塌模，不利于生产过程的控制。

（2）随泡沫掺量的增加，FMOC试块的抗压强度明显降低。在泡沫掺量分别为2、4、6 mL/gMgO时，加入KMPS的比加入K的发泡剂所制备的FMOC抗压强度分别提高了0.81、0.19、0 MPa，表明KMPS发泡剂虽然不能提高其泡沫在水泥浆体中的稳定性，但对试块有增强作用。加入KTS、KGA的发泡剂制备的试块密度相差不大，但KGA发泡剂制备的试块抗压强度普遍比KTS的高，泡沫用量分别为2、4、6 mL/gMgO时，FMOC的抗压强度分别提高43%、30%、20%，造成抗压强度差异的主要原因是发泡剂泡沫稳定性不同，制备的FMOC样品孔径、孔分布不同，从而影响试块强度。

（3）加入K、KMPS发泡剂制备的泡沫在MOC料浆中易消泡，制备的FMOC试块密度较高；加入KTS、KGA的发泡剂制备的泡沫在MOC中稳定性较好，制备的FMOC试块密度较低；加入KTX发泡剂在高泡沫掺量时FMOC试块容易塌模。当FMOC试块密度相近时，加入KMPS的发泡剂比加入K的发泡剂所制备的FMOC试块的抗压强度高；加入KGA的发泡剂所制备的FMOC试块的抗压强度普遍比加入KTS的高。

2.2.2 发泡剂对FMOC孔径的影响

孔结构对FMOC的强度、耐水性和导热性能[19-20]等有重要的影响。图2为泡沫掺量为4 mL/gMgO时，分别采用上述5种不同发泡剂所制备FMOC试块的孔径分布。

图2 不同发泡剂制备的FMOC孔径分布

由图2（a）可见，加入K发泡剂所制备的FMOC试块泡孔尺寸偏大，90%以上为0.2 mm左右，且其中存在少数大孔。由于大孔会造成应力集中，影响强度，因此大孔在FMOC中属于有害孔。由图2（b）可知，加入KTX发泡剂制备的FMOC试块泡孔径大小严重不一，且孔径偏大，使得FMOC试块的抗压强度不高，低密度的试块易塌模。由图2（c）可以看出，加入KTS发泡剂制备的试块气泡孔尺寸极小，绝大多数小于100 μm，此时孔壁极薄，也会导致试块强度不高。由图2（d）可以看出，加入KGA发泡剂制备的FMOC试块，泡孔均匀性有很大程度的改善，在孔径50~200 μm之间的孔超过90%，使得试块抗压强度较高。分析图2（e）可知，虽然KMPS的加入提高了复合发泡剂的发泡稳泡能力，但其与MOC的结合性能较差，且存在少量有害大孔，不利于FMOC的抗压强度。