水泥人造板的制备及改性发展现状与前景*

苑许硕 李晓宝 孙振炳 李晓平

（西南林业大学云南省胶黏剂与胶合制品重点实验室，云南 昆明 650224）

《中国人造板产业报告2021》显示，2020年我国人造板总产量3.110 1亿m3，同比增长0.8%，再创历史新高[1]。我国用于人造板材的胶黏剂大多为合成树脂型胶黏剂，而有机合成胶黏剂的生产会对环境和人类健康造成不利影响，因为其以不可再生的石油资源为原料，且生产与使用过程中会释放大量游离甲醛。

近年来，随着国家制定双碳目标、推行新型墙体材料等一系列政策标准，使得人们将目光放在了环保、高性能的水泥人造板上。水泥人造板作为新型建筑材料中的一员，与传统人造板材、混凝土制品、粘土砖、石材相比，具有其独特的优点。水泥人造板成本低廉、绿色环保、耐虫耐腐、吸音隔音、易于加工，且施工速度快、劳动生产率高[2]，被广泛应用于装修、墙体、消防等领域。但水泥人造板也存在着一些不足，如：植物纤维在硅酸盐水泥中耐久性差的缺陷等，限制了水泥人造板在国内的生产与发展。目前，已有学者对水泥人造板的原料改性和快速固化工艺进行了研究，生产制备出了具有优异性能的水泥人造板。

羧甲基纤维素具有良好的保水性、成膜性、水溶性、黏结性和增稠性，近年来也被用于改性水泥基材料。羧甲基纤维素溶于水后在水泥的碱性环境下具有良好的粘结效果，其立体网络结构与水泥水化产物之间相互贯穿连接，调节了水泥基材料的力学性能。但目前关于羧甲基纤维素应用于水泥人造板中的改性研究较少。本文概述水泥人造板的分类及应用研究，综述水泥人造板改性的现状进展及羧甲基纤维素应用于水泥基材料的研究，旨在为水泥人造板的改性和可持续发展提供研究思路。

1 水泥人造板的概念及其发展概况

1.1 水泥人造板

水泥人造板主要以硅酸盐水泥为胶黏剂，在其中混入刨花、纤维、木丝等原料，加入水和化学助剂，经混合搅拌、成型、加压和养护而制成的一种人造板[3]。其被认为是一种性能优良、绿色环保的新型轻质建筑材料，也是国家大力推广的重要墙体材料之一。按照纤维原料的形状不同，水泥人造板可分类为：水泥刨花板、水泥木丝板、水泥纤维板[4]。

1.2 水泥人造板的应用

1.2.1 水泥刨花板

水泥刨花板具有高强度、防水阻燃、适用性广泛等特点，主要作为建筑材料在各国使用，包括非承重的内外墙楼地板、预制房屋、隔音墙等[5-7]。北美将水泥刨花板制成的屋顶板取代被禁用的石棉产品。日本将水泥刨花板主要用作防火、防水的建筑材料[8]。瑞士利用水泥刨花板制成空心砖，用于低层与高层建筑[9]。S.O.Amiandamhen[10]等使用木材残留物制得水泥刨花板，认为其可做为建筑结构的天花板。此外，水泥刨花板还可作为家具行业和建筑工程中木制品的替代品[11]。

1.2.2 水泥木丝板

水泥木丝板于奥地利生产后，在欧洲各地得到了广泛应用。其使用厚度为0.2～0.5 mm的木丝作为原料，以1～2 mm宽细木丝为原料的细丝产品用作吸音板，以3～5 mm宽粗木丝为原料的粗丝产品用作隔热板[12]。最初的水泥木丝板是一种密度为350～550 kg/m3的轻质板材[13]，其强度较低，抗弯强度较差。为得到更适合作为建筑材料的产品，研究学者们提高板的强度后研发出了艾托板、大型水泥木丝墙板等产品。

（1）艾托板

20世纪90年代，荷兰Eltomation公司使用了宽度为8mm的木丝作为原料，研发出了密度为800～900 kg/m3的高强度艾托板（Elto Board），又称为水泥木线板。其密度仅为水泥刨花板密度的70%[14]，处于传统水泥木丝板与水泥刨花板之间，但在主要性能方面可达到甚至优于水泥刨花板的水平。此外，艾托板的生产能力与生产成本均优于传统的水泥木丝板及其他多数板材，使其更适合作为低成本房屋建材。

（2）大型水泥木丝墙板

水泥木丝板的产品形式多为条状，为扩大其应用范围，瑞典Traullit公司于2003年成功研发了一种大型水泥木丝墙板，并申请了欧洲专利[15]，他们用其建造了1～2层的别墅和联排别墅。2009年，山东农业大学建造了一栋两层的水泥木丝板样板房，经过长时间的观察，该建筑的保温、隔音、调湿效果均良好[16]。大型水泥木丝墙板的开发在一定程度上减少了现场墙体砌筑工作，最大程度上节约了现场施工时间。

1.2.3 水泥纤维板

研究者在以往的研究中使用天然纤维作为硅酸盐水泥胶粘剂的增强材料，研究发现，在水泥基材料中掺入一定量的纤维后，纤维在其中呈随机的分布，水泥固化后可有效提高材料的各项性能。尹如霞[17]测试了添加稻草纤维掺量为水泥质量的3%、5%、6%、8%的复合材料与素水泥基材料相比的性能。结果表明，当稻草纤维掺量为5%时，水泥基材料的抗冲击性能提升最为显著。郝聪杰[18]使用桉木纤维制得实际密度为1 300 kg/m3左右的水泥纤维板，适用于非承重的内墙板、天花板、地板等领域。Schabowicz K[19]等人分析了水泥纤维板作为外墙覆层在发生火灾时的承载能力变化。Hasan K[20]等人的研究评估了利用硅酸盐水泥和匈牙利七种不同木本植物的混合纤维，生产了厚度为12 mm、密度约为1 200 kg/m3的水泥纤维板。并通过热重分析和差热分析表明该水泥纤维板具有较好的热稳定性，可作为潜在的建筑保温板。

2 水泥人造板的生产工艺

水泥人造板可采用半干法（也称为冷压法）进行生产（图1）。该生产过程是在混合配料时加入尽可能少的水，使混合物呈半干状态后均匀铺装在垫板上，然后送至压机加压，锁紧加压装置后水泥发生固化，卸模，自然养护一段时间至板材干燥，最后进行锯边、砂光处理、表面装饰等工作。

图1 半干法生产水泥人造板流程图

半干法生产工艺加工简单、能耗低。郝聪杰[21]等研究表明，桉木纸浆纤维与水泥的相适性较好，采用半干法制备木浆纤维水泥板可行。但由于硅酸盐水泥的水化是一个非常缓慢的过程，使用传统半干法生产的水泥人造板需要较长的加压、养护时间[22]，时间与设备的能耗限制了水泥人造板生产的发展。因此，国内外学者们不断进行着水泥人造板生产工艺的优化及创新。

1989年芬兰Raurna-Repola公司和匈牙利Falco公司合作设计了一种通过喷射二氧化碳气体生产水泥刨花板的工艺[23]。该工艺是在冷压板坯的同时将CO2气体通过特定的装置喷射到板坯上，使板坯可以在几分钟内迅速获得脱模硬化强度，从而缩短加压时间[24]。刘义海[25]等使用CO2气体喷射法生产水泥刨花板，结果表明：加压时间可从冷压法的8 h缩短至4～5 min，但采用CO2气体喷射法压制的水泥刨花板强度低于采用冷压法生产的水泥刨花板。Hermawan D[26]等通过传统的冷压法生产水泥刨花板，然后使用气态或超临界CO2进行固化处理，这使得水泥刨花板的固化明显加速。

快速固化技术可以缩短水泥人造板的生产周期，但由于可操作性、可靠性、成本等问题，快速固化工艺在我国的实施与推广存在局限性，应用的规模与产量不大，目前水泥人造板的生产仍以半干法为主，快速固化技术仍然是目前需解决的重大课题。

3 水泥人造板的不足及改性研究

3.1 原材料的不足

水泥人造板作为一种新型墙体材料，与传统人造板相比，水泥人造板中硅酸盐水泥胶粘剂对木材的胶合强度不高，植物纤维在水泥基体中的耐久性不强，这是由于水泥浆是一种pH值为11～12的碱性介质，造成某些木材种类与水泥之间存在不相容性[27-28]。

水泥人造板中的植物纤维原料由纤维素、半纤维素、木质素和少量抽出物以及灰分等物质组成[29]，这些物质均会在不同程度上影响水泥的水化反应。与此同时，水泥基体的碱性环境也会对植物纤维的机械性能造成影响。Weber H[30]和Bever MB[31]研究认为水泥刨花板中木材的糖分含量若超过0.6%，则这些木材种类不适合与水泥混合。Ashori A[32]等人利用桉树（赤桉）和杨树（美洲黑杨）制造水泥木丝板，试验表明：杨木纤维增强复合材料的力学性能明显高于桉树板材，这可能是因为杨树的抽提物少，与水泥的相容性较好。

3.2 国内发展的不足

在瑞士、德国、日本等国家，强重比大、易加工、性能良好的水泥人造板常被作为建筑材料。在我国，人造板大多被应用于家具、包装领域。而水泥人造板在建筑领域的优势更为突出，但我国通常为钢筋混凝土建筑，这使得人们对新型墙体材料的认可度、接受度不高；此外，与混凝土制品相比，水泥人造板的容重较轻，仅为混凝土容重的一半，但可达到较高的强度[33]。但是与传统人造板材相比，虽然水泥人造板的生产成本低廉，但自重大造成了水泥人造板的运输成本较高，也导致了国内水泥人造板工厂规模不大，无法大规模引进外国的先进生产线。这使得国内的水泥人造板在产量、品种、质量上与国外相比还很落后。

针对该问题，李晓平等[34]认为利用工业大麻秆来制备轻质刨花板和轻质无机人造板是可行的；俞友明[35]对轻质水泥刨花板进行了系统研究，认为在其试验范围内，轻质水泥刨花板的生产以刨花长度为6 cm、刨花厚度为0.2～0.5 mm、灰木比为2.0时较佳。

3.3 水泥人造板的改性研究

目前，学者们对水泥人造板进行的一些改性研究主要是围绕以下两方面进行的：一是对木质纤维进行预处理，以提高其与水泥的相适性，降低其对水泥硬化的阻凝作用；另一个解决方法是改性硅酸盐水泥胶黏剂。

3.3.1 对植物纤维的改性

Melichar T[36]等通过实验证明了增加刨花湿度对水泥刨花板的水化过程和最终性能具有轻微负面影响，这很可能是刨花中的糖分被释放出来导致的，其认为通过水洗从木材中提取糖是可能的。汤正捷[37]等采用高温干燥技术，探讨了刨花不同的高温处理条件对刨花和水泥混合物水化热以及水泥刨花板力学性能的影响。试验结果表明，170℃、2.5 h是刨花的最优处理条件。Pereira C[38]等用葡萄牙生长的海松、蓝胶和针叶材刨花制成水泥刨花板，实验发现改善性能的最佳方法是添加交联剂CaCl2。

3.3.2 对硅酸盐水泥胶黏剂的改性

硅酸盐胶黏剂虽有性能稳定、价格低廉等诸多优点，但其是一种脆性材料，易收缩开裂、耐水性不高、抗弯与抗拉效果均较差，且因为水泥的孔洞分布不均、粘结效果不强等因素，会削弱材料的整体结构，导致水泥人造板力学性能不强，因此对水泥进行改性显得尤为重要。

Akinyemi B A[39]等人对使用丙烯酸乳液聚合物改性水泥基材料进行了研究，其中竹纤维作为增强材料，研究发现，竹纤维大大提高了复合建筑材料的热性能，而丙烯酸聚合物的加入也在很大程度上阻碍了水分渗入毛细管网络。此后，Akinyemi B A[40]等人也对使用硅烷基防水剂改性水泥基体进行了研究。还有学者对硅酸盐水泥的碳化进行了研究，认为碳化导致水泥基材料的碱度降低，从而提高水泥与木材的相适性。Almeida[41]等人评估了早期碳化对桉树纸浆增强水泥基复合材料的机械、物理性能和微观结构的影响。结果表明，碳化可以减轻水泥基复合材料中纤维素纤维的降解，从而使其在水泥的侵蚀性条件下保持良好的机械性能，这使得复合材料的机械性能更好、耐久性提高。

4 CMC的概念及其在水泥改性方面的应用

羧甲基纤维素因其优良的保水、增稠和缓凝性能，也被广泛应用于水泥基材料中[42]。但将其应用于水泥人造板的研究较少，本研究使用羧甲基纤维素对硅酸盐水泥胶黏剂进行改性，作为提高水泥人造板性能的一种方法。

4.1 CMC的概念及制备

羧甲基纤维素（Carboxymethyl Cellulose）简称CMC。CMC上的羧酸基团使其可以携带不同的阳离子，其中羧甲基纤维素的钠盐CMC-Na具有易溶于水、易发生反应等特点得到了最为普遍的应用，因此通常将工业生产和生活中使用的羧甲基纤维素钠称为CMC。CMC是纤维素的水溶性衍生物[43]。其作为当今世界上应用最广、用量最大的纤维素醚类之一，不仅具备与纤维素相同的优点[44]，还具备了天然纤维所没有的黏结性、增稠性、水溶性等特点，被广泛应用于食品、医药、造纸、石油开采等行业[45]。

羧甲基纤维素最早由德国于1918年制得，其制备工艺简单、成本低廉。制备CMC可以使用木材、棉花、芦苇等，也可利用农业废弃物及其他废弃物，这是由于此类材料的主要成分之一是纤维素。将纤维素分子中的脱水葡萄糖结构单元（AGU）经过碱处理后，通过与一氯乙酸醚化作用在纤维素分子上引入羧甲基（CH3COO），就制得羧甲基纤维素。Adinugraha[46]等人利用香蕉假茎制备出纯度达98.23%的工业级羧甲基纤维素钠。李欢[47]以废弃一次性纸杯为原料成功制备高取代度的CMC，这能够减少对传统原材料的投资成本，并且为废弃一次性纸杯的回收利用提供了新的途径。

4.2 CMC在水泥改性方面的研究应用

CMC改性硅酸盐胶黏剂具有独特的优越性，国内外学者对其进行了深入研究并取得了很多有意义的成果。

4.2.1 缓凝作用

P.C.Mishra[48]等发现水泥的初凝和终凝时间分别为130和230 min，添加量为0.05%CMC的水泥初始和最终凝固时间分别为160和320 min，添加量为4%CMC的水泥初始和最终凝固时间分别为706和783 min，表明CMC起到了缓凝剂的作用。

4.2.2 保水、增稠和防开裂作用

王京军[49]在实施大坝除险加固工程中，在一般地层泥浆配比中添加了0.05%～0.1%的CMC，在漏失地层泥浆配比中添加了0.1%～0.2%的CMC，结果表明，CMC的添加显著改善了大坝的渗流情况。王成祥[50]等在研究不同纤维和掺合料对混凝土面板前后期抗裂性能的影响时，发现CMC对防止混凝土早期开裂性能优异。魏征[51]在分析CMC对砂浆作用的保水性能作用机理时中，通过SEM扫描电镜发现CMC在砂浆中水解以后有网络结构和片状结构铰接在一起，其中水泥颗粒和水泥水化晶体穿插在里面。

4.2.3 调节力学性能作用

Zhang[52]等人发现CMC用量为7.5%时，可使硅酸盐胶黏剂强度提高56.3%。LüGaole[53]等人的实验结果表明，聚合物CMC-PSS/PVAc在适当的水灰质量比和聚合物/水泥质量比条件下，能显著提高水泥砂浆的力学性能。

然而，CMC对水泥基材料也具有一定的引气作用，导致水泥基材料的孔隙率增加，密实度降低，从而导致强度降低[54]，但这些气体能够有效降低砂浆内部的毛细孔压应力从而减小砂浆的收缩[55]。刘鹏飞[56]在机喷水泥砂浆的制备与性能研究时，对比砂浆容重随CMC掺量变化的柱状图，发现CMC的掺量在低于0.3%时几乎无引气作用。

Clotilde Capacchione[57]等人使用羧甲基纤维素经水解和磺乙基化制备羧甲基纤维素超塑化剂(CMC SP)，研究了其作为新型高效减水剂在水泥基材料中的性能。LüGaole[53]等人和吕高磊[58]的研究中采用CMC作为底物，分别合成接枝共聚物乳液CMC-PSS/PVAc和CMC-g-PSSNa/PVAc，并进行了其在减少用水量的同时影响水泥基材料性能的研究。

5 CMC应用于水泥人造板的可行性分析

CMC是一种聚合物，在水中具有高溶解性，且能够在水泥颗粒表面形成非常薄的不透水膜，增加了水泥基材料的粘性与密封效果[59-60]。其在水泥浆内部形成较高韧性和强度的聚合物微纤维甚至聚合物膜对水泥浆的微裂缝具有“桥接”作用，从而改善水泥的强度[54]。CMC的加入延缓水泥的凝结与硬化，这对于提高水泥人造板的可操作时间有利，但也存在延缓水泥人造板生产进度的可能。CMC的保水性有利于防止原料中的水分过早蒸发或被吸收，确保水泥在凝结硬化期间得到充分水化。除此之外，CMC的加入对于水泥人造板在抗冻性、耐老化性、耐腐蚀性方面也有一定的提高。

在原料利用方面，水泥人造板中的木材作为原材料的比例要远远低于传统的刨花板[9]。此外，天然纤维素材料是地球上最丰富的可再生资源之一，这使得制备CMC的原料丰富、成本价格低廉，与此同时有助于废弃物的管理和有效利用。

6 结语与展望

水泥人造板是一种具有良好的功能性、耐用性、可加工性的板材，其生产有效降低对木材资源的消耗，提高对木材的综合利用，减少板材中的游离甲醛，对人造板产业的可持续发展具有重要意义。水泥人造板的应用与推广，迎合了我国政策性法规的发展趋势，并且建筑业的快速发展也为其发展创造了契机。众多优势为高性能环保的水泥人造板的发展提供了广阔空间，发展轻质高强度的水泥人造板成为新型建筑材料发展的趋势。

但水泥人造板存在原材料相适性差、国内认可度不高等问题，使其发展仍有一定的局限性。目前，对于水泥人造板的改性研究主要都是围绕植物纤维的预处理，以及提高硅酸盐水泥胶黏剂的性能来进行的。利用CMC改性的水泥砂浆具有诸多优异特性，目前在石油钻采、建筑工程、大坝修补加固等方面对水泥改性已有研究及应用，但其用于改性水泥人造板的研究较为少见。若将CMC的使用推广到水泥人造板中，可能会使水泥人造板内部结构更致密、均匀，从而增强水泥人造板的性能。

另外，由于CMC的分子参数、掺量、原料的搅拌方式、养护条件等因素的不同，其改性水泥人造板的性能必然会有差别，我们还需对CMC影响水泥人造板的机理进行深化研究，以制得性能优异的水泥人造板，使其在现实生活中得到更好地应用。同时还应根据国内实际生产需要，加强水泥人造板的研究与实践，提高其在国内的认可度。