1、.1聚氨酯對菱鎂材料力學性能影響研究摘要：50年代末和70年代期間，菱鎂制品在建筑工業中應用廣泛，但是由于其制品的耐水性，強度等方面存在缺乏從而限制了菱鎂制品在建筑工業中的推廣和使用，到了近期，我國在菱鎂制品的技術方面已有多年技術積累，已解決了幾個技術關鍵，本文通過在菱鎂材料中添加聚氨酯配制成的復合改性劑，采用實驗的方法找出復合改性劑的最正確配方。參加復合改性劑后，菱鎂制品的抗折、抗壓和抗沖擊性能都有很大的提高。關鍵詞：聚氨酯 菱鎂材料 力學性能Mechanical properties of polyurethane material impact on the study of magne

2、siteAbstract:The late 1950s and 1970s， magnesite products are widely used in the construction industry， but because of its products， water resistance， strength， etc. to the deficiencies which limit the magnesium products in the construction industry in the promotion and use， to the recent China magn

3、esite products in the technical aspects of many years of accumulated technology， has solved several key technology， this article by adding magnesium material polyurethane preparation of pound modifiers， using the e*perimental method to identify the most pound modifiers good formula. After adding pou

4、nd modifier， magnesite products， bending， pression and impact resistance are greatly improved.Keywords: mechanical properties of glass fiber magnesite概述隨著人們生活水平不斷提高，其消費水平也越來越高，菱鎂復合材料工藝品因其具有欣賞性及裝飾藝術性，同時價格低廉、裝飾效果好、綠色環保，得到了國外人士的青睞，它與硅酸鹽水泥相比有很多優點，如早期強度高，韌性好，質量輕等，所以在公共建筑中的中央空調、煤礦的通風管道，現代化農業種植，城市管網、道路、室裝飾

5、、防火門等得到了應用因此生產和銷售擴展很快。不僅如此， 菱鎂復合材料工藝品還具有生產工藝簡單、原材料易得、生產本錢低、銷路廣等特點，因此生產菱鎂復合材料工藝品的企業如雨后春筍 1。玻璃纖維對菱鎂板增強機理可用纖維對水泥基體系增強作用進展解釋， 纖維對水泥基體系的增強作用， 目前通常采用兩種理論來解釋。其中之一是由英國Sw amy， Mangat提出的復合材料機理。主要從復合材料的混合原理出發， 將纖維增強的水泥基體系看作纖維的強化體系， 即認為纖維摻入后， 水泥基體系強度、抗裂性等與纖維的摻入量， 方向、長徑比以及粘結力有關， 纖維品種不同， 與水泥基體系基體的界面作用大小不同; 基體中纖維的

6、含量、分布及長徑比等， 都會影響纖維的增強效果。下面針對上述理論分別從幾個方面進展研究。1菱鎂材料的成型機理及引發菱鎂制品弊端的原因輕燒氧化鎂粉和六水合氯化鎂水溶液混合后，開場了十分復雜的水化反響，形成了MgO，MgCl2，H2O三元體系，其生成產物主要是:5Mg(OH)2MgCl28H2O (簡稱518相)、3Mg(OH)2MgCl28H2O(簡稱318相)、Mg(OH)2及殘留的MgO等。其中518結晶相是菱鎂制品主要強度來源，所以在反響中希望生成的518結晶相越多越好。318結晶相不穩定，會導致生成的制品質量不穩定。同時518結晶相為針狀晶體，在水分子作用下易分解。氧化鎂和氯化鎂的水化反

7、響為放熱反響，在成型過程中放出大量的熱，其部溫度最高可達140度。菱鎂制品產生弊端的原因:(1)吸潮返鹵。由于菱鎂制品是以MgCl2為調和劑，氯離子有吸潮的特性，它會慢慢吸收空氣中的水分，達飽和狀態時，就從制品中沿毛細孔返回制品外表，形成水珠，俗稱“冒汗。(2)耐水性差。菱鎂制品水化產物518晶相網絡的結晶接觸點，極易被水溶解而斷開，使制品失去強度，所以鎂水泥制品極不耐水。剛制成的制品如鐵似鋼，但經雨或遇水后，慢慢變酥變脆，最后象一堆豆腐渣。所以鎂水泥制品一直被制止用于建筑構造材料，以免引起重大事故。(3)泛霜出白。菱鎂制品在配比不對時，MgO與MgCl2反響不充分，多余的MgO與水反響生成M

8、g(OH)2。Mg(OH)2沿毛細孔泛到外表與空氣中的CO2反響生成MgCO3即為白霜。白霜擦去一層又一層，擦之不盡，對彩色制品影響更大。(4)翹曲變形。菱鎂制品當原料質量控制不嚴，配比不科學，工藝不合理時，會造成放熱局部集中，熱應力不均衡，各部位收縮率不一致，導致制品翹曲變形嚴重，特別是板材。如果是型材則會變彎下弓。制品出現四大弊端有些是原料技術控制的原因，有些是配比的原因，有些是工藝的原因，有些是材料使用不當的原因。針對弊端發生的原因，以預防為主，從根本上采取措施，不讓弊端發生，另外在菱鎂材料中添加各種改性外加劑，這樣才能很好的解決菱鎂制品的弊端。2菱鎂改性外加劑改性原理分析改性外加劑在菱

9、鎂材料中的作用，大致有穩定518相構造，阻止水分解變化或形成膠凝物堵塞孔隙與毛細通道，或包裹有負面效應的Mg2+， Cl-，OH-離子并與之生成難溶性的鹽，或降低與促進水化硬化的水化熱，起著緩凝與促凝的作用。外加劑改性技術大多是圍繞三點來進展研制的:一是改善鎂水泥的孔構造，增加其密實度，降低其吸水性;二是分散膨脹應力，減少或防止熱應力集中;三是抗水。3改性外加劑種類及改性方法菱鎂材料產生弊端的根本原因是菱鎂材料在成型過程中產生的孔構造，如外界水分通過孔隙進入菱鎂材料硬化體，直達水化相部，溶出水化物中的氯離子，造成水化相解體，導致制品強度下降，最終完全失去強度，這是導致菱鎂制品耐水性差的主要原因

10、;另外鹵和霜通過毛細孔和大孔向外泛出，形成返鹵和泛霜;還有孔隙造成水分蒸發的不均勻性，導致翹曲變形和裂紋1。所以菱鎂制品中的孔構造是造成菱鎂材料弊病的主因，大多數菱鎂材料的弊病皆由水和孔引起，因此，要到達更好的改性效果，既要改善菱鎂材料的孔構造，又要提高其抗水性。改善孔構造，提高抗水性，固然可采用加壓、振動等工藝手段，但是，使用外加劑改善孔構造與防水，是最普遍的改性方法，也是應用最成功的方法。其具體的改性方法是減孔、堵孔、填孔、細化孔等四個方面。(1)減孔:減孔就是減少菱鎂硬化體的孔隙，使硬化體在成型時保持極低或很低的孔隙率。常使用的減水外加劑有:聚烷基芳基磺酸鹽類高效減水劑;聚羧酸鹽類高效減

11、水劑;氨其磺酸類高效減水劑;蜜胺減水劑。高效減水劑最好配合超細微粉使用，其改性效果會大大提高。(2)堵孔:堵孔是采用化學的方法或物理的方法，將毛細孔堵塞，使之不再具有通透性，從而限制或者消除水在毛細孔中的運動，使水無法通過毛細孔出入制品。這樣能在一定程度上抑制水對518相晶體構造的破壞和對鹵及霜化物的溶解和攜帶。堵孔的方法有化學堵孔和物理堵孔，其中化學堵孔是采用那些能夠通過化學反響產生膠體物質和晶體物質的外加劑，用它們產生的膠體物質和晶體物質來堵塞毛細孔隙。常用化學堵孔外加劑有鋁鹽，鐵鹽，磷酸鹽等。物理堵孔是用高級飽和與不飽和的有機酸以及它們的堿金屬的水溶性鹽及有機硅質憎水劑等。(3)填孔:填

12、孔就是使用超細或高細工業廢棄物微粉或礦物微粉，對菱鎂材料的孔隙進展填充，特別是對毛細孔進展填充。經填充后，各種孔隙被填實，水就無法再從毛細孔通過，也無法在其他孔隙中存身。(4)細化孔:采用技術手段，使菱鎂制品中的孔隙變細變小，大孔變小孔，小孔變微孔，粗孔變細孔，使孔隙微細化。細化孔常用外加劑:脲醛樹脂，丙烯酸乳液，EVA乳液等。(5)分散膨脹應力的改性方法:緩凝分散膨脹應力:采用緩凝改性外加劑，延緩菱鎂材料成型時的凝結速度，將其凝結時間延長，從而防止水化熱在短時間過于集中，也就分散了其熱應力。常用緩凝外加劑:普通水泥緩凝劑如木鈣和糖鈣，含磷固體廢棄物，磷酸及磷酸鹽，有機酸，糖類等。消除CaO膨

13、脹應力的方法:只能通過外加劑來消除，主要是有機酸，如草酸。吸納膨脹應力的方法:這種方法是在膨脹應力發生的情況下使用的，它可以將膨脹應力通過吸納劑的作用將其吸收，不使之造成制品的變形與裂紋。吸納劑就是發泡劑，通過發泡形成微孔構造的硬化體，膨脹發生后，應力就會通過微孔形成的空間而得到釋放，也等于微孔空間吸納了膨脹應力。4提高菱鎂材料性能用改性外加劑3(1)納米粉體材料:利用納米材料外表效應、填充特性及催化特性等各項優良性能，從微觀上改變晶體構造，增加其各項力學性能。(2)外表活性劑:更好的防止返鹵、泛霜，增強抗水性，降低菱鎂材料外表處理的難度，增強油漆附著力。改性劑是菱鎂材料中不可缺的組分，在合理

14、的條件下，改性劑從穩定菱鎂材料的相組成構造，改善制品的外表性能，進一步提高力學和抗水性能，根據需要改善緩凝早強的可操作性能等幾個方面都有不何低估的作用。改性劑本身也從無機改性劑逐步開展到有機高聚物、納米材料等方面，隨著各種高性能的改性劑的研制應用，菱鎂材料的各項性能將得到大幅提高和加強，菱鎂制品的應用也將越來越廣泛。在生產菱鎂制品時，為了到達輕質的要求，往往添加鋸末或稻殼粉。但是在滿足輕質的同時也降低了制品的強度，特別當制品為承重構件時，強度降低對制品使用性能十分不利。菱鎂水泥是氣硬性材料，在空氣中凝結硬化，當浸泡到水中時，強度降低非常顯著，在潮濕或有水的環境中使用時，強度也會有很大的降低，筆

15、者試用摻加水硬性膠凝材料提高菱鎂水泥的耐水性能。在作為承重構件時，各種機械沖擊對其使用壽命的影響很大，與有機材料相比，無機材料的脆性較大，韌性差，因此提高抗沖擊性能是增加菱鎂制品使用壽命的途徑之一。實驗2.1原材料( 1) 輕燒氧化鎂，150 目篩篩余1.5%，外觀呈淡黃色粉末，其化學成分見表1。表1 輕燒氧化鎂的化學成分Mgof-MgoCaof-CaoSio2Al2o385.6965.311.611.441.860.80( 2) 工業氯化鎂：工業氯化鎂MgCl26H2O俗稱鹵片，主要化學成分見表2。表2 工業氧化鎂的化學成分Mgcl2KclNaclCacl246.500.360.660.59

16、( 3) 采用鵬博盛聚氨酯公司生產的聚氨酯材料2.2制備嚴格按配方稱料， 采用人工攪拌法制備料漿。玻纖增強氯氧鎂復合材料的成型和手糊玻璃鋼根本一樣，但要注意， 料漿的稠度要適當， 要保證良好、可靠的操作性。保證料漿厚度的均勻性， 玻纖布的鋪放要平整， 無折皺， 上下外表用塑料薄膜作脫膜劑， 整個過程在料漿初凝的時間完成。2.3實驗結果和分析根據拉伸( GB1447- 83) 2、壓縮( GB1448- 83) 5、彎曲GB( 1449- 83) 7 、沖擊韌性( GB1451- 83) 性能測試方法， 測定試樣的力學性能， 研究了材料力學性能與鹵水密度、菱苦土細度、用水量、玻璃纖維含量、玻璃纖

17、維布鋪設方式和改性玻璃纖維等的關系。2.3.1聚氨酯對復合材料力學性能的影響表1不同聚氨酯濃度對菱鎂材料的復合材料力學性能的影響序號聚氨酯濃度拉伸強度/ MPa( 氣硬28 d)拉伸模量/104MPa( 氣硬28 d)彎曲強度/MPa( 氣硬28 d)彎曲模量/104MPa( 氣硬28 d)壓縮模量/104MPa( 氣硬28 d)沖擊強度/ KJM-2( 氣硬28 d)10782.11002.32.01221.0952.21252.42.11331.51012.31442.52.21442.01262.41672.62.31552.51352.41852.72.31563.01502.5200

18、2.92.416由表1可知，當聚氨酯濃度為由0慢慢加到3.0的時候，拉伸強度由78 Mpa到達150 Mpa，拉伸模量由2.1104Mpa到達2.5104Mpa，彎曲強度由100 Mpa到達200 Mpa，彎曲模量由2.3104Mpa到達2.9104Mpa，壓縮模量由2.0104Mp到達2.4104Mp，沖擊強度由12 KJM-2 到達16 KJM-2。各項指標到達預期目標。2.3.2菱苦土細度對復合材料力學性能的影響表2磨細菱鎂粉復合材料力學性能序號磨細時間/ h拉伸強度/ MPa( 氣硬28 d)彎曲強度/MPa( 氣硬28 d)沖擊強度/ KJM-2( 氣硬28 d)1078100122

19、0.5981151231106135134211515014531231691564137178157515020016注: 上表試樣玻纖質量分數為10%， 菱鎂粉1 000 g， 鹵水密度1. 27 g / cm3， 體積450 m L。從圖1、圖2 可看出， 隨著磨細時間的延長， 菱鎂粉比外表積、標稠需水量等物理特性有較大的變化。菱鎂粉磨細的結果， 打碎了粗大的粒子， 使其比外表積增大， 特別是初始3 h ， 比外表積增大較快， 3 h 后， 增長速度減慢。由于粗粒的磨細， 原來粗顆粒子變成了中顆粒， 中顆粒變成了細顆粒， 改善了顆粒級配， 原來粒子中可以儲存大量的水份， 磨細后蓄水孔減少

20、， 標稠需水量明顯降低9。但是磨細3 h 后， 標稠需水量及容重變化緩慢， 可見磨細時間不能太長， 一方面增加了能耗， 另一方面實際收效不大。從表2 可看出， 菱鎂粉細度對復合材料強度有很大影響， 圖1菱鎂粉比外表積與磨細拉伸強度、彎曲強度顯著提高， 這是因為隨著細度增加，水化 時間的關系 速率增大， 從而導致較高的強度增長速率以及熱效率3。此外， 由于水化發生在水泥顆粒的外表，反響產物的形成阻礙了進一步的水化， 故細顆粒比粗顆粒水化更完全， 所以水泥粒徑愈小， 強度愈大10。另一方面， 磨細的氯氧鎂水泥漿體能良好地浸潤玻璃纖維， 增大與玻璃纖維的接觸面積， 獲得良好的界面粘接， 從而拉伸強度

21、、彎曲強度明顯提高。2.3.3用水量對復合材料力學性能的影響圖2菱鎂粉標稠需水量與磨細時間的關系 圖3用水量與拉伸強度、彎曲強度的關系圖3 給出* ( MgO) / * ( MgCl2 ) 一定， H2O/ MgO 的質量比增大時， 復合材料力學性能數據。可看出， 復合材料強度值隨著用水量增加而增大， 并存在一個峰值， 繼續增大用水量， 則強度下降 4。顯然， 這是材料的微觀構造和水化產物5MgOMgCl 28H2O 相數量變化的宏觀反映。要形成水化相5MgOMgCl28H2O， 必須要一定量的水存在。當用水量小于理論用水量時， 則不能完全水化， 5MgOMgCl28H2O 相數量少， 在理論

22、配比圍， 隨著用水量的增加， 5MgOMgCl28H2O 相含量不斷增加， 復合材料強度增大， 一旦超出理論用水量， 則多余的水會降低鹵水濃度， 導致化學反響速度減慢， 且引起晶體生長空間的變化， 孔隙率增加， 強度下降 5。2.3.4玻璃纖維含量對力學性能的影響圖4拉伸強度與纖維質量分數的關系 圖5彎曲強度與纖維質量分數的關系由圖4、圖5 和圖6可看出， 采用纖維增強時，復合材料拉伸、彎曲強度及沖擊韌性隨著纖維含量的增加而增加， 但存在一個纖維含量極限值6。當達到極限含量時， 復合材料強度將不隨纖維含量的增加而增加， 甚至出現明顯的下降。玻璃纖維與脆性的氯氧鎂水泥基體復合， 在兩者粘結良好的

23、情況下， 纖維與基體的彈性模量比較低， 應力從基體向纖維傳遞， 因此隨著纖維含量增加， 復合材料拉伸、彎曲強度增加， 同時纖維與脆性水泥基體的關系的復合抑制了開裂的過程， 纖維含量的增加有利于提高復合材料的斷裂韌性、沖擊韌性7。 圖6沖擊韌性和纖維質量分數但水泥是多孔體系， 水泥基材的極限延伸率比有機樹脂低， 一般為有機樹脂的1/101/ 20， 水泥基材中有顆粒狀物料，纖維和水泥顆粒呈點接觸， 所以纖維參加量有限， 當到達這一極限值時， 復合材料強度將隨纖維含量的增加出現明顯的下降。2.3.5 玻璃纖維布鋪設方式的影響采用同樣層數的玻璃纖維布， 制作同樣厚度的板材， 纖維布采取不同的鋪設方式

24、， 板材的抗彎強度不同， 結果見表3表3玻璃纖維布鋪設方式對玻璃纖維增強菱鎂板材力學性能的影響編號鋪設方式抗彎強度， MPa1外表鋪設38. 72均勻鋪設30. 5表3中1*采用在板材兩外表鋪設玻璃纖維布的方式， 2*采用在板材厚度方向均勻鋪設玻璃纖維布的方式， 1*強度比2*高出26. 9%。眾所周知: 一個物體在外力的作用下， 它在各個不同的部位所產生的應力大小、方向是不同的。例如: 一塊板材在外部荷載的作用下(如果在彈性受力階段)其應力分布情況是越接近板材的外表， 其應力越大， 越接近中性層其應力越小， 直到中性層， 其部應力為零8。這也就是說， 在板材厚度中心線附近的玻璃纖維根本起不到

25、增強作用， 這樣就可以解釋1*比2*強度高的問題。2.3.6 改性玻璃纖維增強菱鎂板材性能綜合運用上述成果， 摻加省建筑科學研究院生產的緩凝劑， 抗吸潮返鹵劑研制的玻璃纖維增強菱鎂板， 綜合性能見表4。表4改性玻璃纖維增強菱鎂板材性能性能指標表觀密度g / cm3抗彎強度M Pa含水率%沖擊強度kJ/m2干縮率%JC688- 2006E類881. 50. 3實測結果0. 969. 837. 99. 60. 11性能指標握螺釘力， N /m氯離子， %濕漲率， %軟化系數外表返鹵JC688- 20062010 0. 6-不返鹵實測結果30. 715. 590. 180. 99不返鹵經過改性的玻璃纖維增強菱鎂板材， 物理力學性能完全能滿足或超過JC688- 2006玻鎂平板的要求， 沖擊強度是要求最小值的6. 4倍， 握螺釘力是要求最小值的1. 5 倍， 干縮率是要求最小值的36%，濕