CN101898882A - 含改性纤维的纤维水泥板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了含改性纤维的纤维水泥板。具体公开了一种建材产品，其包含水泥胶结料、集料以及纤维素增强纤维，其中所述纤维素增强纤维经油处理，所述油通过助留剂与纤维结合。纤维水泥复合材料含有这样得到的纤维时，使得在板的总体强度得以维持的同时，导致复合材料在峰荷载下的挠度得到改善以及抗冲击强度得到改善。

Description

含改性纤维的纤维水泥板

技术领域

本申请涉及一种掺有改性纤维素浆粕纤维的纤维水泥板。

背景技术

房屋或其他建筑物的内部结构通常由外部墙板材料保护以免受环境因素的影响。典型地，这些墙板材料有木材、混凝土、砖、铝、灰泥、木质复合材料或纤维-水泥复合材料构成的板材或面板。在纤维-水泥墙板、屋面以及饰面中一些常见的纤维-水泥复合建材通常由水泥、石英砂、未漂木浆以及各种添加剂组成。纤维-水泥产品因为它们的耐候性、制造较低廉、耐火、不易被腐蚀或遭受虫害，较其他类型的材料诸如木质墙板有若干优势。

大多数商业纤维-增强水泥墙板产品采用抄取法(Hatsheck process)制造。抄取法最早被开发用于生产石棉复合材料，但是，其现在用于制造非石棉、纤维素纤维增强水泥复合材料。在此方法中，成捆的未漂纤维素浆粕纤维在水中再制浆，从而得到单一纤维。提炼再制浆的纤维，然后与水泥、石英砂、粘土以及其他添加剂混合形成混合物。该纤维-水泥混合物在毡带基底(felt band substrate)上沉积、真空脱水、成层和在某些情况下压制，然后固化形成片材形式的纤维增强水泥基材。这种形式可以具有标准斜角(beveled)木质墙板的外观。

现有技术专业人员所知的其他常用的制造纤维水泥的方法有：马尼亚逆法(Magnani process)、挤出、注射成型、手工敷层、模制以及Mazza管法。

纤维素浆粕纤维在制造纤维水泥制品中具有两个作用。

纤维素浆粕纤维在成形丝网上的排水过程中充当水泥混合浆料中的过滤介质，在从水泥悬液中排除过量的水时，帮助保留住水泥和二氧化硅颗粒。如果没有过滤介质，那么在排水过程期间大量的固体颗粒将会随水从浆料中流失。过滤介质的目的是在排水时保留住产品中的水泥混合物。

纤维还增强水泥产品。纤维水泥板的生产者希望水泥板有良好的强度和良好的柔韧性。强度由板的断裂模量表示。柔韧性由板在最大荷载下的挠度表示。最大荷载是指：板在断裂前可以施加在板上的力的量值。最大荷载下的挠度是指：板在三点弯曲作用下将要断裂前所述板从水平面偏转的距离。

北美黄杉(Douglas fir)未漂化学浆粕纤维是测量其他纤维素化学浆粕纤维所依靠的标准。如果在纤维水泥板中考虑使用其他纤维，其断裂模量、最大荷载以及最大荷载下的挠度都必须比得上北美黄杉未漂化学浆粕纤维。

由漂白纤维素浆粕纤维制成的纤维水泥板通常具有高强度，但易碎，致使柔韧性差。这些板如果被弯曲的话容易断裂，并且在打钉时也容易断裂。如果能提供一种兼具高强度和良好柔韧性的、漂白纤维素化学浆粕纤维制成的水泥板，将大有裨益。

附图说明

图1是具有不同纤维素浆粕纤维的纤维水泥板的断裂模量、最大荷载以及最大荷载下的挠度的比较图。

图2和图3是漂白纤维和经油处理过的漂白纤维的挠度曲线图。

发明内容

本发明的纤维水泥板可由众多方法的任何一种制成。典型的方法有：超取法、马尼亚尼法、挤出、注射成型、手工敷层、模制以及Mazza管法。

制作纤维水泥板时，成捆的纤维素浆粕纤维在水中再制浆，从而得到单一纤维。提炼再制浆的纤维，然后与水泥、石英砂以及其他添加剂混合形成混合物。然后该混合物被成型为纤维水泥板。在一种方法中，将该纤维-水泥混合物沉积在毡带基材上，真空脱水，并固化形成片材形式的纤维增强水泥基材。这种片材可以采取标准斜角木质墙板的形状。它们也可以采取建筑板材、面板、厚板材以及屋面板的形式。

纤维水泥板的通常组成为：10-90重量％的水泥、20-80重量％的石英砂、和2-18重量％的纤维素浆粕纤维。纤维板水泥中常用的其他添加剂有：密度调节剂、重量调节剂、阻燃剂、粘土、高岭土、偏高岭土、硅粉、粉煤灰、消泡剂、粘度调节剂、轻质集料、珍珠岩、蛭石、云母、浮石、灰渣、絮凝剂、明矾、三水合氧化铝、防水剂、硅灰石、碳酸钙、树脂、颜料、硅藻土和树脂。

改变水泥胶结料、集料、密度调节剂和添加剂的比例，可以获得在不同应用如屋面、平台、围栏、铺砌、管道、墙板、饰面、拱腹、瓷砖的衬垫垫板中的最佳特性。对于空气固化产品，可以使用较高百分比的水泥，更优选约60-90％。在空气固化的实施方案中，虽然二氧化硅可以用作填料，但不使用细研磨的二氧化硅。

水泥胶结料优选是波特兰(Portland)水泥，但也可以却不局限于高铝水泥、石灰、高磷酸盐水泥、和碎粒状高炉矿渣水泥或其混合物。集料优选是碎石英砂，但也可以却不局限于无定形二氧化硅、微硅粉、硅粉、硅藻土、燃煤灰和炉底灰、稻壳灰、高炉渣、粒状渣、钢渣、矿物氧化物、矿物氢氧化物、粘土、菱镁石或白云石、金属氧化物和氢氧化物以及聚合物珠，或其混合物。

密度调节剂可以是有机和/或无机轻质材料。密度调节剂可以包括塑性空心材料、玻璃和陶瓷材料、水合硅酸钙、微球体以及火山灰，火山灰包括珍珠岩、浮石、shirasu泡球(shirasu balloon)和沸石这样的火山灰扩展形式。密度调节剂可以是天然的或合成的材料。添加剂包括但不局限于粘度调节剂、阻燃剂、防水剂、硅灰、地热二氧化硅、增稠剂、颜料、着色剂、增塑剂、成型剂、絮凝剂、助滤剂、湿和干强度助剂、有机硅材料、铝粉、粘土、高岭土、三水合氧化铝、云母、偏高岭土、碳酸钙、硅灰石和聚合树脂乳液或其混合物。

未漂北美黄杉化学浆粕纤维通常用于制造纤维水泥板。工业中已经发现它们提供了断裂模量、最大荷载和最大荷载下的挠度的最佳组合。

如果未漂北美黄杉纤维素浆粕纤维短缺时，那么有必要找寻其他可以使用的浆粕纤维。通常采用与北美黄杉浆类似的其他未漂纤维素浆粕纤维，北美红杉(redwood)是一例。

漂白软木化学浆粕纤维因其长度而在考虑范围之内，但因其容易导致板易碎而未被采用。它们往往具有与未漂北美黄杉化学浆粕纤维相同的或略高的强度，但柔韧性通常较未漂北美黄杉化学浆粕纤维相差甚远。

本发明可以利用多种浆粕纤维。可以使用针叶类和阔叶类树种。它们还被称为软木和硬木。通常使用软木，因其比硬木具有更长的纤维。典型的软木树种有：云杉、冷杉、铁杉、美洲落叶松、落叶松、松树、柏树和北美红杉。典型的硬木树种有：白蜡树、杨树、美洲黑杨、椴树、桦树、山毛榉、栗树、胶橡树、榆树、枫树和悬铃木。再生纤维素材料可以用作纤维的原材料。本发明可使用化学浆、机械浆、热机械浆、化学热磨机械浆。可使用硫酸盐法化学浆、亚硫酸盐法化学浆和碱法化学浆。纤维可以为漂白的或未漂白的。本发明可以使用未漂北美黄杉化学浆粕纤维。

软木或针叶类树种因其纤维长度而常被使用。硬木或阔叶类树种的纤维长度为1-2mm。软木或针叶类树种的纤维长度为3.5-7mm。北美黄杉、冷杉、异叶铁杉、西部落叶松和南方松的纤维长度介于4-6mm之间。制浆和漂白工序可能因纤维断裂而使平均长度稍缩短。

制浆过程中，木质材料在化学类型或机械类型的工艺中分解成纤维。之后，纤维可任选被漂白。之后，纤维在贮浆池中用水形成浆料，浆料然后通向流浆箱并接着置于金属丝网上，脱水和干燥，形成浆粕片材。添加剂可以与纤维混合于贮浆池、流浆箱或两者中。材料也可以在脱水干燥之前、期间或之后喷洒于浆粕片材上。

在贮浆池或流浆箱中，本发明的纤维用两种材料处理。

第一种材料是油。该油可以是植物油或者矿物油。所述油为球滴状。使用表面活性剂处理油以便其形成球滴，并具有阴离子特征。EkaSoft F60就是这样的一种植物油添加剂。在使用中，Eka Soft F60用至少20倍其体积的30-40℃温水稀释，并加入到贮浆池里的稠厚贮浆中。加入到浆粕中的油的量为每吨漂白硫酸盐法浆2-5kg的油，每吨漂白亚硫酸盐法浆1-3kg的油。

可以使用的其它植物油是在约100℃的浆粕干燥温度下依然保持液态的任何植物油。可使用的植物油尤其包括：杏仁油、摩洛哥坚果油、朝鲜蓟油、巴西棕榈油、山嵛油、软壳豆荚(bladder pod)油、婆罗洲乌桕籽(Borneo tallow nut)油、葫芦油、水牛葫芦油、低芥子酸菜籽油、角豆荚油、蓖麻油、椰油、苦配巴香脂油、玉米油、棉籽油、海甘蓝油、萼距花油、亚麻芥油、亚麻籽油、葡萄籽油、大麻籽油、红萼油(honge oil)、麻风树油、霍霍巴油、木棉籽油、芒果油、白芒花籽油、绿玉树油、芥子油、秋葵籽油、橄榄油、坚果油、棕榈油、棕榈仁油、花生油、油胡桃油(petroleum nut oil)、昆诺阿藜油(quinoa oil)、萝卜油、盏金花油(ramtil oil)、油菜籽油、米糠油、芝麻油、大豆油和妥尔油。

另一种材料是阳离子型助留剂，其使油的球滴附着于浆粕纤维上。该助留剂可以是阳离子型聚合物，如聚酰胺、聚丙烯酰胺或聚乙烯亚胺。Eka Soft F50就是这样一种助留剂。助留剂在油之后被加入，使得油的球滴在附着于纤维素纤维之前与纤维素纤维混合。在制造手工纸时，加入油后大约6分钟再加入助留剂。在贮浆池中，它可以在风扇泵处被加入。阳离子型助留剂将附着于纤维素纤维的阴离子部位上和油球滴的阴离子部位上。助留剂的量可以为每吨纤维素纤维0.25-3.0kg助留剂。

能够使用的其他助留剂可以是有机助留剂，如聚丙烯酰胺、聚胺、聚乙烯亚胺、聚酰胺胺、聚氧化乙烯、聚紫罗烯(polyionenes)、聚吡咯烷鎓衍生物。另一种助留剂可以是阳离子淀粉。无机助留剂可以是硫酸铝或造纸明矾、聚合氯化铝、铝酸钠。碱法活化膨润土与高摩尔质量非离子型聚丙烯酰胺的结合物是另一种无机助留剂。

掺有经通过助留剂而附着于纤维的阴离子油球滴处理过的漂白浆粕纤维的纤维水泥板，与掺有未漂北美黄杉化学浆粕纤维的纤维水泥板或掺有经季铵分散剂处理的漂白纤维的纤维水泥板相比，断裂模量相当，而最大荷载下的挠度与掺有未漂北美黄杉化学浆粕纤维的纤维水泥板或掺有经季铵分散剂处理的漂白纤维的纤维水泥板相比高出很多。含有用油处理过的纤维的板的挠度可以超过所述的任一种其它板的两倍。含有用油处理过的纤维的板的抗冲击强度，可以是含有漂白纤维的板或含经季铵分散剂处理过的漂白纤维的板的几乎两倍，并且比含标准未漂北美黄杉纤维的板高出约25％。

已发现，掺有经通过助留剂而附着于纤维的阴离子植物油球滴处理过的漂白浆粕纤维的纤维水泥板，与掺有未漂北美黄杉化学浆粕纤维的纤维水泥板或掺有经季铵分散剂处理的漂白纤维的纤维水泥板相比，断裂模量相当，并且出人意料地，与掺有未漂北美黄杉化学浆粕纤维的纤维水泥板或掺有经季铵分散剂处理的漂白纤维的纤维水泥板相比，最大荷载下的挠度高出很多。某些情况下，挠度超过所述的任一种其它板的两倍。还发现含有用油处理过的纤维的板的抗冲击强度是含漂白纤维的板或含经季铵分散剂处理的漂白纤维的板的几乎两倍，并且比含标准未漂北美黄杉纤维的板高出约25％。

含有用油处理过的纤维的板的弯曲延伸度可以超过30mm，甚至达到40mm或者更多，而与此相比，含漂白纤维的板的弯曲延伸度低于30mm，甚至低于20mm。

虽不希望受理论约束，但相信获得更高挠度的原因在于，较大的球滴覆于整个纤维并使得纤维在纤维水泥板中可以相对于水泥板移动。这使得在基材中的纤维的摩擦力能量最大化，而不是将纤维与基材牢固结合导致纤维的抗拉强度成为抵御荷载的唯一因素。这使得所述纤维水泥板比在纤维水泥板中与水泥结合的纤维具有更大的挠度。掺有经通过助留剂附着的植物油球滴处理的漂白纤维的水泥纤维板，其挠度是掺有未漂北美黄杉化学浆粕纤维的纤维水泥板的挠度的至少两倍。

这在下表中体现。下表对几种纤维水泥板的断裂模量、最大荷载以及最大荷载下的挠度进行了比较。板以及板的制造方法的差异仅在于被掺入纤维水泥板中的纤维。纤维包括：对照物，一种标准纤维水泥等级的未漂硫酸盐法浆，其是未漂北美黄杉硫酸盐法浆；和几种漂白硫酸盐法浆纤维。漂白硫酸盐法浆纤维是：PW416，其是未经处理的漂白南方松硫酸盐法浆，产自乔治亚州文特沃斯港，惠好公司浆厂(Weyerhaeuser pulp mill)；NF401，其是漂白南方松硫酸盐法浆，经～0.15％的Ekasoft 509HA型解胶剂处理，产自北卡罗来纳州，惠好新伯尔尼(Weyerhaeuser New Bern)浆厂；和NF405，其是漂白南方松硫酸盐法浆，经～0.25％的Ekasoft 509HA型解胶剂处理，产自北卡罗来纳州，惠好新伯尔尼(Weyerhaeuser New Bern)浆厂；以及漂白南方松浆纤维，本发明的经处理的纤维，经阴离子型植物油Eka Soft F60和阳离子型助留剂Eka Soft F50处理。漂白纤维除了纤维的处理之外，无论是被处理的纤维还是用于处理纤维的材料，都具有可比性。 

具体实施方式

以下试样使用手手工纸模具制造，它们经真空脱水和挤压。采用下列在产业实践中公认的混合设计，约30-40重量％的水泥、50-60重量％的二氧化硅和4-12重量％的纤维素纤维。加入低百分比的粘土和添加剂帮助板成型。样本经高压釜固化，然后加以调理以备测试。测量板的厚度以保证所有的板对于比较测试来说在容许偏差之内。切取供测试的试样条，使用三点弯曲测试其断裂模量、挠度和最大荷载。还进行了缺口IZOD试验，测量板的抗冲击强度。

纤维		断裂模量(MPa)	最大荷载(kgf)	最大荷载下的挠度(mm)	抗冲击强度(lb.ft/in2)
						未漂北美黄杉浆粕纤维	1	12.83	4.15	9.731
	2	12.99	4.23	8.892
							3	11.81	3.78	8.733
	4	12.53	4.05	7.203
							平均值	12.54	4.05	8.640	0.98
PW416	1	13.52	4.4	3.966
							2	13.12	4.27	4.137
	3	14.47	4.72	4.93
							4	14.29	4.65	5.834
	平均值	13.85	4.51	4.717	0.64
						NF401	1	13.16	4.2	5.679
	2	14.47	4.47	6.845
							3	12.72	4.	5.74
	4	14.11	4.43	6.066
							平均值	13.62	4.23	6.083	0.70
NF405	1	15.26	5.05	8.52
							2	14.39	4.93	8.61
	3	15.17	5.06	9.01
							4	15.63	5.24	9.39
	平均值	15.13	5.07	8.83	0.73

处理过的纤维	1	13.91	4.21	21.58
							2	14.62	4.37	21.16
	3	14.44	4.38	21.19
							4	13.65	3.65	24.65
	平均值	14.16	4.15	22.15	1.22

掺有漂白浆粕纤维的纤维水泥板比掺有未漂北美黄杉化学浆粕纤维的水泥板具有更高的断裂模量和更高的最大荷载，但是只有一种，即掺有NF405的纤维水泥板，其挠度与掺有北美黄杉纤维的板相当。其它掺有漂白纤维的板的挠度为掺有北美黄杉纤维的板的1/2至3/4。

含有用油处理的纤维的板与含北美黄杉纤维的板相比，断裂模量和最大荷载相等，但挠度是含北美黄杉纤维的板的2.5倍。如果考虑到漂白纤维与水泥基材的结合要远比未漂纤维牢固，所述结论解释得通。含有用油处理的纤维的板的抗冲击强度比标准纤维提高约25％。含有用油处理的纤维的板与所有的含漂白纤维的板以及含标准北美黄杉纤维的板相比，表现出更高的抗冲击强度。

图1用图形示出了表中的信息。使用标准未漂硫酸盐法浆纤维的板显示出断裂模量和最大荷载下的挠度的良好组合。含PW416即未经处理的漂白南方松硫酸盐法浆粕纤维的板，强度增加，但最大荷载下的挠度降低。含NF401或NF405即经解胶的南方松硫酸盐法浆纤维的板，板的柔韧性增加，同时总体强度得以保持。含有用油处理的纤维的板与含NF401纤维或NF405纤维的板相比差别显著，在于含有用油处理的纤维的板的强度与含标准未漂硫酸盐法浆纤维的板相当，但其最大荷载下的挠度是含标准纤维或NF405纤维的板的几乎2.5倍。

图2和图3是弯曲荷载对弯曲延伸度的图。所述板如上所述进行成型。图2是使用未处理的未漂南方松纤维的板。图3是使用用油处理的纤维的板。每种板有四个试样。所述图形显示，处理作用改变了纤维与水泥基材之间的粘结，从而使处理过的纤维可以从基材中被拔出，而不是像漂白纤维那样被拉断。含用油处理的纤维的板与其他板相比，其最大荷载下的弯曲和最大弯曲更高。

Claims (10)

1.一种建材产品，其包含水泥胶结料、集料以及纤维素增强纤维，其中所述纤维素增强纤维经油处理，所述油通过助留剂与纤维结合。

2.如权利要求1所述的建材产品，其中所述纤维素纤维是纤维素化学浆粕纤维。

3.如权利要求2所述的建材产品，其中所述浆粕纤维是漂白浆粕纤维。

4.如权利要求1所述的建材产品，其中所述纤维素纤维是北美黄杉或北美红杉之外的纤维。

5.如权利要求1所述的建材产品，其中所述油是球滴状的植物油。

6.如权利要求1所述的建材产品，其中所述油是球滴状的矿物油。

7.如权利要求1所述的建材产品，其中所述油是阴离子球滴状油，和所述助留剂是阳离子型的。

8.如权利要求1所述的建材产品，其中所述助留剂选自聚丙烯酰胺、聚胺、聚乙烯亚胺、聚酰胺胺、聚氧化乙烯、聚紫罗烯和聚吡咯烷鎓衍生物、阳离子淀粉、硫酸铝或造纸明矾、聚合氯化铝、铝酸钠，或者碱法活化膨润土与高摩尔质量非离子型聚丙烯酰胺的结合物、或它们的组合。

9.一种建材产品，其包含水泥胶结料、集料以及纤维素增强纤维，其中所述产品在最大荷载下的弯曲延伸度超过20mm。

10.一种建材产品，其包含水泥胶结料、集料以及纤维素增强纤维，其中所述产品的最大弯曲延伸度超过30mm。

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