CN112067439A - 一种植物纤维对硅酸钙板增强潜力的预评估方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种植物纤维对硅酸钙板增强潜力的预评估方法及其应用。该方法包括如下步骤：(1)将待评估植物纤维疏解、磨浆，得到磨浆后的植物纤维；(2)测定磨浆后的植物纤维的纤维平均长度FL、细小纤维含量Fins和打浆度Bd；(3)将磨浆后的植物纤维抄造成纸张，然后测定纸张的湿零距离抗张指数Zst；(4)计算纤维适用指数SI＝(FL‑(0.2*Fins))*0.114*Zst+0.0432*Bd；(5)根据纤维适用指数SI进行预评估。本发明中的纤维适用指数与硅酸钙板强度成正相关，因此，可用于预评估植物纤维对硅酸钙板的增强能力，对硅酸钙板行业中增强纤维的选材具有重要意义。

Description

一种植物纤维对硅酸钙板增强潜力的预评估方法及其应用
技术领域
本发明属于功能材料技术领域，特别涉及一种植物纤维对硅酸钙板增强潜力的预评估方法及其应用。
背景技术
硅酸钙板是以钙质、硅质材料及增强纤维材料为主要材料，经流浆成型、板坯压实、蒸压养护制成的建筑板材。具有高强度、尺寸稳定、防火抗潮、使用寿命长等优点，大量应用于工商业工程建筑的吊顶天花和隔墙，家庭装修等。
增强纤维是硅酸钙板的主要增强材料，起到连接板材裂纹，提高板材断裂韧性及抗折强度等作用。在石棉纤维被禁止使用于建筑行业中后，木浆纤维因其具有一定长度，较高比模量，耐腐蚀，绿色环保等优点，成为了用于硅酸钙板的理想增强纤维。
木浆纤维作为增强纤维一般约占板材质量的10％以下，其成本却占大半，因此选择合适的木浆纤维尤为重要。木浆纤维因其原材料及处理方式的不同，使得木浆纤维在物理形态及强度性能上存在较大的差异。文献《浅谈无石棉纤维增强硅酸钙板木浆纤维》中介绍了植物纤维的性质对硅酸钙板有较大影响，在选在硅酸钙板增强纤维时应关注木浆纤维材种来源；文献《无石棉压蒸纤维水泥板/硅酸钙板若干技术问题探讨》中提到了理想的木浆纤维应是具有足够的长度同时具有一定的比表面积；上述文献均提到了木浆纤维的性质会影响板材质量，但仍无法具体得知怎样的木浆纤维更适用于硅酸钙板。
在增强纤维的选材过程中，传统的评估方法是将纤维与钙质灰质原料一起抄制成硅酸钙板，再去测定板的性能，进而确定纤维的增强效果，但市面上的木浆纤维种类较多，这种效率较低的方法，无疑也浪费了大量的人力物力。因此，探索一种快速有效的植物纤维增强潜力的预评估方法，对硅酸钙板中增强纤维的选材，及制备高质量植物纤维增强硅酸钙板均具有重要意义。
发明内容
本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种植物纤维对硅酸钙板增强潜力的预评估方法，简单高效评估植物纤维对硅酸钙板的增强潜力。
本发明的另一目的在于提供所述植物纤维对硅酸钙板增强潜力的预评估方法的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种植物纤维对硅酸钙板增强潜力的预评估方法，包括如下步骤：
(1)将待评估植物纤维进行疏解，然后置于磨浆机进行磨浆，得到磨浆后的植物纤维；
(2)测定步骤(1)中得到的磨浆后的植物纤维的纤维平均长度FL、细小纤维含量Fins和打浆度Bd；
(3)将步骤(1)中得到的磨浆后的植物纤维抄造成纸张，然后测定纸张的湿零距离抗张指数Zst；
(4)计算纤维适用指数SI：
SI＝(FL-(0.2*Fins))*0.114*Zst+0.0432*Bd；
式中，FL的单位为mm，Fins的单位为％，Zst的单位为N·m/g，Bd的单位为°SR；
(5)预评估：
当SI<10时，说明植物纤维的增强潜力较低；当10≤SI≤20时，说明植物纤维的增强潜力中等；当20≤SI≤30时，说明植物纤维的增强潜力良好；当SI>30时，说明植物纤维的增强潜力较高。
本发明中的浆料的纤维适用指数与对应板材(硅酸钙板)的强度呈正相关，更高的纤维适用指数表明此种植物纤维对硅酸钙板具有更好的增强潜力。
步骤(1)中所述的植物纤维包括木浆纤维和/或草浆纤维，如化学法或化机法制得的针叶木、阔叶木、韧皮类纤维浆料，废纸浆和/或二次木浆纤维浆料。
步骤(1)中所述的疏解的条件为：3000rpm疏解2～5min；优选为：3000rpm疏解2min。
步骤(1)中所述的磨浆机优选为PFI磨浆机。
步骤(1)中所述的磨浆为磨浆至打浆度为20～60°SR左右；优选为磨浆至打浆度为45°SR左右。
步骤(2)中所述的纤维平均长度和细小纤维含量为采用纤维质量分析仪进行测定；优选为采用FS300或FS400纤维质量分析仪进行测定；更优选为采用FS400纤维质量分析仪进行测定。
步骤(2)中所述的纤维平均长度为重均长度和数均长度中的一种；优选为重均长度。
步骤(2)中所述的细小纤维为长度低于0.25mm的纤维。
步骤(2)中所述的打浆度为采用打浆度仪进行测定。
步骤(3)中所述的纸张的定量为60～120g/m2；优选为60～80g/m2；更优选为60g/m2。
所述的植物纤维对硅酸钙板增强潜力的预评估方法，在步骤(3)中测定湿零距离抗张指数之前，包括将用水将纸张完全润湿的步骤，以消除纤维间氢键连接的影响，使其准确反应纤维的自身强度；具体为：将纸张浸入水中，待完全润湿后取出，沥走多余水分，再测定纸张的湿零距离抗张指数Zst。
所述的润湿的方法为将纸张浸入水中10～30s(优选为15～20s；更优选为15s)。
所述的植物纤维对硅酸钙板增强潜力的预评估方法在制备硅酸钙板中的应用。
所述的硅酸钙板为植物纤维增强硅酸钙板。
所述的植物纤维的用量为占硅酸钙板质量的5％～10％。
所述的植物纤维包括木浆纤维和/或草浆纤维，如化学法或化机法制得的针叶木、阔叶木、韧皮类纤维浆料，废纸浆和/或二次木浆纤维浆料。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)植物纤维作为增强纤维，其性能与硅酸钙强度密切相关，因此，选择可靠的植物纤维对生产高质量硅酸钙板有着重要意义，但在实际应用和生产过程中，植物纤维的选材往往经历多次完整的板材制作过程，操作过程复杂，极大的浪费了人力物力。本发明通过论证植物纤维(如木浆纤维)的纤维特性与硅酸钙板强度的相关性和多元线性回归分析，提出了以纤维长度、细小纤维含量、湿零距离抗张指数和打浆度构建的综合指标纤维适用指数作为评估植物纤维对硅酸钙板增强潜力的评价指标，通过评估纤维的适用指数，预估植物纤维的增强潜力，方便选材。
(2)本发明通过确定植物纤维对硅酸钙板的纤维适用指数，预估植物纤维对硅酸钙板的增强能力，纤维适用指数与硅酸钙板强度成正相关。
(3)本发明的方法节省了增强纤维与硅质钙质材料一起制成硅酸钙板，测得硅酸钙板强度后进而评估纤维的增强能力的工序，只许对植物纤维进行检测分析，工序简单，可靠性强，适应性广，对硅酸钙板行业中增强纤维的选材具有重要意义。
附图说明
图1是纤维适用指数与板材强度间的关系图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。下列实施例中未注明具体实验条件的试验方法，通常按照常规实验条件。
本发明实施例中所涉及的纤维浆料，除特殊说明外，均由三乐集成房屋制造有限公司购买得到。
本发明实施例中所涉及的纤维适用指数是由植物木浆纤维的纤维长度、细小纤维含量、纤维自身强度、打浆度确定的，由统计学数据获得纤维适用指数与板材强度指数之间的关系：
(1)将植物纤维疏解后，置入纤维质量分析仪中，检测纤维平均长度、纤维长度分布、细小纤维含量等指标；同时将疏解后的植物纤维置入打浆度仪中测定植物纤维的打浆度；最后将所测植物纤维抄制成纸片，测定其湿零距离抗张指数。
(2)将测得的纤维长度、细小纤维含量、湿零距离抗张指数、打浆度等指标代入公式1：
纤维适用指数(SI)＝(纤维平均长度(FL)-(0.2*细小纤维含量(Fins％)))*0.114*湿零距离抗张指数(Zst)+0.0432*打浆度(Bd)(公式1)；
式中，纤维长度单位为mm，细小纤维含量单位为％，湿零距离抗张指数单位为N·m/g，打浆度单位为°SR；
浆料的纤维适用指数与对应板材的强度呈正相关，更高的纤维适用指数表明此种浆料对硅酸钙板具有更好的增强潜力；其中，
将纤维增强潜力分为4个等级，当纤维适用指数<10时，纤维增强潜力较低；纤维适用指数为10～20时，纤维增强潜力中等；纤维适用指数为20～30时，纤维增强潜力良好；纤维适用指数>30时，纤维增强潜力较高。
实施例1
将样品1(虹鱼牌漂白针叶木浆)置入纤维疏解机中进行疏解(转速3000rpm，疏解时间2min)后，置入PFI磨浆机中磨浆至打浆度为45°SR，取部分打浆后样品1于纤维质量分析仪FS400中，测得纤维重均长度为1.708mm，细小纤维含量(即长度低于0.25mm的纤维，下同)为1.91％；将打浆后的样品1经湿法成型抄造为定量60g/m2的纸张，再将抄造好的纸样浸入自来水中15s，纸张完全润湿后将纸张拿出，沥走多余水分，置于零距离抗张强度测定仪上测得零距离抗张指数为132N·m/g，最后根据上述公式1计算得到打浆度为45°SR的浆料(样品1)的纤维适用指数为21.90，具有良好的增强潜力。
实施例2
将样品2(银星牌针叶木漂白浆)置入纤维疏解机中进行疏解(转速3000rpm，疏解时间2min)后，置入PFI磨浆机中磨浆至打浆度为45°SR，取部分打浆后样品2于纤维质量分析仪FS400中，测得纤维重均长度为1.639mm，细小纤维含量为1.55％；将打浆后的样品2经湿法成型抄造为定量60g/m2的纸张，再将抄造好的纸样浸入自来水中15s，纸张完全润湿后将纸张拿出，沥走多余水分，置于零距离抗张强度测定仪上测得零距离抗张指数为125N·m/g，最后根据上述公式1计算得到打浆度为45°SR的浆料(样品2)的纤维适用指数为20.88，具有良好的增强潜力。
实施例3
将样品3(王子K25针叶木浆)置入纤维疏解机中进行疏解(转速3000rpm，疏解时间2min)后，置入PFI磨浆机中磨浆至打浆度为45°SR，取部分打浆后样品3于纤维质量分析仪FS400中测得纤维重均长度为1.828mm，细小纤维含量为0.96％；将打浆后的样品3经湿法成型抄造为定量60g/m2的纸张，再将抄造好的纸样浸入自来水中15s，纸张完全润湿后将纸张拿出，沥走多余水分，置于零距离抗张强度测定仪上测得零距离抗张指数为162N·m/g，最后根据上述公式1计算得到打浆度为45°SR的浆料(样品3)的纤维适用指数为32，具有较高的增强潜力。
实施例4
将样品4(水泥袋纸浆)置入纤维疏解机中进行疏解(转速3000rpm，疏解时间2min)后，置入PFI磨浆机中磨浆至打浆度为45°SR，取部分打浆后样品4于纤维质量分析仪FS400中测得纤维重均长度为1.222mm，细小纤维含量为1.90％；将打浆后的样品4经湿法成型抄造为定量为60g/m2的纸张，再将抄造好的纸样浸入自来水中15s，纸张完全润湿后将纸张拿出，沥走多余水分，置于零距离抗张强度测定仪上测得零距离抗张指数为118N·m/g，最后根据上述公式1计算得到打浆度为45°SR的浆料(样品4)的纤维适用指数为13.27，增强潜力中等。
实施例5
将样品5(11号美废纸浆)置入纤维疏解机中进行疏解(转速3000rpm，疏解时间2min)后，置入PFI磨浆机中磨浆至打浆度为45°SR，取部分打浆后样品5于纤维质量分析仪FS400中测得纤维重均长度为0.944m，细小纤维含量为1.99％；将打浆后的样品5经湿法成型抄造为定量为60g/m2的纸张，再将抄造好的纸样浸入自来水中15s，纸张完全润湿后将纸张拿出，沥走多余水分，置于零距离抗张强度测定仪上测得零距离抗张指数为86N·m/g，最后根据上述公式1计算得到打浆度为45°SR的浆料(样品5)的纤维适用指数为7.30，增强潜力较低。
实施例6
将样品6(辛普森针叶木浆)置入纤维疏解机中进行疏解(转速3000rpm，疏解时间2min)后，置入PFI磨浆机中磨浆至打浆度为45°SR，取部分打浆后样品6于纤维质量分析仪FS400中测得纤维重均长度为1.549mm，细小纤维含量为0.88％；将打浆后的样品6经湿法成型抄造为定量为60g/m2的纸张，再将抄造好的纸样浸入自来水中15s，纸张完全润湿后将纸张拿出，沥走多余水分，置于零距离抗张强度测定仪上测得零距离抗张指数为157N·m/g，最后根据上述公式1计算得到打浆度为45°SR的样品6浆料的纤维适用指数为26.5，具有优良的增强潜力。
实施例7
将样品7(美林牌漂白针叶木浆)置入纤维疏解机中进行疏解(转速3000rpm，疏解时间2min)后，置入PFI磨浆机中磨浆至打浆度为45°SR，取部分打浆后样品7于纤维质量分析仪FS400中测得纤维重均长度为1.58mm，细小纤维含量为0.7％；将打浆后的样品7经湿法成型抄造为定量为60g/m2的纸张，再将抄造好的纸样浸入自来水中15s，纸张完全润湿后将纸张拿出，沥走多余水分，置于零距离抗张强度测定仪上测得零距离抗张指数为135N·m/g，最后根据上述公式1计算得到打浆度为45°SR的样品7浆料的纤维适用指数为24.10，具有良好的增强潜力。
实施例8
将样品8(金星牌未漂针叶木浆)置入纤维疏解机中进行疏解(转速3000rpm，疏解时间2min)后，置入PFI磨浆机中磨浆至打浆度为45°SR，取部分打浆后样品8于纤维质量分析仪FS400中测得纤维重均长度为1.451mm，细小纤维含量为1.34％；将打浆后的样品8经湿法成型抄造为定量为60g/m2的纸张，再将抄造好的纸样浸入自来水中15s，纸张完全润湿后将纸张拿出，沥走多余水分，置于零距离抗张强度测定仪上测得零距离抗张指数为134N·m/g，最后根据上述公式1计算得到打浆度为45°SR的样品8浆料的纤维适用指数为20.02，具有良好的增强潜力。
效果实施例
(1)对实施例1～8所测样品，与硅质材料和钙质材料混合抄至成硅酸钙板，本发明所设计的硅酸钙板的制备方法如下：
以质量分数计，植物增强纤维(实施例1～8获得)8份，石英砂60份，熟石灰40份，与水混合调整悬浮液的浓度为20wt％，经搅拌器搅匀后的混合料经抄取机(网目90目，真空度-0.1MPa)过滤抄取，脱水形成坯料，压榨成型(压力10MPa)，并将胚料切割成要求规格的制品，室温养护8h后，置入蒸养釜中(温度180℃，压力1MPa)养护12h后，制得植物纤维增强硅酸钙板；其中，石英砂中有效成分SiO2的含量为90％～95％；熟石灰中有效成分CaO的含量为85～90％。
(2)使用万能材料试验机分别测试实施例1～8所用增强纤维对应硅酸钙板的抗折强度与断裂韧性，测试方法如下：
硅酸钙板的抗折强度及断裂韧性均由三点弯曲试验所得，跨距100mm，位移加载速度为0.5mm/min，计算公式如下：
Figure BDA0002645786590000071
式中：MOR表示式样的抗折强度，MPa；
p表示最大破坏载荷，单位为N；
l表示跨距，单位为mm；
b表示试块的宽度，单位为mm；
d表示试块的厚度，单位为mm；
Figure BDA0002645786590000081
式中：FT表示断裂韧性，KJ/m2；
FE表示断裂能量，单位为KJ；
b表示试块的宽度，单位为mm；
d表示试块的厚度，单位为mm；
其中，FE断裂能量的计算取载荷-挠度曲线图中的载荷降到最大破坏载荷50％的载荷-挠度曲线的面积积分；
Figure BDA0002645786590000082
式中：BSI表示硅酸钙板的强度指数；
MOR表示式样的抗折强度，MPa；
FT表示断裂韧性，KJ/m2。
BSI为硅酸钙板的强度指数，综合反应板材的强度性能。测试结果如表1所示，纤维适用指数与板材强度指数的关系如图1所示。
表1纸基透明材料性能测试结果
Figure BDA0002645786590000083
由表1及图1可以看出纤维适用指数与板材强度指数有着良好的相关性；在实施例3中，预评估样品3具有较高增强潜力，样品3实际所对应的板材强度指数为35.2，为8个实施例中最高；同样，实施例5中评估的样品5具有较低增强潜力，实际样品5所对应的板材强度指数为12.4，为8例实施例中最低；这说明了通过纤维适用指数预估植物纤维增强能力是有效的。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种植物纤维对硅酸钙板增强潜力的预评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将待评估植物纤维进行疏解，然后置于磨浆机进行磨浆，得到磨浆后的植物纤维；
(2)测定步骤(1)中得到的磨浆后的植物纤维的纤维平均长度FL、细小纤维含量Fins和打浆度Bd；
(3)将步骤(1)中得到的磨浆后的植物纤维抄造成纸张，然后测定纸张的湿零距离抗张指数Zst；
(4)计算纤维适用指数SI：
SI＝(FL-(0.2*Fins))*0.114*Zst+0.0432*Bd；
式中，FL的单位为mm，Fins的单位为％，Zst的单位为N·m/g，Bd的单位为°SR；
(5)预评估：
当SI<10时，说明植物纤维的增强潜力较低；当10≤SI≤20时，说明植物纤维的增强潜力中等；当20≤SI≤30时，说明植物纤维的增强潜力良好；当SI>30时，说明植物纤维的增强潜力较高。
2.根据权利要求1所述的植物纤维对硅酸钙板增强潜力的预评估方法，其特征在于：
步骤(1)中所述的磨浆为磨浆至打浆度为20～60°SR；
步骤(2)中所述的纤维平均长度为重均长度和数均长度中的一种；
步骤(2)中所述的细小纤维为长度低于0.25mm的纤维；
步骤(3)中所述的纸张的定量为60～120g/m2。
3.根据权利要求2所述的植物纤维对硅酸钙板增强潜力的预评估方法，其特征在于：
步骤(1)中所述的磨浆为磨浆至打浆度为45°SR；
步骤(2)中所述的纤维平均长度为重均长度；
步骤(3)中所述的纸张的定量为60～80g/m2。
4.根据权利要求1所述的植物纤维对硅酸钙板增强潜力的预评估方法，其特征在于：
步骤(1)中所述的植物纤维为木浆纤维和/或草浆纤维。
5.根据权利要求4所述的植物纤维对硅酸钙板增强潜力的预评估方法，其特征在于：
步骤(1)中所述的植物纤维为针叶木、阔叶木、韧皮类纤维浆料，废纸浆和/或二次木浆纤维浆料。
6.根据权利要求1所述的植物纤维对硅酸钙板增强潜力的预评估方法，其特征在于：
步骤(1)中所述的疏解的条件为：3000rpm疏解2～5min；
步骤(1)中所述的磨浆机为PFI磨浆机；
步骤(2)中所述的纤维平均长度和细小纤维含量为采用纤维质量分析仪进行测定；
步骤(2)中所述的打浆度为采用打浆度仪进行测定。
7.根据权利要求1所述的植物纤维对硅酸钙板增强潜力的预评估方法，其特征在于：在步骤(3)中测定湿零距离抗张指数之前，包括将用水将纸张完全润湿的步骤；具体为：将纸张浸入水中，待完全润湿后取出，沥走多余水分，再测定纸张的湿零距离抗张指数Zst；
所述的润湿的方法为将纸张浸入水中10～30s。
8.权利要求1～7任一项所述的植物纤维对硅酸钙板增强潜力的预评估方法在制备硅酸钙板中的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于：
所述的硅酸钙板为植物纤维增强硅酸钙板；
所述的植物纤维为木浆纤维和/或草浆纤维。
10.根据权利要求8所述的应用，其特征在于：
所述的植物纤维的用量为占硅酸钙板质量的5％～10％。
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