CN115108805A - 一种具有低湿涨率的玻镁板，及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于玻镁板技术领域，尤其涉及一种具有低湿涨率的玻镁板，及其制备方法。本发明的发明目的之一是提供一种力学强度高的玻镁板，目的之二是公开该玻镁板的制备方法。本发明的有益之处在于：第一，对玻镁板中原有的木粉，采用炭化植物纤维进行替换，有效降低了玻镁板稀释膨胀变形的程度，并且同样起到了对玻镁板力学性能提升的效果；第二，玻镁板中凝胶材料含有的游离镁，对用炭化植物纤维表面进行侵蚀形成微孔，微孔增强了炭化植物纤维的柔韧性，避免与胶凝材料混合时折断，保持其力学性能强度；第三，利用有机酸接枝在炭化植物纤维表面，进一步提高炭化植物纤维的界面相互作用，提高力学性能。

Description

一种具有低湿涨率的玻镁板，及其制备方法

技术领域

本发明属于玻镁板技术领域，尤其涉及一种具有低湿涨率的玻镁板，及其制备方法。

背景技术

玻镁板是一种A级防火材料，应用广泛，可用作吊顶板，墙板等很多领域。玻镁板主要组分是氧化镁和镁盐为原料形成的镁质胶凝材料，因轻质、强度高、耐火性好、能耗低等诸多优点而被使用。镁质胶凝材料中，目前主要应用较多的是氯氧镁质胶凝材料，但是这种氯氧镁质胶凝材料由于含有较多的氯离子，容易发生返卤泛霜的问题，限制了其进一步的应用。此后市场上出现了一种硫氧镁质胶凝材料，因原料中不含有氯离子，镁质胶凝材料不会形成氯化钠霜，即解决了氯氧镁质胶凝材料返卤泛霜的问题。但是硫氧镁质胶凝材料本身存在内部较为疏松，力学强度低的问题，相对于广泛应用于建筑领域的胶凝材料，例如硅质胶凝材料，竞争力稍显不足。

为了解决硫氧镁质胶凝材料力学性能差的问题，公开号为CN113956019A，公开日为2022-01-21的中国发明专利公开了一种木镁板及其制备方法，由如下重量百分含量的原料制备得到：20-40％氧化镁、10-20％硫酸镁溶液、20-30％木粉、0.2-0.3％金属氧化物、3-4％非金属氧化物、1-2％无机盐类、0.5-1％酸类、0.1-0.5％防水剂、1-2％改性剂。

上述发明中，在镁质胶凝材料中混合木粉，有效提高了板材强度及韧性，但是该发明技术方案中添加的木粉本身含水率较高，且吸水率较大，造成该技术方案中玻镁板性能不够稳定，容易产生变形等情况。

为了解决木粉吸水导致板材膨胀变形的问题，可以对其进行炭化处理，根据现有文献可知，经高温处理后，木粉表面的吸水官能团半纤维素被重组，吸水率大大降低，可保证具有较好的尺寸稳定性。此外，公开号为CN112980079A，公开日为2021-06-18的中国发明专利公开了一种木塑抗菌板材及其制备方法，该板材由基层和表面装饰层组成；所述基层的原料包括聚乙烯、弹性体、增韧剂、炭化木粉、阻燃填料、玻璃纤维、AC发泡剂、活化材料和防霉剂。根据GB/T 17657-1999标准测试其板材的吸水率≤1.5％，说明炭化后的木粉有效降低了板材的吸水率。然而炭化后的木粉在基层中呈点状分布，且炭化后的木粉相对于未炭化的木粉，之间的结合性不佳，导致最终制得的玻镁板力学强度有所降低，无法很好地应用于建筑领域。

综上所述，目前市场上急需一种耐吸水性好，遇水不易变形，且力学强度高的玻镁板。

发明内容

为解决上述技术问题，本申请发明人对现有技术、玻镁板的生产方式及实际应用进行了深入分析研究，以期进一步提升玻镁板的性能，本发明的发明目的之一是提供一种力学强度高的玻镁板，目的之二是公开该玻镁板的制备方法。

具体的技术方案在下方分别予以说明：

一种具有低湿涨率的玻镁板，包括按重量计的以下组分：

氧化镁50-100份，硫酸镁8-15份，水190-240份，有机酸0.3-0.8份，炭化植物纤维12-16份，聚苯颗粒0.1-0.5份，细钙粉1-3份，填充料0.003-0.008份，玻纤网布5-10份。

上述方案中，通过加入炭化植物纤维来提高玻镁板的力学性能是发明人的核心构思之一，该构思主要体现在发明人对现有技术中具体缺陷的发现：向玻镁板的主要组分，即以氧化镁与硫酸镁形成的溶液组成的MgO-MgSO₃-H₂O胶凝材料，中间加入木粉，固然起到了提高了板材强度及韧性的作用，然而木粉本身含水率较高，且吸水率较大，在潮湿的环境中易发生形变。而通过炭化的方式获得的炭化木粉，虽然吸水性有所降低，但是与胶凝材料结合后，对其力学强度提升不高。炭化后的木粉有效降低了板材的吸水率，是一种解决思路，然而炭化后的木粉在基层中呈点状分布，且炭化后的木粉相对于未炭化的木粉，之间的结合性不佳，导致最终制得的玻镁板力学强度有所降低。

因此，本申请发明人选用力学强度更高的炭化植物纤维，利用纤维与凝胶混合后形成了“混凝土”式结构，有效的提升了硫氧镁体系胶凝材料的整体力学性能。

另一方面，加入炭化植物纤维的好处在于，经高温处理后的炭化植物纤维，其表面的吸水官能团、半纤维素被重组，吸水率大大降低，可保证具有较好的尺寸稳定性。即吸湿后不会膨胀变形，有效的解决了传统的玻镁板中所用的木粉吸水后膨胀导致板材变形的问题。

此外，本申请发明人考虑到了玻镁板中镁质胶凝材料中含有大量的游离镁，于是选用胶凝材料与炭化植物纤维混合，其中的镁离子附着在炭化植物纤维表面并对其进行腐蚀，在炭化植物纤维表面形成了微孔结构。发明人意识到，这种微孔结构在数量较低的情况下，可为炭化植物纤维的弯曲提供了一定活动空间，使得炭化植物纤维与胶凝材料混合后可弯曲更大的角度而不断裂，起到了提升炭化植物纤维的柔韧性的效果。另一方面，微孔在炭化植物纤维表面形成了类似拱桥一样的支撑结构，使得炭化植物纤维在承受一定载荷时，纤维通过微微弯曲，可将载荷分解到胶凝材料之中，使得板材整体受力均匀，局部受力强度降低，耐压、扛折能力更强。

对于玻镁板的组分构成，其中氧化镁、硫酸镁以及水为制备玻镁板所必须原材料，本文不再赘述。

炭化植物纤维原料的选择是本申请发明人的另一个重要构思。为了提高玻镁板的力学性能，要求与玻镁板胶凝材料混合的炭化植物纤维，具有较强的柔韧性，与胶凝材料搅拌混合时弯曲但不会折断，从而起到了加固的效果。竹原纤维是一种理想的制备炭化植物纤维的原材料，是从竹子茎部取得竹材，并采用机械物理分丝开松梳理相结合的方法直接从竹材分离制得的。竹原纤维具有强度高、质量轻、韧性好的优点，并且竹子生长周期短，原材料易取得，利于大规模工业生产。此外，竹原纤维亦可以采用苎麻纤维、亚麻纤维、黄麻纤维、椰子纤维、棉纤维、秸秆纤维、玉米纤维、任意一种或任意多种复配纤维代替。

本申请发明人注意到，纤维长度为4-8cm的炭化植物纤维在胶凝材料中混合，既不会因为过长而发生折断现象，也不会因为过短而无法起到加固胶凝材料的效果，纤维长度可通过制备完成后，对炭化植物纤维进行统一裁剪来调整，优选的纤维长度范围为5-6cm。

在硫氧镁胶凝材料中添加有机酸，可以有效的提高胶凝材料的抗压强度，当加入的有机酸按重量计0.3-0.8份，优选0.5-0.7份时，对胶凝材料的抗压强度提升达到最大，有效的配合了炭化植物纤维对胶凝材料的加固作用。其中有机酸可采用柠檬酸或者醋酸，优选柠檬酸，柠檬酸是一种常见的三羧酸类有机酸，可接枝并聚合到炭化植物纤维表面，提高其界面相互作用，使得纤维的力学性能有所提升。

进一步优选的技术方案在于：还包括按重量计的以下组分：聚苯颗粒0.1-0.5份。

进一步优选的技术方案在于：还包括按重量计的以下组分：细钙粉1-3份，细钙粉提高了凝胶材料的尺寸稳定性，并一定程度上提高了凝胶材料的硬度，降低孔隙率。所述细钙粉包括重质钙粉，轻质钙粉，活性钙粉、烟气脱硫钙粉、超细碳酸钙中的任意一种单料或任意多种复配料。

进一步优选的技术方案在于：还包括按重量计的以下组分：填充料0.003-0.008份，填充料为消泡剂或者早强剂，具体包括亚硝酸盐、铬酸盐、三乙醇胺、甲酸钙、尿素中的任意一种单剂或任意多种复配剂。

进一步优选的技术方案在于：还包括按重量计的以下组分：玻纤网布5-10份。

进一步优选的技术方案在于：所述炭化植物纤维在惰性气体条件下，于400~1000℃加热2-6h制备而成。该条件下制备的炭化植物纤维直径在15-75μm之间，兼顾柔韧度和力学性能。

一种玻镁板的制备方法，包括以下步骤：

a.将原料放入搅拌机中搅拌形成原料浆；其中原料指制备玻镁板所必须的原料以及炭化植物纤维。搅拌机采用适用于高粘度物料的搅拌分散的低速搅拌机，优选的，搅拌机转速为15-25r/min。

b.将无纺布开卷后进入成型机，模具在成型机平台上放好备用，将所述原料浆倒在所述模具上，并进入所述成型机中挤压成型，得到半成品玻镁板；成型机采用3000t单层热压机，热压温度为85-95℃，压强16-19Mpa。

c.对所述半成品玻镁板养护16-24h后进行脱模，放置自然环境下进行养护4-7天，养护后的半成品玻镁板放置于水中浸泡24-48h后晾晒或烘干，得到玻镁板。其中养护为对所述半成品玻镁板进行静置，静置环境温度为30-35℃，湿度为40-60%。

本发明的有益之处在于：

第一，对玻镁板中原有的木粉，采用炭化植物纤维进行替换，有效降低了玻镁板稀释膨胀变形的程度，并且同样起到了对玻镁板力学性能提升的效果；

第二，玻镁板中凝胶材料含有的游离镁，对用炭化植物纤维表面进行侵蚀形成微孔，微孔增强了炭化植物纤维的柔韧性，避免与胶凝材料混合时折断，保持其力学性能强度；

第三，利用有机酸接枝在炭化植物纤维表面，进一步提高炭化植物纤维的界面相互作用，提高力学性能。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行进一步的解释：

本申请实施例的技术方案所面临的核心技术问题来源于发明人对现有技术中具体缺陷的发现：为提升玻镁板的力学强度，现有技术中向玻镁板中添加了木粉，但是木粉本身含水率较高，且木粉的吸水率也较大，造成现有玻镁板性能不够稳定，吸水容易产生变形。

因此，选择合适的不易吸水的材料，同时以用于提升玻镁板的力学强度，是发明人亟需解决的技术问题。

同时，选择适合剂量的有机酸，以提升玻镁板的力学强度，是发明人在解决上述技术问题的同时所做出的另一个创造性的贡献。

为了方便比对技术效果，本发明实施例中现有的玻镁板制备方法不做更改，所属领域的技术人员同样容易知晓：这并不意味着只能够选择实施例中的物料和玻镁板具体的制备方法。

因此，下述实施例不对本发明的保护范围构成限定：

<对玻镁板的性能测试>

实施例1：

将下列按重量计的物料混合后形成原料：

氧化镁（CAS:1309-48-4） 100份

硫酸镁（CAS:7487-88-9） 15份

水 240份

炭化植物纤维（原料为竹原纤维，重庆绿森实业） 16份

柠檬酸（CAS:77-92-9） 0.8份

聚苯颗粒（杭州华业节能科技） 0.5份

超细碳酸钙（广西木森矿业） 3份

亚硝酸钠（CAS:7632-00-0） 0.008份

将所述原料放入悬臂搅拌机（德国艾卡集团）中进行搅拌混合，形成原料浆，搅拌机转速为25r/min。

将无纺布（江苏奥特隆新材料）开卷后进入3000t单层热压机（山东创新建材），模具在热压机平台上放好备用，将所述原料浆倒在所述模具上，并进入所述热压机中挤压成型，热压温度为95℃，压强19Mpa。得到半成品玻镁板；

对所述半成品玻镁板养护24h后进行脱模，放置自然环境下进行养护7天，养护后的半成品玻镁板放置于水中浸泡48h后烘干，得到玻镁板。其中养护为对所述半成品玻镁板进行静置，静置环境温度为35℃，湿度60%。

实施例2：

将下列按重量计的物料混合后形成原料：

氧化镁（CAS:1309-48-4） 50份

硫酸镁（CAS:7487-88-9） 8份

水 190份

炭化植物纤维（原料为竹原纤维，重庆绿森实业） 12份

柠檬酸（CAS:77-92-9） 0.3份

聚苯颗粒（杭州华业节能科技） 0.1份

超细碳酸钙（广西木森矿业） 1份

亚硝酸钠（CAS:7632-00-0） 0.003份

将所述原料放入悬臂搅拌机（德国艾卡集团）中进行搅拌混合，形成原料浆，搅拌机转速为15r/min。

将无纺布（江苏奥特隆新材料）开卷后进入3000t单层热压机（山东创新建材），模具在热压机平台上放好备用，将所述原料浆倒在所述模具上，并进入所述热压机中挤压成型，热压温度为85℃，压强16Mpa。得到半成品玻镁板；

对所述半成品玻镁板养护16h后进行脱模，放置自然环境下进行养护4天，养护后的半成品玻镁板放置于水中浸泡24h后晾晒干，得到玻镁板。其中养护为对所述半成品玻镁板进行静置，静置环境温度为30℃，湿度为40%。

实施例3：

将下列按重量计的物料混合后形成原料：

氧化镁（CAS:1309-48-4） 75份

硫酸镁（CAS:7487-88-9） 12份

水 240份

炭化植物纤维（原料为竹原纤维，重庆绿森实业） 14份

柠檬酸（CAS:77-92-9） 0.5份

聚苯颗粒（杭州华业节能科技） 0.3份

超细碳酸钙（广西木森矿业） 2份

亚硝酸钠（CAS:7632-00-0） 0.005份

将所述原料放入悬臂搅拌机（德国艾卡集团）中进行搅拌混合，形成原料浆，搅拌机转速为20r/min。

将无纺布（江苏奥特隆新材料）开卷后进入3000t单层热压机（山东创新建材），模具在热压机平台上放好备用，将所述原料浆倒在所述模具上，并进入所述热压机中挤压成型，热压温度为90℃，压强17Mpa。得到半成品玻镁板；

对所述半成品玻镁板养护20h后进行脱模，放置自然环境下进行养护6天，养护后的半成品玻镁板放置于水中浸泡36h后烘干，得到玻镁板。其中养护为对所述半成品玻镁板进行静置，静置环境温度为32℃，湿度50%。

对比例1：

与实施例1不同之处在于：

将炭化植物纤维替换成同质量的木粉（80目木塑粉，浩鸣木制品厂），对比例1旨在在与实施例1进行对比，说明木粉对吸湿后对玻镁板产生形变的影响大小。

对比例2：

与实施例1不同之处在于：

将炭化植物纤维替换成同质量的炭化木粉（80目木塑粉，浩鸣木制品厂，N₂气氛下1000℃加热2h），对比例2旨在与实施例1进行对比，说明炭化木粉对对玻镁板力学强度提升程度。

对比例3：

与实施例1不同之处在于：

原料中未添加有机酸，对比例3旨在与实施例1进行对比，说明有机酸，尤其是柠檬酸对胶凝材料以及炭化植物纤维力学强度的提升。

试验例1：

对实施例1-3及对比例1-3中制备的玻镁板的含水率、基本力学性能进行测试，结果见表1：

表1 实施例1-3及对比例1-3的玻镁板含水率、力学性能测试结果

由上表可知，采用木粉作为玻镁板的力学性能增强添加料，其对玻镁板的力学性能增强效果是理想的，但是由于木粉本身含水量较高，导致制得的玻镁板含水率很高，后期使用时，水分蒸发掉会导致玻镁板整体变形的，使得玻镁板使用寿命较短。

此外，在对玻镁板的力学性能增强添加料进行炭化之后，无论是炭化植物纤维亦或是炭化木粉，最终制得的玻镁板含水率均有明显下降。然而可以明显看出，添加了炭化木粉的玻镁板，其在脱模和烘干后的抗压、扛折能力均不如使用了炭化植物纤维的玻镁板，说明了采用本申请的纤维+胶凝材料混合的方式，可以有效提高玻镁板的力学性能。发明人经分析后认为：玻镁板中凝胶材料含有的游离镁，对用炭化植物纤维表面进行侵蚀形成微孔，微孔增强了炭化植物纤维的柔韧性，避免与胶凝材料混合时折断，保持其力学性能强度。

试验例2：

参考中华人民共和国国家标准GB/T 33544-2017《玻镁平板》的测试方法，在一定湿度环境下，对实施例1-3及对比例1-3中制备的玻镁板的形变大小进行测试，结果见表2：

表2 实施例1-3及对比例1-3的玻镁板在环境湿度为80%的湿涨率测试结果

由上表可知，采用木粉作为玻镁板的力学性能增强添加料，在潮湿环境下，湿涨率很高，以至于影响玻镁板的正常使用。而采用炭化木粉和炭化植物纤维为玻镁板的力学性能增强添加料，在潮湿环境下形变程度不大，不影响正常的使用。

<对炭化植物纤维的性能测试>

实施例4

对竹原纤维（重庆绿森实业）于N₂（盈德气体）气氛中，置于炭化炉（玻璃封装管式石英炉，合肥费舍罗）1000℃下炭化6h，得到炭化植物纤维。

实施例5

与实施例4的不同之处在于：将竹原纤维替换为椰子纤维（TMH-L1000）

实施例6

与实施例4的不同之处在于：将温度调整为400℃。

实施例7

与实施例4的不同之处在于：将温度调整为700℃。

实施例8

与实施例4的不同之处在于：将炭化时间调整为2h。

实施例9

与实施例4的不同之处在于：将炭化时间调整为4h。

试验例3：

参考中华人民共和国国家标准GB/T 26752-2020《聚丙烯腈基碳纤维》的测试方法，对实施例4-9中获得的炭化植物纤维的力学性能进行测试，结果见表3：

表3 实施例4-9的炭化植物纤维力学性能测试结果

由上表可知，椰子纤维作为炭化植物纤维的原料，力学性能优于其他纤维。且在炭化过程中，700℃炭化，炭化时长保持在4h左右，获得的炭化植物纤维力学性能最佳。

实施例10

对按重量计的16份竹原纤维（重庆绿森实业），浸泡在溶有0.8份柠檬酸（CAS:77-92-9）的240份水中，然后捞出烘干，并于N₂（盈德气体）气氛中，置于炭化炉（玻璃封装管式石英炉，合肥费舍罗）1000℃下炭化6h，得到炭化植物纤维。

实施例11

与实施例10的不同之处在于：将柠檬酸替换为醋酸（CAS：64-19-7）。

对实施例10-11中获得的炭化植物纤维的力学性能进行测试，结果见表4：

由上表可知，经有机酸处理后的炭化植物纤维，其力学性能有明显提高，其中柠檬酸处理后，对炭化植物纤维力学性能提升效果更好。发明人经研究后认为：原因是柠檬酸接枝并聚合到炭化植物纤维表面，提高其界面相互作用，使得纤维的力学性能有所提升。

在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“基础实施例”、“优选实施例”、“其他实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种具有低湿涨率的玻镁板，其特征在于：包括按重量计的以下组分：

氧化镁50-100份，硫酸镁8-15份，水190-240份，炭化植物纤维12-16份。

2.根据权利要求1所述的一种具有低湿涨率的玻镁板，其特征在于：所述炭化植物纤维由竹原纤维、苎麻纤维、亚麻纤维、黄麻纤维、椰子纤维、棉纤维、秸秆纤维、玉米纤维、任意一种或任意多种复配后炭化制备而成。

3.根据权利要求1所述的一种具有低湿涨率的玻镁板，其特征在于：所述炭化植物纤维长度为4-8cm。

4.根据权利要求1所述的一种具有低湿涨率的玻镁板，其特征在于：还包括按重量计的以下组分：有机酸0.3-0.8份，所述有机酸包括柠檬酸、醋酸中的任意一种单剂或任意多种复配剂。

5.根据权利要求1所述的一种具有低湿涨率的玻镁板，其特征在于：还包括按重量计的以下组分：聚苯颗粒0.1-0.5份。

6.根据权利要求1所述的一种具有低湿涨率的玻镁板，其特征在于：还包括按重量计的以下组分：细钙粉1-3份，所述细钙粉包括重质钙粉，轻质钙粉，活性钙粉、烟气脱硫钙粉、超细碳酸钙中的任意一种单料或任意多种复配料。

7.根据权利要求1所述的一种具有低湿涨率的玻镁板，其特征在于：还包括按重量计的以下组分：填充料0.003-0.008份，所述填充料包括亚硝酸盐、铬酸盐、三乙醇胺、甲酸钙、尿素中的任意一种单剂或任意多种复配剂。

8.根据权利要求1所述的一种具有低湿涨率的玻镁板，其特征在于：还包括按重量计的以下组分：玻纤网布5-10份。

9.根据权利要求1所述的一种具有低湿涨率的玻镁板，其特征在于：所述炭化植物纤维在惰性气体条件下，于400~1000℃加热2-6h制备而成。

10.权利要求1~9任意一条所述玻镁板的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

a.将原料放入搅拌机中搅拌形成原料浆；

b.将无纺布开卷后进入成型机，模具在成型机平台上放好备用，将所述原料浆倒在所述模具上，并进入所述成型机中挤压成型，得到半成品玻镁板；

c.对所述半成品玻镁板养护16-24h后进行脱模，放置自然环境下进行养护4-7天，养护后的半成品玻镁板放置于水中浸泡24-48h后晾晒或烘干，得到玻镁板。