CN85108058A - 耐火木制复合材料，尤其墙板及上述材料生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明是关于耐火木制复合材料，尤其墙板，其中除木制组分以外含有粘结剂，该粘结剂由通过碱性作用的活化剂活化的细磨水硬性高炉矿渣组成，活化剂为水玻璃和碱性氢氧化物为最佳。本发明还涉及关于制造这种木制复合材料的方法。

Description

本发明涉及耐火木制复合材料，尤其如墙板之类建筑板材，该复合材料主要含有一个木料组分如木片、木纤维、锯屑和/或木丝及一种粘结剂，并且本发明还涉及到制造该复合材料的工艺方法和一种新水硬性粘结剂。

为了改进墙板的耐火、抗霉菌和抗白蚁等性能，在以木纤维、锯屑和木丝为基料的墙板中普遍使用的粘结剂主要是硅酸盐水泥、镁氧或镁石水泥和石膏。水泥粘结木制复合材料，如碎料板含有大约30～70%重量百分比Wt%的木纤维和碎木料，大致70%-30%重量百分比Wt%的无机粘结剂。粘结剂对工艺和产品的特性都起很大作用。

把经过多种予处理的木纤维与一种粘结剂，多种化学品和适量的水一起混合。将所形成的板一层或多层地置于传送皮带或平板上，通常是用压机进行一次初级压制，然后在高温下再用主压机压制。压机的压力变化范围为5-40大气压，保持压制直到制品具有足够的强度脱膜和运输。硅酸盐水泥粘结板的加压时间大致要8小时或更多，而镁氧水泥达到脱膜强度仅需10-15分钟。

压制以后贮藏，然后把板材修齐、打光和包装。

用硅酸盐水泥粘结板材，压制时间长，接着的贮藏期也长，因此成本高并且经常给生产带来麻烦。

当硅酸盐水泥与适量的水泥混合时，有许多种化合物能很快对水泥的凝固和硬化发生作用。能加速水泥凝固的物质叫促凝剂，能延缓水化反应的叫缓凝剂。促凝剂主要包括盐酸、硫酸、硝酸等的碱金属和碱土金属简单速溶盐，它们能提高水相的离子浓度和水泥水化产物的溶解度。

缓凝剂包括速溶金属盐，这种盐与水泥中的石灰形成微溶或不溶的钙盐或者反应产物盖在水泥颗粒表面阻止了进一步水化。高分子量的可溶性有机物也有阻止水泥凝固作用。

最常用的硅酸盐水泥缓凝剂是碳氢化物，尤其是糖，当糖的浓度仅为水泥重量的几万分之一时，就可以引起相当可观的阻止水泥水化作用。

多种木料都含有许多可被离析的组分，这些组分对硅酸盐水泥的凝固具有强烈的缓凝作用。危害最大的组分是各种糖和淀粉、鞣酸、某些苯酚组分和半纤维素的分解产物。因此在生产水泥粘结木制复合材料中，只能选用上述各组分含量低的各种木料或采用在不过多增加成本情况下可使上述组分减小到允许范围的木料。

特别是硬木中含有大量以戊糖形式存在的可离析的糖，所以一般不能采用硬木制造硅酸盐水泥作粘结剂的木制复合材料。

在硅酸盐水泥水化过程中，会释放出大量Ca（OH）₂，孔隙溶液（pore solution）的pH值约为12.5。在这样的pH值时，木料中的半纤维素分解成较小的单元，部分单元可以水溶，使凝固时间延迟。

生产水泥粘结木制板材所用木料的适用性可以这样测试，把予定量已知大小的木片与水泥和水一起混合形成浆糊料，在一个绝热计热器中测定硬化过程中的温度变化。按照这种方法就可以知道有关木料中可能的有害离析物和任何缓凝作用的强度和严重性。（W.San-dermann，R.Kohler，“关于水泥粘结木料的短期强度测试”，《木材研究》Bd18（1964）H12pp.53-59和W.Sandermann，U.V.Delm“化学因素对木料-水泥板强度特性的影响”，《木料和未处理的原材料》9.H3（maerz）1951    pp.97-101）按这种方法已对几百种不同木料做了制造水泥粘结碎料产品的适用性试验。木料种类不同则时间-温度曲线不同，而且在试验的温度变化和各种木料的水泥粘结板材的强度发展之间存在明显关系。

这个实验明确表明，软木总是比硬木具有更小的阻滞凝固时间作用，适用的木料如云杉、松树和枞树，反之象桦树和山毛榉则完全不适用，而橡树必须经过一定条件处理后才能使用。

即使是软木也能引起一定的阻滞凝固作用。按照常规应将木料彻底剥皮并在使用前在水下存放几个月。用此方法可以除去木料中一定量的有害成份使其对凝固时间的阻滞作用减弱。

另外使用一种所谓速凝水泥也能消除木料离析物的有害作用，这种速凝水泥是一种高C₃S（硅酸三钙）和C₃A（铝酸三钙）熟料组分的细磨水泥。在水泥熟料中C₃S和C₃A的反应速率比其它成分更快而且水化热也比其它成份更高。

为了阻止和减少延迟凝固物质的析出，可以将木片在和水泥混合前，先注入各种所谓矿化剂。有关的矿化剂有CaCl₂、MgCl₂、甲酸钙和乙酸钙、聚乙烯乙二醇、MgSiF₆、亚硝酸盐、硝酸盐等。但这些矿化剂的矿化效果有限，而且使用矿化剂增加了添加物量，也提高了生产成本。

为了获得较高的短期强度，可以添加Al₂（SO₄）₃和Ca（OH）₂。这两种成份可以产生钙矾石矿物（C₃A·3Ca（SO₄）32-36H₂O），矿物以长棒状晶体析出，靠这类晶体可以获得较高的短期强度。

本发明的目的之一是提供一种能够代替硅酸盐水泥甚至仰贵的镁氧水泥（镁石水泥）制造耐火墙板和类似产品的粘结剂。按常规经检，用细磨水硬性高炉矿渣添加适当化合物来代替硅酸盐水泥是个意想不到的发现，它可以克服用硅酸盐水泥做粘结剂制造水泥，粘结木制碎木和木丝板时存在的许多困难。

本发明的主要特征通过权利要求明确表述。

用矿渣作硅酸盐水泥的添加物，通常导致水泥的水化热低，短期强度降低和强度发展缓慢。所谓矿渣水泥或混合水泥虽然在各领域相应地获得广泛应用，但这些领域并不需要短期强度高的性质，而且重点放在其它性质上。用高级水泥生产高强度的水泥粘结木制碎料制品已经由一些人完成，Czielski在“含木纤维的混凝土”《Holz    als    Roh-und    Werkstoff》（《木料和未处理的原料》）33（1975）pp    303-307和Pampel与Schware在“水泥粘结锯屑板的工艺和使用”《Holz    als    Roh-und    Werkstoff》（《木料和未处理的原料》）37（1979）pp.195-202。

用细磨水硬性高炉矿渣作原料添加或改变化学物质生产粘结剂完全是非显而易见的，一方面这种粘结剂对木料中普通有害离析物不敏感，另一方面可使产品获得短期强度，这使制品的脱膜时间比使用硅酸盐水泥作粘结剂时的脱膜时间更短。

矿渣的使用可以允许在生产工艺中采用更高的压制温度，而不至于象使用速硬硅酸盐水泥一样使制品最终强度受到影响。

采用高炉矿渣作粘结剂使得各种木料都可以被采用，而这些木料否则是不能用于生产碎料板的，因为它们都含有较高的具有阻滞作用的离析物，同时，还可以在工艺中省去仰贵的过长压制时间。

按照本发明所生产的耐火木制复合材料，尤其墙板，主要由一个木料组分如木片、木纤维、锯屑和/或木丝与一个在碱性还原作用中被活化剂活化的细磨水硬性高炉矿渣构成的粘结剂组成。

本发明完成了一个制造耐火木制复合材料，尤其墙板的工艺方法，把木料组分如木片、木纤维、锯屑和/或木丝与由细磨矿渣和一种活化剂构成的粘结剂混合，然后形成聚集体以便于获得予定形状并且有利于热压下成板。

为了使聚集体具有适当的加工性能需要添加适量的水。

木料组分与高炉矿渣的适宜重量比为20∶80和80∶20之间。

如果需要制作较轻的木制复合材料，部分木料组分可以由无机物（低密度材料）代替，例如这些无机物可以是膨胀粘土、珍珠岩、 石和类似物。

另外，部分高炉矿渣可以用凝硬性灰即粉煤灰和类似物代替。

用于高炉矿渣的活化剂最好是具有碱性还原作用的碱性盐和化合物，如碱性氢氧化物。活化剂主要由钠水玻璃和氢氧化钠组成，所占比例按高炉矿渣重量计钠水玻璃约占0.2-10%。氢氧化钠约占1-10%。可以用作活化剂的例子还有碱液，碳酸钠和水玻璃。碳酸钠和石灰反应也可以于该处产生作为活化剂的碱液。

本发明将用以下实施例做详细描述。

在实验室规模和工厂试验的试制中，对各种碱性盐和氢氧化钠与矿渣凝固的结合作用进行了调查。从调查中发现碱性盐总量和配给的碱性组分不同都影响普通水泥（Commencement）的凝固速率和产品强度。

在实验中，用球磨机把水硬高炉矿渣研磨至比表面积为470m²/kg，通过实验发现，反应速度和强度的改进取决于矿渣的比表面积，矿渣的化学组成如下：

矿渣的化学组成：

表1

SiO₂＝36.9%（重量）

Al₂O₂＝9.3%（重量）

FeO＝0.5%（重量）

CaO＝39.7%（重量）

MgO＝9.6%（重量）

MnO＝0.7%（重量）

K₂O＝0.8%（重量）

实例1

用碱性和碱性盐为基的各种矿物组分作为活化剂，长期以来已知的矿渣活化剂为NaOH。如下表所示，矿渣和木屑以90比10混合后与水玻璃一起快速凝固。在实验中，通常使用廉价的Na水玻璃，也可以用K水玻璃。

表2

使用了各种活化剂组份的矿渣和木屑（90∶10）浆料的凝固时间，W/C比为0.48（W/C表示水与粘结剂的重量比），温度为27℃。

矿渣促凝剂重量百分比    凝固时间（分）

实验号    木材    NaOH    水玻璃    起始    终凝    备注

1    云杉木    4    7    5    20

2    云杉木    4    5    10    35

3    云杉木    4    3    50    120

4    桦木    4    7    5    15

5    〃    4    5    10    35

6    〃    4    3    60    140

7    〃    4    1    110    180

8    〃    4    1    85    140    T＝37°

9    〃    5    1    30    75

10    〃    5    0.2    30    60

如果用10%云杉木或桦木屑和90%快速硬化水泥制备类似的浆料、自加水后7.5小时内没有凝固，然而储料24小时后凝固。

硬化强度取决于温度、水/粘结剂之比和木材/粘结剂之比。

影响矿渣料和桦木（90∶10）浆料凝固时间的某些不同方法示于表3。温度为27℃、水/粘结剂比＝0.48

表3

矿渣促凝剂重量百分比    凝固时间

实验号    NaOH    水玻璃    苏打    起始    终凝

11    3    1.0    -    4.5小时    15小时

12    4    1.0    -    2.0小时    3小时

13    5    1.0    -    0.5小时    1.5小时

14    5    2.0    1.0    10分钟    20分钟

15    5    1    2.0    20分钟    35分钟

16    4    1X）    2.0    20分钟    30分钟

17    4    2X）    -    15分钟    25分钟

18    -    -    8    30分钟    90分钟

19    -    0.5    8    10分钟    50分钟

20    -    1.0    8    5分钟    20分钟

21XX）    -    1.0    8    5分钟    30分钟

X）硅酸盐

XX）用粉煤灰代替10%的矿渣

用硅酸细粉部分或全部代替水玻璃

实例2

我们还发现了在不能使用由硅酸盐水泥组成的粘结剂的木制板材制造中可用的新方法。由如上所述，不能使用硬木之类是很明显的，这是因为硬木含有高含量的强烈阻止水泥凝固效率的戌糖和其它可离析的物质。

在上述方法中，用矿渣作为粘结剂的时候，没有发生阻凝，因此能使用各种硬木片并降低成本。在实验室试验中，已经进行了矿渣和各种木屑混合的指定凝固时间，已经以实验室规模生产了与桦木、橡树、山毛榉、南方松、桉树类和其它效果好的木材类似的板材，其结果示于表4。

表4

木屑/高炉矿渣混合物（维卡）的凝固时间

矿渣中促凝剂的重量百分数

凝固时间（分钟）

实验号    W/C比    NaOH    水玻璃    木材    木材/矿渣+木材    起始    终凝

1    0.36    3.6    6.9    -    15%    28    70

2    0.60    3.0    6.9    云杉木    15%    15    50

3    0.60    3.6    6.9    云杉木    10%    15    40

4    0.60    3.5    7.0    桦木    10%    6    35

5    0.60    3.5    7.0    山毛榉    10%    6    42

6    0.60    3.5    7.0    橡树    10%    6    55

7    0.60    3.5    7.0    南方松    10%    6    40

8    0.60    3.5    7.0    桉树类    10%    6    50

9    0.60    3.5    7.0    云杉木    10%    6    35

10    0.60    3.5    7.0X）    云杉木    10%    10    50

X）钾水玻璃

实例3

在实验室规模和工厂中大规模生产云杉木和桦木的矿渣板材。

在实验室中，由矿渣和木材以重量比70∶30手工形成板，并且通过各种压制时间和温度硬化，其结果示于表5。

表5

压制时间和压力对碎片板弯曲抗拉强度的影响，板的厚度为10毫米，W/C比＝0.45

云杉碎片/矿渣＝30/70

矿渣中促凝剂

的重量百分数 压制 弯曲抗拉强度N/mm²

实验号    NaOH    水玻璃    时间    温度℃    1d    7d

（分钟）

1    5    10    30    70    3.8    4.3

2    5    10    60    70    6.2    7.4

3    5    10    30    90    4.7    5.2

4    5    10    60    90    8.5    8.3

5    5    5    30    110    7.5    9.4

6    5    5    60    110    10.6    12.5

7    5    10    20    110    10.0    12.2

8    5    10    30    110    11.8    13.0

9    5    10    20    130    6.9    7.5

10    5    10    30    130    8.4    9.0

碱的用量对矿渣和桦木粉的板强度的影响示于表6。压制温度为125℃、压制时间为20分钟，板的强度为10毫米。

表6

矿渣/桦木（70∶30）板与添加各种NaOH和水玻璃的弯曲抗拉强度。

水玻    密度    弯曲24小时

实验号 NaOH 璃 kg/Clm³抗拉 强度 注释

1    3.5%    3.0%    -    -    在运输中断裂

2    4.0%    5.0%    1433    0.99    软度

3    4.0%    3.0%    1392    0.46    软度

4    4.0%    1.0%    1404    0.69    软度

5    5.0%    5.0%    1477    3.2

6    5.0%    3.0%    1535    4.0

7    5.0%    1.0%    1499    3.0

在实验室规模的试验中，仅仅使用材粉、其水/粘结剂比高于用木片成形的木材，因此，在试验室试验，所要求的强度值比大规模试验值低。

实例4

大规模试验

用细磨粉状高炉矿渣作为粘结剂，已在曾使用氧化镁水泥作粘结剂的工厂中进行了大规模试验。

矿渣、云杉木片/桦木片、碱液和水玻璃与适量的水200公斤的配合料在力混合器中混合2～3分钟，用混合配比形成3层板。

外层    矿渣/木材    70/30

内层    矿渣/木材    60/40

外层与内层定量比为50∶50

在外层混合料中，所用的活化剂是NaOH和水玻璃、分别为矿渣量的6.2%和4.6%，在内层混合料中，相应值分别为4.7%和3.5%。

在混合料中，外层云杉片的含水量为7%，内层的含水量为10%，桦木片的含水量分别为4.0和5.3%。

各种混合料的水/粘结剂比介于0.30和0.34之间。

用三层板式运输带上储备混合料、于储存器中重叠初压后，以135～140℃最后压制10～15分钟。

板的厚度为12毫米，密度为1250kg/m³。

在冷却管中冷却卸下板后，准备整修，砂子打磨，结果示于表7和表8。

表7

矿渣/云杉片板材的配料

配料号    1    2    3    4    5    6

压制时间、分钟    10    10    10    10    10    10

压制温度℃    140    140    140    140    140    140

密度kg/m³1268 1274 1201 1239 1218 1251

弯曲抗拉强度

N/mm²9.8 9.6 8.6 10.0 8.8 8.5

抗拉强度

N/mm²0.33 0.35 0.28 0.33 0.22 0.20

在水中膨胀

2小时    2.5    1.9    3.5    2.8    2.5    2.9

表8

矿渣/桦木片板的配料

配料号    1    2    3

压制时间、分钟    15    10    10

压制温度℃    140    140    135

密度Kg/m³1499 1287 1388

弯曲抗拉强度N/mm²12.6 8.4 13.6

抗拉强度N/mm²0.53 0.30 0.25

在水中膨胀2小时    1.1    4.0    4.0

没有进行最佳条件实验

Claims (10)

1、耐火木制复合材料，尤其墙板，基本含有木制组分，如木片、木纤、锯末、和/或木丝和粘结剂，其特征在于：所说的粘结剂，由通过具有碱性反应的活化剂所活化的细磨水硬高炉渣组成。

2、根据权利要求1的复合材料，其特征在于：木制组分与高炉矿渣的重量比介于20∶80和80∶20之间。

3、根据权利要求1的复合材料，其特征在于：另外还有火山岩、如粉煤灰。

4、根据以上任何权利要求的复合材料、其特征在于：活化剂由碱性盐组成，如水玻璃、和具有可能和其它组分在一起的碱性化合物、如碱性氢氧化物。

5、制造耐火木制复合材料，尤其墙板的方法，通过使木料组分，如木片、木纤、锯末和/或木丝与粘结剂和活化剂相接触，形成混合物;在热压作用下，得到所要求的形状，其特征在于所用的粘结剂为细磨水硬高炉矿渣。

6、根据权利要求5的方法，其特征在于：木制组分与高炉矿渣的重量比例介于20∶80和80∶20之间。

7、根据权利要求5和6的方法，其特征在于：部分高炉矿渣由火山岩、如粉煤灰取代。

8、根据权利要求5～7任何一项方法，其特征在于所用的活化剂为碱性盐、如水玻璃和具有碱性作用的化合物、如碱性氢氧化物。

9、根据权利要求8的方法，其特征在于：活化剂由钠水玻璃和氢氧化钠组成，其用量为按高炉矿渣重量计算的0.2～10%的钠水玻璃和1～10%氢氧化钠。

10、在制造耐火木制复合材料，尤其墙板中，用细磨水硬高炉矿渣作粘结剂。