竹原纖維增強石膏板性能研究

崔博宇，侯志義，王偉宏，張 鐳，單偉東

（東北林業(yè)大學(xué)生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點實驗室，黑龍江 哈爾濱150040）

中國竹材資源豐富，具有悠久的竹材加工利用歷史，人民生活中處處顯現(xiàn)原竹建筑、竹家具和竹工藝品的身影。隨著現(xiàn)代加工技術(shù)水平的提高，竹材以片材、纖維、竹漿等形式在人造板、紡織、造紙和食品加工等行業(yè)發(fā)揮著重要作用。竹材以其綠色環(huán)保和優(yōu)異的力學(xué)性能受到青睞，對它的利用不斷擴展，如用于增強石膏、水泥等無機材料。

石膏屬于綠色環(huán)保型建材，其微孔結(jié)構(gòu)使制品具有優(yōu)良的隔音、隔熱、調(diào)濕和防火性能［1］。但石膏板也有諸多缺陷，如承重低、脆性大、吸水性強、硬度低等問題。以纖維作石膏的增強體可以提升石膏的力學(xué)強度，改善可塑性［2］。增強纖維以合成纖維為主，如硅灰石纖維［3］和玻璃纖維［4］都使石膏復(fù)合材料的整體強度和耐水性能得到顯著提高。隨著人們環(huán)保意識的提高，增強纖維也由合成纖維向天然纖維過渡。孫晉玉等［5］改進了生產(chǎn)過程中鋪裝工藝與壓力成型工藝，并應(yīng)用微波干燥新技術(shù)制備出成本低、質(zhì)量好的木纖維增強石膏板；周大勇等［6］通過測試麥秸／石膏復(fù)合板的一系列性能發(fā)現(xiàn)，麥秸／石膏復(fù)合板的性能比紙面／石膏復(fù)合板優(yōu)異；李曉平等［7］經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，大麻纖維可以增強石膏板的保溫性能；晉強等［8］通過添加一定量的硅酸鹽水泥和高溫蒸汽養(yǎng)護使棉花秸稈／石膏復(fù)合材料耐水性能得到提高。為提高纖維／石膏復(fù)合材強度，還可以對纖維進行處理；Lucolano F等［10］研究發(fā)現(xiàn)，麻纖維經(jīng)水處理后其表面的水溶性物質(zhì)會大量減少，纖維表面更加粗糙，有利于提高石膏板的強度。

使用天然纖維替代或部分替代合成纖維可以起到提高石膏板性能的作用，且具有更好的環(huán)境和經(jīng)濟效益［11］。在各種天然纖維中，竹原纖維是比較新穎的一種，它的主要制取步驟為：竹片→塑化→碾壓→分梳→竹原纖維［12］。竹原纖維屬于原生纖維素纖維，在自然界存儲量大，可再生，對環(huán)境十分友好［13］。它的強度高于麻纖維，長徑比大于木纖維，而且制備工藝較簡單，是一種理想的增強用纖維。

研究利用竹原纖維增強石膏板，采用3種方式處理竹纖維提高增強效果，并對增強機理進行探索分析。結(jié)果將為改善石膏復(fù)合材性能和竹材綜合利用提供新的途徑，對環(huán)境保護和資源利用具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗原料

實驗原料見表1。

表1 實驗原料Tab.1 Experimental materials

1.2 竹原纖維增強石膏板的制備

1.2.1 竹原纖維的準備 在室溫下將竹原纖維浸沒于水中，1 h后取出置于烘箱，在50℃下烘干24 h。對烘干后的竹原纖維進行處理，處理方式包括：

（1）潤濕處理：將干纖維用水浸泡，使含水率達到100%。

（2）NaOH處理：將竹原纖維用質(zhì)量濃度為10%的NaOH溶液在70℃溫度下浸泡6 h，之后水洗至中性，在50℃下烘干。制板之前進行潤濕處理。

（3）硅烷偶聯(lián)劑處理：將硅烷偶聯(lián)劑KH550溶于乙醇，然后噴灑在竹原纖維上，用量占纖維質(zhì)量的2%。纖維在室溫下放置12 h之后進行干燥。制板前進行潤濕處理。

1.2.2 石膏復(fù)合板的制備 配置質(zhì)量濃度為1%的緩凝劑溶液，緩慢加入水中攪拌均勻，再加入石膏粉攪拌成均勻的漿料；之后加入竹原纖維，繼續(xù)攪拌至均勻。水與石膏粉的質(zhì)量比為1：0.5，緩凝劑占石膏粉質(zhì)量的0.05%，竹原纖維添加量為石膏質(zhì)量的3%。將混合均勻的漿料鋪裝到模具中，制成板坯，置于壓機（SL-6型，哈爾濱特種塑料制品有限公司）中加壓成型。壓力為0.25 MPa，時間為20 min。取出板材，在室溫下保壓（0.15 MPa）放置12h使石膏充分水化。將板材送入烘箱在35℃溫度下干燥24 h，最后制得尺寸為300 mm×300 mm×12 mm的板材。

1.3 性能測試

石膏板在室溫下放置7 d后鋸切成試件，參照LY／T1598-2011《石膏刨花板》標準進行性能檢測。

內(nèi)結(jié)合強度：試件尺寸為50 mm×50 mm×12 mm，加載速度2 mm·s－1。每組測試6個試件。

抗彎性能：采用3點彎曲測試方法，試件尺寸為290 mm×50 mm×12 mm。2支座跨距為試件厚度的20倍，加載速度為2mm·s－1。每組測試12個試件。

吸水性能：試件尺寸為50 mm×50 mm×12 mm。將試件浸于pH值為7±1、溫度為（20±1）℃的水槽中，浸泡24 h后取出，擦去表面浮水、稱重。試件個數(shù)為8。根據(jù)浸泡前后的厚度變化計算吸水厚度膨脹率。

紅外光譜分析：采用傅里葉變換紅外光譜分析儀（Magna-IR560，美國Nicolet公司）對偶聯(lián)劑處理和未處理的竹原纖維進行分析，測試方法為衰減反射ATR法。

微觀結(jié)構(gòu)觀察：將復(fù)合材試件脆斷，吹去表面浮塵，對斷面噴金鍍膜。利用QUANTA 200F型掃描電子顯微鏡（美國FEI公司）觀察竹原纖維表面的粗糙狀況以及竹原纖維與石膏的界面結(jié)合情況。

結(jié)晶度分析：利用X射線衍射儀（XRD）對石膏和復(fù)合石膏板材試件的結(jié)晶結(jié)構(gòu)進行測試分析，所用設(shè)備為D／max-2200型X射線衍射儀（理學(xué)株式會社，日本）。

2 結(jié)果與分析

2.1 改性方式對竹原纖維增強石膏復(fù)合板抗彎性能和內(nèi)結(jié)合強度的影響

由圖1可知，竹原纖維的加入顯著提高了石膏板的抗彎強度和內(nèi)結(jié)合強度，潤濕處理的竹原纖維能夠比干纖維提供更大的增強幅度。與干纖維相比用濕纖維制備的石膏板彎曲模量提高19.88%，靜曲強度提高44.53%，內(nèi)結(jié)合強度提高26.09%。這是由于水的內(nèi)聚力大于纖維素與水分之間的附著力，在水的表面張力作用下短時間內(nèi)干纖維不容易被水分浸潤。對纖維預(yù)先進行潤濕處理則纖維細胞腔中含有自由水，與石膏漿料里的水分易于混溶，因此石膏漿料對濕纖維的浸潤效果更好。潤濕處理操作簡便，可以明顯提高石膏板性能。

竹原纖維經(jīng)NaOH處理后制成的復(fù)合板彎曲模量、靜曲強度和內(nèi)結(jié)合強度最大（圖1），而偶聯(lián)劑處理則不夠理想。王偉宏等［14］用硅烷偶聯(lián)劑改性木纖維制備石膏板，彈性模量、靜曲強度和內(nèi)結(jié)合強度分別提高了10.07%、41.61%和27.06%，而本研究中硅烷偶聯(lián)劑處理竹原纖維的增強效果沒有木纖維那樣明顯。紅外分析、電鏡、XRD分析都顯示，這種結(jié)果應(yīng)該與改性后纖維的形態(tài)、表面化學(xué)性質(zhì)及其與石膏結(jié)合的能力有密切關(guān)系。竹原纖維在石膏基質(zhì)里交織分散，對基質(zhì)形成一定的錨固作用，也大幅度提高了石膏板的內(nèi)結(jié)合強度，見圖1c）。

由圖1d）可見，純石膏受力破壞表現(xiàn)為突然斷裂；添加竹原纖維后石膏板的斷裂模式發(fā)生明顯變化，出現(xiàn)應(yīng)力屈服段，應(yīng)變增大，脆性顯著減小。這是由于竹原纖維本身具有較強韌性，且與石膏復(fù)合后界面處存在相互作用，石膏板受力后經(jīng)過石膏基質(zhì)斷裂、裂紋擴展、界面脫粘、纖維拔出或斷裂等過程，使破壞路徑延長，石膏板韌性得到顯著提高。此外，原竹纖維細長的形態(tài)對石膏板復(fù)合材的韌性也起到重要作用。因此，盡管偶聯(lián)劑處理的竹原纖維對提高強度作用結(jié)合較小，但仍表現(xiàn)出較好的斷裂安全性。

竹原纖維的加入對石膏板的彈性模量也有提高作用，但與抗彎強度相比提高幅度不大。其中，硅烷偶聯(lián)劑處理對模量改進幅度非常小，這可能是由于硅烷處理使竹原纖維變得柔軟。

圖1 未改性與改性竹原纖維／石膏復(fù)合材的各項性能數(shù)據(jù)Fig.1 Performance data of unmodified and modified bamboo fiber／gypsum composite

2.2 竹原纖維表面化學(xué)特性

圖2的紅外光譜顯示，與未處理的竹原纖維（B）相比，經(jīng)NaOH處理的竹原纖維未產(chǎn)生明顯的特征峰變化，說明表面化學(xué)性質(zhì)沒有改變，它對石膏板性能的改善應(yīng)該是纖維表面形貌改變引起的。經(jīng)過硅烷偶聯(lián)劑改性后的竹原纖維（D）在1 588 cm－1位置出現(xiàn)了－NH基伸縮振動峰，在2 927 cm－1出現(xiàn)了－CH2的C－H拉伸振動峰，表明在竹原纖維表面具有硅烷偶聯(lián)劑的接枝特征。KH550改性后的竹原纖維（D）與未改性的（B）相比，在3 323 cm－1位置的－OH吸收峰強度變?nèi)?，說明硅烷偶聯(lián)劑改性后的竹原纖維表面極性變?nèi)?，有利于石膏與纖維結(jié)合。

2.3 微觀形貌變化

圖2 改性與未改性竹原纖維的紅外光譜Fig.2 Infrared spectra of modified and unmodified bamboo fibers

從圖3中可以看出柱狀竹原纖維與石膏晶體的結(jié)合情況。與未處理纖維相比，NaOH處理的竹原纖維表面附著了更多石膏晶體（圖3b），說明纖維與石膏間的界面結(jié)合得到改善。NaOH溶液能夠剔除天然纖維表面的蠟質(zhì)、果膠、木質(zhì)素、半纖維素等物質(zhì)，使纖維表面變得粗糙［15］。堿處理纖維在一定程度上會影響基質(zhì)的結(jié)晶度，細小及暴露的微纖絲起到成核位點的作用，因此，處理后粗糙的纖維表面有利于石膏晶體的生長和粘附。從圖3b中發(fā)現(xiàn)，NaOH處理使石膏晶體變得細小，堆積致密，晶粒間空隙少，這有利于提高石膏板材的力學(xué)性能。經(jīng)過KH550處理的竹原纖維也黏附了較多的石膏晶粒（圖3c），說明二者之間相容性有所改善，如紅外分析所示，這可能是纖維極性改變造成的。

圖3 竹原纖維增強石膏復(fù)合板的界面結(jié)合微觀形貌Fig.3 Micro topography of bamboo fiber reinforced gypsum composites

2.4 結(jié)晶分析

二水石膏（CaSO4·2H2O）的衍射峰位于11.5°、21°、29°、31°［16］。與純石膏板（A）相比，添加竹原纖維的石膏板（B、C、D）其衍射峰均變得更加尖銳，峰高變大，但沒有出現(xiàn)新的衍射峰（圖4），說明結(jié)晶度得到提高。與未處理竹原纖維增強石膏板（B）相比，NaOH處理后的復(fù)合板（C）在11.5°、21°、29°、31°都變得更加尖銳，說明石膏結(jié)晶晶胞規(guī)整，晶型明確，結(jié)晶度明顯提高。硅烷偶聯(lián)劑KH550處理的竹原纖維／石膏板（D）僅在11.5°明顯增高。XRD譜圖說明，添加不同改性方式的竹原纖維使石膏在不同方向的結(jié)晶程度得到增強。結(jié)晶度升高有利于改善石膏的結(jié)構(gòu)，進一步提高力學(xué)性能。

2.5 吸水厚度膨脹率

與純石膏板相比，添加竹原纖維后的石膏板24 h吸水厚度膨脹率有所增大（表2）。其中，干纖維和濕纖維石膏板膨脹率明顯大于其他3種石膏板。NaOH處理竹原纖維增強石膏板的24 h吸水厚度膨脹率最小，與純石膏板基本相同。這是由于NaOH處理去除了纖維表面的親水性小分子，而且竹原纖維表面產(chǎn)生的溝槽提高了纖維表面的粗糙度和比表面積，與石膏基體結(jié)合變強，能夠抵抗水分的浸入。硅烷偶聯(lián)劑處理則使纖維具有一定疏水性，也有利于保持石膏板的耐水性。

標準LY／T1598-2011《石膏刨花板》對24 h吸水厚度膨脹率的要求是≤3.0%，由表2可知，竹原纖維經(jīng)過幾種處理方式改性后石膏復(fù)合板的24 h吸水厚度膨脹率符合要求。

圖4 竹原纖維增強石膏復(fù)合板的X射線衍射圖譜Fig.4 XRD of the bamboo fiber reinforced gypsum composite

表2 竹原纖維增強石膏板的24 h吸水厚度膨脹率Tab.2 24 h water absorption thickness expansion rate of bamboo fibril reinforced gypsum board

3 結(jié)論

1）將竹原纖維作為增強體與石膏復(fù)合能夠顯著增強石膏板力學(xué)性能，改善其脆性。

2）在幾種纖維處理方式中，經(jīng)NaOH處理后的竹原纖維的增強效果最好。當(dāng)竹原纖維質(zhì)量分數(shù)為3%、長度為20 mm時，復(fù)合材的靜曲強度比純石膏提高77.8%，彎曲模量提高9.4%，內(nèi)結(jié)合強度提高229.6%。

3）與其他幾種改性劑處理竹原纖維相比，經(jīng)過硅烷偶聯(lián)劑處理的竹原纖維極性減弱，有利于提高耐水性。

4）與干纖維相比，濕纖維可以顯著提升石膏板的抗彎性能，方法簡單易操作。