（木材科学与技术专业论文）加热法石膏刨花板生产工艺的研究.pdf

摘要 石膏刨花板是以石膏为胶凝材料，用木质碎料刨花为加筋填充补强材料，外加适量的 水、缓凝剂采用半干法生产工艺，所制得的人造板材。自8 0 年代k o s s a l z 教授和l e m p f e r 博士发明半干法工艺以来，一直采用冷压法生产石膏刨花板。但在过去的研究中发现石膏 水化时的放热量对石膏刨花板的性能有所影响。基于此认识，本研究采用加热法生产石膏 刨花板，并对石膏刨花板进行各种分析以期找到石膏刨花板性能增强的原因。 由于在各加热温度压制的石膏刨花板中，3 0 条件下所研制板材较好。所以本文着重 研究了3 0 条件下所压板材性能提高的原因，采用差示扫描量热仪、傅立叶红外分析仪、 热重分析仪、x 射线衍射仪、扫描电子显微镜等五种高科技手段对石膏刨花板进行了检测， 结果表明：板的性能增强一方面是由于加热弥补了石膏机体在水化时散发到空气中的热量 从而提高了石膏的强度，进而提高了石膏刨花板的性能，另一方面，加热法可使针状二水 石膏晶体间几乎连接成片，使石膏晶体问能产生有效交叉搭接，这种结晶形态的石膏强度 较高，从而提高了石膏刨花板的强度。 为进步探求加热对石膏刨花板性能的影响，我们在热压条件下，向石膏刨花板中添 加纳米材料s i 0 2 和钛酸酯类偶联剂4 0 1 及硅烷类偶联剂5 5 0 和5 7 0 。从试验结果中，我 们可以发现添加3 的纳米材料有助于提高石膏刨花板的性能，这可能是由于纳米材料深 入刨花中堵塞了刨花孔隙从而提高了刨花的强度所致。但是刨花表面的细胞壁和胞间层由 于超声处理已被破坏从而使木材本身的强度受到了影响，因此添加纳米材料对石膏刨花板 性能的提高不明显。对于在石膏刨花板中添加偶联剂则对板材的性能影响不大。最后，我 们在加温3 0 ，纳米材料添加量为3 的情况下，改变石膏刨花板的密度，得到了与在常 温条件下所压制的石膏刨花板的密度变化相同的规律。即随着密度的增加，板的各项性能 增强。 关键词：石膏刨花板；石膏机体；纳米材料；偶联剂 a b s t r a c t g y p s u m - b o n d e dp a r t i c l eb o a r d ( g p b ) i so n eo f w o o db a s e dp a n e l sw h i c hi sm a n u f a c t u r e d u s i n gt h es e m i d r yp r o c e s s ，w h e r e i ng y p s u mi su s e da sb o n d i n gm a t e r i a l ，w o o dp a r t i c l e sa s s t r e n g t h e nm a t e r i a l sa n ds u i t a b l ea m o u n to fw a t e ra n db u f f e ra r ea l s oa d d e di n t ot h ep r o c e s s s i n c ep r o f e s s o rk o s s a l za n dd o c t o rl e m p f e rf o u n dt h es e m i d r yp r o c e s si n1 9 8 0 s ，g p bh a s b e e np r o d u c e du n d e rt h er o o mt e m p e r a t u r e h o w e v e r , i nt h ep a s tr e s e a r c h ，t h eq u a n t i t yo fh e a t e m i t t e df r o mg y p s u mc u r i n gi sf o u n dt oh a v es o m ee f f e c to nt h ep r o p e r t i e so fg p b w i t ht h i s c o g n i t i o ni nm i n d ，h e a t i n gm e t h o di su s e df o rf a b r i c a t i n gg p ba n dv a r i o u sa n a l y z em e t h o d sa r e u s e df o rt e s t i n go ng p bw i mb e t t e rq u a l i t y , w h i c ha r ee x p e c t e dt of i n dt h er e a s o no fp r o p e r t i e s e n h a n c i n go f g p b i ns e v e r a lo fg p b ，w h i c hi sp r o d u c e di nd i f i f e r e n tt e m p e r a t u r e ，t h eg p bm a d ew i t h3 0 a c h i e v e db e t t e rq u a l i t i e s s oh e r e i nw ep u te m p h a s i so nt h ea n a l y s i so fp r o p e r t i e so fg p b ， w h i c hi sm a n u f a c t u r e du n d e r3 0 。c t h ep m p c r t i e so f g p ba r ea n a l y z e db yu s i n gf i v eh i g h - t e c h i n s t r u m e n t s ：d i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t r y , f o u r i e r - t r a n s f o r mi n f r a r e ds p e c t r o p h o t o m e t r y , t h e r m og r a v i m e t r i ca n a l y z e r , x - r a yd i f f r a c t o m e t e r , s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e t h er e s u l t s h o w e dt h a to n er e a s o nf o re n h a n c i n gp r o p e r t i e so fg p bi st h a th e a t i n gm e t h o df a c i l i t a t e st o m a k eu pt h eq u a n t i t yo fh e a to fg y p s u mc u r i n gw h i c hd i s p e r s e di n t oa t m o s p h e r ea n dt h r o u g h w h i c ht h es 仃e n g t ho fg y p s u mi si n c r e a s e d a n da n o t h e rr e a s o ni st h a tt h es h a p eo fg y p s u m c r y s t a li sc h a n g e db e c a u s eo fh e a t i n gm e t h o d ，w h i c hp r o v i d eb e t t e rc o n t i n u i t yo fg y p s u m e c o n o m ya n db o n d i n gs 扛e n g t hr e s u l t i n gt ot h ec o r r e s p o n d i n go ft h ei m p r o v e m e n to ft h e s t r e n g t ho f g y p s u m f o rf u r t h e rt of i n dh o wh e a t i n gm e t h o dh a v es o m ee f f e c to ng p b ，n a n os i 0 2 ，t i t a n a t e d c o u p l i n ga g e n tn d z4 0 1 ，s i l a n ec o u p l i n ga g e n tk h 5 5 0a n ds i l a n ec o u p l i n ga g e n tk h 5 7 0a r e a d d e di n t og p bu n d e rh e a t i n g f r o mt h er e s u l t w ec a nf i n dt h a tt h ea d d i t i o no f3 o fn a n o s i 0 2i sh e l p f u lf o rt h ei m p r o v e m e n to ft h ep r o p e r t i e so fg p b t h i sm a yb e c a u s en a n o d i s p e r s e di n t op a r t i c l e sa n df l ut h eb o r eo ft h e m ，w h i c hi m p r o v et h es t r e n g t ho fp a r t i c l e s h o w e v e r , t h ea d d i t i o no fc o u p l i n ga g e n t sh a sf e w e re f f e c t so nt h ep r o p e r t i e so fg p b a tl a s t , t h es a m ed e n s i t yp r i n c i p l ew i t ht h eg p bm a d ei nr o o mt e m p e r a t u r ew ec a no b t a i nf r o mt h e g p b 。w h i c hi sm a n u f a c t u r e du n d e r3 0 a n dh a v i n g3 n a n om a t c r i a l t h a ti sv a r i o u s p r o p e r t i e s o f g p b a r es t r e n g t h e n e d w i t h t h e i n c r e a s i n g o f d e n t i s t o f g p b k e y w o r d s ：g y p s u m - b o n d e dp a n i c l eb o a r d ；g y p s u me c o n o m y ；n a n om a t e r i a l ；c o u p l i n g a g e n t 致谢 本篇硕士学位论文是在导师邓玉和教授悉心指导下完成的。从论文的选题、构思和方 案的确定，到论文的完成都得到导师的悉心指点。导师渊博的知识、严谨的治学态度、求 实的工作作风给本人以深刻的教诲和启迪。特别是，导师在很多方面给本人以很好的引导， 使本人在以后的学习、工作、生活中受益匪浅。谨此，向导师致以最诚挚的感谢! 在整个课题的研究过程中，得到了南京林业大学信息学院雷文副教授、木材工业学院 骆嘉言副教授、秸秆中心实验室李显成老师以及木材加工工艺实验室葛达章师傅的指导、 支持和无私帮助，在此表示最诚挚的谢意! 蠢藏含冁鼹的实验和研究过程中，还得到了好友岳孔、孙占英、周利，舍友李玉春、 吴青霞瀑廷攀球及师姐宣玲、师妹韩振华和师弟吉军的帮助和支持，在此一并表示感谢。 最后，衷心感谢我的父母秘弟弟在我人生道路上的鼓励，关怀和支持。在此向他们表 示最特别最真诚地感谢! 我将在你们的关爱中继续前行! 周梅 2 0 0 6 年6 月于南林 1 1 引言 1 绪论 石膏刨花板是以石膏( 天然石膏、磷酸石膏、脱硫石膏烧成的半水石膏) 为胶凝材料， 用木质碎料刨花( 木材刨花碎料和非木材植物纤维棉杆、蔗渣、芦苇、竹材等的刨花碎料) 为加筋填充补强材料，外加适量的水、缓凝剂采用半干法生产工艺所制得的人造板材i ”。 石膏刨花板用途广泛，可用于任何一种石膏板材的使用场所，也可取代某些普通刨花 板和木材的使用，目前主要用于建筑内墙、分隔墙、天花板、壁橱，经二次加工后可制家 具，加防水剂或表面涂饰后还可用于外墙。石膏刨花板具有阻燃性能好，无环境污染等特 点，又具有可锯割、可钉、可装饰等良好的施工性能。石膏刨花板还具有良好的隔热、隔 音和较高的物理力学性能，如1 2 m m 厚的板材隔音性能为2 8 d b 。若形成复合墙板，其隔 音性能可达4 5 d b m j 。 1 2 国内外研究现状 石膏刨花板的研究始于1 9 2 8 年1 3 】，由于没有能形成一种切实可行的工艺，使石膏刨 花板的研究一直处于实验室阶段。直到8 0 年代初期，德国弗劳霍夫( f r a u m h o f o r ) 木材工业 研究所所长柯沙茨( k o s s a j z ) 教授和l e m p f e r 博士合作，发明了一种经济可行的新工艺，半 干法生产石膏刨花板工艺即k o s s a l z 工艺【4 1 ，并获得德国专利。该工艺在1 9 8 3 年德国汉诺 威世界木工机械博览会上展出引起了人们广泛的注意，德国比松( b i s o ) 公司于1 9 8 3 年购 买了这项专利。 1 9 8 5 年1 1 月，比松公司应用k o s s a l z 工艺在芬兰的柯比奥( k u o p i o ) 建成了世界首家 石膏刨花板制造- t 5 t ，该厂的日产量为1 2 5 m s 日。时隔不久在挪威又建立了另一家日产量 2 0 0 m 3 的石膏刨花板厂f 6 】。目前由比松f b i s o n ) 公司提供成套设备的石膏刨花板生产线已遍 及世界各地。我国的山东、山西等省已引进b i s o n 公司的石膏刨花板成套生产设备。 我国从1 9 8 6 年起由中国林科院木材所，江西建筑人造板研究所等先后在实验室研制 成功石膏刨花板，砌筑了实验性建筑，进行了建筑功能测定，获得了良好的建筑功能测定 数据【”。此后，国内外许多专家学者对它的研究还集中在原材料对板材性能的影响、板材 的生产工艺参数如木膏比、水膏比对板材性能的影响等方面，同时对添加剂对板材性能的 影响以及石膏刨花板的经济效益也进行了初步研究1 8 。】。 经济迅速发展，需要大量的建筑材料。但人口众多，人均可耕地面积小，不可能大量 毁田烧砖。目前，我国墙体材料的产值约占全国建材总产值的三分之一，而其能耗却占建 材总能耗的一半以上，毁田7 - 8 万亩。墙体材料总量达5 0 0 0 亿块标准砖，其中实心粘土 砖约占9 5 t 2 l 】。国家发展和改革委员会、国土资源部、建设部、农业部近日联合下发通 知，要求进一步做好禁止使用实心粘土砖工作。通知要求，已经完成禁止使用实心粘土砖 工作目标的城市，要巩固成果，并由禁止使用实心粘土砖向限制和禁止用粘土多孔砖、空 心砖等其他粘土制品拓展；尚未完成这一目标的城市，要采取有效措施。其他大中城市， 尤其是耕地面积稀缺地区和经济发达地区的城镇，要全面启动禁止使用实心粘土砖工作 田】。而我国又是森林资源贫乏的国家，也不可能供应大量的木材作为建筑用材。而石膏 刨花板是不释放甲醛的板材，属于难燃级建筑材料。因此，在国外的高层建筑和防火要求 较高的建筑领域对石膏刨花板特别感兴越脚j 。 1 3 研究的目的和意义 世界森林资源日益匮乏，尤其是工业用材林因长期过度消耗已趋于枯竭。同时，幼龄 材比重增大，大径级林木蓄积量大幅减少。目前，国内木材需求量已经达到3 3 1 3 亿m 3 a ， 按照国家“十五”期间下达的森林采伐限额，每年只能提供1 5 亿m 3 ，国内木材市场的缺口 达到1 5 1 8 亿m 3 a ，2 0 0 5 年木材需求达到3 6 亿m 3 ，木材供应缺1 2 1 达到2 1 亿m 3 ，2 0 1 5 年木材需求达到4 2 亿m 3 ，缺口达到2 9 亿m 3 ，当前解决此问题依靠大量进口木材。因 此，节约、有效、合理地利用木材资源，发展木质复合材料，特别是非单板型人造板就成 为目前木材科技工作者要解决的重要问题之一，这也是环境保护的一项重要措施【2 4 】。而 石膏刨花板具有较好的物理力学性能，生产工艺成熟，并且我国石膏资源十分丰富，再利 用少量的木材采伐剩余物生产石膏刨花板是解决我国轻质建筑材料的有效途径之一1 2 ”。 据统计，我国石膏资源总量已达到6 0 0 亿t 以上。在水泥、石膏、石灰3 大无机胶凝 材料中。以石膏的制造能耗为最低，约为石灰的1 ，3 ，水泥的1 “。国外工业发达国家， 如美、日等国用于建筑业的石膏约占总产量的8 0 。而我国开采的石膏，其总产量的8 0 以上用于水泥工业作水泥调凝剂。1 5 用于农业、医用与化工等，用于建筑业的仅占5 【2 6 】。 我国已投产的各种石膏板年产量约为4 0 0 0 5 0 0 0 万m 2 。我国石膏板人均占有量仅为o 0 3 m 2 左右与西方发达国家相差4 0 0 8 0 0 倍【2 ”。开发利用我国丰富的石膏资源，有利于建筑业的 可持续发展。 为了进一步促进石膏刨花板作为环保型新型建筑材料在我国的广泛推广和应用，提高 产品质量的稳定性，改善其物理力学性能，迫切需要对石膏刨花板的生产工艺进行探讨。 将半干法生产工艺制造的石膏刨花板与几种用途相近的板材作一比较，石膏刨花板有 许多显著的优点； 与合成树脂胶刨花板相比：由于在石膏刨花板生产中，刨花是水的载体，刨花不需 要干燥。制板采用常温，因此可节约大量的能源。石膏价格比合成树脂胶低廉，因此生 产成本低。无游离甲醛释放公害，无污水，也不构成有害的排泄物。尺寸稳定性和阻 燃性能好，比合成树脂刨花板更容易砂光和锯截。 与水泥刨花板相比：石膏的凝固速度比水泥快，甚至可以形成连续性生产，生产效 率高，成本低。不同的树种对石膏刨花板凝固的干扰比对水泥刨花板小，而且可用添加 剂加以调整和控制，不必进行刨花预处理，因此原料来源广泛，此外，非木质原料棉秆等 2 也可用于石膏刨花板的生产。板的尺寸稳定性好。 与纸面石膏板相比：石膏不需要形成浆料，用水量大大降低，使干燥过剩水分的能 源至少降低5 0 。混合物的可分散性使得石膏刨花板在其横截面上可以任意调整其结 构和密度分布，从而可以系统地控制板材的性能。静曲强度和冲击强度有了很大的提高， 静曲强度比纸面石膏板高3 倍。改善了石膏板在安装和运输过程中的易碎性。改善了板 材的加工性能，可锯、铣、开槽、打孔、拧螺钉、安装联结方便。板面内各向同性。 与石膏纤维板相比：用水量小，能量消耗低。在石膏纤维板生产中大量喷水使得板 材的剖面密度不对称，容易翘曲；而石膏刨花板则可任意改变其密度分布及其结构，从而 可以系统地控制其性能。石膏刨花板的成本比石膏纤维板的成本低3 0 左右，板材的 表面质量高口8 1 。 由于石膏刨花板具有这些优点，凡是纸面石膏板、石膏纤维板使用的地方，都可以使 用石膏刨花板，并且能部分代替树脂胶木质刨花板。石膏刨花板在我国已进入了可接受的 发展时期，通过对生产工艺和性能及应用技术不断的深化和完善，其发展前景将更加广阔 1 2 9 - 3 1 1 。 1 4 研究的主要内容和方法 本课题是国家自然科学基金“石膏与木质材料的界面物理化学性质及固化机理研究” 和南京林业大学人才基金“环保型建筑石膏刨花板”的研究内容之一。本课题拟以石膏刨 花板为研究对象，通过在加压条件下温度的改变寻求提高石膏刨花板性能的最佳工艺方 法。为石膏刨花板生产提供新的工艺。 在过去的研究中发现石膏水化时的放热量对板的性能有所影响，为了进一步探讨石膏 在水化过程中的放热量与石膏刨花板性能的关系，本研究在石膏刨花板加压时采用不同的 加热温度，探讨加压时的温度与石膏刨花板性能之间的关系。为了求得更深入的了解，本 研究对原材料采用添加纳米材料、添加偶联剂和改变密度的方式进行了处理，然后在不同 温度条件下压制出石膏刨花板，通过观察成板后石膏的结晶形态，以及是否有新物质产生 来分析所采用的方法对石膏刨花板物理力学性能的影响。 本研究所采用的主要方法有：差示扫描量热法、傅立叶红外分析法、热重分析法、x 射线衍射法、扫描电子显微镜法和材料的主要性能测试等。具体情况如下： ( 1 ) 差示扫描量热法( d i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t r y ) 简称d s c ，它是在程序温度控制 下测量物质与参比物之间单位时间的能量差( 功率差) 随温度或时间变化的一种技术1 3 ”。 通过常温下d s c 分析探求石膏在添加缓凝剂情况下的放热情况； ( 2 ) 傅立叶红外分析法( f o u r i e r - t r a n s f o r mi n f r a r e ds p e c t r o p h o t o m e t r y ) ：是由于分子内 振动、转动能级发生跃迁而产生的。通过对成板后石膏的红外分析，寻求其在加温情况下 的分子运动变化，探求其对石膏刨花板强度的影响； ( 3 ) 热重法( t h e r m og r a v i m e t r i ca n a l y z e r ) ：是在程序控制温度下，测量物质质量与温 3 度关系的一种技术【3 3 】。通过对常温和加热石膏刨花板的热重分析，寻求其初始的分解温 度以及热重曲线的微分曲线，研究石膏刨花板的热稳定性是否发生变化； ( 4 ) x 射线衍射分析( x - r a yd i f f i a c t o m e t e r ) ：研究石膏刨花板中所含的物质成分； ( 5 ) 扫描电子显微镜( s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ) ：观察石膏结晶形态的变化，从而 找出其对石膏刨花板强度的影响； ( 6 ) 材料性能测试：测试改变温度，添加纳米材料等制成的石膏刨花板的各项主要的 物理力学性能。 通过以上几种分析方法，探讨温度改变对石膏刨花板性能的影响。找出生产石膏刨花 板的最佳温度条件。 1 5 研究的创新点 利用加热法生产石膏刨花板是目前国内外研究领域还未涉及到的前沿研究。本研究是 采用加热的方法，促进石膏放热反应达到提高石膏水化强度的目的。 本研究的结果可以为今后研制适合石膏刨花板生产的温度条件提供依据：通过对提高 石膏与木材界面胶合性能的研究和资源合理利用，达到生产高强度，低密度环保型建筑石 膏刨花板的目的。 4 2 原料 主要从组成石膏刨花板的基本原料：石膏和马尾松刨花入手，阐述石膏、马尾松刨花 以及所采用纳米材料的一些基本性质。 2 1 石膏 用于制造石膏刨花板的石膏可采用天然石膏或化学石膏。天然石膏也称生石膏，它来 自自然界的石膏石。生石膏经煅烧制成熟石膏。化学石膏的形式很多，如：磷石膏、脱硫 石膏，但在工业国应用量不断增长的是以磷石膏形式出现的化学石膏，磷石膏是生产磷铵、 磷肥、磷酸、磷酸二铵时的副产品，或者说是生产这些原料过程中排放的废料，经焙烧制 成石膏粉。 另外还有一类废石膏是天然二水石膏经加工使用后又废弃的石膏，如废模具石膏，这 些废石膏经过适当方法处理后，可以代替天然石膏使用。 2 1 1 生石膏 天然石膏俗称生石膏，通常是含有两个结晶水的硫酸钙( c a s 0 4 2 h 2 0 ) 为主要成分的矿 石，因此又称二水石膏。也有以无水硫酸钙( c a s 0 4 ) 为主要所组成的矿石即硬石膏。 c a s 0 4 2 h 2 0 其理论化学成分为c a o 一3 2 5 ；s 0 3 4 6 5 1 ；h 2 0 2 0 9 3 。生石膏多与石灰 岩及页岩等合在一起，呈叶片状，细粒状或纤维状等。白色或无色，有玻璃光泽，有时因 含氧化铁等杂质而呈红、黄、灰、黑、褐、青等色。质软可用指甲划痕。硬度为1 2 - 2 ， 比重约为2 3 2 。在水中溶解度小，而在酸和某些盐类中溶解度大。我国石膏矿藏丰富，诸 如云南、湖南、湖北、四川、甘肃、宁夏、山西、广东、广西、东北等处，均为我国石膏 的主要产地。 2 1 2 熟石膏 生石膏加热时，由于加热温度的不同，可以得出不同性质的产品，当加热温度为 1 0 7 1 7 0 时，二水石膏分解为半水石膏；当加热温度为1 7 0 2 0 0 时石膏继续脱水，成为 可溶性硬石膏与水调和后仍能很快凝结硬化；当加热温度升高到2 0 0 2 5 0 时石膏中残留 很少的水，凝结硬化非常缓慢：当加热温度高于4 0 0 ，石膏完全失去水分，成为不溶性 硬石膏，失去凝结硬化能力，成为死烧石膏；当温度高于8 0 0 时，部分石膏分解出氧化 钙能起催化作用，所得产品又重新具有凝结硬化性能。 建筑石膏：系以生石膏在1 5 0 1 7 0 c 下煅烧至完全变为半水石膏而成，这种石膏与水 调和后，凝固很快，并在空气中硬化。 建筑石膏加水拌和，很快由半水石膏变成二水石膏： c a s 0 4 i 2 1 2 0 + 3 ，2 h 2 0 - - - - c a s 0 4 2 h 2 0 半水石膏加水后首先进行的是溶解。由于二水石膏的溶解度比半水石膏的溶解度小， 所以二水石膏不断从过饱和溶液中沉淀而析出胶体微粒；二水石膏析出。破坏了原有半水 石膏的平衡浓度，这时半水石膏会进一步溶解来补充溶液浓度。如此不断进行半水石膏的 溶解和二水石膏的析出，使二水石膏胶体微粒逐步转变为晶体，随着胶体凝聚，石膏失去 塑性，开始凝结；以后水分蒸发，晶体继续增多，彼此紧密结合，使硬化后的石膏变成具 有强度的人造石。 溶解、水化、生成胶体，析出晶体，这些作用相互交错，同时进行，形成了石膏的凝 结和硬化。 熟石膏中结晶水的含量会影响石膏的成分，当结晶水含量 6 时，过多的二水石膏使之不能用于石膏刨花板的生产因 此用于石膏刨花板的熟石膏粉的成分应为： 半水石膏含量三7 0 ； 二水石膏含量 l ； 结晶水含量5 - 6 ； p h 值6 8 ； 无水相石膏i l i1 0 ； 无水相石膏i ig ： 石膏粉的细度0 2 m m 5 1 2 【2 趴。 2 2 马尾松 2 2 1 通性 边材黄褐或浅红褐；与心材区别明显，界限分明。心材红褐色。木材有光泽；松脂气 味浓厚：触之有油性感；无特殊滋味：纹理直或斜；结构粗，不均匀；轻或轻至中：通常 质软；干缩中；强度弱至中；性耐腐或稍耐腐，防腐处理容易：不抗蚁蛀。生长轮明显。 2 2 2 微观构造 管胞最大弦径7 0 微米或以上，平均4 0 - 5 0 微米：索状管胞可见；径列条见于赤松径 壁上。早材管胞平均长2 2 1 0 微米至5 5 7 0 微米：径壁具缘纹孔1 - 2 列，圆形及少数卵圆形， 直径2 0 2 6 微米；纹孔口圆形及卵圆形；眉条长：交叉场纹孔为窗格状【3 4 】。 2 3 纳米材料简介 纳米材料指的是三维空间尺寸至少要一维处于纳米量级的材料，包括纳米微粒( 零维 材料) 、直径为纳米量级的纤维( 一维材料) 、厚度为纳米量级的薄膜与层膜( 二维材料) 、以 及基于上述低维材料所构成的致密或非致密的固体。这些尺度介于i - l o o n m 且所含原子 或分子数为1 0 2 1 0 5 之间的材料，是宏观物质与微观原子或分子间的过渡亚稳态物质口5 1 。 6 2 3 1 纳米材料的性质 由于纳米材料晶粒极小，表面积特大，在晶粒表面无序排列的原子分数远远大于晶态 材料表面原子所占的百分数，导致了纳米材料具有传统固体所不具备的许多特殊基本性 质，如体积效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应和介电限域效应等，从而 使纳米材料具有微波吸收性能、高表面活性、强氧化性、超顺磁性及吸收光谱表现明显的 蓝移或红移现象等。除上述的基本特性，纳米材料还具有特殊的光学性质、催化性质、光 催化性质、光电化学性质、化学反应性质、化学反应动力学性质和特殊的物理机械性质【3 6 1 。 2 3 2 纳米材料二氧化硅的性质 纳米二氧化硅具有小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应及 高磁阻、非线性电阻等光、电特性在高温下仍具有高强、高韧、稳定等特性：因而作为添 加剂，在氧化锌避雷器、氧化锌压敏电阻器、橡胶、粘结剂、抗紫外辐照透明材料、塑料 等方面得到广泛应用【3 7 1 。 3 温度对石膏刨花板性能影响的研究 3 1 研究概述 半干法生产石膏刨花板一直采用冷压法( 常温条件) 制造工艺。但在过去的研究中发 现石膏水化时的放热温度和放热量对板性能有所影响，为了进一步证实石膏在水化过程中 温度对板性能的影响，本次试验使用加热方法来研制石膏刨花板并对其性能进行测试1 8 】。 3 2 试验材料及方法步骤 3 2 1 试验材料 ( 1 ) 建筑石膏：购自湖北光大石膏制品有限公司( g b 9 7 7 6 - - 8 8 ) ，其主要化学成分见 表3 1 ( 2 ) 刨花：选用马尾松 ( 3 ) 缓凝剂：柠檬酸( 化学纯) ( 4 ) 水：采用自来水 表3 1 建筑石膏的主要化学成分( 单位：) 3 2 2 试验方法 试验所压板坯尺寸为3 0 c m x 3 0 c m x l 0 c m ：板的名义密度为1 2g c m 3 ；木膏比取0 3 ； 水膏比取0 4 ：缓凝剂添加量为0 0 5 ( 石膏用量为基准1 。 将石膏、刨花等所需要的原料按公式计算称量好；先将含有缓凝剂的水和刨花搅拌均 匀，再混合石膏搅拌，然后将搅拌好的混合物用手工铺装成板坯；将垫板和板坯一起放入 压机，压力为3 o m p a ；改变加热温度和时间进行压板( 当温度升高到所设定的温度时，关 闭加热装置) ：将压好的石膏刨花板放入干燥箱中干燥2 4 h ，干燥箱温度为4 5 ；将干燥 好的石膏刨花板取出，放在室温条件下养生一个星期：然后根据l y 仃1 5 8 9 8 - - 2 0 0 2 标准 8 将板制成符合标准规定要求的试件，试件在万能力学试验机上测定其静曲强度、弹性模量 和内结合强度；吸水厚度膨胀率和吸水率的试件在2 0 c 水中浸泡2 4 h ，测定其值，记录数 据并对数据进行统计分析。 n 1 石膏用量的计算 根据石膏刨花板的密度来确定石膏的用量。计算公式如下： g = d v f i ( 1 + x 0 + o 1 8 6 ) 式中：g 石膏需要量( g ) ； a 在温度为2 0 c ，相对湿度为6 5 时木刨花的平衡含水率，取1 3 ： 0 1 8 6 1 9 石膏在水化时需要的结晶水为o 1 8 6 9 ： d 一板的密度( g c m 3 ) ； v _ 一板的体积； 6 一损失系数取1 1 ： x 木膏比； 代入公式，得石膏需要量： g = 7 8 0 9 ( 2 ) 木刨花需要量的计算 木刨花需要量的计算公式如下： p = g x ( 1 + m ) 式中：p 木刨花需要量： m 一木刨花称量时的含水率； 因为在试验中，所用木刨花为马尾松，含有芯层和表层，配比关系为表层刨花占4 0 ， 芯层刨花占6 0 ，试验前分别测定其含水率得出木刨花需要量； ( 3 ) 用水量的计算 用水量的计算公式如下： w = g x ( c o x m ) 式中：w 一用水量( g ) ； g 石膏用量( 曲； 廿一水膏比； m 一刨花称量时的含水率( ) ； 代入数据，得用水量。 ( 4 ) 缓凝剂的用量计算 缓凝剂用量的计算公如下： s = g x z 式中：s 缓凝剂用量( 曲； g _ 一石膏用量( 曲； 不缓凝剂添加的比例( ) 。 代入公式，得缓凝剂用量。 9 3 2 3 试验步骤 本试验步骤分为： ( 1 ) 在压板之前采用热电偶测定石膏在添加o 0 5 和没有添加缓凝剂，有刨花和没有刨 花时石膏的放热温度和放热时间，以此来确定石膏刨花板加压时的温度、时间。 ( 2 ) 压板试验：根据所述试验方法压制石膏刨花板，并根据标准测定其性能。 ( 3 ) 采用热电偶、差示扫描量热法分析石膏的放热温度与板材性能的关系。 采用x 射线衍射仪、热重分析仪、傅立叶红外光谱仪和扫描电子显微镜等现代仪器 分析石膏刨花板性能增强的原因。 3 3 试验仪器及设备 电子万能试验机，型号：8 1 0 4 ，深圳市新三思材料检测有限公司： 亚东平板硫化机，型号：x l b ，中国青岛亚东橡机有限公司青岛第三橡胶机械厂； 电热恒温鼓风干燥箱，型号：g z x 9 2 4 0 m b e ，上海博讯实业有限公司医疗设备厂 电子天平，型号：b s 4 2 3 s ，北京赛多利斯仪器系统有限公司； 数显调节仪，余姚金电仪表有限公司： 数显恒温水浴锅h h - 4 ，国华电器有限公司； 差示扫描量热仪，n e t a s c hd s c2 0 0 ； d x - 2 0 0 0 型x 射线衍射仪，丹东方圆仪器有限公司制造； 傅立叶红外光谱仪，t h e r m on i c o l e ta v a t a r3 6 0 ； 扫描电子显微镜，p h i l i p ss e m5 0 5 ； 3 4 试验结果及分析 3 4 1 缓凝剂、刨花对石膏放热温度的影响 为了研究温度对石膏刨花板性能的影响，本试验先测定石膏在不同条件下的放热温 度。所得结果如图3 1 所示： 1 0 02 0 4 0 6 0 8 01 0 0 1 2 01 4 01 6 01 8 02 0 02 2 02 4 0 放热时间( r r m ) 图3 1 不同条件对石膏放热温度的影响 图中0 ：未添加缓凝剂； 1 ：石膏； o 0 5 添加0 0 5 缓凝剂； 2 ：石膏中加刨花。 从图3 1 中可以看出，石膏在常温下未加缓凝剂时，其水化时的最高放热温度为5 0 。 当在石膏中加入缓凝剂后，其水化时的最高放热温度降为4 0 c 。 亦可看出当在石膏中加入刨花后，其水化时的最高放热温度由未加刨花时的5 0 下 降为4 3 。 当在石膏中加入刨花和缓凝剂时，石膏水化时的最高放热温度由未添加两者时的 5 0 降为3 6 。 因此，加入缓凝剂和刨花均会使得石膏水化过程中的最高放热温度下降，考虑温度对 石膏水化强度的影响，尝试采用加热法弥补热量散失以提高石膏刨花板的性能。 3 4 2 热压法石膏刨花板的研制 板坯的试验条件： 加压温度分别为室温、3 0 、4 0 c 、5 0 。c 、6 0 。c 、7 0 。c ； 加热时间分别为l h 、2 h 。 3 4 2 1 试验结果分析 加热温度和加压时间对石膏刨花板性能的影响见表3 2 l l 印 卯 如 加 加 0 p。毯蹰恭骚 表3 - 2 加热温度和时间对石膏刨花板性能的影响 度对石膏刨花板内结合强度的影响 从表3 2 中可以看出加热法对石膏刨花板内结合强度( ) 有一定的影响。在常温条件 下，加压两个小时，石膏刨花板的i b 为0 4 3 m p a 。当加热温度为3 0 、4 0 ，加热时间 为两个小时时，石膏刨花板的i b 分别为o 4 6 m p a ，0 4 4 m p a ：加热时间为一个小时条件 下，石膏刨花板的i b 分别为0 4 3 m p a ，0 4 3 m p a 。从以上数据可以看出，在加热条件下( 3 0 c 、 4 0 。c ) 压制的石膏刨花板与常温条件下压制的石膏刨花板相比，其i b 在2 h 时被提高了 6 9 8 、2 3 3 ，在1 h 与常温条件下压制的石膏刨花板性能相近。但加热温度高于4 0 时， 石膏刨花板的i b 有所下降，它随着温度变化有如下趋势，见图3 1 。 9 j 3 9 名 巧 甜 娩 m 孔 射 3 3 7 0 t 2 2 z & 2 2 2 2 2 5 4 0 2 o 0 z 乞 1 土 王 土 5 6 8 8 5 2 2 2 2 2 0 6 l 5 8 3 抛 ! 坌 协 m m 孔 船 配 敛 毋 3 3 8 9 8 2 2； 4 2 4 m j 盘 5 6 5 5 4 4 5 0 7 4 4 i 丘 屯 土 土 m 舶 斛 m 蕊 邵 o 0 o ( o 0 躬 ” 射 m n n n m 温 0 ， 常3 。0 4 5 驻 n ： 2 03 04 05 06 07 0 温度( ) 图3 一l 加热温度与石膏刨花板m 的关系 3 4 2 1 2 温度对石膏刨花板静曲强度和弹性模量的影响 常温条件下，板的静曲强度( m o r ) 、弹性模量( m o e ) 分别为5 4 m p a ，2 0 9 0 m p a 。 当加热2 小时，加热温度3 0 。c 、4 0 。c 时，板的m o r 、m o e 略有所提高，分别为6 2 m p a 、 2 1 0 6 m p a 和5 4 m p a 、1 6 5 1 m p a 。当温度高于4 0 时其值随温度的增加呈下降趋势。当加 热时间为1 小时时，板的m o r 、m o e 与2 小时板的m o r 、m o e 具有相同的变化趋势。 但当温度在6 0 和7 0 0 c 时，板的m o r 、m o e 下降更明显，其值低于常温下的m o r 和 m o e 。如图3 2 与3 3 所示。 ： 奇5 莹4 重； l 0 2 0 3 04 05 06 07 0 温度( ) 图3 2 加热温度与石膏刨花板m o r 的关系 2 5 0 0 2 0 0 0 1 5 0 0 1 0 0 0 5 0 0 0 2 03 04 05 06 07 0 温度( ) 图3 3 加热温度与石膏刨花板m o e 的关系 3 4 2 1 3 温度对石膏刨花板吸水厚度膨胀率和吸水率的影响 加热温度对石膏刨花板的吸水厚度膨胀率( t s ) 和吸水率( w a ) 的影响不明显，不 论在常温还是在加热条件下压制的石膏刨花板的t s 和w a 都没有明显的变化。同样加压 时间对石膏刨花板的t s 和w a 的影响也不明显( 见图3 4 和图3 5 ) 。在不同的温度和加 压时间条件下压制的石膏刨花板的t s 值均满足标准的要求。 2 0 3 04 05 06 0 温度( ) 图3 4 加热温度与石膏刨花板的t s 的关系 5 3 5 2 5 1 5 o 3 2 1 o 一邑b 2 03 04 05 06 07 0 温度( ) 图3 5 加热温度与石膏刨花板的w a 的关系 从3 4 2 1 实验结果的分析中可以看出，加热法对石膏刨花板的性能具有一定的影 响，加热温度在3 0 4 0 时板的性能最好。下面本研究将采用差示扫描量热法( d s c ) 分 析石膏在不同温度条件下的放热温度寻求石膏的放热温度对石膏刨花板强度的影响：采用 x 射线衍射法从定性的角度分析石膏刨花板的物质成分；采用热重分析法( t g ) 观察加 热法对石膏刨花板热稳定性的影响；采用傅立叶红外扫描分析石膏刨花板分子结构的变化 以探求石膏刨花板强度提高的原因；以及采用扫描电镜从石膏的形态方面寻找其对石膏刨 花板强度的影响。 3 4 3 加热温度对石膏刨花板性能影响因素的分析 3 4 3 1 加温条件下石膏的放热温度 试验采用水膏比0 5 5 ，缓凝剂添加量为石膏重量的0 0 5 。将计量的石膏、缓凝剂和 水拌合后放入恒温水浴锅中，设定水浴锅的温度分别为3 0 。c 、4 0 1 2 的时候，观察石膏水 化过程中放热温度的变化，测试结果见图3 - 6 、3 - 7 。 笛加：2 m ；o i【鬟1 4 0 3 5 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 5 0 o81 62 4 3 2 4 04 8 5 6 6 4 7 2 8 0 时间( 分) 图3 6 石膏在3 0 水浴锅中的放热情况 21 01 82 63 44 25 0 时间( r a h a ) 图3 7 石膏在4 0 水浴锅中的放热情况 图3 6 的测试结果表明石膏在3 0 。c 的条件下水化时其放热温度最高达到约4 0 c 。此 后温度开始下降，直到接近水浴的温度。石膏的最高放热温度所对应的时间为2 6 分钟时 石膏的温度开始下降，此时石膏水化完成。图3 7 为石膏在4 0 * ( 2 条件下的放热温度曲线， 从图中可以看出，石膏水化最高放热温度接近5 0 c 。从图3 - 6 和图3 7 中可知，当石膏在 4 0 * ( 2 的条件下水化时其最高放热温度比3 0 条件下高l o 。可认为石膏在4 0 的条件下 水化时最高放热温度提高了1 0 是因为外界环境温度的提高( 水浴温度提高了1 0 ) ，所 以可说明加热温度对石膏本身的放热温度没有影响。 1 6 p 。巡赠 p v 谜赠 3 4 3 2 石膏刨花板加压时石膏的放热温度 4 0 3 5 3 0 2 5 2 0 1 5 l o 5 o 02 04 0 6 08 01 0 01 2 0 时间( m i n ) 图3 8 石膏刨花板在常温加压时的放热温度 0 5 91 31 72 12 73 l3 53 94 34 65 05 45 8 时间 图3 9 石膏刨花板在3 0 c 条件下加压时的放热温 度 图3 8 、3 - 9 为石膏刨花板在常温和热压条件下的石膏的放热温度曲线图由图3 8 可以看出石膏刨花板在常温条件下加压时石膏水化时的最高放热温度约2 7 c ，与常温没 加压时石膏水化的最高放热温度3 6 ( 2 ( 图3 一1 ) 相比下降了约9 。这是因为石膏刨花 1 7 一p 一瑙赠 板在加压时由于板子较薄致使石膏水化所放出的热量传到压板中以及散失到周围空气中， 从而降低了石膏刨花板的温度。 图3 - 9 所示为加热温度3 0 。c 的条件下，石膏刨花板加压