（材料加工工程专业论文）农作物秸秆纤维脱硫石膏复合材料的制备与性能研究.pdf

s t u d yo np r e p a r a t i o na n dp r o p e r t i e so fc r o p s t r a w f i b e r d e s u l f u r i z a t i o ng y p s u m c o m p o s i t em a t e r i a l b y g a oz i d o n g u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f l ig u o z h o n g at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y , 2 0 1 1 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：一函鱼煎 日期：丝：翌皇：三! 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 团公开口保密(年，解密后应遵守此规定) 论文作者签名：丝新签名：孟嘘日期：型加 济南大学硕卜学位论文 目录 摘要v a b s t r a c t v i i 第一章绪论1 1 1 本课题研究背景1 1 2 农作物秸秆的研究与应用现状2 1 3 脱硫石膏的研究与应用现状3 1 4 纤维增强石膏基复合材料的研究与应用现状5 1 5 本课题的提出及可行性分析8 1 5 1 农作物秸秆纤维的性能特点8 1 5 2 脱硫石膏的性能特点9 1 6 研究目的与研究内容1 1 1 6 1 研究目的与意义1 1 1 6 2 研究内容12 1 7 创新点1 3 第二章试验原料、仪器及方法1 4 2 1 试验原料1 4 2 1 1 农作物秸秆1 4 2 1 2 脱硫石膏1 4 2 1 3 纤维表面改性剂1 5 2 1 4 其他掺加材料1 5 2 2 试验仪器16 2 3 试验方案与测试方法1 7 2 3 1 试验方案1 7 2 3 2 基本性能测试方法1 7 第三章农作物秸秆纤维脱硫石膏复合材料制备研究2 1 3 1 农作物秸秆纤维的加工方法2 1 农作物秸秆纤维脱硫，( i 膏复合材科的制备j 件能研究 3 1 1 棉秆纤维的加工方法2l 3 1 2 麦秸纤维的加工方法2 2 3 2 农作物秸秆纤维掺加方式的确定2 3 3 3 农作物秸秆纤维尺寸和掺量的确定2 5 3 3 1 纤维尺寸和掺量对复合材料力学性能的影响2 5 3 3 2 纤维掺量对复合材料耐水性能的影响2 9 3 4 本章小结3 1 第四章复合材料的纤维表面改性研究3 2 4 1 农作物秸秆纤维的表面改性方法3 2 4 1 1 碱处理法3 2 4 1 2 物理包覆法3 2 4 1 3 化学包覆法3 3 4 2 农作物秸秆纤维表面改性对复合材料性能的影响3 3 4 2 1 试验结果和分析3 3 4 2 2 微观分析与机理探讨。3 4 4 3 本章小结3 8 第五章复合材料的基体改性研究4 0 5 1 掺加材料选用原则分析4 0 5 2 萘系减水剂对复合材料性能的影响4 0 5 2 1 减水剂试验设计与结果4 0 5 2 2 减水剂对标准稠度用水量的影响4 1 5 2 3 减水剂对力学性能的影响4 2 5 2 4 减水剂对耐水性能的影响4 2 5 2 5 作用机理分析4 3 5 3 可再分散乳胶粉对复合材料性能的影响4 4 5 3 1 试验设计与结果4 4 5 3 2 可再分散乳胶粉对力学性能的影响4 4 5 3 3 可再分散乳胶粉对耐水性能的影响4 5 5 3 5 孔分析4 6 5 4 水硬性掺合料对复合材料性能的影响4 7 5 4 1 试验设计与结果4 7 5 4 2 水硬性外掺料对复合材料力学性能的影响4 7 5 4 3 水硬性外掺料对复合材料耐水性能的影响4 8 5 4 4 微观形貌分析4 9 5 5 本章小结5 0 第六章农作物秸秆纤维脱硫石膏复合材料增强机理研究5 2 6 1 农作物秸秆纤维的增强机理分析5 2 6 1 1 复合材料受力分析5 2 6 1 2 农作物秸秆纤维的影响因素分析5 3 6 2 本章小结5 4 第七章结论k 5 5 7 1 结论_ 一5 5 7 2 今后工作建议5 7 参考文献5 8 致 射6 2 附勇专6 3 i i i 济南人学硕l ：学位论文 摘要 目前，国内工业副产物脱硫石膏和农业副产物农作物秸秆的排放量仍逐年 增大，但是两者的综合利用率却很低，脱硫石膏多以堆场堆弃的方式，农作物 秸秆多以露天焚烧的方式进行简单处理，既占用大量土地，又造成环境污染。 脱硫石膏可经低温煅烧形成具有胶凝性的脱硫建筑石膏，农作物秸秆也可经处 理得到具有增强效果的纤维。因此，本课题针对当前农作物秸秆和脱硫石膏利 用率低的现状，制备了一种农作物秸秆纤维脱硫石膏复合材料，并对复合材料 的性能进行深入研究，旨在将其应用于新型墙材领域，实现工农业副产物的建 材资源化利用。 本文主要研究内容包括：对农作物秸秆进行预处理，初步确定纤维制备工 艺，制得农作物秸秆纤维；研究了不同掺加方式对农作物秸秆纤维在复合材料 中分散性及其对复合材料力学性能的影响；研究了农作物秸秆纤维尺寸、掺量 和种类等因素对复合材料力学性能和耐水性能的影响效果；对农作物秸秆纤维 进行表面改性处理，研究了不同改性方案下，农作物秸秆纤维对复合材料性能 的影响，探讨了改性机理：利用不同掺加材料，对复合材料的基体进行改性， 分析了掺加材料的作用机理；分析探讨了农作物秸秆纤维对复合材料的的增强 机理。 试验研究表明，采用后掺法的纤维掺加方式，即将脱硫建筑石膏先与水混 合搅拌制成料浆后，再向其中掺入农作物秸秆纤维继续混合搅拌，纤维在基体 中的分散性较好；当棉秆纤维长度在5 - 8 r a m 、掺量为5 时，或是当麦秸纤维 长度在4 - 。8 m m 、宽度在o 7 l m m 、掺量为3 时，对应复合材料试样的力学性 能有一定程度的提高。 农作物秸秆纤维表面光滑、自身易吸水，掺入复合材料试样中与基体的界 面结合较弱，试样力学性能仍不能充分发挥，并对吸水率和软化系数都有不利 影响，因此需要对纤维进行表面改性处理。农作物秸秆纤维分别经碱处理、碱 处理+ 物理包覆、碱处理+ 化学包覆等方案改性处理后，纤维表面粗糙度明显提 高，纤维与基体之间的界面结合更为紧密，试样力学性能和耐水性能都有不同 程度的提高。 v 农作物秸秆纤维脱硫石膏复合材料的制备与性能研究 脱硫石膏基体材料存在强度低、易吸水、浸水后强度损失大等问题，通过 分别掺加萘系减水剂、可再分散乳胶粉和水硬性掺合料，研究各掺加材料对复 合材料基体的改性效果。试验研究表明，萘系减水剂的较优掺量范围在 0 7 0 9 ，可再分散乳胶粉的较优掺量为3 ，粉煤灰较优组分配比为2 0 。 分析探讨了农作物秸秆纤维的增强机理，农作物秸秆纤维在复合材料中可 提高试样抗折、抗压强度，其增强效果取决于纤维的分散性、掺量、尺寸、种 类及在基体中的取向等因素。一般情况下，纤维分散性越好，纤维尺寸越小， 纤维的弹性越好，对复合材料的增强效果越好；纤维掺量增大可提高强度，但 是掺量过大，纤维分散性降低，纤维间易缠结造成局部应力集中，反而使强度 降低。 关键词：农作物秸秆纤维；脱硫石膏；表面改性；基体改性 v i 济南大学硕f j 学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h ed o m e s t i cd i s c h a r g ea m o u n to fd e s u l f u r i z a t i o ng y p s u ma n dc r o p s t r a w si n c r e a s e sy e a rb yy e a r ，b u tt h e i rc o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o nr a t i oi ss t i l ll o w m o s to fd e s u l f u r i z a t i o ng y p s u mi ss t a c k e di ns t o r i n gy a r d ，a n dam a s so f c r o ps t r a w s i sd e a l e ds a m p l yw i t ho p e nb u r n i n g t h es a m p l ed i s p o s a lc a u s e st h eo c c u p a n c yo f m a s s i v el a n dr e s o u r c e sa n dt h ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n d e s u l f u r i z a t i o ng y p s u mc a n b ec a l c i n e di n t oc a l c i n e d g y p s u mf r o m f l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o n ( f g d ) w h i c h p o s s e s s e sg e l a t i o np r o p e r t y c r o p s t r a w sa l s oc a nb em a d ei n t of i b e r sw h i c h p o s s e s s e sr e i n f o r c i n ge f f e c t a i m i n ga tt h ec u r r e n ts i t u a t i o no fl o wu t i l i z a t i o nr a t i oo f d e s u l f u r i z a t i o ng y p s u ma n dc r o ps t r a w s ，t h ec r o ps t r a wf i b e r d e s u l f u r i z a t i o ng y p s u m c o m p o s i t em a t e r i a li sp r e p a r e d ，a n di t sp r o p e r t i e sa r es t u d i e dd e e p l yi nt h i si s s u e w e h o p et h a tt h i sc o m p o s i t em a t e r i a lw i l lb ea p p l i e dt ot h ef i e l do fn o v e lw a l lm a t e r i a l s t or e a l i z et h er e s o u r c e - o r i e n t e du t i l i z a t i o no fa g r i c u l t u r a la n di n d u s t r i a lb y - p r o d u c t s t h i si s s u em a i n l yi n c l u d e sf o l l o w i n gs e v e r a lr e s e a r c hc o n t e n t s ：( 1 ) c r o ps t r a w s a r ep r e t r e a t e dt o c r o p s t r a wf i b e r s ，a n dt h ef i b e r s p r e t r e a t m e n tt e c h n o l o g yi s c o n f i r m e dp r e l i m i n a r i l y ( 2 ) t h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tf i b e r s a d d i n gp r o c e s s e so n f i b e r s d i s p e r s i b i l i t ya n dc o m p o s i t em a t e r i a l s m e c h a n i c a lp r o p e r t i e si ss t u d i e d ( 3 ) t h ee f f e c to ff i b e r s s i z e , d o s a g ea n dt y p eo nc o m p o s i t em a t e r i a l s m e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa n dw a t e r p r o o fp r o p e r t i e si si n v e s t i g a t e d ( 4 ) s u r f a c e so fc r o ps t r a wf i b e r s a r em o d i f i e db yd i f f e r e n tm o d i f i c a t i o np r o j e c t s ，a n dt h em o d i f i c a t i o ne f f e c ta n d m o d i f i c a t i o nm e c h a n i s ma l ed i s c u s s e d ( 5 ) t h ec o m p o s i t em a t e r i a l s m a t r i xi s m o d i f i e dw i t hd i f f e r e n ta d m i x t u r e s ，a n dt h e i rm e c h a n i s mi sa n a l i z e d ( 6 ) t h e r e i n f o r c e m e n tm e c h a n i s mo fc r o ps t r a wf i b e r so nt h ec o m p o s i t em a t e r i a li s d i s c u s s e d c r o ps 1 茁a wf i b e r s d i s p e r s i b i l i t yi sb e t t e r , i ft h ef o l l o w i n ga d d i n gp r o c e s si su s e d ： f i r s t l y , c a l c i n e dg y p s t l l nf r o mf g d m i x e sw i t hw a t e rt om a k es l u r r y ；s e c o n d l y , p u t c r o ps t r a wf i b e r si n t o t h es l u r r ya n ds t i rt h em i x t u r e t h ee x p e r i m e n t a ls t u d y i n d i c a t e st h a ts p e c i m e n s m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sc a ni n c r e a s eb ya d d i n gc o t t o ns t r a w v i i 农作物秸秆纤维脱硫石膏复合材料的制各0 件能研究 f i b e r sw h o s el e n g t hi s5 - 8 m ma n dd o s a g ei s5 ，o ra d d i n gw h e a ts t r a wf i b e r sw h o s e l e n g t hi s4 8 m m ，w i d t hi s0 7 l m ma n dd o s a g ei s3 c r o ps t r a wf i b e r ss u r f a c ei ss m a r ta n di ta b s o r b sw a t e re a s i l y , s ot h ei n t e r f a c e b o n d i n gb e t w e e nc r o ps t r a wf i b e r sa n dd e s u l f u r i z a t i o ng y p s u l t li sw e a k c r o ps t r a w f i b e r s s u r f a c e ss h o u l db em o d i f i e dt oi m p r o v es p e c i m e n s s t r e n 酉h ，w a t e ra b s o r p t i o n a n ds o f t e n i n g c o e f f i c i e n c y c r o ps t r a wf i b e r sa r em o d i f i e dr e s p e c t i v e l yb ya l k a l i t r e a t m e n t ，a l k a l it r e a t m e n t & p h y s i c a lc o a t i n ga n da l k a l it r e a t m e n t & c h e m i c a l c o a t i n g a f t e rm o d i f i c a t i o n ，t h er o u g h h e s so ff i b e r s s u r f a c e si n c r e a s em a r k e d l y , a n d t h ei n t e r f a c eb o n d i n gb e c o m ec o m p a c t d e s u l f u r i z a t i o ng y p s u ma st h em a t r i xm a t e r i a l sh a ss o m ed i s a d v a n t a g e s ，s u c h a sl o ws t r e n g t h ，h i g hw a t e ra b s o r p t i o na n dp o o rs o f t e n i n gc o e f f i c i e n c y b ya d d i n g n a p h t h a l e n es u p e r p l a s t i c i z e r , r e d i s p e r s i b l el a t e xp o w d e ra n dh y d r a u l i ca d m i x t u r e r e s p e c t i v e l y , t h em o d i f i c a t i o ne f f e c to f d i f f e r e n ta d m i x t u r e so ns p e c i m e n s p r o p e r t i e s i ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eb e t t e rd o s a g eo fn a p h t h a l e n es u p e r p l a s t i c i z e ri s 0 7 o 9 ，w h i l et h a to fr e - d i s p e r s i b l el a t e xp o w d e ri s3 ，a n dt h a tt h e b e t t e r c o m p o n e n tp r o p o r t i o no ff l y a s hi s2 0 t h er e i n f o r c e m e n tm e c h a n i s mo fc r o ps t r a wf i b e r so nt h ec o m p o s i t em a t e r i a li s d i s c u s s e d i ns p e c i m e n s ，c r o ps t r a wf i b e r sc a nr e i n f o r c et h ef l e x u r a ls t r e n g t ha n dt h e c o m p r e s s i v es t r e n g t h t h er e i n f o r c e m e n te f f e c to fc r o ps t r a wf i b e r sd e p e n d so n s e v e r a lf a c t o r s ，s u c ha sf i b e r s d i s p e r s i b i l i t y , d o s a g e ，s i z e ，t y p ea n dd i r e c t i o n n o r m a l l y , b e t t e rf i b e r s d i s p e r s i b i l i t y , s m a l l e rf i b e r s s i z ea n db e t t e rf i b e r s e l a s t i c i t y c a nm a k eb e t t e rr e i n f o r c e m e n te f f e c t s p e c i m e n s s t r e n g t hc a ni n c r e a s eb ya d d i n g m o r ec r o ps t r a wf i b e r s ，b u to v e r m u c hc r o ps t r a wf i b e r sc a nc a u s et h ef i b e r e n t a n g l e m e n ta n dl o c a l s t r e s sc o n c e n t r a t i o nw h i c hm a k es p e c i m e n s s t r e n g t h d e c r e a s e k e yw o r d s ：c r o ps t r a wf i b e r s ；d e s u l f u r i z a t i o ng y p s u m ；s u r f a c em o d i f i c a t i o n ； m a t r i xm o d i f i c a t i o n v i i i 济南大学硕十学位论文 1 1 本课题研究背景 第一章绪论 中国墙体材料的革新工作已进行多年，但传统的实心粘土砖在整个墙体材 料的比例中仍占6 0 - - 7 0 。实心粘土砖的生产不仅消耗了大量的煤炭资源，而且 毁坏耕地良田的现象十分严重，并造成环境污染。生产实心粘土砖的弊病已引 起社会各界的广泛关注，因此，必须研制出新型的节能环保墙体材料以满足社 会的迫切需要，这也是当前国家提倡的建设资源节约型社会的要求【l 】。石膏胶 凝材料是与水泥、石灰并称的三大胶凝材料之一。石膏属气硬性胶凝材料，具 有成型工艺简单、材料生产能耗低、原材料来源广泛等优点。与水泥的生产过 程相比，二水石膏在1 0 0 - - - 2 0 0 0 c 的低温煅烧条件下即可转化为具有胶凝性的建 筑石膏，节能、环保效果显著；石膏建筑材料重量轻、防火、并具有一定的隔 声、保温和呼吸功能，能够调节室内湿度，是公认的新型绿色墙体材料【2 】。当 然，石膏也存在自身强度较低的问题，一般石膏制品都需要纤维增强来满足力 学性能的要求。此外，随着石膏墙体材料的蓬勃发展，天然石膏的开采量也逐 年飙升，尽管中国天然石膏矿藏十分丰富，但是作为一种不可再生资源，随着 利用率的不断增加，天然石膏矿藏始终有一天会消耗殆尽【3 】。 农作物秸秆是籽实收获后纤维成分含量很高的农业副产物，包括棉秆、玉 米秸秆、豆秸、麦秸、谷秸等。据联合国环境规划署( u n e p ) 报道，世界上种 植的各种农作物，每年可提供农作物秸秆1 7 x1 0 8 吨，其中被利用的秸秆不足 2 。我国是一个农业大国，农作物秸秆资源非常丰富，每年产量达数亿吨。据 农业部专家预测，到2 0 1 0 年我国的农作物秸秆总产量将达到7 2 6x1 0 8 吨。丰 富的农作物秸秆资源在我国的利用率却很低，目前仅为3 3 ，其中大部分未加 处理，经技术处理后利用的仅占2 6 。其余大部分农作物秸秆被作为废弃物通 过掩埋、焚烧等方法处理掉，不仅造成了自然资源的浪费，而且污染日益恶化 的人类生存环境【4 】。因此，寻求更为有效的农作物秸秆处理方法，实现农作物 秸秆资源化再利用，具有重要的现实意义。 我国是世界最大的燃煤国之一，用于火电厂发电的燃煤量约占全国煤炭总 产量的1 3 ，每年向大气排放的s 0 2 ，占工业s 0 2 排放总量的4 0 ，且有上升趋 农作物秸秆纤维脱硫石膏复合材科的制备弓性能研究 势。二氧化硫对大气环境污染的不断严重，早已引起世界各国环境保护部门的 高度重视，我国有关部门在“十五期间就制定了关于二氧化硫污染防治的规 划和措施。随着我国烟气脱硫工艺的全面采用，工业副产物脱硫石膏的排放量 不断加大。据专家预测，到2 0 1 0 年我国脱硫石膏排放量将达3 0 0 万吨以上，将 成为继粉煤灰之后燃煤电厂的又一大固体废物【5 l 。脱硫石膏的堆弃不仅侵占了 大量土地资源，而且严重污染大气和水体环境。因此，如何对脱硫石膏进行合 理有效的利用已成为一个急需解决的利废问题。 1 2 农作物秸秆的研究与应用现状 目前，在世界范围内均普遍存在农作物秸秆堆积量大、利用率低的问题， 国内外研究人员大多将重心放在农作物秸秆的降解处理，以及获取降解产物再 利用等研究与应用领域。常用的研究手段都是将农作物秸秆经剪切、破碎、筛 选处理后，利用其中的纤维素进行降解反应。例如，利用批式酶解工艺，将玉 米秸秆纤维和纤维素酶、纤维二糖酶加入玻璃反应器中，在p h 4 8 、5 0 0 c 条件 下水解2 3 d ，玉米秸秆纤维的酶解得率可达6 3 0 2 6 1 。利用康氏木霉，对经氨 水预处理的大豆秸秆纤维素进行固态发酵，可产生纤维素酶，大豆秸秆纤维再 经纤维素酶酶解后，产生葡萄糖、纤维二糖、木糖等可溶性科1 丌。以1 5 玉米 秸秆纤维和8 5 牛粪的原料配比进行沼气发酵，可获得较高的产气量和甲烷含 量的沼气【8 1 。利用麦秸纤维依次接种经离子注入诱变处理的木聚糖酶高产菌黑 曲霉p 6 0 2 和米根霉r l 6 0 4 1 高产菌进行固、液体二次发酵的方法，可将麦秸纤 维中的纤维素转化成用于工业生产的l 哥l 酸【9 1 。 农作物秸秆纤维也用作树脂基复合材料中的增强材料，国内外的研究中， 多以麦秸或是玉米秸作为制备纤维的原料，通常采用的预处理方法大都依次为， 分离、剪切、粉碎、筛选等。以聚丙烯( p p ) 为基体，以农作物秸秆( 麦杆) 为增强体，用热压成型的方法可制备秸秆含量为1 0 - - - 5 0 份的p p 秸秆复合材料。 研究表明，控制秸秆含量、热压温度、保温时间、脱模温度等工艺参数可获得 成型工艺性良好的复合材料；秸秆预处理及加入添加剂可改善秸秆与p p 界面的 粘合性；采取粉料共混、热机械共混的双重共混等方法，使秸秆分布得到改善， 从而可制得良好的复合材料，制得产品具有较低的吸水性和较好的耐酸碱腐蚀 性【1 0 】。利用模压法，在适当的热压温度和热压压力下，可制备出抗弯强度优良 2 济南人学硕十学位论文 的黄糊精秸秆纤维复合材料【1 1 1 。以秸秆纤维为增强材料，以淀粉为基体，通过 模压成型可制备出一次性可降解秸秆纤维增强复合材料。试验中纤维需置于 1 4 的氨水溶液中浸泡4 8 h ，采用土埋法对该可降解复合材料进行的测试表明， 秸秆纤维增强复合材料具有良好的可降解性能，降解后的产物可做植物生长的 优质肥料，且在栽培生长过程中，复合材料不影响植物根系的生长发引1 2 】。以 缩二脲改性的环氧树脂为粘胶剂，玉米秸秆纤维为增强材料，多异氰酸酯为相 容剂，丁基缩水甘油醚为稀释剂制备玉米秸秆纤维环氧树脂复合材料，研究表 明，当粘胶剂质量分数为1 5 ，相容剂与秸秆纤维质量比为1 ：3 时所制备的复 合材料具有良好的力学性能，厚度溶胀率和吸水率较低，是一种性能较为优良 的新型环保型复合材料【1 3 】。利用质轻环保和廉价易得的玉米秸秆纤维与可发性 聚苯乙烯为原料，可制备玉米秸秆纤维缓冲包装材料【1 4 j 。 此外，农作物秸秆纤维用于制备堵漏材料、吸水材料以及增强水泥基复合 材料。秸秆纤维经膨化处理，以膨化生产得到的形状不规则和长短级配的多种 裂解改性秸秆纤维为主要原料，配合刚性粒子、变形粒子等，开发出了钻井液 用油气层保护暂堵剂( y q k d ) ，用于油气层微裂缝的堵漏【l5 1 。以作物秸秆和瓦 楞纸( 回收纸箱) 作为纤维素的主要来源，采用自由基聚合反应，将纤维素与 丙烯酸及其钠盐进行接枝共聚，所得接枝共聚物用氨水中和，得到含氮的吸水 保水剂。研究表明，含氮的吸水保水剂对改良土壤、保水抗旱、促进种子发芽、 植物的生长和发育具有积极的作用【1 6 】。将秸秆纤维掺加到水泥基材料中，研究 了秸秆纤维水泥复合材料的基体相、界面相、复合效果、界面剂对其性能的影 响以及纤维的阻裂性能等方面。研究表吲1 7 珈】，在界面剂的作用下，秸秆植物 纤维和水泥之间取得了良好的界面效果；在水泥基复合材料中加入秸秆植物纤 维，抗压强度、抗折强度会有不同程度地下降，但折压比大大提高，对增强作 用的本质来说，秸秆植物纤维可以大大提高水泥基复合材料的韧性、抗冲击强 度，并对材料由于物理收缩引起的塑性开裂有很好的阻裂作用。 1 3 脱硫石膏的研究与应用现状 为了消除脱硫石膏堆弃造成的污染，寻求脱硫石膏资源化利用的有效途径， 国内外科研人员进行了大量的研究。美、日、德、英等发达国家非常重视脱硫 石膏的综合利用，早在2 0 世纪7 0 年代末、8 0 年代初就展开了脱硫石膏的研究 3 农作物秸秆纤维脱硫石膏复合材料的制备j 件能研究 工作，到目前为止已形成了较为完善的研究、开发、应用体系，其中以日本、 德国、美国的水平较高，脱硫石膏的利用率已达到8 0 9 0 2 1 - 2 2 。我国是世界最 大的燃煤国之一。用于火电厂发电的燃煤量约占全国煤炭总产量的1 3 ，每年向 大气排放的s 0 2 ，占工业s 0 2 排放总量的4 0 ，且有上升趋势。因此，脱硫技 术急需全面推广，脱硫石膏的应用问题也有待解决。目前，国内外对脱硫石膏 的研究主要集中在水泥缓凝剂、土壤改良剂、充填尾砂胶结剂、制备仪高强石 膏等领域。 在水泥的生产过程中，通常需要向水泥熟料中掺加一定量的石膏作为缓凝 剂，用于调控水泥的凝结时间。石膏也能促进水泥中c 3 s 和c 2 s 两种矿物成分 的水化进程，起到提高水泥早期强度和平衡各龄期强度的作用。研究表明，脱 硫石膏对水泥的初凝时间比天然石膏延迟l h ，脱硫石膏代替天然石膏用作水泥 缓凝剂，对水泥的性能无不良影响【2 3 之4 】。用脱硫石膏代替一半或全部的二水石 膏，水泥的性能变化不大，只是标准稠度用水量稍有下降，凝结时间稍有延长 【2 5 1 。与天然石膏相比，脱硫石膏用作水泥缓凝剂，在相同的粉磨时间内，制成 的水泥比表面积偏大，掺加脱硫石膏制成的水泥强度稍高于掺加天然石膏制成 的水泥。脱硫石膏能够延长硅酸盐水泥的凝结时间，但对加入混合材的普通硅 酸盐水泥几乎没有影响。与天然石膏相比，脱硫石膏用作水泥缓凝剂，与高效 减水剂的适应性较差，水泥的净浆流动度经时损失也比较大，用其配制的混凝 土坍落度及扩展度经时损失也较明显 2 6 - 2 8 】。 脱硫石膏在应用于填埋处理或土壤改良之前，应首先对其可溶性有害物质 的含量进行有效评估。通过滤过法测定脱硫石膏的滤过率可知，脱硫石膏中含 有微量的可溶性有害元素，如氟、硒、汞等，在填埋处理或土壤改良之前，应 按照相应标准，对其中可溶性有害元素进行评估，并利用硫酸铝淋洗法对氟化 物进行处理，从而使可溶性有害物质对土壤或是作物的危害降到最d , t 2 9 - 3 1 。阳 离子取代性作为评价土壤保水保肥能力的指标，是土壤的重要特性之一。苏打 盐碱地中含有的大量替代性钠会导致土壤性质不断恶化，使土壤表现出许多不 良性质。向土壤中加入脱硫石膏可降低其中替代性钠的含量，是土壤的强碱性 向弱碱性转化，改善土壤状况，从而确保农作物的正常生长。研究表明，当在 苏打盐碱地中施加o 5 1 o 质量份的脱硫石膏后，苏打盐碱地中的小麦作物即 4 济南大学硕十学位论文 可恢复正常生长，并一定程度实现了作物增产；在盐碱程度较为严重的土壤中 播种玉米，施加上述同质量份的脱硫石膏后，玉米也可一定程度地增产【3 2 】。 采矿过程中，常用的胶结填充法采矿工艺因其高昂的经营费用( 该法8 0 以上的胶凝材料采用水泥，使填充成本占到采矿总成本的三分之一左右) ，使该 方法的广泛应用和推广受到限制。经分析，采矿的尾砂、棒磨砂中均含有包括 a 1 2 0 3 、f e 2 0 3 、c a o 等潜在胶凝成分，若将尾砂和棒磨砂与脱硫石膏、粉煤灰 等电厂废弃物按一定比例混合后，可制得复合材料胶凝材料，其矿物组成和基 本性能与普通硅酸盐水泥相似，可以部分或全部替代水泥胶结材料，大大降低 充填成本【3 3 1 。 众所周知，硫酸钙晶体存在多种形式：二水结晶、半水结晶和无水结晶， 其中半水结晶分为仪型和d 型。0 【型半水石膏结晶比p 型具有更低的制浆需水量和 较高的制品强度，可用于制备高强度石膏制品和石膏制品粘合剂，是建筑自流 平材料的理想选择。研究表明，在常压碱土金属的盐溶液中，从烟气脱硫残渣 中制备仅型半水石膏是可行的。控制脱水条件，选择合理的结晶习性改良剂和 适宜的表面活性剂，能得到理想的短柱状晶体。各种碱土金属盐溶液中，盐离 子的种类影响晶体的形状。在c a 2 + 溶液中制得的晶体比在m 孑+ 溶液中制得的要 好【3 4 3 5 1 。 此外，脱硫石膏经煅烧后形成具有胶凝性的脱硫建筑石膏，在建筑材料等 领域也具有一定应用。例如，以脱硫石膏为原材料制作木质刨花板，其性能优 于天然石膏木质刨花板【3 6 1 。以烟气脱硫石膏为主要原料，掺加适量的碱性掺和 料、沸石、水泥、以及其它外加剂，制备出一种干粉粉刷石膏，生产工艺和设 备简单，产品的各项性能优异。脱硫粉刷石膏中的复合激发剂掺量达到1 5 时， 复合激发剂基本上达到或者接近最佳的激发效果，再增加复合激发剂的量就会 使脱硫粉刷石膏的性能下降。复合激发剂利用其特殊的激发活性，有效地提高 脱硫粉刷石膏的活性，使得脱硫粉刷石膏的抗压性能增强，透气性能更好，吸 水性能降低【3 7 。3 8 1 。 1 4 纤维增强石膏基复合材料的研究与应用现状 石膏材料本身存在强度低的问题，因此，石膏制品常常使用纤维材料进行 增强。纤维增强石膏基复合材料的研制始于2 0 世纪8 0 年代，德国的科研人员 5 农作物秸秆纤维脱硫年i 膏复合材料的制备与忭能研究 首先使用刨花增强石膏基复合材料制备出纤维石膏板材，与传统石膏板材相比， 具有强度高、韧性好等优点，但是由于刨花极易吸水，且吸水后翘曲变形，影 响石膏板的使用，因此应用推广始终受到一定程度的限制【3 9 】。目前，国内外石 膏基复合材料中应用最广的增强体纤维是玻璃纤维，此外也有采用碳纤维、维 尼纶纤维、硅酸铝纤维等作为石膏基复合材料增强体的研究。 玻璃纤维增强石膏通常采用短切玻璃纤维，这种增强方式所需设备简单、 操作便捷，是目前使用较多的一种增强方式。玻璃纤维在石膏中呈惰性，不存 在腐蚀问题。研究表明，短切玻璃纤维在石膏基体中三维随机分布是一种较好 的增强方式。玻璃纤维增强石膏的最佳纤维长度为1 5 m m ，最佳掺量为1 5 。 未经处理的玻璃纤维表面光滑且附着有表面浸润剂，与石膏基体的结合为纯机 械结合，复合效果不是十分理想【加】。经3 5 0 0 c 热处理，并在l m o l l 盐酸溶液中 浸泡3 0 m i n 后，可去掉表面的浸润剂，使表面粗糙，形成少量微孔。处理后的 玻璃纤维与石膏的界面结合较好，玻璃纤维石膏复合材料的抗折强度提高约 2 0 ，抗压强度略有增加【4 。将玻璃纤维在3 5 0 0 c 的烘箱中烘烤约7 s 取出，冷 却后放入偶联剂溶液中浸泡3 0 m i n 后洗净、干燥，将用偶联剂处理过的玻璃纤 维，再在g h t - 3 型苯丙乳液中浸泡3 0 m i n 。玻璃纤维经偶联剂和苯丙乳液共同 处理后，对玻璃纤维石膏复合材料界面层起到了有效的改善作用，使界面层的 强度超过了基体材料的强度。此界面层具有一定的柔性，松弛了成型过程中造 成的附加应力，阻止了界面裂纹的扩展，使复合材料的整体强度和耐水性能得 到了显著的提高【4 2 喇】。 通常玻璃纤维石膏板以建筑石膏为主要基材，细度为0 2 m m 方孔筛筛余 1 0 以下。玻璃纤维为普通中、低碱纤维，质量为4 0 , - - 8 0 9 1 0 0 0 m ，纤维直径1 5 1 t m 。 与水按比例拌和，再配入短切玻璃纤维，经过振动成型、凝结硬化、定长切割、 干燥、堆垛等工序制成。生产方式为连续生产或间断生产。按板材的成型方式 不同，可分为湿法浇注和半干法连续生产【4 5 1 。玻璃纤维增强石膏板可作为建筑 物的隔墙使用，向板的空腔内灌注混凝土并配置适量钢筋，可作为承重墙使用。 由于生产工艺的影响，玻璃纤维不是绝对对称地布置在墙板两侧，而是一面布 置于墙面靠里侧，一面布置于墙面外