甲基硅酸钠水溶液改性岩棉防水性能研究

甲基硅酸钠水溶液改性岩棉防水性能研究

岩棉素具有a级防火性能，由于其原料来源广泛、生产工艺简单，在建筑材料市场上发挥着重要作用。然而岩棉材料具有吸水性,不仅影响其使用寿命及结构稳定性,也进一步影响了该材料的防火性能和保温性能,限制了其在建筑保温材料领域的推广和发展。本文主要采用一种简易表面处理的方法,即使用甲基硅酸钠溶液对岩棉的表面进行化学改性。甲基硅酸钠经过反应,缩合成高分子化合物网状有机硅树酯膜,能在岩棉表面形成憎水层,起到防水的作用。同时甲基硅酸钠又具有无毒、不燃、不挥发、对环境无污染等优点。在实验中,我们对比了不同浓度的甲基硅酸钠溶液对岩棉防水性能的改善情况,并结合实际生产,最大程度降低使用甲基硅酸钠的成本。经过实验对比和分析,找出了进行岩棉表面改性最合适的甲基硅酸钠与水的配比。通过光学显微镜对改性前后岩棉与水的接触情况进行了比较,并通过扫描电镜(SEM)对改性前后的岩棉纤维进行了微观分析。1实验1.1岩棉块的金相显微甲基硅酸钠溶液,35%,上海爱杰化工有限公司;岩棉块若干,10cm×10cm×6cm;蒸馏水;搅拌机;超声波雾化器;金相显微镜;扫描电子显微镜(日立S-4800)。1.2网状有机硅树脂膜甲基硅酸钠防水剂的作用机理:甲基硅酸盐在水和二氧化碳作用下,生成甲基硅醇,甲基硅醇自身进一步缩合,并与结构材料起化学反应,在基材表面生成一层几个分子厚的不溶性防水高分子化合物——网状有机硅树脂膜,能在物体表面形成憎水层,起到防水的作用。其反应方程式如下:在一定的反应条件下,单体间发生聚合反应时,无论反应速度还是反应生成物的分子结构均受到单体浓度和反应环境的影响。而分子结构和分子中官能团的排列顺序和密度又明显地影响聚合物本身的性质和性能。憎水层的致密程度以及均匀分布既与岩棉的表面形貌有关,也与甲基硅酸钠的配比浓度有关。1.3甲基硅酸钠溶液配制把岩棉板裁成若干块,大小为10cm×10cm×6cm,作为实验样品待用。将甲基硅酸钠溶液与水分别按照1∶0、1∶5、1∶8、1∶10、1∶12、1∶15、1∶20、1∶30、1∶40的体积比进行配制。采用表面涂刷的方法,每组重复涂刷3次。之后自然晾干,24h后进行测试。1.4岩棉防水样品的测量(1)定性比较防水性能:观察岩棉表面是否成膜及其致密程度。观察滴在其上的水能否渗入到基材内部,若呈现荷叶滚珠的效果则具有一定防水效果。(2)定量测试吸水率:将岩棉样品置于超声波雾化器上方适当高度处,使雾化水汽与样品接触0.5h,记录吸水情况,测增重,计算吸水率。(3)微观接触角及形貌观测:应用金相显微镜对静态接触角(CA)进行测量,重复3次后取其平均值;应用扫描电子显微镜(日立S-4800)对岩棉纤维表面改性前后的形貌进行观察。2结果与讨论2.1甲基硅酸钠所占比例对饮料防水效果的影响改变甲基硅酸钠与水的体积比,当甲基硅酸钠溶液(35%)与水的体积比小于1∶12时,试样表面皆出现白色硬质薄膜,且甲基硅酸钠比例越高,表面膜越硬实致密、憎水效果越明显。滴在其上的水迅速变为小水滴,有荷叶滚珠的效果出现,说明其具有一定防水效果。但当甲基硅酸钠所占的配比太大时,表面析出较多白色粉末;当甲基硅酸钠所占配比较小时,基本不能形成均匀的膜,而且没有出现荷叶滚珠的现象。具体实验现象记录见表1。2.2岩棉的防水性能因岩棉吸水造成的增重与用甲基硅酸钠溶液有关,所以通过增重计算吸水率来比较各组实验岩棉的防水情况,见表2。由表2可见,当甲基硅酸钠溶液与水的体积比在1∶8~1∶10时,岩棉纤维吸水率低,防水效果达到最佳。而体积比在1∶5时岩棉的吸水率虽然低,但是这样无疑会增加单位面积甲基硅酸钠的使用量。2.3改性岩棉纤维表面形态图1(a)、(b)是未改性岩棉纤维的SEM照片,图1(c)、(d)是岩棉纤维表面改性后的SEM照片。其中所用改性剂甲基硅酸钠溶液与水的体积比为1∶8。从图1可以看出,未改性的岩棉纤维表面光滑且直径比较均匀。改性后的岩棉纤维直径明显增大,且表面变得十分粗糙。甲基硅酸钠在岩棉纤维表面发生聚合反应,纤维层表面不均匀的聚合层结构使纤维表面变得粗糙,且增大了纤维之间的粘结性能。2.4岩棉、岩棉法测量接触角测量接触角的方法较多,主要有外形图像分析方法、液滴最大高度法、渗透法以及液滴形状法。其中前2种方法适合于测量平整表面的接触角,而岩棉是由岩棉纤维组成,不能压制成很平整的表面,因此,利用此2种方法无法准确测量接触角。理论上,后2种方法均适用于反映改性前后岩棉纤维与水接触角的变化情况。2.4.1甲基硅酸钠改性岩棉的性能渗透法的基本原理是:固态粉体间的空隙相当于一束毛细管,由于毛细作用,液体能自发地渗入粉体柱中。1921年,Washburn导出了液体在毛细管中流动的动力学方程。当毛细管垂直时,有公式:式中:h———润湿液体上升的高度,cm;t———润湿液体上升的时间,s;C———常数;r———粉末间空隙的毛细管平均半径,cm;θ———润湿液体对粉末的接触角,(°);η———润湿液体黏度,mPa·s。对指定的粉体,C和r为定值,以h对t作图,显然h2与t呈直线关系,由该直线斜率、η便可求得值Crcosθ。在实验中把岩棉纤维研细,尽量保证其它条件一致(通过控制体积,使改性前后2组粉末间空隙的毛细管平均半径r1、r2近似相等),把改性前后的纤维粉末同时置于水槽中,记录不同时间t以及水的上升高度h。以h、h2对t作表,见表3。由表3可知,当时间进行到120min左右时,改性后的岩棉吸水已达到饱和;而到194min左右时,改性前的岩棉吸水饱和。通过这种方法,可以很直观地比较出改性前岩棉的吸水量和吸水速度明显大于改性后的,这说明甲基硅酸钠在岩棉防水中确实起到了很大的作用。虽然这种方法不需要借助复杂仪器,而易于观察,但由于粉末间空隙的毛细管平均半径r未知,这种方法只能定性地比较两者接触角的大小。2.4.2改性前后岩棉纤维接触角的变化与渗透法不同,液滴法是专门用以测量纤维接触角的。该方法不仅可以使问题简化,而且测量的结果更准确。液滴形状法的理论基本上是在Caroll和Yamaki最初的理论基础上发展起来,即分别用三角函数和普通函数的方法推导出液滴形状法的基本公式。通过实验验证,该方法可以有效地表征纤维的接触角(0~60°),而且快速、方便、直观。图2给出了岩棉纤维改性前后与水滴接触时的情况。经过对比改性前后图片可以发现,改性前后岩棉纤维上水珠的形状是不同的,小水珠在改性前岩棉纤维上呈椭圆状,在改性后的岩棉纤维上呈球状。经过对多根纤维表面接触角进行多次测量和计算。改性前岩棉纤维接触角的平均值为43.0°[如图2(a)],改性后的接触角的平均值为59.5°[如图2(b)],表明改性后的纤维表面具有较强的疏水性。出现这种现象的原因主要是岩棉表面的亲水基被甲基硅酸钠中的甲基取代,使得纤维表面的亲水性减弱,接触角增大。改性前后接触角的对比,很有力地说明被甲基硅酸钠改性后的岩棉憎水性得