摘要:探索改進礦棉板耐水性的途徑,根據試驗結果探討礦棉板的結構特征;研究硬質礦棉板的纖維結構特性與改善其耐水性的基本機理,提出基于不同處理方式對礦棉板耐水性改善的可能性,為滿足不同使用要求的礦棉板提供了不同的改性處理措施。
利用礦物棉制成的裝飾礦棉板具有質量輕、裝飾性和耐火性能好、吸音能力較強等一系列優點這些優點使其在建筑工程中成為很受歡迎的頂棚或內墻面裝飾、吸音材料。特別是利用淀粉等作為粘結劑制作的礦棉裝飾吸音板,不僅物理力學性能優良,而且使用過程中幾乎不會產生污染空氣的有害物質,具有較好的環保性能。但是,在潮濕環境、偶然遇水或受潮的情況下這類礦棉板容易產生變形、變色、開裂、松散等不同程度的破壞現象,因此在一般建筑裝飾工程中多將其應用限制為干燥環境。這種對使用環境與條件的限制使其難以在某些工程(如地下工程、建筑物的衛生間、某些工業廠房的天花板)中應用,而且在使用過程中一旦受到水的侵襲就會喪失其使用性能。為此,改善礦棉板的耐水性能對于提高其對環境的適應能力和擴大其使用范圍非常重要。
為了解不同因素對淀粉膠粘結礦棉板耐水耐潮性能的影響,我們分別采用不同處理方式以提高其耐水性能,并對其物理力學性能進行初步的試驗研究;根據試件在試驗過程中的表現,對其內部纖維結構進行分析,以探討改善礦棉板耐水性的途徑。
試驗用材料及其基本性能試驗所采用礦棉板為河北冀州產礦渣棉及利用淀粉膠粘壓制而成的硬質礦棉板,該礦棉板的外露一側表面敷涂可透氣的白色涂層,其它表面為直接裸露。試驗用板的表觀密度為402kg/m3,板厚邊長分別為300mm和500mm,抗彎強度為1.7MPa。這種礦棉板材在干燥環境中所表現的物理力學性能可滿足多數室內裝飾工程對板材強度、保溫性和吸音性等功能的要求,主要用作室內頂棚的天花板或內墻裝飾板。但是,工程實踐表明該板材在受到水作用的影響后,其許多物理力學性會產生顯著惡化,甚至全部喪失其使用性能。
試驗室試驗的結果表明,這種礦棉板材在相對濕度93%±2%環境中吸濕7天后的含水率約為其浸水飽和后的質量吸水率可達212%,而且吸水后強度幾乎完全喪失,不能再承受自重,并表現為嚴重的體積膨脹;即使再次干燥后仍表現為明顯的纖維結構松散,不僅變形嚴重,而且其干燥殘余強度很低,通常還不足50%。
為了擴大硬質礦棉板的使用范圍,增強其對潮濕環境的適應能力,人們非常期望改善其耐水性能,而又不能影響其具有吸音、保溫與防火的多孔結構特性。因此,應基于在原有礦棉板基本結構與性能保持不變的情況下,采用適當的改性處理以獲得較好的耐水性能。
硬質礦棉板浸水試驗處理方法之一:硬質礦棉板表面噴涂石蠟乳液的憎水處理試驗。
將已經粘結固化的硬質礦棉板在進行表面裝飾涂層前先將6個表面進行石蠟乳液噴涂處理,由于礦棉板的吸水性很強,石蠟乳液噴涂后很快就吸附于礦棉板表層,形成了一層較密集的憎水性防水層。
噴涂石蠟乳液后再對礦棉板進行整形和裝飾在保持其內部結構與成分基本不變的情況下,使其獲得所需的形狀與外觀。經過干燥處理后該板材的干燥物理力學性能和使用狀態與未處理的板材完全相同。根據對經石蠟乳液噴涂處理過的板材進行淋水和浸水試驗的結果表明,經處理的板材抗水性有一定的改善,可承受短時間的水噴淋而不吸水和變形,但長期在潮濕環境或水中浸泡后會有較強的吸水或吸潮性能,吸水飽和后也表現為強度的完全喪失,再次干燥后板材表現為體積膨脹和表面開裂,并呈現其從內部的局部松散。
處理方法之二:對礦棉板材浸漬樹脂乳液。
將利用淀粉粘結劑已經初步粘結的礦棉板半成品浸漬樹脂乳液,使乳液被吸附滲入礦棉板一定厚度后取出,再進行壓型與干燥。試驗結果表明,經過樹脂乳液浸漬處理后,干燥的礦棉板表面層形成了較厚的耐水性粘結結構,使板材的抗水性具有較明顯的改善,尤其是在進行水噴淋試驗時的吸水率較低;但長期在潮濕環境或水中浸泡后仍會一定的膨脹,其飽水后可表現出能基本承受其自重的能力。這種處理過的板材再次干燥后表現為層狀開裂,且易形成表面裂紋。在受彎狀態下板材出現了小塊崩裂等不連續的破壞形式。
樹脂乳液浸漬對礦棉板耐水性的改變,主要是利用耐水性樹脂對礦棉板一定厚度進行滲水孔隙封堵和內部結構局部聯接,并對部分已形成的淀粉粘結聯接點進行了表面封閉,從而緩解水滲入的速度,并降低水滲入后對其粘結纖維結構的破壞作用。但是,由于該處理方式難以形成很均勻的憎水性樹脂分布與粘結,表現出非常明顯的內部結構不均勻特點。
處理方法之三:對礦棉散棉噴涂有機硅乳液。
處理方法是先對已經分布完淀粉粘結劑的散棉進行有機硅乳液噴灑,使礦棉纖維團表面粘附足夠的有機硅乳液,然后進行熱壓等成型加工處理制成板材。
利用這種處理后的礦棉板耐水耐潮能力改善十分明顯,在受水噴淋或長期處于潮濕環境時的吸水性顯著降低。7天潮濕環境吸水率約為1.2%,其體積變形不明顯且無變形;采用淋水試驗時,有機硅處理板材的表面滲水性也明顯降低;1天浸水試驗后,盡管也會表現出體積膨脹的趨勢,但形成的體積膨脹比較均勻。當對浸水后試件進行再次干燥處理后,其表面狀態不會產生明顯的變化,其抗彎折強度下降很少(約下降20%),受力開裂過程中的表面裂紋較細小,破壞過程比較平緩。
根據試驗的初步結果可以看出,有機硅乳液噴涂處理方法可以顯著改善硬質礦棉板的耐水與耐潮性。盡管其工藝較繁瑣且成本有所提高,但具有良好的綜合改性效果,值得深入研究。
處理方法之四:對礦棉板進行油霧熏蒸。
油霧熏蒸處理是將已經成型和干透的硬質板材置于油霧環境中,使油霧滲透進板材內部空隙之中,并附著在纖維表面及纖維聯接點的表面,阻止水分對聯接點處粘接材料的軟化作用。通過增加油霧熏蒸的程度,可使更多的憎水性油質吸附于礦棉板內部粘接點表面,從而使礦棉板表現出較強的耐水性。
試驗結果表明,利用石蠟霧熏蒸50分鐘后礦棉板材的吸濕率幾乎為零,吸水率可降低40%以上而且吸水后體積變化很小,并仍能保持一定的抗折強度。再次干燥后板材的內部結構幾乎保持原來的狀態,無開裂或松散等結構破壞現象,其彎曲破壞形式也與未浸水前幾乎相同。
根據初步試驗結果,礦棉板油霧熏蒸處理對提高其內部結構的憎水性和水穩定性,改善其耐水性效果相對最為明顯。但是,這種加工處理具有成本較高和處理速度較慢的缺點,而且板材表面吸附油質后不利于表面裝飾層的粘結,因此有必要進行深入探討。
根據對試驗前后試件纖維結構的自然狀態及彎曲變形過程中的動態觀察,硬質礦棉板在宏觀上為典型的空間纖維結構材料;但是纖維的分布具有明顯的不均勻性,這種不均勻性對于浸水后或再次干燥后的試件內部結構更為明顯。其不均勻纖維結構具有如圖1的特征。
在礦棉板纖維結構中,纖維的分布疏密和方向都不均勻。由于受鋪放和成型受壓過程的影響,使得纖維分布與板平面方向相平行的纖維要明顯多于垂直板平面方向的纖維,且由于纖維成團絮結構相互交織,而團間的纖維交叉很少,形成了纖維團間的薄弱層。當礦棉板因吸水等因素而體積膨脹時,由于纖維團本身內部纖維間的相互交織與纏繞而難以相互分離,約束了纖維團本身的體積膨脹與分離,則礦棉板內部結構的擴張只能從團間層開始,由此便容易造成團間的分離。因此,礦棉板浸水后最容易破壞的薄弱部位就是這些粘接劑比較集中而纖維交叉最少的團間層,改善其整體結構耐水性的主要途徑就是防止團間層粘接劑被水浸透或提高其軟化系數。
由于多數纖維的分布近似平行于板平面,且使得板平面方向的纖維交織連接要比垂直板方向的連接更緊密,形成了對板平面方向膨脹的較強約束,而使板平面方向的纖維結構不易開裂,從而表現出板中纖維結構呈層狀分離。另外,呈平面分布的礦棉纖維團間在板成型過程中容易形成沿板平面方向的纖維層間粘接劑層,該粘接劑層經水軟化后的強度降低和體積膨脹更助長了硬質礦棉板呈平面方向的層狀開裂與破壞。
根據試驗與結構特征分析的結果,硬質礦棉板耐水性改善的前提就是保持或提高纖維間粘結聯結點的抗水軟化能力,特別是纖維團間粘結層的耐水性能對于板材整體的耐水性具有重要的影響。利用對礦棉散棉噴涂有機硅乳液或對板材進行油霧熏蒸可有效改善纖維(尤其是纖維團間粘結層)聯結點的水穩定性能,可使板材即使浸水后內部結構也不會產生顯著的變化;利用對板材進行石蠟乳液噴涂或浸漬樹脂乳液可以改善其耐潮濕性能,但吸水后會改變其內部結構的連續性及力學性能。因此,根據不同的使用要求或環境條件,可分別采用不同的處理措施以期獲得適當的耐水性。
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