甲基硅酸鈉水溶液改性巖棉防水性能研究

甲基硅酸鈉水溶液改性巖棉防水性能研究

巖棉素具有a級防火性能，由于其原料來源廣泛、生產(chǎn)工藝簡單，在建筑材料市場上發(fā)揮著重要作用。然而巖棉材料具有吸水性,不僅影響其使用壽命及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,也進一步影響了該材料的防火性能和保溫性能,限制了其在建筑保溫材料領(lǐng)域的推廣和發(fā)展。本文主要采用一種簡易表面處理的方法,即使用甲基硅酸鈉溶液對巖棉的表面進行化學(xué)改性。甲基硅酸鈉經(jīng)過反應(yīng),縮合成高分子化合物網(wǎng)狀有機硅樹酯膜,能在巖棉表面形成憎水層,起到防水的作用。同時甲基硅酸鈉又具有無毒、不燃、不揮發(fā)、對環(huán)境無污染等優(yōu)點。在實驗中,我們對比了不同濃度的甲基硅酸鈉溶液對巖棉防水性能的改善情況,并結(jié)合實際生產(chǎn),最大程度降低使用甲基硅酸鈉的成本。經(jīng)過實驗對比和分析,找出了進行巖棉表面改性最合適的甲基硅酸鈉與水的配比。通過光學(xué)顯微鏡對改性前后巖棉與水的接觸情況進行了比較,并通過掃描電鏡(SEM)對改性前后的巖棉纖維進行了微觀分析。1實驗1.1巖棉塊的金相顯微甲基硅酸鈉溶液,35%,上海愛杰化工有限公司;巖棉塊若干,10cm×10cm×6cm;蒸餾水;攪拌機;超聲波霧化器;金相顯微鏡;掃描電子顯微鏡(日立S-4800)。1.2網(wǎng)狀有機硅樹脂膜甲基硅酸鈉防水劑的作用機理:甲基硅酸鹽在水和二氧化碳作用下,生成甲基硅醇,甲基硅醇自身進一步縮合,并與結(jié)構(gòu)材料起化學(xué)反應(yīng),在基材表面生成一層幾個分子厚的不溶性防水高分子化合物——網(wǎng)狀有機硅樹脂膜,能在物體表面形成憎水層,起到防水的作用。其反應(yīng)方程式如下:在一定的反應(yīng)條件下,單體間發(fā)生聚合反應(yīng)時,無論反應(yīng)速度還是反應(yīng)生成物的分子結(jié)構(gòu)均受到單體濃度和反應(yīng)環(huán)境的影響。而分子結(jié)構(gòu)和分子中官能團的排列順序和密度又明顯地影響聚合物本身的性質(zhì)和性能。憎水層的致密程度以及均勻分布既與巖棉的表面形貌有關(guān),也與甲基硅酸鈉的配比濃度有關(guān)。1.3甲基硅酸鈉溶液配制把巖棉板裁成若干塊,大小為10cm×10cm×6cm,作為實驗樣品待用。將甲基硅酸鈉溶液與水分別按照1∶0、1∶5、1∶8、1∶10、1∶12、1∶15、1∶20、1∶30、1∶40的體積比進行配制。采用表面涂刷的方法,每組重復(fù)涂刷3次。之后自然晾干,24h后進行測試。1.4巖棉防水樣品的測量(1)定性比較防水性能:觀察巖棉表面是否成膜及其致密程度。觀察滴在其上的水能否滲入到基材內(nèi)部,若呈現(xiàn)荷葉滾珠的效果則具有一定防水效果。(2)定量測試吸水率:將巖棉樣品置于超聲波霧化器上方適當高度處,使霧化水汽與樣品接觸0.5h,記錄吸水情況,測增重,計算吸水率。(3)微觀接觸角及形貌觀測:應(yīng)用金相顯微鏡對靜態(tài)接觸角(CA)進行測量,重復(fù)3次后取其平均值;應(yīng)用掃描電子顯微鏡(日立S-4800)對巖棉纖維表面改性前后的形貌進行觀察。2結(jié)果與討論2.1甲基硅酸鈉所占比例對飲料防水效果的影響改變甲基硅酸鈉與水的體積比,當甲基硅酸鈉溶液(35%)與水的體積比小于1∶12時,試樣表面皆出現(xiàn)白色硬質(zhì)薄膜,且甲基硅酸鈉比例越高,表面膜越硬實致密、憎水效果越明顯。滴在其上的水迅速變?yōu)樾∷?有荷葉滾珠的效果出現(xiàn),說明其具有一定防水效果。但當甲基硅酸鈉所占的配比太大時,表面析出較多白色粉末;當甲基硅酸鈉所占配比較小時,基本不能形成均勻的膜,而且沒有出現(xiàn)荷葉滾珠的現(xiàn)象。具體實驗現(xiàn)象記錄見表1。2.2巖棉的防水性能因巖棉吸水造成的增重與用甲基硅酸鈉溶液有關(guān),所以通過增重計算吸水率來比較各組實驗巖棉的防水情況,見表2。由表2可見,當甲基硅酸鈉溶液與水的體積比在1∶8~1∶10時,巖棉纖維吸水率低,防水效果達到最佳。而體積比在1∶5時巖棉的吸水率雖然低,但是這樣無疑會增加單位面積甲基硅酸鈉的使用量。2.3改性巖棉纖維表面形態(tài)圖1(a)、(b)是未改性巖棉纖維的SEM照片,圖1(c)、(d)是巖棉纖維表面改性后的SEM照片。其中所用改性劑甲基硅酸鈉溶液與水的體積比為1∶8。從圖1可以看出,未改性的巖棉纖維表面光滑且直徑比較均勻。改性后的巖棉纖維直徑明顯增大,且表面變得十分粗糙。甲基硅酸鈉在巖棉纖維表面發(fā)生聚合反應(yīng),纖維層表面不均勻的聚合層結(jié)構(gòu)使纖維表面變得粗糙,且增大了纖維之間的粘結(jié)性能。2.4巖棉、巖棉法測量接觸角測量接觸角的方法較多,主要有外形圖像分析方法、液滴最大高度法、滲透法以及液滴形狀法。其中前2種方法適合于測量平整表面的接觸角,而巖棉是由巖棉纖維組成,不能壓制成很平整的表面,因此,利用此2種方法無法準確測量接觸角。理論上,后2種方法均適用于反映改性前后巖棉纖維與水接觸角的變化情況。2.4.1甲基硅酸鈉改性巖棉的性能滲透法的基本原理是:固態(tài)粉體間的空隙相當于一束毛細管,由于毛細作用,液體能自發(fā)地滲入粉體柱中。1921年,Washburn導(dǎo)出了液體在毛細管中流動的動力學(xué)方程。當毛細管垂直時,有公式:式中:h———潤濕液體上升的高度,cm;t———潤濕液體上升的時間,s;C———常數(shù);r———粉末間空隙的毛細管平均半徑,cm;θ———潤濕液體對粉末的接觸角,(°);η———潤濕液體黏度,mPa·s。對指定的粉體,C和r為定值,以h對t作圖,顯然h2與t呈直線關(guān)系,由該直線斜率、η便可求得值Crcosθ。在實驗中把巖棉纖維研細,盡量保證其它條件一致(通過控制體積,使改性前后2組粉末間空隙的毛細管平均半徑r1、r2近似相等),把改性前后的纖維粉末同時置于水槽中,記錄不同時間t以及水的上升高度h。以h、h2對t作表,見表3。由表3可知,當時間進行到120min左右時,改性后的巖棉吸水已達到飽和;而到194min左右時,改性前的巖棉吸水飽和。通過這種方法,可以很直觀地比較出改性前巖棉的吸水量和吸水速度明顯大于改性后的,這說明甲基硅酸鈉在巖棉防水中確實起到了很大的作用。雖然這種方法不需要借助復(fù)雜儀器,而易于觀察,但由于粉末間空隙的毛細管平均半徑r未知,這種方法只能定性地比較兩者接觸角的大小。2.4.2改性前后巖棉纖維接觸角的變化與滲透法不同,液滴法是專門用以測量纖維接觸角的。該方法不僅可以使問題簡化,而且測量的結(jié)果更準確。液滴形狀法的理論基本上是在Caroll和Yamaki最初的理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來,即分別用三角函數(shù)和普通函數(shù)的方法推導(dǎo)出液滴形狀法的基本公式。通過實驗驗證,該方法可以有效地表征纖維的接觸角(0~60°),而且快速、方便、直觀。圖2給出了巖棉纖維改性前后與水滴接觸時的情況。經(jīng)過對比改性前后圖片可以發(fā)現(xiàn),改性前后巖棉纖維上水珠的形狀是不同的,小水珠在改性前巖棉纖維上呈橢圓狀,在改性后的巖棉纖維上呈球狀。經(jīng)過對多根纖維表面接觸角進行多次測量和計算。改性前巖棉纖維接觸角的平均值為43.0°[如圖2(a)],改性后的接觸角的平均值為59.5°[如圖2(b)],表明改性后的纖維表面具有較強的疏水性。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是巖棉表面的親水基被甲基硅酸鈉中的甲基取代,使得纖維表面的親水性減弱,接觸角增大。改性前后接觸角的對比,很有力地說明被甲基硅酸鈉改性后的巖棉憎水性得