一种麦秸纤维增强水泥板的制备方法及麦秸纤维增强水泥板
技术领域
本发明属于纤维增强水泥板技术领域，具体涉及一种麦秸纤维增强水泥板的制备方法及麦秸纤维增强水泥板。
背景技术
纤维增强水泥板(又称纤维水泥板)，是以硬化水泥净浆或砂浆为基材、以纤维为增强材料，经制浆、成型、养护、烘干等工序制成的水硬化性人造板材；根据所用增强纤维的种类不同可分为以石棉纤维增强的温石棉纤维水泥板和以其它纤维(不含石棉)增强的无石棉纤维水泥板。
纤维增强水泥板具有防火绝缘、防水防潮、隔热隔音、质轻高强、施工简便、装饰效果佳、安全无害、使用寿命长等优良特性，应用范围非常广泛，薄板(厚度2.5-3.5mm)可以穿孔，用作吸音、吊顶材料；常规板(厚度4-12mm)可用作墙体、装饰材料，如室内隔墙衬板、复合墙体面板、户外广告牌、工业电炉隔热板、电工电子配电柜、变压器隔板等；厚板(厚度13-30mm)和超厚板(厚度31-100mm)可用作钢结构楼层板、阁楼板、外墙保温板、外墙挂板等。
近年来，为了避免引起与石棉有关的疾病如石棉肺、肺癌、间皮瘤等，国内外对纤维增强水泥板的研究集中在开发新型的替代纤维，无石棉纤维增强水泥板得到发展，所用纤维材料包括纸浆纤维、玻璃纤维、合成纤维(如聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、芳纶纤维)以及有机、无机复合纤维等。目前来说，经化学处理的针叶树材木浆纤维使用较多，如以山松、湿地松等为原料制得的木浆纤维，与温石棉相比，木浆纤维对人体健康无害；与玻璃纤维、合成纤维相比，木浆纤维属于可再生资源，来源广泛。以松木为主的针叶树材木浆，纤维长度适中，经漂白后与水泥之间有较好的界面粘结力，能克服普通水泥制品的干缩问题，起到增强的作用。现有技术也有采用阔叶树(如桉树)木浆为原料制备纤维增强水泥板，但是需要进一步优化改善阔叶树木浆制浆工艺，减少纤维损伤，才能完全取代针叶树木浆。
但是，我国的木材资源相对匮乏和紧缺，由于本来森林覆盖率就不高，为了保护林区的树木资源，维持良好的生态环境，又逐渐禁止商业性砍伐，导致我国木材产量明显减少，以木材为原料的下游产业之间竞争激烈，因此以木浆纤维为增强材料的纤维水泥板厂家主要依赖进口木浆，价格及运输费用昂贵，限制了绿色环保型纤维增强水泥板的产业发展和应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种麦秸纤维增强水泥板的制备方法。
本发明的第二个目的是提供一种上述制备方法制备所得的麦秸纤维增强水泥板。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种麦秸纤维增强水泥板的制备方法，包括以下步骤：
1)将干燥麦秸切断成短料，先用水浸泡软化，再用质量浓度为3.0％-4.0％的氢氧化钠溶液浸泡15-20min，取出得预备料；
2)将步骤1)所得预备料进行蒸汽爆破，蒸汽温度为175-180℃，爆破压力为2.4-2.8MPa，保压时间为4.0-5.0min，后卸压出料得爆破料；将所得爆破料进行水洗，得纤维料；
3)取γ-氨丙基三乙氧基硅烷溶于乙醇水溶液中制成改性剂，将所得改性剂与步骤2)所得纤维料拌和均匀后干燥除去乙醇，得改性麦秸纤维；
4)将步骤3)所得改性麦秸纤维加入水中进行打浆疏解，打浆度为20.0-25.0°SR，得到质量浓度为2.4％-2.6％的纤维浆；
5)在步骤4)所得纤维浆中加入硅灰、偏高岭土，继续剪切分散10-15min后，再加入由水泥、粉煤灰、石英砂混合制成的干料和水制成混合浆料，然后经成型工艺制成湿坯，再经预养护、蒸压养护后，烘干即得。
步骤1)中，所述短料的长度为20-40mm；所述用水浸泡软化的浸泡时间为12-16h。用水浸泡在室温下操作即可。碱浸后取出沥干至滴水不再成股流下即可进行后续蒸汽爆破操作。
步骤2)中，所述水洗是指先将爆破料用水浸泡5-10h使水溶性物质充分溶出，后用水反复漂洗至中性。
步骤2)中，所得纤维料在使用前经过筛分。筛分是指去除过于细碎的纤维粉末。优选的，经过筛分获得纤维长度不低于2mm的纤维料，备用。
步骤3)中，所述γ-氨丙基三乙氧基硅烷的用量为纤维料质量的1.0％-1.2％。
步骤5)中，按以下重量份数进行配料：改性纤维料6-8份、硅灰5-6份、水泥48-52份、偏高岭土10-12份、石英砂20-22份、粉煤灰5-6份。
所述硅灰的粒径为0.05-0.15μm；所述偏高岭土的粒径为1-3μm；所述石英砂的粒径为200-300目；所述粉煤灰的粒径为300目-500目。
步骤5)所得混合浆料中还包含助剂，助剂的用量按重量份数计为0-2.5份。所述助剂为减水剂、脱模剂、增稠剂、防水剂、缓凝剂中的任意一种或组合。助剂的使用可根据实际生产情况选择使用，使用时根据需要选择本领域现有市售种类即可。
步骤5)中，所述预养护的温度为60℃-80℃，时间为3-5h；所述蒸压养护的温度为175℃-185℃，压力为0.8-1.2MPa，时间为6-8h。
步骤5)中，控制所述混合浆料的含水率≥90％，湿坯的含水率≤32％，蒸压养护后所得板坯的含水率≤30％。
步骤5)中，所述烘干的温度为105℃-110℃，烘干至板材的含水量达到7.0％以下。
一种上述的制备方法制备所得的麦秸纤维增强水泥板。
本发明的麦秸纤维增强水泥板的制备方法，将干燥麦秸切断成短料，先用水浸泡软化，防止麦秸在干燥状态下经蒸汽爆破后过度破碎成粉末；用质量浓度为3.0％-4.0％的氢氧化钠溶液浸泡15-20min得预备料，使得麦秸预备料吸饱碱液，碱液渗入麦秸内部纤维孔隙及细胞壁之间，为后续的碱法汽爆工艺做准备。
本发明对所得预备料进行蒸汽爆破，麦秸携碱液进入蒸汽爆破装置，控制蒸汽爆破的蒸汽温度为175-180℃，爆破压力为2.4-2.8MPa，保压时间为4.0-5.0min，高温蒸汽将麦秸快速加热至设定温度，高压下氢氧化钠随水蒸汽扩散渗透进入麦秸纤维细胞壁内，高温高压条件下麦秸中的纤维素、半纤维素及胶质被活化发生碱解，木质素软化，纤维束的聚合度下降、被胶质束缚的纤维逐渐变得松散，粘接纤维素的木质素被部分剥离，在卸压时由于压力骤然释放，温度快速降低，润湿的麦秸发生爆破，原料撕裂为细小纤维，得到分离细化后的具有较好强度和韧性的纤维素纤维，且由于蒸汽爆破是将麦秸由内而外突破制得纤维，纤维的帚化率高，具有良好的保水性和吸附性。经过碱法汽爆处理，麦秸纤维中的纤维素、半纤维素发生降解，糖类物质及酸类物质增加，大分子糖类物质分解为小分子糖类，与被活化的木素形成具有一定粘性的生物质，将所得爆破料进行水洗，去除溶出物质，并洗去粘性物质，得到较为纯净的纤维料。
本发明将γ-氨丙基三乙氧基硅烷溶于乙醇水溶液中制成改性剂，将所得改性剂与所得纤维料拌和均匀后干燥除去乙醇得改性麦秸纤维。用γ-氨丙基三乙氧基硅烷对纤维料进行改性，降低麦秸纤维的亲水性，提高纤维的保水性，增进其抗碱能力和与水泥基体的界面结合力。采用乙醇水作为溶剂利于γ-氨丙基三乙氧基硅烷的水解和在纤维表面的铺展，节约γ-氨丙基三乙氧基硅烷的用量，避免影响后续工艺，所用乙醇可回收循环使用。
本发明将所得改性麦秸纤维加入水中进行打浆疏解，控制打浆度和纤维浆浓度，所得纤维浆中纤维分散均匀、帚化度好，有利于后续吸附水泥颗粒及其水化产物，提高料层间的结合力，抑制分层现象。
本发明在所得纤维浆中先加入硅灰、偏高岭土，继续剪切分散10-15min，使得硅灰、偏高岭土这些超细粉料先有一部分吸附在纤维表面，增强纤维对水泥颗粒的吸附作用，再加入由水泥、粉煤灰、石英砂混合制成的干料和水制成混合浆料，由于硅灰和偏高岭土这些超细颗粒的填充作用(尤其是硅灰的填充作用)，填充了纤维与水泥基体之间的孔隙，阻断孔隙结构，减少毛细管效应，增加了纤维与基材的接触面积，从而提高了基材对纤维的握裹力，增强了纤维与基材之间的界面结合力，降低缩胀、提高尺寸稳定性和力学性能。偏高岭土还能迅速与水泥水化生成的氢氧化钙反应生成钙矾石和硅酸钙凝胶等黏性混合物，提高纤维与基材的界面结合强度；同时还能降低水泥基材的碱性，降低对麦秸纤维自身结构的破坏作用，提高纤维的增强效果。石英砂作为水泥基材的细集料，粉煤灰作为矿物掺合料，用于提高板材的强度和力学性能。混合浆料经成型工艺制成湿坯，再经预养护、蒸压养护后，烘干即得板材，预养护和蒸压养护的参数设计科学合理，所得板材性质稳定、质量高。
本发明以水泥为基材，以改性麦秸纤维为增强材料，以硅灰、偏高岭土为填料，石英砂作为细集料，粉煤灰作为矿物掺合料，所得的麦秸纤维增强水泥板(原板)成品表面无裂纹、分层、脱皮、鼓泡现象，也无明显的掉角、掉边，满足外观质量要求。经检测，所得板材的吸水率在15.86％以下，湿涨率在0.1％以下，说明板材中麦秸纤维增强料与基体间的结合较为紧密，孔隙率小，不易吸水，具有较好的耐水耐湿性；所得板材的不燃性满足GB%208624不燃性A级的要求，不透水性检测持续24h后板的底面无水滴出现，符合不透水性要求。在力学性能检测试验中，所得板材的饱水抗折强度均不低于13MPa，符合A类和B类板材R3级强度要求；其抗冲击强度均不低于1.8kJ/m3，符合厚度e≤14mm板材C3级强度要求。在抗冻试验中，经过100次冻融循环，所得板材的饱水抗折强度仍在11.52MPa以上，抗折强度比率83.72％以上，强度损失小，具有良好的抗冻性能；在热水试验中，所得板材的饱水抗折强度仍在10.31MPa以上，抗折强度比率74.39％以上，强度损失小，具有良好的抗湿热稳定性；在浸泡-干燥试验中，所得板材的饱水抗折强度仍在11.79MPa以上，抗折强度比率85.68％以上，强度损失小，具有良好的抗干湿稳定性。所得麦秸纤维增强水泥板的综合性能优异，能替代现有木浆纤维增强水泥板的应用。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步的说明。
具体实施方式中，所用干燥麦秸购自当地农户，含水量为15％-20％，使用前清除泥土、灰尘、杂草等杂质。
具体实施方式中，所用水泥为市售普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5#。所用硅灰为市售商品，粒径为0.05-0.15μm。所用偏高岭土为市售商品，是由高岭土在800℃煅烧4h制成的，平均粒径不大于1.0微米，比重为2.58g/cm3，活性为35％-40％。所用石英砂为市售商品，粒径为200-300目，SiO2含量大于99.6％。所用粉煤灰为市售商品，粒径为300-500目，密度为2.29g/cm3。
具体实施方式中，所用成型工艺为抄取法，挤压脱水，压制成型。
实施例1
本实施例的麦秸纤维增强水泥板的制备方法，包括以下步骤：
1)将干燥麦秸切断成长度为20-40mm的短料，室温条件下，先用清水浸泡12h使其软化，再用质量浓度为4.0％的氢氧化钠溶液浸泡15min，取出沥干至滴水不再成股流下，得预备料；
2)将步骤1)所得预备料置于蒸汽爆破装置中进行蒸汽爆破，蒸汽温度为175℃，爆破压力为2.8MPa，保压时间为4.5min，后卸压出料得爆破料；先将爆破料用水浸泡10h使水溶性物质(包括水溶性胶质)充分溶出，后用水反复漂洗至中性且纤维之间无粘连，筛分得到长度为2-5mm的纤维料；
3)取γ-氨丙基三乙氧基硅烷溶于乙醇水溶液(乙醇与水的质量比为82:8)中制成质量浓度为10％的改性剂，将所得改性剂与步骤2)所得纤维料拌和均匀后干燥除去乙醇(乙醇回收重复使用)，得改性麦秸纤维；其中，所述γ-氨丙基三乙氧基硅烷的用量为纤维料质量的1.1％；
4)将步骤3)所得改性麦秸纤维加入水中进行打浆疏解，打浆度为21.0°SR，得到质量浓度为2.5％的纤维浆；
5)按以下重量份数进行配料：改性麦秸纤维6.5份、硅灰5.5份、水泥52份、偏高岭土10份、石英砂21份、粉煤灰5份；
在步骤4)所得纤维浆中加入硅灰和偏高岭土，继续剪切分散10min后，再加入由水泥、粉煤灰、石英砂混合制成的干料和水制成混合浆料，控制混合浆料的含水率≥90％；然后经成型工艺(抄取法)制成湿坯，控制湿坯的含水率≤32％；在温度为60℃条件下预养护5h，再在温度为185℃、压力为0.8MPa条件下蒸压养护8h(控制蒸压养护后所得板坯的含水率≤30％)后，在105℃条件下烘干至板材的含水量达到7.0％以下，即得所述麦秸纤维增强水泥板。
实施例2
本实施例的麦秸纤维增强水泥板的制备方法，包括以下步骤：
1)将干燥麦秸切断成长度为20-40mm的短料，室温条件下，先用清水浸泡14h使其软化，再用质量浓度为3.5％的氢氧化钠溶液浸泡18min，取出沥干至滴水不再成股流下，得预备料；
2)将步骤1)所得预备料置于蒸汽爆破装置中进行蒸汽爆破，蒸汽温度为180℃，爆破压力为2.4MPa，保压时间为5.0min，后卸压出料得爆破料；先将爆破料用水浸泡10h使水溶性物质(包括水溶性胶质)充分溶出，后用水反复漂洗至中性且纤维之间无粘连，筛分得到长度为2-5mm的纤维料；
3)取γ-氨丙基三乙氧基硅烷溶于乙醇水溶液(乙醇与水的质量比为82:8)中制成质量浓度为10％的改性剂，将所得改性剂与步骤2)所得纤维料拌和均匀后干燥除去乙醇(乙醇回收重复使用)，得改性麦秸纤维；其中，所述γ-氨丙基三乙氧基硅烷的用量为纤维料质量的1.0％；
4)将步骤3)所得改性麦秸纤维加入水中进行打浆疏解，打浆度为22.0°SR，得到质量浓度为2.4％的纤维浆；
5)按以下重量份数进行配料：改性麦秸纤维7份、硅灰6份、水泥50份、偏高岭土11份、石英砂20份、粉煤灰6份；
在步骤4)所得纤维浆中加入硅灰和偏高岭土，继续剪切分散10min后，再加入由水泥、粉煤灰、石英砂混合制成的干料和水制成混合浆料，控制混合浆料的含水率≥90％；然后经成型工艺(抄取法)制成湿坯，在温度为70℃条件下预养护4h，再在温度为180℃、压力为1.0MPa条件下蒸压养护6h(控制蒸压养护后所得板坯的含水率≤30％)后，在105℃℃条件下烘干至板材的含水量达到7.0％以下，即得所述麦秸纤维增强水泥板。
实施例3
本实施例的麦秸纤维增强水泥板的制备方法，包括以下步骤：
1)将干燥麦秸切断成长度为20-40mm的短料，室温条件下，先用清水浸泡16h使其软化，再用质量浓度为3.0％的氢氧化钠溶液浸泡20min，取出沥干至滴水不再成股流下，得预备料；
2)将步骤1)所得预备料置于蒸汽爆破装置中进行蒸汽爆破，蒸汽温度为180℃，爆破压力为2.6MPa，保压时间为4.0min，后卸压出料得爆破料；先将爆破料用水浸泡10h使水溶性物质(包括水溶性胶质)充分溶出，后用水反复漂洗至中性且纤维之间无粘连，筛分得到长度为2-5mm的纤维料；
3)取γ-氨丙基三乙氧基硅烷溶于乙醇水溶液(乙醇与水的质量比为82:8)中制成质量浓度为10％的改性剂，将所得改性剂与步骤2)所得纤维料拌和均匀后干燥除去乙醇(乙醇回收重复使用)，得改性麦秸纤维；其中，所述γ-氨丙基三乙氧基硅烷的用量为纤维料质量的1.2％；
4)将步骤3)所得改性麦秸纤维加入水中进行打浆疏解，打浆度为23.0°SR，得到质量浓度为2.6％的纤维浆；
5)按以下重量份数进行配料：改性麦秸纤维7.5份、硅灰5份、水泥48份、偏高岭土12份、石英砂22份、粉煤灰5.5份；
在步骤4)所得纤维浆中加入硅灰和偏高岭土，继续剪切分散10min后，再加入由水泥、粉煤灰、石英砂混合制成的干料和水制成混合浆料，控制混合浆料的含水率≥90％；然后经成型工艺(抄取法)制成湿坯，控制湿坯的含水率≤32％；在温度为80℃条件下预养护3h，再在温度为175℃、压力为1.2MPa条件下蒸压养护6h(控制蒸压养护后所得板坯的含水率≤30％)后，在105℃条件下烘干至板材的含水量达到7.0％以下，即得所述麦秸纤维增强水泥板。
对实施例1-3所得麦秸纤维增强水泥板按照《JC/T%20412.1纤维水泥平板第1部分：无石棉纤维水泥平板》的进行性能检测，结果如表1所示。
表1实施例1-3所得麦秸纤维增强水泥板的性能检测结果
从表1可以看出，实施例1-3所得麦秸纤维增强水泥板(原板)成品表面无裂纹、分层、脱皮、鼓泡现象，也无明显的掉角、掉边，满足外观质量要求；实施例1-3的板材厚度设计要求为10mm、表观密度设计要求为1.4g/cm2，实际测量结果中厚度和表观密度均不低于设计要求，且尺寸偏差在规定范围内。经检测，所得板材的吸水率在15.86％以下，湿涨率在0.1％以下，这说明本发明的麦秸纤维增强水泥板中麦秸纤维增强料与基体间的结合较为紧密，孔隙率小，不易吸水，具有较好的耐水耐湿性；所得板材的不燃性满足GB 8624不燃性A级的要求，不透水性检测持续24h后板的底面无水滴出现，符合不透水性要求。在力学性能检测试验中，实施例1-3所得板材的饱水抗折强度分别为13.76MPa、14.05MPa、14.68MPa，均不低于13MPa，符合A类和B类板材R3级强度要求；其抗冲击强度分别为2.08kJ/m3、2.16kJ/m3、2.19kJ/m3，均不低于1.8kJ/m3，符合厚度e≤14mm板材C3级强度要求。在抗冻试验中，经过100次冻融循环，所得板材的饱水抗折强度仍在11.52MPa以上，抗折强度比率83.72％以上，强度损失小，具有良好的抗冻性能；在热水试验中，所得板材的饱水抗折强度仍在10.31MPa以上，抗折强度比率74.39％以上，强度损失小，具有良好的抗湿热稳定性；在浸泡-干燥试验中，所得板材的饱水抗折强度仍在11.79MPa以上，抗折强度比率85.68％以上，强度损失小，具有良好的抗干湿稳定性。
