摘要:探索改进矿棉板耐水性的途径,根据试验结果探讨矿棉板的结构特征;研究硬质矿棉板的纤维结构特性与改善其耐水性的基本机理,提出基于不同处理方式对矿棉板耐水性改善的可能性,为满足不同使用要求的矿棉板提供了不同的改性处理措施。
利用矿物棉制成的装饰矿棉板具有质量轻、装饰性和耐火性能好、吸音能力较强等一系列优点这些优点使其在建筑工程中成为很受欢迎的顶棚或内墙面装饰、吸音材料。特别是利用淀粉等作为粘结剂制作的矿棉装饰吸音板,不仅物理力学性能优良,而且使用过程中几乎不会产生污染空气的有害物质,具有较好的环保性能。但是,在潮湿环境、偶然遇水或受潮的情况下这类矿棉板容易产生变形、变色、开裂、松散等不同程度的破坏现象,因此在一般建筑装饰工程中多将其应用限制为干燥环境。这种对使用环境与条件的限制使其难以在某些工程(如地下工程、建筑物的卫生间、某些工业厂房的天花板)中应用,而且在使用过程中一旦受到水的侵袭就会丧失其使用性能。为此,改善矿棉板的耐水性能对于提高其对环境的适应能力和扩大其使用范围非常重要。
为了解不同因素对淀粉胶粘结矿棉板耐水耐潮性能的影响,我们分别采用不同处理方式以提高其耐水性能,并对其物理力学性能进行初步的试验研究;根据试件在试验过程中的表现,对其内部纤维结构进行分析,以探讨改善矿棉板耐水性的途径。
试验用材料及其基本性能试验所采用矿棉板为河北冀州产矿渣棉及利用淀粉胶粘压制而成的硬质矿棉板,该矿棉板的外露一侧表面敷涂可透气的白色涂层,其它表面为直接裸露。试验用板的表观密度为402kg/m3,板厚边长分别为300mm和500mm,抗弯强度为1.7MPa。这种矿棉板材在干燥环境中所表现的物理力学性能可满足多数室内装饰工程对板材强度、保温性和吸音性等功能的要求,主要用作室内顶棚的天花板或内墙装饰板。但是,工程实践表明该板材在受到水作用的影响后,其许多物理力学性会产生显著恶化,甚至全部丧失其使用性能。
试验室试验的结果表明,这种矿棉板材在相对湿度93%±2%环境中吸湿7天后的含水率约为其浸水饱和后的质量吸水率可达212%,而且吸水后强度几乎完全丧失,不能再承受自重,并表现为严重的体积膨胀;即使再次干燥后仍表现为明显的纤维结构松散,不仅变形严重,而且其干燥残余强度很低,通?；共蛔?0%。
为了扩大硬质矿棉板的使用范围,增强其对潮湿环境的适应能力,人们非常期望改善其耐水性能,而又不能影响其具有吸音、保温与防火的多孔结构特性。因此,应基于在原有矿棉板基本结构与性能保持不变的情况下,采用适当的改性处理以获得较好的耐水性能。
硬质矿棉板浸水试验处理方法之一:硬质矿棉板表面喷涂石蜡乳液的憎水处理试验。
将已经粘结固化的硬质矿棉板在进行表面装饰涂层前先将6个表面进行石蜡乳液喷涂处理,由于矿棉板的吸水性很强,石蜡乳液喷涂后很快就吸附于矿棉板表层,形成了一层较密集的憎水性防水层。
喷涂石蜡乳液后再对矿棉板进行整形和装饰在保持其内部结构与成分基本不变的情况下,使其获得所需的形状与外观。经过干燥处理后该板材的干燥物理力学性能和使用状态与未处理的板材完全相同。根据对经石蜡乳液喷涂处理过的板材进行淋水和浸水试验的结果表明,经处理的板材抗水性有一定的改善,可承受短时间的水喷淋而不吸水和变形,但长期在潮湿环境或水中浸泡后会有较强的吸水或吸潮性能,吸水饱和后也表现为强度的完全丧失,再次干燥后板材表现为体积膨胀和表面开裂,并呈现其从内部的局部松散。
处理方法之二:对矿棉板材浸渍树脂乳液。
将利用淀粉粘结剂已经初步粘结的矿棉板半成品浸渍树脂乳液,使乳液被吸附渗入矿棉板一定厚度后取出,再进行压型与干燥。试验结果表明,经过树脂乳液浸渍处理后,干燥的矿棉板表面层形成了较厚的耐水性粘结结构,使板材的抗水性具有较明显的改善,尤其是在进行水喷淋试验时的吸水率较低;但长期在潮湿环境或水中浸泡后仍会一定的膨胀,其饱水后可表现出能基本承受其自重的能力。这种处理过的板材再次干燥后表现为层状开裂,且易形成表面裂纹。在受弯状态下板材出现了小块崩裂等不连续的破坏形式。
树脂乳液浸渍对矿棉板耐水性的改变,主要是利用耐水性树脂对矿棉板一定厚度进行渗水孔隙封堵和内部结构局部联接,并对部分已形成的淀粉粘结联接点进行了表面封闭,从而缓解水渗入的速度,并降低水渗入后对其粘结纤维结构的破坏作用。但是,由于该处理方式难以形成很均匀的憎水性树脂分布与粘结,表现出非常明显的内部结构不均匀特点。
处理方法之三:对矿棉散棉喷涂有机硅乳液。
处理方法是先对已经分布完淀粉粘结剂的散棉进行有机硅乳液喷洒,使矿棉纤维团表面粘附足够的有机硅乳液,然后进行热压等成型加工处理制成板材。
利用这种处理后的矿棉板耐水耐潮能力改善十分明显,在受水喷淋或长期处于潮湿环境时的吸水性显著降低。7天潮湿环境吸水率约为1.2%,其体积变形不明显且无变形;采用淋水试验时,有机硅处理板材的表面渗水性也明显降低;1天浸水试验后,尽管也会表现出体积膨胀的趋势,但形成的体积膨胀比较均匀。当对浸水后试件进行再次干燥处理后,其表面状态不会产生明显的变化,其抗弯折强度下降很少(约下降20%),受力开裂过程中的表面裂纹较细小,破坏过程比较平缓。
根据试验的初步结果可以看出,有机硅乳液喷涂处理方法可以显著改善硬质矿棉板的耐水与耐潮性。尽管其工艺较繁琐且成本有所提高,但具有良好的综合改性效果,值得深入研究。
处理方法之四:对矿棉板进行油雾熏蒸。
油雾熏蒸处理是将已经成型和干透的硬质板材置于油雾环境中,使油雾渗透进板材内部空隙之中,并附着在纤维表面及纤维联接点的表面,阻止水分对联接点处粘接材料的软化作用。通过增加油雾熏蒸的程度,可使更多的憎水性油质吸附于矿棉板内部粘接点表面,从而使矿棉板表现出较强的耐水性。
试验结果表明,利用石蜡雾熏蒸50分钟后矿棉板材的吸湿率几乎为零,吸水率可降低40%以上而且吸水后体积变化很小,并仍能保持一定的抗折强度。再次干燥后板材的内部结构几乎保持原来的状态,无开裂或松散等结构破坏现象,其弯曲破坏形式也与未浸水前几乎相同。
根据初步试验结果,矿棉板油雾熏蒸处理对提高其内部结构的憎水性和水稳定性,改善其耐水性效果相对最为明显。但是,这种加工处理具有成本较高和处理速度较慢的缺点,而且板材表面吸附油质后不利于表面装饰层的粘结,因此有必要进行深入探讨。
根据对试验前后试件纤维结构的自然状态及弯曲变形过程中的动态观察,硬质矿棉板在宏观上为典型的空间纤维结构材料;但是纤维的分布具有明显的不均匀性,这种不均匀性对于浸水后或再次干燥后的试件内部结构更为明显。其不均匀纤维结构具有如图1的特征。
在矿棉板纤维结构中,纤维的分布疏密和方向都不均匀。由于受铺放和成型受压过程的影响,使得纤维分布与板平面方向相平行的纤维要明显多于垂直板平面方向的纤维,且由于纤维成团絮结构相互交织,而团间的纤维交叉很少,形成了纤维团间的薄弱层。当矿棉板因吸水等因素而体积膨胀时,由于纤维团本身内部纤维间的相互交织与缠绕而难以相互分离,约束了纤维团本身的体积膨胀与分离,则矿棉板内部结构的扩张只能从团间层开始,由此便容易造成团间的分离。因此,矿棉板浸水后最容易破坏的薄弱部位就是这些粘接剂比较集中而纤维交叉最少的团间层,改善其整体结构耐水性的主要途径就是防止团间层粘接剂被水浸透或提高其软化系数。
由于多数纤维的分布近似平行于板平面,且使得板平面方向的纤维交织连接要比垂直板方向的连接更紧密,形成了对板平面方向膨胀的较强约束,而使板平面方向的纤维结构不易开裂,从而表现出板中纤维结构呈层状分离。另外,呈平面分布的矿棉纤维团间在板成型过程中容易形成沿板平面方向的纤维层间粘接剂层,该粘接剂层经水软化后的强度降低和体积膨胀更助长了硬质矿棉板呈平面方向的层状开裂与破坏。
根据试验与结构特征分析的结果,硬质矿棉板耐水性改善的前提就是保持或提高纤维间粘结联结点的抗水软化能力,特别是纤维团间粘结层的耐水性能对于板材整体的耐水性具有重要的影响。利用对矿棉散棉喷涂有机硅乳液或对板材进行油雾熏蒸可有效改善纤维(尤其是纤维团间粘结层)联结点的水稳定性能,可使板材即使浸水后内部结构也不会产生显著的变化;利用对板材进行石蜡乳液喷涂或浸渍树脂乳液可以改善其耐潮湿性能,但吸水后会改变其内部结构的连续性及力学性能。因此,根据不同的使用要求或环境条件,可分别采用不同的处理措施以期获得适当的耐水性。
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