一种高强耐水型玻璃纤维增强增韧石膏板及其制备方法与流程

本发明具体涉及一种高强耐水型玻璃纤维增强增韧石膏板及其制备方法，属于建筑领域。

背景技术：

石膏用于建筑有许多优良特性，它的硬化体绝热性能和吸音性能良好，防火性能好，硬化时体积略有膨胀，可使硬化体表面光滑饱满，干燥时不开裂，装饰性好，可加工性好等等。由于石膏是一种脆性基体，虽然具有优异的抗压性能，但其抗折抗弯强度低，因而需要通过某种方式改善石膏的抗弯抗折性能。近十多年来，对石膏墙板的改性研究获得极大的成果，改性后的石膏板在国内外得到广泛应用。我国目前生产的建筑石膏制品主要有纸面石膏板、空心石膏条板、纤维石膏板、石膏砌块和装饰石膏制品等。但组成石膏板的半水石膏在水化形成二水石膏的过程中会使板体内部产生大量孔隙，相比密实的石膏板，高孔隙率的石膏板的抗压强度会大打折扣，这就限制石膏板材的进一步的推广与应用。

专利cn104944882a公开了一种高强耐水石膏板复合板材及其制备工艺，利用乙醇、酚醛树脂、硅烷偶联剂与碳酸丙烯酯配制成改性液，对脱硫石膏进行改性，并在5mpa～20mpa，90℃～200℃下热压成型，制得所述石膏板。虽然，这种改性石膏板具有较为优异的防水性能，但其仍然以石膏作为主要的受力材料，因而其板材的抗弯抗折性能有限；而且，这种石膏板的制备工艺复杂，需在一定温度和压力下成型，而且所用材料多，制备的成本也比一般的石膏板高。

专利cn86105530a发明了一种轻质高强耐水装饰石膏板的制备方法，利用聚乙烯醇、脲醛树脂和石蜡乳液在石膏板表面形成一层防水膜，从而赋予石膏板材一定的防水能力。但是，这种耐水石膏板的制备工艺流程复杂，且石蜡属于烷烃混合物，其熔点低，而聚乙烯醇和脲醛树脂都属于有毒有害物质，脲醛树脂在使用过程中会向环境中释放甲醛，因而通过该专利所述方法制得的轻质高强耐水装饰石膏板不宜用于建筑装饰。

专利cn20140243040.4公开了一种高强石膏板的制备方法，其原理在于将单层的石膏板做成多层复合的石膏板，在每一层中都引入玻璃纤维、植物纤维等增强增韧材料，从而克服了传统制备工艺中石膏板本身对于增强增韧材料的限制。但是，这种复合石膏板的生产工艺十分复杂，每一层板都由3层甚至以上的材料构成，这大大增加了实际生产成本。此外，多层石膏板层与层之间的结合力的减弱或不足导致石膏板的损坏是使用过程中的一种隐患。

专利cn201320471968.3公开了一种增强玻璃纤维高强防火保温石膏板，该专利中所述的石膏板为双层结构，一层是嵌有网格布的石膏板层和结合与石膏板基材表面的保温层。由于石膏板基材与表面保温层的力学性质的不同，当石膏板在使用过程中受到外力的作用导致变形时，层与层之间的应变存在差异，这种应力差异很可能导致表面保温层的剥落。

市场上现有的具有保温、保湿、增强增韧、防火防水等复合性能的石膏板多为多层复合石膏板，成本高、制备工艺复杂，而且这种石膏板在使用过程中易因层与层之间的力学、热学等性质的差异导致石膏板的损坏。此外，现有的石膏板内部大多孔隙率高，石膏板的很难达到理想的抗压强度。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种高强耐水型玻璃纤维增强增韧石膏板及其制备方法，内部孔隙率低，结构密实，石膏板的抗压强度、抗弯强度高，且具有较好的防水能力，方法简单易行、成本低，适合于大规模工业生产。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

一种高强耐水型玻璃纤维增强增韧石膏板，其原料按重量份计为：α型半水石膏1000份、二水石膏50～100份、轻质碳酸钙10～50份、玻璃纤维100～200份、水300～400份、铝锆偶联剂10.3～11.5份。

按上述方案，原料中的α半水石膏与二水石膏的合成材料来源于源于氨碱法纯碱厂副产的氯化钙废液和硫酸钠。具体地，以氯化钙与硫酸钠为原料合成二水石膏，纯度高，caso4·2h2o的含量可达99％以上，并用高纯度的二水石膏在常压水热条件下转化生产α半水石膏。

按上述方案，所述玻璃纤维优选e-玻璃纤维。

按上述方案，所述α半水石膏的横向尺寸为20～40μm，长径比为1：1～5。

按上述方案，所述二水石膏的纵向尺寸为100～300μm，长径比为1：5～15。

本发明所述的高强耐水型玻璃纤维增强增韧石膏板的制备方法，主要步骤如下：

步骤一、按本发明所述原料配比称取半水石膏、二水石膏、轻质碳酸钙、玻璃纤维、水和铝锆偶联剂，备用；

步骤二、将铝锆偶联剂与水混合均匀，形成铝锆偶联剂溶液；将玻璃纤维均匀分散到铝锆偶联剂溶液中，得到表面带有疏水基团的改性玻璃纤维的溶液；

步骤三、将步骤二所得改性玻璃纤维的溶液加入到半水石膏、二水石膏及轻质碳酸钙的混合物中，使半水石膏水化，搅拌使各组分混合均匀，得到混合浆体；

步骤四、将混合浆体注入到模具中，脱模后的试样经养护，即得高强耐水型玻璃纤维增强增韧石膏板。

按上述方案，所述步骤三中搅拌时间控制在3min钟内完成。

本发明的基本原理：铝锆偶联剂与水混合均匀，形成铝锆偶联剂溶液，通过在常温下简单的混合操作加入玻璃纤维后，铝锆偶联剂改性玻璃纤维，水溶液中的部分偶联剂与玻璃纤维表面的羟基反应，形成-si-o-m-键(其中m为al或zr)，就可以在玻璃纤维表面引入大量疏水性的偶联剂，使得玻璃纤维与改性后的二水石膏、轻质碳酸钙的相互作用力增强，提高了石膏板内部各组分的相互结合力，该反应过程如图1所示。

而表面带有疏水基团的改性玻璃纤维的溶液加入到半水石膏、二水石膏和轻质碳酸钙的混合物中，铝锆偶联剂与半水石膏在水溶液中反应，半水石膏表面的羟基与偶联剂的亲水性基团的相互作用，可以引起部分被偶联剂包覆的水滴与半水石膏的定向反应形成二水石膏，一方面大大减少了水的用量，降低了石膏板内部的孔隙率，另一方面又恰当的在水化生成的二水石膏表面引入偶联剂(已经形成的二水石膏表面的羟基为未成键的偶联剂提供了新的化学吸附位点)，从而使新生成的二水石膏表面修饰上一层铝锆偶联剂，形成表面疏水的改性二水石膏(即新生成的二水石膏也发生改性)，提高了石膏板的防水性能；外掺的二水石膏由于其本身具有较高的长径比，再经改性后在石膏板中可以起到一定的纤维增强增韧的作用，且二水石膏是工业固废的合成产物，可以降低石膏板的制备成本；未完全反应的偶联剂可以继续与轻质碳酸钙反应，使碳酸钙表面也修饰上疏水性的官能团；具体反应过程如图2和图3所示。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明所述的玻璃纤维增强增韧石膏板的内部孔隙率低，结构密实，石膏板的抗压强度、抗弯强度高，且具有较好的防水能力，方法简单易行、成本低，适合于大规模工业生产，在建筑房屋的内墙与屋顶等方面具有广泛的用途，在房屋的外墙装饰领域具有良好的应用前景。

2.本发明利用低成本的铝锆偶联剂改性玻璃纤维、二水石膏与轻质碳酸钙，使这些高强石膏板的增强增韧材料表面修饰上一层疏水的有机官能团，大幅提高材料的防水性能。

3.本发明中，α-半水石膏与水反应形成二水石膏可以为未被吸附的铝锆偶联剂提供吸附位点，使偶联剂能够尽可能多地被吸附，提高偶联剂的利用率，降低成本；而新生成的二水石膏也由于被偶联剂吸附，具备了一定的防水能力，板材整体的防水性能也因此进一步得到保证。

4.本发明以氨碱法纯碱厂副产的氯化钙废液和硫酸钠为原料，制备二水石膏与半水石膏，制备的二水石膏的长径比良好，可以部分替代玻璃纤维作为纤维增强增韧材料；二水石膏的纯度也较高，水化后可以获得较高的强度，这种高效利用工业固废的方法可以降低氯化钙废液对环境的污染，实现了工业副产物的高效利用，提高了工业生产的经济效益与环境效益。

附图说明

图1为步骤二中铝锆偶联剂改性e玻璃纤维的反应过程；

图2为步骤三中α型半水石膏与偶联剂的作用过程；

图3为步骤三中轻质碳酸钙与偶联剂的反应过程。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。

下述实施例中，均利用氨碱法纯碱厂副产的氯化钙废液和硫酸钠为原料，在一定温度下合成二水石膏，并利用常压水热法制备α型半水石膏。

实施例1

一种高强耐水型玻璃纤维增强增韧石膏板，其原料按重量份计为：α型半水石膏1000份、二水石膏50份、轻质碳酸钙20份、长度为15mm的e-玻璃纤维150份、水400份、铝锆偶联剂11份。

上述高强耐水型玻璃纤维增强增韧石膏板的制备方法，其制备方法如下：

步骤一、称取半水石膏1kg、二水石膏50g、轻质碳酸钙20g、15mm长e玻璃纤维150g、水400g、铝锆偶联剂11g，备用；

步骤二、将铝锆偶联剂加入到水中，用玻璃棒搅拌使偶联剂与水混合均匀，然后加入玻璃纤维，继续搅拌3min使玻璃纤维分散均匀，并使偶联剂与纤维表面形成化学作用，得到表面带有疏水基团的改性玻璃纤维的溶液；

步骤四、将表面带有疏水基团的改性玻璃纤维的溶液加入到α型半水石膏、二水石膏及轻质碳酸钙的混合物中，用搅拌器搅拌混合均匀5min，使半水石膏水化，并使铝锆偶联剂与石膏表面形成化学结合，得到混合均匀的浆体；

步骤五、将混合均匀的浆体注入40mm×40mm×160mm的模具内，1.5h后脱模，脱模后的试样在室温下自然养护0.5h后，得高强耐水型玻璃纤维增强增韧石膏板。自然氧护0.5h时，测试其石膏板的抗压强度为33.2mpa，抗折强度14.2mpa；两小时后测得2h绝干吸水率为1.98％；并按照《中华人民共和国jct698-1998》所述的石膏板的软化系数测试方法测得软化系数为0.88。

实施例2～6

实施例2～6中所述的高强耐水型玻璃纤维增强增韧石膏板及其制备方法，其具体实施步骤与实施例1基本相同，原料配比、制备工艺参数不同，具体如表1所示，各项性能指标结果也如表1所示。

表1.实施例2～6中原料配比、制备工艺参数及所得石膏板性能

将上述实施例结果相互对比(实施例2为空白对照组)，可知，在半水石膏用量一致的条件下，二水石膏和玻璃纤维的加入可以使石膏板的抗折强度提升38％以上，铝锆偶联剂的加入可以改善石膏板的防水性能，加入铝锆偶联剂后的石膏板的软化系数可提高28％以上，吸水率也大幅降低。这说明，利用本发明所述的方法制备的增强增韧耐水型石膏板的各项性能都得到明显提升。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。