（木材科学与技术专业论文）石膏刨花板缓凝机理及界面胶合性能的研究.pdf

摘要 本项研究通过原子吸收光谱仪和扫描电镜等现代仪器分析技术分析不同缓凝剂对石 膏水化过程中c a 2 + 浓度和石膏结晶形态的影响以及p h 值对柠檬酸缓凝效果的影响，探讨 不同缓凝剂的缓凝机理，为今后研制更适合石膏刨花板生产的缓凝剂奠定理论基础。同时 通过研究添加不同材料对石膏刨花板界面胶合性能的影响，在此基础上，探索提高石膏刨 花板综合性能的最佳方案。 无机缓凝剂和有机缓凝剂的缓凝效果有很大差异。研究表明，柠檬酸( 有机缓凝剂) 的缓凝机理不是由于它影响了初始液相过饱和度，而是它加入后一方面和液相中的c a h 发生螯合反应，阻止了液相中c a 2 + 与9 0 4 2 一以及水的结合，有效的抑制了液相中c a 2 + 的剧 烈消耗，另一方面生成的柠檬酸钙包覆在新生成的二水石膏晶核上，延缓了二水石膏晶核 的形成和生长。而无水碳酸钠( 无机缓凝剂) 主要是通过沉淀附着作用来延缓石膏的水化 进程，由于缺少了螯合作用对液相中c 扩剧烈消耗的控制，故其缓凝效果远远不如柠檬 酸。 试验结果表明，不同p h 值对石膏刨花板性能影响比较显著，当p h 值控制在4 5 之 间时，板的综合性能较好，这主要是因为弱酸性条件有利于石膏的固化。但当水化体系的 p h 值过高时，随着碱性的增强，柠檬酸的缓凝效果也随之增强，从而造成板子强度降低。 适当的有机硅防水剂或纳米材料的添加能使石膏刨花板得到较好的物理力学性能。有 机硅防水剂的添加改变了石膏的结晶形态，同时促进了石膏的水化反应，从而提高了石膏 和木刨花的胶合性能。但由于其添加量过多会使水化体系碱性较强，从而导致石膏固化强 度降低，使板的物理力学性能降低，因此有机硅防水剂的添加量不宜太高，在3 - 5 为 宜。用纳米材料对木刨花进行处理时，影响石膏刨花板性能的因素很多。其中，纳米材料 的种类和添加量对石膏刨花板性能的影响最为显著。 关键词：石膏刨花板：缓凝剂：缓凝机理：石膏结晶体：有机硅防水剂 s t u d y o nt h er e t a r d i n gm e c h a n i s ma n di n t e r f a c e b o n d i n gs t r e n g t ho fg y p s u mp a r t i c l eb o a r d a b s t r a c t t h er e t a r d i n gm e c h a n i s mo fd i f f e r e n tr e t a r d e r sw a se x p l o r e d b ya n a l y s i n g t h e c o n c e n t r a t i o no fc a z + i nt h eh y d r a t i n gs y s t e m ，t h em o r p h o l o g yo fg y p s u mc r y s t a l sa n de f f e c to f p hv a l u eo nt h er e t a r d i n ge f f i c i e n c yo fc i t r i ca c i dw i t hs o m em o r d e ni n s t r u m e n t s ，s u c ha sf i r e a t o m i ca b s o r p t i o ns p e c t r o p h o t o m e t e r ( f a a s ) ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) a n ds o o n a n de f f e c to fd i f f e r e n tm a t e r i a l so nt h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fg y p s u m p a r t i c l e b o a r dw a sa l s os t u d i e d t h er e t a r d i n ge f f i c i e n c yo f i n o r g a n i cr e t a r d e ri sv e r yd i f f e r e n tf r o mt h a to f o r g a n i cr e t a r d e r a sa no r g a n i cr e t a r d e r , c i t r i ca c i dh a sn oe f f e c to nt h ei n i t i a ls u p e r s a t u r a t i o no ft h eh y d r a t i n g s y s t e m ，b u th o l d sb a c kt h ec o m b i n a t i o no fc a 2 + ，s 0 4 2 - a n dw a t e rb yc h e l a t e dr e a c t i o nw i t hc a ” i nt h el i q u i d m e a n w h i l e ，t h ec a l c i u mc i t r a t ec o v e r st h es u r f a c eo ft h en u c l e a ro fd i h y d r a t e g y p s u mc r y s t a l s ot h ef o r ma n dg r o w t ho fd e h y d r a t eg y p s u mc r y s t a lw a sd e l a y e d i nc o n t r a s t ， a n h y d r o u ss o d i u mc a r b o n a t e ( ak i n do fi n o r g a n i cr e t a r d e r ) d e l a y st h eh y d r a t i n gp r o c e s sb yt h e a d h e r i n go fc a l c i u mc a r b o n a t et ot h eg y p s u mc r y s t a l i t sl a c k i n go fc h e l a t e dr e a c t i o nl e a d st o q u i t ep o o rr e t a r d i n ge f f i c i e n c yc o m p a r e dw i t l lc i t r i ca c i d t e s tr e s u l t ss h o w e dt h a t p hh a dr e m a r k a b l e e f f e c to nt h ep r o p e r t i e so fg y p s u m p a r t i c l e b o a r d ，a n dt h ei n t e g r a t e dp r o p e r t i e sw e r eb e t t e rw h e nt h ep hi s4 - 5 t h a t sb e c a u s e w e a ka c i d i cc o n d i t i o ni sg o o df o rg y p s u mc u r i n g w h e nt h ep hg e t sh i g h e r , t h ea l k a l i n i t y b e c o m e ss t r o n g e r t h es t r o n g e rt h ea l k a l i n i t yi s ，t h eb e t t e rt h er e t a r d i n ge f f i c i e n c yo fc i t r i ca c i d i s ，a n dt h ew o r s et h ep r o p e r t i e sa r e o r g a n o s i l i c o nw a t e r p r o o fa g e n to rn a n o m a t e r i a la ta na p p r o p r i a t ec o n c e n t r a t i o nc a n i m p r o v et h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fg y p s u mp a r t i c l e b o a r & o r g a n o s i l i c o n w a t e r p r o o fa g e n tc a ni m p r o v em eb o n d i n gb e t w e e nt h eg y p s u ma n dw o o dp a r t i c l eb y p r o m o t i n gt h er e a c t i o no f h y d r a t i n g ，a n dc h a n g i n gt h em o r p h o l o g yo f g y p s u mc r y s m l h o w e v e r , t h eh i g h e rt h eo r g a n o s i l i c o nw a t e r p r o o fa g e n tc o n t e n t , t h eg r e a t e ri st h ea l k a l i n i t y h i g h a l k a l i n i t yr e d u c e st h eb o n d i n gs t r e n g t ho fg y p s u m s ot h ec o n c e n t r a t i o nc a nn o tb et o oh i g h ， 3 一5 i sa p p r o p r i a t e t h e r ea r em a n yf a c t o r st h a tc a na f f e c tt h ep r o p e r t i e so fg y p s u m p a r t i c l e b o a r dw h e nt h ew o o dp a r t i c l ew a st r e a t e dw i t hl l a n o m a t e r i a l w h i l et h ee f f e c to ft h e s o r ta n dc o n t e n to f n a n o - m a t e r i a li st h em o s ti m p o r t a n t k e y w o r d s ：g y p s u mp a r t i c l e b o a r d ；r e t a r d e r ；r e t a r d i n gm e c h e n i s m ；g y p s u mc i y s t a l ； o r g a n o s i l i c o nw a t e r p r o o f a g e n t x u a nl i n g ( w o o ds c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) s u p e r v i s e db yp r o f d e n gy u - h e 致谢 本篇硕士学位论文是在导师邓玉和教授悉心指导下完成的。从论文的选题、构思和方 案的确定，到论文的完成都得到导师的悉心指点。导师渊博的知识、严谨的治学态度、求 实的工作作风给本人以深刻的教诲和启迪。特别是，导师在很多方面给本人以很好的引导， 使本人在以后的学习、工作、生活中受益匪浅。谨此，向导师致以最诚挚的感谢! 在整个课题的研究过程中，得到了南京林业大学机械电子工程学院冯谦院长、孙志武 老师、信息学院雷文副教授、木材工业学院骆嘉言副教授、秸秆中心实验室李显成老师以 及木材加工工艺实验室葛达章师傅的指导、支持和无私帮助，在此表示最诚挚的谢意! 特别是仪器分析实验室宰德欣老师从试验设计、进行到论文撰写修改整个过程中给予 了无私的帮助，在此表达最衷心的感谢! 在整个课题的实验和研究过程中，还得到了刘艳红、黄慧、卢利明、贾永刚、潘明珠、 夏炎等同学以及师妹周梅、韩振华和师弟吉军的帮助和支持，在此一并表示感谢。 最后，衷心感谢我的父母和弟弟在我人生道路上的鼓励，关怀和大力支持。在此向他 们表示最特别最真诚地感谢! 我将在你们的关爱中继续前行! 宣玲 2 0 0 6 年6 月于南林 1 1 课题来源 1 绪论 本项研究来源于国家自然科学基金( 3 0 3 7 1 1 3 0 ) “石膏与木质材料的界面物理化学性质 及i 司化机理研究”和江苏省教育厅高校自然科学基金( 0 4 b 2 2 0 0 5 4 ) “石膏缓凝机理的研 究”，主要研究石膏缓凝剂的缓凝机理以及石膏固化时的结晶形态对石膏刨花板性能的影 响。 1 2 开展石膏刨花板研究的意义 1 2 1 我国木材资源短缺 木材是人们生活不可缺少的重要的绿色再生资源。木材优越的自然属性，使人们越来 越喜欢使用木材。首先，木材是众多材料中唯一可再生的资源。它借助太阳能的光合作用 而生成，可实现资源永续供应。其次，木材是有利于生态和环境的材料。森林每生成i t 木材相应地可产生1 0 7 t 氧气，可吸收1 , 4 7 t 二氧化碳，木材在加工和使用过程中的能耗 也明显低于其他材料。同时，木材还是易于回收和循环利用的材料。再次，木材是具有多 种优异性能的材料。木材不仅具有易于加工、隔热保温和抗震等优异性能，而且具有优越 的强度性能和天然美丽的纹理，是建筑物、纸浆造纸、家具和室内装饰等领域的上等原材 料眠 我国森林资源严重短缺。据第六次全国森林资源清查结果显示，我国现有森林面积 1 7 5 亿公顷，人均约o 1 3 2 公顷，不到世界平均水平的l ，4 ；森林覆盖率1 8 2 1 ，仅相当 于世界平均水平的6 1 5 2 ；森林蓄积量1 2 4 5 6 亿m 3 ，人均9 4 2 1m 3 ，不到世界平均水平 表1 12 0 0 3 年全社会木材消费量 ! ! ! ! ! ! ：! 塑! ! 竺竺! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 竺! 塑! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 塑 用途类别 消耗量，万r n 3比2 0 0 2 年增加 2 0 0 2 年2 0 0 3 年。比例，历m 3， 的1 6 1 2 1 ；, 然而经济的增长都以消耗木材来支撑的，随着我国经济的迅速增长必然伴随着对木材 的需求量越来越大。表1 1 为我国2 0 0 3 年全社会木材消费情况1 3 j 。今后经济建设的快速 发展和人民生活水平的不断提高及人1 ：3 的增加对木材的需求量将在现有的基础上逐年递 增，预计到2 0 0 5 年，在不考虑薪材的前提下，我国对木材的需求量将达到3 _ 3 3 4 亿m 3 木材，比2 0 0 3 年的2 8 3 1 亿i n 3 增加47 0 0 57 0 0 万m 3 ，由于“天保工程”的实施，国产 木材预计增加不多，届时供需缺1 ：3 将达到1 4 1 5 亿i r l 3 木材左右。以此为基础，按每年 木材进口增加1 0 计( 过去1 0 年平均增加1 5 ，2 0 0 3 年较2 0 0 2 年增加1 0 3 ) ，到2 0 1 0 年木材供需缺口将达2 4 亿m 3 左右，这是一个巨大的缺口。 目前，解决我国木材类产品供需矛盾，填平供需缺口，必须实行“开源”与“节流” 并举的方针。一方面要大力发展人工速生林，增加木材进口，另一方面要提高木材综合利 用率f 4 】。 近年来，我国人工林发展迅速，现有面积o 5 3 亿公顷，蓄积量1 5 0 5 亿m 3 ，居世界 首位。但由于其经营水平不高，树种单一，仅靠人工林资源远不能满足全社会对木材的需 求1 2 。 在我国森林资源还不丰富的情况下，适当进口国外木材以弥补国内用材需求缺口是必 要的，但过分地依赖进口或者更多地增加进口量，既受到国际市场供应量的制约，又受到 国家外汇平衡的制约，从长远来看，也是不现实的【4 j 。 为了使有限的森林资源获得最大最有效的利用率，人们一直致力于研究和开发各种新 产品提高木材的综合利用率。开发各类人造板是高效利用木材和节约木材资源的有效途 径，是木质材料发展的重点和世人关心的科学研究前沿，是林业乃至社会经济可持续发展 的重要组成部分。我国木材的采伐量每年以大约5 0 0 万m 3 ，a 的速度递减，而人造板的消 费量则以年均8 - 1 0 的速度递增。 然而随着我国人造板工业的迅速发展，其所需要的大量木材原料供应不足已经是一个 不争的事实。但是，我国每年有大量的非木材资源可以用来生产人造板，从而缓解木材资 源短缺的问题。可以用于生产非木材人造板的主要资源包括竹子、农业剩余物秸秆和沙生 灌木，还有其它无机或有机材料【5 】。 1 2 2 我国石膏资源丰富 我国石膏资源非常丰富，已探明的矿区达1 5 0 多处，总储量达到6 0 0 亿吨以上，占世 界矿储量的5 0 9 2 ：，居世界第一位。矿产主要分布在华东、中南、华北、西北、西南 等区域。其中，华东区的储量近4 0 0 亿吨，占全国总储量的7 0 左右。品种有纤维石膏、 透明石膏、雪花石膏、普通石膏、泥质石膏和天然硬石膏等1 6 。 但长期以来，我国石膏产品的开发和应用远远落后于发达国家。作为三大胶凝材料( 水 2 泥、石灰、石膏) 之一，石膏在建筑工程上没有得到应有的充分开发和利用。国外工业发 达国家，如美、日等国用于建筑业的石膏约占总产量的8 0 。而我国开采的石膏，其总 产量的8 0 以上用于水泥工业作水泥调凝剂，1 5 用于农业、医用与化工等，用于建筑业 的仅占5 。我国已投产的各种石膏板年产量约为4 0 0 0 5 0 0 0 万m 2 。我国石膏板人均占有 量仅为0 0 3 m 2 左右与西方发达国家相差4 0 0 - 8 0 倍【7 】o 水泥和石膏均为胶凝材料，在许多应用领域可以互相替代或补充。目前我国的水泥年 产量高达8 亿多吨( 2 0 0 3 年8 6 亿吨) ，生产水泥的主要原料石灰石资源保有储量全国仅 为5 0 0 多亿吨，按目前我国水泥生产年消耗的石灰石量计算，仅够维持几十年的时间，这 对于我国水泥工业的可持续发展构成了沉重的压力。我国的水泥产量几乎占世界总产量的 一半( 4 5 左右) ，远远大于其他国家的生产量。相对而言，我国的石膏产量偏低。目前我 国石膏的年产量约为4 0 0 0 多万吨，大约是水泥产量的4 5 ，而4 0 0 0 多万吨的石膏产量 中，大约3 5 0 0 万吨作为水泥添加剂用于水泥的生产，其他石膏建材产品的总用量只有8 0 0 多万吨左右，按此计算，水泥的产量是石膏建材产量的1 0 0 倍左右。 表1 2 部分国家2 0 0 1 年水泥和石膏产量及比较 t a b l e1 2c e m e n ta n dg y p s u mo u t p u to fs o m ec o u n t r i e si n2 0 0 1 美国加拿大日本德国法国中国 注：+ 表示含脱硫石膏的产量，单位为百万吨 世界各国都非常重视石膏和水泥的合理分配使用，以美国为例，水泥的年产量约为 8 0 0 0 多万吨，各类石膏建材产品的产量是1 6 0 0 万吨，两者之比为5 4 倍：加拿大水泥产 量是石膏产量的1 5 倍，法国是4 5 倍。表1 2 列出了几个国家2 0 0 1 年水泥与石膏的产量之 比】，从中可看出，这些国家重视石膏的生产和使用，石膏的产量相对较大，水泥和石膏 应用比例保持在较合理的范围内。显然，同这些国家相比，我国的水泥与石膏产量结构比 例不合适，水泥产量过大，而石膏的产量偏小。虽然在经济建设高峰的初期阶段，对水泥 的需求和使用量较大，但目前如此大的产量，从资源的储量来看，难以长久维持。而我国 的石膏储量大，开采量相对较小。因此，应加大石膏的开发力度，大力发展石膏胶凝材料 的应用范围，减轻对水泥胶凝材料的依赖程度，保持矿产资源合理开采及使用。 另外，今后墙体材料的改革方向是限制和禁止粘土实心砖的生产和应用，发展其他的 新型墙体材料产品。绝大多数的墙体材料产品所用的胶凝材料主要是两种：水泥和石膏。 在水泥、石膏、石灰3 大无机胶凝材料中，以石膏的制造能耗为最低，约为石灰的l 3 ， 水泥的l ，4 1 7 j 。石膏不仅生产能耗低，而且回收利用性好。在国外，废石膏建材产品一般 要回收利用，掺加量可占到原料的5 。从可持续发展( 或循环经济) 的角度来看，石膏 是很好的环境友好材料。 从合理利用矿产资源和可持续发展的观点来看，开发利用我国丰富的石膏资源，有利 于建筑业的可持续发展。所以应大力发展石膏建材及其产品。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 石膏刨花板 石膏刨花板的研究始于八十年代初，近二十年来国内外对它的研究还集中在原材料对 板材性能的影响、板材的生产工艺参数如木膏比、水膏比对板材性能的影响等方面，同时 对添加剂对板材性能的影响以及石膏刨花板的经济效益也进行了初步研究【9 - 2 l l 。 石膏刨花板生产中为了使石膏的初凝时间满足工艺要求，需要添加缓凝剂，但缓凝剂 的添加对板的性能影响很大。研究表明，石膏刨花板生产中常用的缓凝剂柠檬酸的添加量 对板的性能影响很大，当其添加量小于o 1 时板的性能较好1 1 9 l 。 国内外也对石膏刨花板生产中的其它添加剂进行了研究。研究结果表明，添加0 5 1 的硼砂可延长石膏的初凝而对板的物理力学性能不产生明显的负影响，相反对板的某 些物理力学性能还有一定的改进。添加5 1 0 的水泥对石膏刨花板的物理力学性能均 有所改进，特别是对板的吸水厚度膨胀率的降低最为明显。水泥用量1 0 时，对板的物 理力学性能的改进最为明显。硼砂和水泥的相融性较好，同时使用，不会产生不良影响田】。 此外，中国林科院木材工业研究所也研究了矿渣硅酸盐水泥对石膏水化性能及石膏刨花板 静曲强度和耐水性能的影响 2 4 1 。 石膏刨花板的经济效益良好，而且具有环保方面的社会效益，但与美国、日本等国家 相比，工业化生产规模和市场销售量都相差甚远。随着我国经济建设的快速发展，大力开 发新型建材市场，宣传其优越性，将为石膏刨花板的发展提供广阔的前景和巨大的市场潜 力叫。 但由于石膏刨花板生产中所采用的原料石膏和刨花是亲水性物质，因此石膏刨花板也 存在着耐水性较差的缺点【2 3 】。提高石膏刨花板的耐水性，对扩大其使用范围具有重要的 现实意义。然而国内外关于这方面的研究甚少。 1 3 2 缓凝剂 建筑石膏的凝结硬化速度相当快，初凝时间通常为1 0 m i n 左右，强度发展迅速，1 5 h 的强度可达绝干强度的l 3 l ，2 0 ，建筑石膏的这种特点给施工操作带来许多不便，为了 解决这一难题、常采用掺缓凝剂来调节建筑石膏的初凝时间1 2 6 1 。 建筑石膏的凝结硬化过程即二水石膏结晶结构网的形成过程，根据h l e c h a t e l i e r 结 晶理论，c a s 0 4 1 2 h 2 0 h e 0 体系的水化过程要经历c a s 0 4 i 2 h 2 0 的溶解与水化、 c a s 0 4 2 h 2 0 的析晶和生长阶段，影响c a s 0 4 - 2 h 2 0 晶体成核和生长最重要的因素是液相 4 的过饱和度。由此可见，建立液相较高的过饱和度并使之维持足够的时间是建筑石膏凝结 硬化的必要条件。凡能影响水化3 个阶段的外加剂，均能影响建筑石膏的凝结硬化过程【2 7 1 。 石膏的缓凝剂大体上分无机盐类、有机酸类和有机大分子类三种。无机盐类缓凝剂包 括磷酸二氢胺、磷酸一氢钙、焦磷酸钠、硼酸和硼砂等；有机酸类缓凝剂包括柠檬酸、柠 檬酸钠、酒石酸和d l - 苹果酸等：有机大分子类包括木质磺酸钙等。有时还可以将以上缓 凝剂几种混合使用。 研究表明缓凝作用愈强，强度降低愈多；复合缓凝剂使用效果明显优于单一缓凝剂； 柠檬酸及其钠盐、d l 苹果酸是建筑石膏较好的缓凝剂 2 8 1 。但由于d l 苹果酸的价格较高， 目前使用很少。 各类缓凝剂的缓凝机理分别为：无机盐类缓凝剂的作用机理在于无机盐在溶液中离解 并与溶液中的c a 2 + 离子迅速发生反应生成不溶性钙盐沉淀于半水石膏粒子表面，阻碍了 半水石膏的进一步溶解，从而降低液相过饱和度，凝结硬化过程受阻。有机酸类缓凝剂的 作用机理是一方面，有机酸与溶液中的c a 2 + 离子反应生成有机酸钙沉淀于半水石膏粒子 表面；另一方面，有机酸与c a 2 + 离子络合成六元环状螯合物，极大地延缓了二水石膏晶 胚的形成。有机大分子的缓凝机理与表面活性剂的定向吸附有关。有机大分子的憎水基团 定向吸附于半水石膏粒子表面，阻止了半水石膏的溶解，推迟了溶液达到二水石膏析晶过 饱和度所需时间，从而延缓了二水石膏成核、析晶和生长【2 7 - 2 9 1 。 但对于石膏刨花板的缓凝机理没有相关研究。 1 3 3 纳米材料 纳米科技产生于2 0 世纪8 0 年代末，9 0 年代初才逐步发展起来而成为一门新兴的学 科。我国的纳米科技研究，特别是在纳米材料方面已经取得了重要的进展，许多新兴纳米 产品不断出现。 通常把粒径在0 1 - 1 0 0 纳米( n ) 范围的粉末和材料叫做纳米材料，其制造技术叫做纳 米技术( n a n o t e c h n o l o g y ) ，把颗粒尺寸在1 矿1 0 9 m 的固体颗粒材料通称为超细粉体，其中 颗粒粒径大于l o o n m 的称为微米、亚微米材料。 由于颗料尺寸的微细化，使它的许多物理、化学性能产生了特殊变化，人们将这些性 能应用在化工、轻工、冶金、电子、高技术陶瓷、复合材料、核技术、生物医学以及国防 尖端技术等领域，大大地推进了这些领域的发展。可以说，纳米材料正在渗入整个工业部 门和高技术领域。 纳米材料具有表面效应和体效应两种特性。表面效应是指超微粒子的表面原子数与总 原子数之比随粒径的变小而急剧增大。表面原子的晶场环境和结合能与内部原子不同，具 有很大的化学活性，晶体场的微粒化伴有这种活性表面原子的增多，其表面能大大增加， 这主要是由于表面原子的周围缺少相邻的原子，有许多悬空键，具有不饱和性质，易与其 它原子相结合而稳定下来。体效应是指由于超微粒子包含的原子数减少而使能带中能级间 隔加大。大致分为量子效应和小尺寸效应两种 3 0 1 。 利用纳米技术对木材进行改性，能在不同程度上改善木材的各种性能，提高木材使用 效率，具有重要的现实意义和广阔的市场前景，因而成为近几年复合材料尤其是纳米复合 材料应用研究的一个热点【3 。训。 但目前还未见利用纳米材料对石膏刨花板进行改性的研究。 1 4 石膏刨花板发展存在的问题 1 4 1 技术问题 石膏刨花板自上世纪8 0 年代问世以来，经过二十多年的探索和研究，其生产工艺以 及技术参数已经比较成熟，但在实际生产中还存在着一些问题，主要有以下三个方面： 石膏的缓凝。石膏的初凝时间通常为1 0 分钟左右，为满足生产工艺的要求，通常 要添加一些缓凝剂使石膏的初凝时间延长到2 小时左右。过去的研究发现不同掺量、不同 缓凝剂具有不同的缓凝作用，他们不仅影响初凝时间，还影响凝结过程，影响石膏与木材 的凝结固化强度 3 5 - 3 7 l 。目前，国内石膏刨花板生产所用的缓凝剂是柠檬酸，其添加量的细 微变化都会给板子的质量带来波动，给生产带来了诸多困难。因此需要研制更适合石膏刨 花板生产的缓凝剂。 ， 提高板的耐水性能。由于石膏刨花板生产中所采用的原料石膏和刨花是亲水性物 质，石膏刨花板在使用过程中容易吸水，导致吸水厚度膨胀率增加，板性能降低。为了使 石膏刨花板在使用过程中保持较好的性能，延长其使用寿命，需要提高其耐水性能。 降低板的密度。现在国内的石膏刨花板生产厂家为了使其所生产的石膏刨花板的强 度能达到行业标准1 3 8 】，一般都通过增加板的密度来实现。它们的密度一般高达1 3 9 c m 。 如果能通过提高木材本身强度、木材和与石膏问胶合强度，使石膏刨花板在较低的密度条 件下达到标准规定的要求，则可以更加凸显出其轻质的优点，从而扩大其使用范围。 1 4 2 价格问题 我国目前的生产技术主要是从德国引进，生产成本高。此外，国内的石膏刨花板 生产厂家为了保证产品质量提高了板的密度，这样又增加了原料的消耗，从而增加了生产 成本。 石膏刨花板一般用于做内墙材料，但由于其价格远远高于粘土砖、钢筋混凝土结构和 其它建筑材料，失去了价格的市场竞争力，因而难以在国内大量推广。 6 1 4 3 市场问题 对于石膏刨花板，很多相关部门在8 0 代曾经做了大量的研究和推广工作，但是目前 无论是研究工作或是推广工作都处于比较低迷状态，其主要原因在于产品的市场推广不畅 和定位不准。在国外，上述产品主要用于房屋建筑和内装修，而我国目前在该领域尚未引 起相关部门重视，因此需要科研部门和生产企业积极和相关的政府部门进行沟通交流，使 之能够尽快在市场中得到广泛应用1 删。 1 5 本研究的创新点 本研究的创新点在于：利用原子吸收光谱仪和扫描电镜等现代仪器分析技术对石膏与 木材凝结固化的全过程进行监测与采样分析，通过对石膏水化过程中液相c a 2 + 浓度变化、 添加不同比例缓凝剂后石膏晶体生长过程以及p h 值对柠檬酸缓凝效果的影响的观察和分 析，并结合板的物理力学性能，探讨了石膏刨花板的缓凝机理，并将纳米材料引入石膏刨 花板领域，填补了这一空白。 本研究的结果可以为今后研制适合石膏刨花板生产的复合缓凝剂提供理论依据：通过 对提高石膏与木材界面胶合性能的研究，达到生产高强度石膏刨花板的目的。 i 6 参考文献 【1 】孙建中国木材工业发展现状趋势和政策取向【j 绿色中国2 0 0 4 ( 1 2 ) ：1 7 - 2 0 【2 】国家林业局公布第六次森林资源清查结果 h t t p ：w w w p e o p l e c o r n c n g b h u a n b a o 1 0 7 2 3 1 2 7 5 3 3 h u n l 【3 】- 朱光前中国进口木材及林产品的态势及走向【j 】木材工业2 0 0 4 1 8 ( 2 ) ：i - 7 【4 】贾骞，刘国珍中国木材类产品的供需状况及对策【j 】国际造纸2 0 0 2 2 1 ( 6 ) ：1 0 一1 2 【5 】于文吉，王天佑我国非木材人造板的原料、市场和发展方向【j 】人造板通讯2 0 0 5 c 2 ) ：1 2 1 4 【6 】三亿五平方米是起步一中国石膏及其制品发展回顾 h t t p ：w w w c h i n a b m n e t c o m ，b x p d j c z s m c z s h 一2 2 h i m 【7 】朱瀛波，张高科石膏工业对发展我国新型建材的作用【j 】中国非金属矿工业导刊1 9 9 9 ( 6 ) ：8 1 0 【8 】徐洛屹石膏墙体材料的发展及评价h t t p ：w w w 1 i b o t e r c o m p a g e s g r o u p p a p e r 8 h t m l 9 】邓玉和，张沛原材料对石膏刨花板性能的影响【j 】建筑人造板1 9 9 4 ( 4 ) ：3 1 3 3 【10 】张沛，邓玉和石膏刨花板刨花的制各和石膏的煅烧、焙烧【j 】建筑人造板1 9 9 5 ( 1 ) 2 9 - 3 3 【11 】邓玉和，张沛石膏刨花板的铺装、加压和干燥【j 】建筑人造板1 9 9 5 ( 4 ) ：2 2 - 2 4 【1 2 】刘正添对水泥( 石膏) 刨花板半干法成型设备设计的几点看法【j 】建筑人造板1 9 9 9 ( 1 ) ：1 3 1 5 【1 3 】陆熙娴，赵景芳，胡克爽石膏刨花板生产工艺问题探讨四木材工业1 9 9 8 1 2 ( 1 ) ：2 2 - 2 5 7 14 】唐永裕石膏刨花板生产技术 j 】人造板通讯1 9 9 5 ( 8 ) ：3 5 【1 5 】龙玲，陆熙娴脱硫石膏刨花板制造工艺的初步研究【j 】术材工业2 0 0 0 1 4 ( 3 ) ：1 3 1 4 f 1 6 1 魏萍，刘景宏油棕丝石膏刨花板的研制【j 】建筑人造板2 0 0 2 ( 1 ) ：2 8 3 0 【1 7 】潘淑清，丁丹，陈舜卿蔗渣石膏刨花板生产工艺特点【j 】林产工业2 0 0 2 2 9 ( 3 ) ：2 7 - 2 8 【1 8 y u h ed e n g , t a k e s h if u r u n o ，t o h r uu e h a r a i m p r o v e m e n to i lt h ep r o p e r t i e so f g y p s u mp a r t i c l e b o a r db y a d d i n gc e m e n t j j o u r n a lw o o ds c i e n c e 1 9 9 8 4 4 ( 3 ) ：9 8 1 0 2 【1 9 y u h ed e n g , t a k e s h if u r u n o , y u f e iw u e f f e c to f b u f f e ro ng y p s u mp a r t i c l e b o a r dp r o p e r t i e s j j o u m a l w o o ds c i e n c e - 2 0 0 1 4 7 ( 5 ) ：3 5 6 _ 3 6 1 【2 0 y u h ed e n g , t a k e s h if u r u n o p r o p e r t i e so f g y p s u mp a r t i c l e b o a r dr e i n f o r c e dw i t hp o l y p r o p y l e n ef i b e r s j j o u r n a lw o o d 。s c i e n c e 2 0 0 1 4 7 ( 6 ) l ：4 4 5 - 4 5 0 【2 1 1 y u h ed e n g , t a k e s h if u r o n o s t u d yo ng y p s u m - b o n d e dp a r t i c l e b o a r dr e i n f o r c e dw i t h j u t ef i b e r s j h o l zf o r s c h u n g 2 0 0 2r 5 6 ) ：4 4 0 - 4 4 5 2 2 1 邓玉和石膏刨花板制造工艺南京林业大学人造板教研组 【2 3 】邓玉和，古野毅添加剂对石膏刨花板的影响【j 】林产工业1 9 9 8 2 5 ( 2 ) ：5 - 7 【2 4 张宣生，陈士英提高石膏刨花板耐老化性能的进一步研究【j 】木材工业1 9 9 2 6 ( 3 ) ：6 1 0 【2 5 王伟宏，濮安彬，陆仁书，李欣水泥刨花板与石膏刨花板项目的经济分析【j 】木材工业2 0 0 1 1 5 ( 6 3 l ：1 9 - 2 1 f 2 6 李庚英无机缓凝荆对建筑石膏性能的影响【j 】新型建筑材料2 0 0 0 ( 8 ) ：1 3 1 5 【2 7 余红发缓凝剂对建筑石膏物理力学性能的影响【j 】新型建筑材料1 9 9 9 ( 4 ) ：1 3 1 5 【2 8 】余红发，何庆英，李颖，李生堂建筑石膏缓凝剂的研究【j 】- 沈阳建筑工程学院学报2 0 0 0 1 6 ( 2 ) ：1 0 9 - l l l 【2 9 1 刘巽伯，计亦奇等s 型石膏缓凝剂缓凝效果的检测方法【j 】材料研究2 0 0 1 2 9 ( 3 ) ：3 2 - 3 4 【3 0 谢克难，游贤贵纳米材料及其制备与应用叨i i t i 有色金属1 9 9 4 ( 2 ) ：8 1 6 【3 1 1 c o r d t z o l l f r a n k , h e i n o s i e b e r m i c r o s t r u c t u r ea n dp h a s em o r p h o l o g yo fw o o dd e r i v e db i o m o r p h o u s s i s i c - c e r a m i c s j j o u r n a lo f t h ee u r o p e a nc e r a m i cs o c i e t y 2 0 0 4 2 4 ( 2 ) ：4 1 5 - 5 0 6 【3 2 王西成，田杰陶髫 化木材的复合机理叨材料研究学报1 9 9 6 1 0 ( 4 ) ：4 3 5 - 4 4 0 【3 3 王西成( s i 一，a l ) 陶瓷化木材的化学方法【j 】材料研究学报2 0 0 0 1 4 ( 1 ) ：5 1 5 5 【3 4 廖秋霞，卢灿辉，许晨原位溶胶- 凝胶法制备木材- p m m a s i 0 2 复合材料及其显微结构【j 】福建 化工2 0 0 1 ( 1 ) ：2 1 - 2 3 3 5 1 彭家惠，彭志辉，瞿金东，万体智缓凝剂对建筑石膏结构与强度的负面影响【j 】哈尔滨工业大 学学报2 0 0 4 3 6 ( 9 ) ：1 1 7 7 一1 1 8 1 【3 6 】吴莉，彭家惠，万体智，张建新缓凝剂对建筑石膏水化过程和硬化体微结构的影响【j 】新型建 筑材料2 0 0 3 ( 7 ) ：l - 3 f 3 7 】彭家惠，瞿金东，吴莉，张建新柠檬酸对二水石膏晶体生长习性与晶体形貌的影响【j 】东南大 学学报2 0 0 4 3 4 f 3 ) ：3 5 6 - 3 6 0 【3 8 l y ，r1 5 9 8 - 2 0 0 2 石膏刨花板中华人民共和国林业行业标准【s 】 3 9 1 华毓坤人造板工艺学【m 】中国林业出版社2 0 0 2 ：2 7 9 - 2 8 7 d o 于文吉，王天佑我国非木材人造板的发展现状和存在问题川人造板通讯2 0 0 4 ( 1 2 ) ：5 7 窘 2 研究内容及方案设计 以石膏为胶凝材料，木质刨花为增强材料制成的石膏刨花板在世界上已有较长的生产 历史。石膏刨花板作为一种建筑材料得到了应用，被列为新型墙体材料。目前工业生产上 均采用由德国科学家发明的半干法石膏刨花板生产工艺。我国也已用引进设备和国产设备 建成多条石膏刨花板生产线。可以说其生产工艺己较为成熟，但由于受石膏粉质量以及缓 凝剂等多种因素的影响产品质量不太稳定。目前，国内石膏刨花板生产所用的缓凝剂是柠 檬酸，其添加量的细微变化都会给板子的质量带来波动，给生产带来了诸多困难。因此有 必要研究缓凝剂的缓凝机理为研制更适合石膏刨花板生产的缓凝剂提供理论依据。 本研究运用x 射线衍射仪、原子吸收光谱仪、扫描电镜等现代仪器分析技术对石膏 与木材凝结固化的全过程进行监测与采样分析，了解石膏在不同条件下的结晶形态，延长 石膏的初凝时间所形成的化学物质。从扫描电镜得到的微观结构图像中提取晶体形态与有 关物质的特征值，结合实验板材的物理力学性能，分析研究石膏的缓凝机理、结晶体的形 态、水化物质的形成对石膏与木材界面固化强度的影响，并对通过添加纳米材料以提高石 膏刨花板性能的可行性进行了初步研究。 2 1 不同缓凝剂缓凝机理的研究 过去的研究发现不同掺量、不同缓凝剂具有不同的缓凝作用，它们不仅影响初凝时间， 还影响凝结过程，影响石膏与木材的凝结固化强度。研究选取柠檬酸为有机缓凝剂代表， 无水碳酸钠为无机缓凝剂代表，采用原子吸收光谱仪测定添加不同缓凝剂后石膏凝结固化 过程中的c a 2 + 浓度的变化情况，并通过扫描电镜( s e m ) 观察该过程中石膏结晶形态的变 化，再结合添加不同缓凝剂所制得的板的性能数据分析不同缓凝剂的缓凝机理。 2 2p h 值对柠檬酸缓凝效果的影响 通过分析不同p h 值条件下石膏凝结固化过程中的c a 2 + 浓度的变化情况，以及所制得 的石膏刨花板的物理力学性能，讨论p h 值对柠檬酸缓凝效果的影响并分析原因，为今后 研制更适合石膏刨花板生产的缓凝剂提供参考。 2 3 有机硅防水剂对石膏刨花板晃面胶合性能的影响 由于石膏刨花板生产中所采用的原料石膏和刨花是亲水性物质，石膏刨花板在使用过 程中容易吸水，导致吸水厚度膨胀率增加，板性能降低。为了使石膏刨花板在使用过程中 9 保持较好的性能，延长其使用寿命，本研究通过添加防水剂并改变其添加量，观察防水剂 对石膏刨花板各项性能的影响，找出最佳的添加比例，并采用电镜扫描以及x 射线衍射 等现代仪器分析方法分析其机理。 2 4 纳米材料的添加对石膏刨花板界面胶合性能影响的初探 通过超声处理的方法将纳米材料添加到木刨花中，然后与石膏混合压制石膏刨花板， 探讨纳米材料的种类以及添加量对石膏刨花板各项性能的影响并分析其原因a 1 0 3 1 前言 3 不同缓凝剂缓凝机理的研究 半水石膏凝结硬化很快，其初凝时间通常为1 0 m i n 左右，可操作时间很短，为满足 石膏刨花板生产工艺的要求，生产中通常要添加一些缓凝剂使石膏的初凝时间延长到2 h 左右。 国内外对各类缓凝剂的作用效果和作用性能方面做了一些研究 1 - 4 1 ，目前常用的缓凝 剂大体上分为无机盐类、有机酸类以及复合缓凝剂三种。不少资料表明【5 0 j ，大多数缓