硅烷偶联剂提高玻璃棉板防水耐碱性的技术研究

路国忠，郑学松，丁秀娟，周丽娟

（固废资源化利用与节能建材国家重点实验室，北京 100041）

硅烷偶联剂提高玻璃棉板防水耐碱性的技术研究

路国忠，郑学松，丁秀娟，周丽娟

（固废资源化利用与节能建材国家重点实验室，北京 100041）

采用硅烷偶联剂对玻璃棉板进行浸润处理，从而提高玻璃棉板的防水耐碱性，考察了硅烷偶联剂对玻璃棉板关键性能指标的影响。测试结果表明，硅烷偶联剂能够提高玻璃棉板的防水和耐碱性能，硅烷偶联剂用量控制在3%以下时对玻璃棉板其它性能不会造成损害，并且可以提高玻璃棉板的力学强度。

硅烷偶联剂；玻璃棉板；防水性；耐碱性

0 前言

玻璃棉板是以石英砂、白云石、蜡石等天然矿石配以其它化工原料（如纯碱、硼等）经过高温熔融、玻璃液澄清、离心甩丝、固化成型等关键工艺制成的保温隔声材料，具有良好的保温、隔热、吸声性能，燃烧性能为A级，质量轻（易于施工时的搬运、加工、安装），具有良好的物理和化学性能[1-3]。玻璃棉板作为防火A级的保温材料在欧洲使用比较普遍、成熟，国内一些单位也开展了玻璃棉板外墙外保温技术的研究与应用，但在使用过程中出现了许多问题。我国目前玻璃棉板的“短时间-部分浸泡吸水量”超过欧洲标准所规定指标的10～20倍，是不适应外墙外保温要求的。因此，改善其防水性能对于保持无机纤维的保温性，提高其耐用性非常必要。改善无机纤维棉板防水性能的方法主要是在纤维层和界面层之间设置防水膜、设置防水层（布或者纸材料）、喷涂防水层。尽管这些方法取得了一定的效果，但是成本很高，或者防水性能有限。因此，如何在成本增加不多的前提下大幅度提高无机纤维的防水性成为一个非常重要的课题。

此外，玻璃棉板的耐碱性也是业内十分关注的问题。因为玻璃棉板作为保温材料，在上墙过程中需要涂覆砂浆界面剂，而砂浆界面剂又多以碱性为主，因此玻璃棉板的耐碱性将直接决定系统的耐用性。如何提高无机纤维棉的防水性和耐碱性，降低处理成本，具有重要的研究价值。

本文采用硅烷偶联剂对玻璃棉板进行浸润处理，从而提高玻璃棉板的防水耐碱性。无机纤维棉作为一种复合材料，硅烷偶联剂既可以改善树脂与玻璃纤维的界面状态，防止其它介质向界面渗透，同时能在玻璃纤维表面形成一层包覆层。因此，硅烷偶联剂能够提高玻璃棉板的防水性和耐碱性。

1 实验

1.1 实验材料

硅烷偶联剂：KH550；冰醋酸；NaOH；玻璃棉板：金隅金海燕玻璃棉有限公司生产。

1.2 硅烷偶联剂水溶液的配制

1.2.1 pH值对硅烷偶联剂偶联作用的影响

硅烷偶联剂水溶液的pH值不仅影响处理的最终效果，而且还影响硅烷的水解速度[4]。硅烷水解后产生的硅烷三醇能够缩聚产生双硅氧烷和硅氧烷的低聚物，这些物质没有偶联作用，而且水溶性弱，容易沉淀出来。KH550缩聚反应速度与pH值的关系见表1。

从表1可以看出，为了保持硅烷偶联剂KH550的稳定性，硅烷偶联剂水溶液的pH值应控制在7～8。

1.2.2 硅烷偶联剂浓度对偶联作用的影响

实验过程中发现，硅烷偶联剂KH550的用量（质量浓度）也影响其水溶液的水解速度。当硅烷偶联剂浓度超过3%时，硅烷偶联剂的水解速度明显加快，溶液很快就会出现液面结皮的现象；当偶联剂浓度超过5%时，溶液出现浑浊沉淀，无法使用。所以，选用硅烷偶联剂的浓度为0.5%～2.0%。

1.3 硅烷偶联剂浸润处理玻璃棉板的工艺流程

首先，配制一定浓度和pH值的KH550溶液，并将玻璃棉板完全浸泡在KH550溶液中，浸泡时间为2 min，然后将浸泡后的玻璃棉板晾晒10 min，主要是沥去玻璃棉板上过量的浸润剂，然后将处理后的样品放入70℃烘箱中干燥20 min。

1.4 改性玻璃棉的表征及性能测试

用日本日立公司的S-3400扫描电子显微镜观察硅烷偶联剂处理后的玻璃棉板的形貌，并通过质量损失率试验考察改性玻璃棉板的耐碱性；通过短期吸水量变化对玻璃棉板的耐水性能进行评价；考虑到玻璃棉板经过浸润处理后某些关键性能指标可能受偶联剂影响，采用对比试验，对改性玻璃棉板的防火性能、导热系数、垂直拉拔强度和压缩强度等进行了测试[5-6]。

2 结果与讨论

2.1 硅烷偶联剂的耐碱作用

2.1.1 形貌表征

通过观察玻璃棉板被碱侵蚀后的表面损毁程度表征其耐碱性能，碱液处理后的纤维表面越粗糙，说明该纤维耐碱性能越差。图1所示为普通玻璃棉板和经硅烷偶联剂KH550浸润处理后的玻璃棉板经NaOH溶液浸泡后的扫描电镜照片。

从图1可以看出，普通玻璃棉板经NaOH溶液直接浸泡后，棉丝出现了空心结构，同时棉丝表面出现严重的粉化掉渣现象；而经过硅烷偶联剂KH550浸润处理过的玻璃棉板，虽然在棉丝表面也出现了一定的粉化现象，但粉化状况明显好于未处理的玻璃棉板。通过扫描电镜照片对比可以得出，采用硅烷偶联剂KH550对玻璃棉板进行表面处理，具有一定的耐碱保护作用。

2.1.2 硅烷偶联剂对玻璃棉板耐碱质量损失率的影响

用10%的NaOH溶液浸泡一定质量的玻璃棉板1 h，然后用蒸馏水进行冲洗，烘干后称量，并计算玻璃棉板的质量损失率。NaOH溶液浸泡后普通玻璃棉板与改性玻璃棉板的质量损失率分别为2.3%、1.8%。可见，经硅烷偶联剂浸润处理可以在一定程度上减少玻璃棉板的耐碱质量损失率，但是仅用偶联剂进行耐碱处理，效果并不十分明显。

2.2 硅烷偶联剂的防水作用

短期吸水量能准确、快速反应材料的防水性能。采用不同浓度的硅烷偶联剂KH550对玻璃棉板进行浸润处理，通过短期吸水量（部分浸入24 h，GB/T 25975—2010）的变化可以对玻璃棉板的防水性能进行评价。图2为玻璃棉板短期吸水量随KH550浓度变化曲线。

从图2可以看出，经硅烷偶联剂改性后的玻璃棉板较普通玻璃棉板的短期吸水量明显降低，当KH550的浓度大于0.5%时，玻璃棉板的短期吸水量降低了40%～50%，硅烷偶联剂能够有效地提高玻璃棉板的防水性能。但当硅烷偶联剂浓度超过0.5%时，玻璃棉板的短期吸水量随着硅烷偶联剂用量的增加略有降低，但效果并不明显，甚至当硅烷偶联剂处理液浓度超过3%时吸水量反而上升。因此，不需要高浓度的硅烷偶联剂处理，就能达到较好的防水效果。

2.3 改性玻璃棉板的综合性能参数

硅烷偶联剂的浸润处理对玻璃棉板的防水性能和耐碱性均具积极作用，但是否会影响玻璃棉板的其它性能仍需考证。本实验采用对比试验的方式，考察了硅烷偶联剂浸润处理对玻璃棉板其它性能指标（可能受偶联剂影响的关键指标）的影响。参照GB 8624—2012《建筑材料及制品燃烧性能分析》、GB/T 20284—2006《建筑材料或制品的单体燃烧试验》等标准对改性玻璃棉板的关键性能指标进行测试分析，结果如表2所示。

2.3.1 改性玻璃棉板的防火性能

硅烷偶联剂的引入，可能会影响玻璃棉板本身的防火等级。但从表2可以发现，当KH550溶液的浓度控制在3%以内时，玻璃棉板的燃烧热值基本不产生变化。因此，用硅烷偶联剂处理过的玻璃棉板仍然可以保持良好的防火性能，其燃烧热值可达到2.58 MJ/kg。

2.3.2 改性玻璃棉板的导热系数

从表2可以发现，用硅烷偶联剂处理的玻璃棉板导热性能与普通玻璃棉板的导热性能基本相同。

2.3.3 改性玻璃棉板的垂直拉拔强度和压缩强度

从表2可以看出，浸润处理后的玻璃棉板垂直拉拔强度和压缩强度基本没有变化或者略有提高。由于KH550能够增大玻璃棉板中纤维的结合力，起到一定的粘结作用，但粘结力不会很大，同时KH550的使用量较少，因此浸润处理后的玻璃棉板垂直拉拔强度基本没有变化或者略有提高；压缩强度也有同样的变化规律，但是相对于压缩强度的数值，偶联剂对压缩强度的影响就更小了。

3 结论

（1）硅烷偶联剂的浸润处理可以改善玻璃棉板的防水性能和耐碱性。

（2）硅烷偶联剂KH550的适宜浓度为0.5%～2.0%，为了保持硅烷偶联剂的稳定性，硅烷偶联剂水溶液的pH值应限制在7～8。

（3）当硅烷偶联剂KH550的浓度控制3%以下时，对改性玻璃棉板的综合性能不会造成损害，并且可以略微提高玻璃棉板的力学强度。

[1]周波.玻璃棉及其制品的应用[J].塑料制造，2012（5）：74-75.

[2]姚家伟，侯兆铭，姚亦舒.几种建筑外墙保温材料的抗火性能分析[J].低温建筑技术，2012（7）：4-6.

[3]于原.外墙外保温材料性能分析及应用思考[J].中国建材科技，2012（4）：52-55.

[4]葛敦世.玻璃纤维碱侵蚀反应的动力学探讨[J].玻璃纤维，2005 （5）：4-9.

[5]吴永坤，龚方红，沙德仁.纤维玻璃耐碱性的研究[J].玻璃纤维，2004（4）：6-14.

[6]胡萍，姜明，黄畴，等.硅烷偶联剂的界面性能研究[J].表面技术，2004（5）：19-21.

Technology research on the waterproofness and alkali resistance of silane coupling agent modified glass wool board

LU Guozhong，ZHENG Xuesong，DING Xiujuan，ZHOU Lijuan
（State Key Laboratory of Solid Waste Utilization in Building Materials，Beijing 100041，China）

The glass wool board was treated with silane coupling agent to improve its waterproofness and alkali resistance. And the effects on key performance indicators of silane coupling agent on glass wool board were investigated.Test results showed that silane coupling agent could enhance the waterproofness and alkali resistance of glass wool board.It will not cause damage to other property when the addition is less than 3%，and may enhance the mechanical strength of glass wool board.

silane coupling agent，glass wool board，waterproofness，alkali resistance

TU57+2

A

1001-702X（2015）06-0053-03

2014-12-25

路国忠，男，1969年生，北京人，教授级高级工程师，硕士，研究方向为节能环保建材。