竹原纤维增强石膏板性能研究

崔博宇，侯志义，王伟宏，张 镭，单伟东

（东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实验室，黑龙江 哈尔滨150040）

中国竹材资源丰富，具有悠久的竹材加工利用历史，人民生活中处处显现原竹建筑、竹家具和竹工艺品的身影。随着现代加工技术水平的提高，竹材以片材、纤维、竹浆等形式在人造板、纺织、造纸和食品加工等行业发挥着重要作用。竹材以其绿色环保和优异的力学性能受到青睐，对它的利用不断扩展，如用于增强石膏、水泥等无机材料。

石膏属于绿色环保型建材，其微孔结构使制品具有优良的隔音、隔热、调湿和防火性能［1］。但石膏板也有诸多缺陷，如承重低、脆性大、吸水性强、硬度低等问题。以纤维作石膏的增强体可以提升石膏的力学强度，改善可塑性［2］。增强纤维以合成纤维为主，如硅灰石纤维［3］和玻璃纤维［4］都使石膏复合材料的整体强度和耐水性能得到显著提高。随着人们环保意识的提高，增强纤维也由合成纤维向天然纤维过渡。孙晋玉等［5］改进了生产过程中铺装工艺与压力成型工艺，并应用微波干燥新技术制备出成本低、质量好的木纤维增强石膏板；周大勇等［6］通过测试麦秸／石膏复合板的一系列性能发现，麦秸／石膏复合板的性能比纸面／石膏复合板优异；李晓平等［7］经过研究发现，大麻纤维可以增强石膏板的保温性能；晋强等［8］通过添加一定量的硅酸盐水泥和高温蒸汽养护使棉花秸秆／石膏复合材料耐水性能得到提高。为提高纤维／石膏复合材强度，还可以对纤维进行处理；Lucolano F等［10］研究发现，麻纤维经水处理后其表面的水溶性物质会大量减少，纤维表面更加粗糙，有利于提高石膏板的强度。

使用天然纤维替代或部分替代合成纤维可以起到提高石膏板性能的作用，且具有更好的环境和经济效益［11］。在各种天然纤维中，竹原纤维是比较新颖的一种，它的主要制取步骤为：竹片→塑化→碾压→分梳→竹原纤维［12］。竹原纤维属于原生纤维素纤维，在自然界存储量大，可再生，对环境十分友好［13］。它的强度高于麻纤维，长径比大于木纤维，而且制备工艺较简单，是一种理想的增强用纤维。

研究利用竹原纤维增强石膏板，采用3种方式处理竹纤维提高增强效果，并对增强机理进行探索分析。结果将为改善石膏复合材性能和竹材综合利用提供新的途径，对环境保护和资源利用具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验原料

实验原料见表1。

表1 实验原料Tab.1 Experimental materials

1.2 竹原纤维增强石膏板的制备

1.2.1 竹原纤维的准备 在室温下将竹原纤维浸没于水中，1 h后取出置于烘箱，在50℃下烘干24 h。对烘干后的竹原纤维进行处理，处理方式包括：

（1）润湿处理：将干纤维用水浸泡，使含水率达到100%。

（2）NaOH处理：将竹原纤维用质量浓度为10%的NaOH溶液在70℃温度下浸泡6 h，之后水洗至中性，在50℃下烘干。制板之前进行润湿处理。

（3）硅烷偶联剂处理：将硅烷偶联剂KH550溶于乙醇，然后喷洒在竹原纤维上，用量占纤维质量的2%。纤维在室温下放置12 h之后进行干燥。制板前进行润湿处理。

1.2.2 石膏复合板的制备 配置质量浓度为1%的缓凝剂溶液，缓慢加入水中搅拌均匀，再加入石膏粉搅拌成均匀的浆料；之后加入竹原纤维，继续搅拌至均匀。水与石膏粉的质量比为1：0.5，缓凝剂占石膏粉质量的0.05%，竹原纤维添加量为石膏质量的3%。将混合均匀的浆料铺装到模具中，制成板坯，置于压机（SL-6型，哈尔滨特种塑料制品有限公司）中加压成型。压力为0.25 MPa，时间为20 min。取出板材，在室温下保压（0.15 MPa）放置12h使石膏充分水化。将板材送入烘箱在35℃温度下干燥24 h，最后制得尺寸为300 mm×300 mm×12 mm的板材。

1.3 性能测试

石膏板在室温下放置7 d后锯切成试件，参照LY／T1598-2011《石膏刨花板》标准进行性能检测。

内结合强度：试件尺寸为50 mm×50 mm×12 mm，加载速度2 mm·s－1。每组测试6个试件。

抗弯性能：采用3点弯曲测试方法，试件尺寸为290 mm×50 mm×12 mm。2支座跨距为试件厚度的20倍，加载速度为2mm·s－1。每组测试12个试件。

吸水性能：试件尺寸为50 mm×50 mm×12 mm。将试件浸于pH值为7±1、温度为（20±1）℃的水槽中，浸泡24 h后取出，擦去表面浮水、称重。试件个数为8。根据浸泡前后的厚度变化计算吸水厚度膨胀率。

红外光谱分析：采用傅里叶变换红外光谱分析仪（Magna-IR560，美国Nicolet公司）对偶联剂处理和未处理的竹原纤维进行分析，测试方法为衰减反射ATR法。

微观结构观察：将复合材试件脆断，吹去表面浮尘，对断面喷金镀膜。利用QUANTA 200F型扫描电子显微镜（美国FEI公司）观察竹原纤维表面的粗糙状况以及竹原纤维与石膏的界面结合情况。

结晶度分析：利用X射线衍射仪（XRD）对石膏和复合石膏板材试件的结晶结构进行测试分析，所用设备为D／max-2200型X射线衍射仪（理学株式会社，日本）。

2 结果与分析

2.1 改性方式对竹原纤维增强石膏复合板抗弯性能和内结合强度的影响

由图1可知，竹原纤维的加入显著提高了石膏板的抗弯强度和内结合强度，润湿处理的竹原纤维能够比干纤维提供更大的增强幅度。与干纤维相比用湿纤维制备的石膏板弯曲模量提高19.88%，静曲强度提高44.53%，内结合强度提高26.09%。这是由于水的内聚力大于纤维素与水分之间的附着力，在水的表面张力作用下短时间内干纤维不容易被水分浸润。对纤维预先进行润湿处理则纤维细胞腔中含有自由水，与石膏浆料里的水分易于混溶，因此石膏浆料对湿纤维的浸润效果更好。润湿处理操作简便，可以明显提高石膏板性能。

竹原纤维经NaOH处理后制成的复合板弯曲模量、静曲强度和内结合强度最大（图1），而偶联剂处理则不够理想。王伟宏等［14］用硅烷偶联剂改性木纤维制备石膏板，弹性模量、静曲强度和内结合强度分别提高了10.07%、41.61%和27.06%，而本研究中硅烷偶联剂处理竹原纤维的增强效果没有木纤维那样明显。红外分析、电镜、XRD分析都显示，这种结果应该与改性后纤维的形态、表面化学性质及其与石膏结合的能力有密切关系。竹原纤维在石膏基质里交织分散，对基质形成一定的锚固作用，也大幅度提高了石膏板的内结合强度，见图1c）。

由图1d）可见，纯石膏受力破坏表现为突然断裂；添加竹原纤维后石膏板的断裂模式发生明显变化，出现应力屈服段，应变增大，脆性显著减小。这是由于竹原纤维本身具有较强韧性，且与石膏复合后界面处存在相互作用，石膏板受力后经过石膏基质断裂、裂纹扩展、界面脱粘、纤维拔出或断裂等过程，使破坏路径延长，石膏板韧性得到显著提高。此外，原竹纤维细长的形态对石膏板复合材的韧性也起到重要作用。因此，尽管偶联剂处理的竹原纤维对提高强度作用结合较小，但仍表现出较好的断裂安全性。

竹原纤维的加入对石膏板的弹性模量也有提高作用，但与抗弯强度相比提高幅度不大。其中，硅烷偶联剂处理对模量改进幅度非常小，这可能是由于硅烷处理使竹原纤维变得柔软。

图1 未改性与改性竹原纤维／石膏复合材的各项性能数据Fig.1 Performance data of unmodified and modified bamboo fiber／gypsum composite

2.2 竹原纤维表面化学特性

图2的红外光谱显示，与未处理的竹原纤维（B）相比，经NaOH处理的竹原纤维未产生明显的特征峰变化，说明表面化学性质没有改变，它对石膏板性能的改善应该是纤维表面形貌改变引起的。经过硅烷偶联剂改性后的竹原纤维（D）在1 588 cm－1位置出现了－NH基伸缩振动峰，在2 927 cm－1出现了－CH2的C－H拉伸振动峰，表明在竹原纤维表面具有硅烷偶联剂的接枝特征。KH550改性后的竹原纤维（D）与未改性的（B）相比，在3 323 cm－1位置的－OH吸收峰强度变弱，说明硅烷偶联剂改性后的竹原纤维表面极性变弱，有利于石膏与纤维结合。

2.3 微观形貌变化

图2 改性与未改性竹原纤维的红外光谱Fig.2 Infrared spectra of modified and unmodified bamboo fibers

从图3中可以看出柱状竹原纤维与石膏晶体的结合情况。与未处理纤维相比，NaOH处理的竹原纤维表面附着了更多石膏晶体（图3b），说明纤维与石膏间的界面结合得到改善。NaOH溶液能够剔除天然纤维表面的蜡质、果胶、木质素、半纤维素等物质，使纤维表面变得粗糙［15］。碱处理纤维在一定程度上会影响基质的结晶度，细小及暴露的微纤丝起到成核位点的作用，因此，处理后粗糙的纤维表面有利于石膏晶体的生长和粘附。从图3b中发现，NaOH处理使石膏晶体变得细小，堆积致密，晶粒间空隙少，这有利于提高石膏板材的力学性能。经过KH550处理的竹原纤维也黏附了较多的石膏晶粒（图3c），说明二者之间相容性有所改善，如红外分析所示，这可能是纤维极性改变造成的。

图3 竹原纤维增强石膏复合板的界面结合微观形貌Fig.3 Micro topography of bamboo fiber reinforced gypsum composites

2.4 结晶分析

二水石膏（CaSO4·2H2O）的衍射峰位于11.5°、21°、29°、31°［16］。与纯石膏板（A）相比，添加竹原纤维的石膏板（B、C、D）其衍射峰均变得更加尖锐，峰高变大，但没有出现新的衍射峰（图4），说明结晶度得到提高。与未处理竹原纤维增强石膏板（B）相比，NaOH处理后的复合板（C）在11.5°、21°、29°、31°都变得更加尖锐，说明石膏结晶晶胞规整，晶型明确，结晶度明显提高。硅烷偶联剂KH550处理的竹原纤维／石膏板（D）仅在11.5°明显增高。XRD谱图说明，添加不同改性方式的竹原纤维使石膏在不同方向的结晶程度得到增强。结晶度升高有利于改善石膏的结构，进一步提高力学性能。

2.5 吸水厚度膨胀率

与纯石膏板相比，添加竹原纤维后的石膏板24 h吸水厚度膨胀率有所增大（表2）。其中，干纤维和湿纤维石膏板膨胀率明显大于其他3种石膏板。NaOH处理竹原纤维增强石膏板的24 h吸水厚度膨胀率最小，与纯石膏板基本相同。这是由于NaOH处理去除了纤维表面的亲水性小分子，而且竹原纤维表面产生的沟槽提高了纤维表面的粗糙度和比表面积，与石膏基体结合变强，能够抵抗水分的浸入。硅烷偶联剂处理则使纤维具有一定疏水性，也有利于保持石膏板的耐水性。

标准LY／T1598-2011《石膏刨花板》对24 h吸水厚度膨胀率的要求是≤3.0%，由表2可知，竹原纤维经过几种处理方式改性后石膏复合板的24 h吸水厚度膨胀率符合要求。

图4 竹原纤维增强石膏复合板的X射线衍射图谱Fig.4 XRD of the bamboo fiber reinforced gypsum composite

表2 竹原纤维增强石膏板的24 h吸水厚度膨胀率Tab.2 24 h water absorption thickness expansion rate of bamboo fibril reinforced gypsum board

3 结论

1）将竹原纤维作为增强体与石膏复合能够显著增强石膏板力学性能，改善其脆性。

2）在几种纤维处理方式中，经NaOH处理后的竹原纤维的增强效果最好。当竹原纤维质量分数为3%、长度为20 mm时，复合材的静曲强度比纯石膏提高77.8%，弯曲模量提高9.4%，内结合强度提高229.6%。

3）与其他几种改性剂处理竹原纤维相比，经过硅烷偶联剂处理的竹原纤维极性减弱，有利于提高耐水性。

4）与干纤维相比，湿纤维可以显著提升石膏板的抗弯性能，方法简单易操作。