磷酸基地聚物杉木纤维复合材料的制备及其性能研究

来源 :南宁师范大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:DDD1968
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地聚物作为一种新型胶凝材料,因其有着高抗压强度、低收缩、不透水性、耐火性、抗冻性、耐腐蚀性等众多优点,被广泛应用于建筑等领域。但作为无机材料,它具有脆性易裂的缺点,为克服其脆性缺陷,本课题使用农林剩余物杉木纤维作为增强材料,偏高岭土为原料,磷酸为激发剂,制备了磷酸基地聚物杉木纤维复合材料。采用单因素实验探究了不同影响因素对磷酸基地聚物复合材料性能的影响,得到了制备磷酸基地聚物复合材料的最优条件;同时,用磷酸钾替代部分磷酸制备了磷酸基地聚物复合材料,并对其性能进行了探讨;最后,对复合材料的耐高温性和耐久性能进行了初步研究。研究过程中借助于FTIR、XRD、SEM、TG等表征手段对地聚物复合材料进行了分析,得到结果如下:(1)通过单因素实验探究,得到制备磷酸基地聚物复合材料的最优制备条件为:H2O/Al2O3摩尔比为10、H3PO4/Al2O3摩尔比为2.0、纤维含量为10%、纤维目数为20-40目、养护温度为60℃、养护制度为1-3-3(在模具中养护1d,拆模后密封养护3d,敞开养护3d),在此制备条件下得到的磷酸基地聚物复合材料的静曲强度、内结合强度和握螺钉力均达最优,分别为13.7MPa、2.17MPa和2051N,均超过了国家标准《水泥刨花板》中优等品的要求。(2)通过24h浸水实验可知,不同纤维含量的地聚物复合材料的吸水率在10.6%~11.0%之间,厚度膨胀率在0.35%~1.57%之间,厚度膨胀率达到了国家标准合格品的要求(厚度膨胀率≤2%)。除了纤维含量为20%的样品,所有样品吸水后的静曲强度都达到了国家标准合格品的要求(静曲强度≥5.5MPa)。(3)通过实验可知,当添加磷酸钾时,磷酸钾可起到部分替代磷酸的作用,当H3PO4/Al2O3摩尔比为1.2、磷酸钾添加量为12%时制备得到的磷酸基地聚物复合材料的静曲强度最好,静曲强度达到了10.9MPa,相较于未添加磷酸钾的地聚物复合材料,静曲强度提高了40.6%,而此含量下的内结合强度和握螺钉力也均达到最优,分别为2.07MPa和2210N,均超过了国家标准优等品的要求(内结合强度≥0.5MPa;握螺钉力≥600N)。(4)通过耐候性实验可知,经过60个紫外老化循环的地聚物复合材料的力学性能均有下降,其中纤维含量较高的地聚物复合材料的静曲强度下降率较高;通过耐高温实验可知,温度在200℃至400℃之间磷酸基地聚物复合材料的静曲强度损失率最大,当温度超过400℃时,地聚物复合材料的静曲强度几乎丧失;25次冻融循环实验表明,磷酸基地聚物复合材料有着优异的抗冻性能,冻融后的样品未出现缺边、缺角、开裂的情况,且样品均能保持较好的强度,冻融后纤维含量为10%的样品静曲强度仍可高达8.4MPa。(5)通过分析SEM图可知,低纤维含量的地聚物复合材料,纤维和基体都结合得比较紧密且均匀,纤维能很好的嵌入地聚物基体中;随着H3PO4/Al2O3摩尔比的增加,反应后基体中偏高岭土粉体颗粒减少,说明地聚物反应程度增加;当添加磷酸钾时,随着磷酸钾添加量的增加,地聚物基体产生的凝胶体增多,利于地聚合反应进行;并且,添加磷酸钾的地聚物复合材料,在经过冻融实验后,纤维与基体仍然能结合的非常紧密。(6)热重分析结果表明,地聚物复合材料的失重分为三个阶段,第一阶段失重在30~218℃之间,是由于地聚物间的游离水蒸发失重,第二阶段为218~418℃,为样品中结晶水的失去和植物纤维的分解,第三阶段为418℃以上,主要是植物纤维的进一步分解引起的重量失去。(7)通过FTIR和XRD分析可知,纤维与磷酸基地聚物属于物理复合,纤维的掺入并未产生新的化学键。
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