硅烷偶联剂改性MDF水泥的水敏性研究

利用水溶性聚合物和水泥通过特殊制作工艺发展起来的无宏观缺陷(MDF)水泥材料，在抗弯强度、冲击韧性、耐化学腐蚀以及介电绝缘、电磁屏蔽、声学阻尼等方面具有普通水泥浆体无法与之相比的优良性能，应用潜力巨大.虽然水溶性聚合物对改善低水灰比下新拌浆体的流变性与提高硬化浆体的抗弯强度起着不可替代的作用，但它使MDF水泥不可避免地存在水敏性这一先天缺陷，也使其实际应用受到很大限制.为了克服MDF水泥的水敏性，GVChandrashekhar等研究了采用浸渍憎水性聚合物的方法，NKataoka等提出采用异氰酸盐促进水溶性聚合物交联从而降低其水敏性的方法，但是，这两种方法均不够完善.MHasegawa等用水不溶性聚合物替代水溶性聚合物制作了酚醛树脂-高铝水泥基MDF材料，其抗弯强度达到120～220MPa，并具有良好的耐水性，被认为是最为直接的解决MDF水泥耐水性的手段.本文将借鉴偶联剂在玻璃纤维增强塑料中的作用机理，用硅烷偶联剂对水泥粉末进行表面处理，以提高水泥与聚合物的界面粘结力和界面憎水性能，并利用硅烷偶联剂对聚合物分子链的交联，使其形成憎水性的聚合物网络结构，通过对力学性能、耐水性和孔结构等的测定，初步研究硅烷偶联剂在高铝水泥-聚乙烯醇基MDF水泥中的作用效果. 1 实验材料及方法MDF水泥制备的基本材料为比表面积478 5m2/kg、强度625#的高铝水泥(HAC)和聚合度1750、醇解度88%的聚乙烯醇(PVA)，另以甘油为超塑化剂，N—β—(氨乙基)—γ—氨丙基三甲氧基硅烷为改性添加剂.MDF水泥的质量配比为：HAC∶PVA∶甘油∶水=100∶8∶1∶15，偶联剂掺量为1.2%(水泥的质量分数).HAC的表面预处理.首先将HAC粉磨充分浸润在偶联剂的有机溶剂溶液中，然后在偶联剂闪点温度以下干燥一定时间，冷却即可使用.MDF水泥的制备工艺为：各组成材料按比例预拌后，喂入双辊开炼机内经高效剪切形成塑性料片，然后在XLB-D450×500×1型1MN平板硫化机上以80℃和15MPa热压10min，卸压后的试件在干燥箱中80℃下热养24h.所得试件尺寸为120mm×40mm×4mm.MDF水泥抗弯强度和断裂韧性用3点弯曲法测定，仪器为英国Instron1341电液伺服材料试验机，微区硬度用日本株式会社Akashi微区硬度仪测试，用意大利Pascal240型压汞仪测试孔结构. 2 实验结果及分析 2.1 力学性能表1为MDF水泥及掺1.2%硅烷偶联剂改性的MDF水泥力学性能，两种材料制备条件相同.表1显示，偶联剂改性的MDF水泥抗弯强度(σb)、抗压强度(σc)分别提高了24%和12%，断裂韧性(KIC)、微区硬度(HV)分别提高了23%和8%.可见，硅烷偶联剂对MDF水泥具有较好的增强和增韧效果. 2.2 耐水性将MDF水泥及硅烷偶联剂改性的MDF水泥浸泡在25℃水中，其抗弯强度(σb)随浸水时间(t)的变化曲线见图1.由图1可以看出，MDF水泥改性前随浸水时间延长，强度下降幅度较大，从初始的149.6MPa下降为28d的87.7MPa，强度保持率59%，浸水90d后降至56.5MPa，强度保持率减至38%.而改性MDF水泥随浸水时间延长，强度下降很平缓，浸水14d时强度不仅没有下降反而有所增长，浸水28d后强度仅由初始的185.1MPa减小为172.5MPa，强度保持率为93%，浸水91d后强度仍为149MPa，强度保持率达80%.可见，硅烷偶联剂对改善MDF水泥的耐水性具有较显著的效果.硅烷偶联剂可提高MDF水泥强度和抗水性的主要原因是由于硅烷偶联剂既可与聚合物也可与水泥发生化学反应，并使聚合物网络化、憎水化[5～7]，因而有利于水泥-聚合物界面粘结的增强和耐水性的改善. 测定上述两种MDF水泥在100%相对湿度下养护120d的吸湿量M(质量分数)和水透过它们的扩散系数D，并对比二者吸湿后微区硬度的变化(表2).由表2可见，偶联剂改性后改善了MDF水泥的吸湿性能，正是由于吸湿量降低，使MDF水泥在水中强度发生倒缩的情况得到一定缓解.微区硬度结果说明，无论是改性还是未改性的MDF水泥，在吸湿后微区硬度都降低了，但改性MDF水泥降低幅度稍小. 2.3 孔结构表3为由压汞仪测出的MDF水泥孔结构特征参数，图2是孔径分布曲线.由表3和图2可以看到，MDF水泥在用硅烷偶联剂改性后，累计孔体积(Vp)、孔比表面积(Sp)和孔隙率(P)显著降低，平均孔半径(R)也略有减小.这与该偶联剂对MDF水泥的成型加工性能有一定的改善有关，因而可使结构变得更致密，有利于强度的提高和抵抗水的渗透，表1中所列力学性能和表2所给出的吸湿性结果与孔结构分析是一致的. 3 结论 (1)MDF水泥经N—β—(氨乙基)—γ—氨丙基三甲氧基硅烷改性后，其抗弯强度、抗压强度、断裂韧性和微区硬度均有提高，吸湿性和耐水性能显著改善，表明该硅烷偶联剂用于MDF水泥增强、增韧和耐水性改进是可行的； (2)硅烷偶联剂改性后，MDF水泥结构变得更加致密.