凌启飞，郑 霞，李新功

碱处理对麦秸纤维增强水泥板力学性能的影响

凌启飞，郑 霞，李新功

(中南林业科技大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 410004)

采用半干法工艺制备了麦秸纤维增强水泥板，探讨了碱处理对板材力学性能的影响。结果表明: 1%碱处理纤维后板材的力学性能得到了明显改善。通过碱处理麦秸纤维中的半纤维素被水解溶出，避免了在水泥水化环境中麦秸纤维半纤维素水解成单糖而阻碍水泥水化凝固。麦秸纤维表面变得粗糙，增大了水泥与纤维的机械交织力，从而提高了板材的力学性能。同时，碱处理后的纤维拉伸强度和长径比的增大也改善了板材力学性能。

麦秸纤维增强水泥板；麦秸纤维；碱处理；力学性能

我国是农业大国，每年会产生大量的麦秸等农作物秸杆。目前，这些秸杆大部分被焚烧掉，不但没有发挥其应有价值，而且还污染了环境[1-2]。麦秸纤维具有价廉质轻、比强度和比模量高等优良特性[2-3]。以麦秸纤维为增强材料、水泥为基体材料，辅之以其他添加剂经一定加工工艺而制成麦秸纤维增强水泥板既有强度高、防火、防腐、防虫的优点，又有隔音、隔热及易进行各种机械加工等良好性能，使用过程中不会释放出甲醛等有害气体，可广泛应用于工业建筑和民用建筑的墙体材料，是一种绿色环保的新型建筑墙体材料。近年来，立足于麦秸等农作物秸杆的有效利用，国内外一些学者对麦秸纤维(碎料)增强水泥板进行了研究。本文以碱处理前后的麦秸纤维为增强材料制备了麦秸纤维增强水泥板，探讨了碱处理对麦秸纤维和麦秸纤维增强水泥板力学性能的影响。

1 材料与方法

1.1 原材料

麦秸纤维：采自湖北荆州基立环保板材有限公司，见图1。水泥：普通复合硅酸盐水泥，标号R32.5，购自湖南省长沙市。氯化钙(CaCl2)和氢氧化钠(NaOH)均为湖南汇虹试剂有限公司生产，分析纯。

图1 麦秸纤维Fig. 1 Straw fibers

1.2 麦秸纤维碱处理与板材制备

将一定量的麦秸纤维分别浸入质量百分浓度为1%、3%、5%的NaOH溶液中(固液重量混合比为1∶20)，在常温下处理12 h后经水洗脱碱至中性，然后在80 ℃的烘箱里干燥至含水率为10%，再用粉碎机粉碎后备用。

采用半干法热压工艺制备麦秸纤维增强水泥板。将添加剂氯化钙溶于水后与干燥好的麦秸纤维充分混合，加入水泥搅拌均匀得到半干坯料。人工将半干坯料铺装成板坯后送入热压机热压，热压压力为3.0 MPa，热压时间为3 min，卸压后加湿自然养护2周。板材规格为210 mm×210 mm×8 mm，目标密度1.2 g/cm³。根据前期的研究结果，本研究中麦秸纤维质量分数为25%，CaCl2用量为水泥质量的2.6%。

1.3 表征与性能测试

傅立叶红外光谱(FTIR)在IRAffinity-1型傅立叶变换红外光谱仪上测定。

碱处理前后麦秸纤维表面形态在美国FEI公司QUANTA200型扫描电镜(SEM)下观察。

麦秸纤维拉伸实验在日本津岛公司的DCS-R-100万能试验机上测试。麦秸纤维的直径通过尼康V26D万能投影机测量。碱处理前后纤维各取30个试样。

水泥麦秸纤维板力学性能测试参照JC411/T-2007水泥木屑板标准在万能力学试验机上测试。检测的力学性能包括静曲强度(MOR)和内结合强度(IB)。

2 结果与分析

2.1 碱液浓度对板材力学性能的影响

图2显示了不同浓度的碱液处理麦秸纤维对板材的静曲强度和内结合强度的影响。与碱处理前纤维制备的板材比较，由1%碱处理的麦秸纤维制备的板材静曲强度和内结合强度分别增加了25%和39%，但当碱浓度超过1%时板材的静曲强度和内结合强度开始下降。这是因为麦秸纤维化学组分主要包括纤维素、半纤维素、木质素以及SiO2等，半纤维素含量较高[4-5]。水泥水化环境呈碱性，麦秸纤维中的半纤维素在碱性条件下可以水解生成单糖成分阻碍水泥凝固[6-7]，宏观上体现为麦秸纤维与水泥相似性差，从而影响板材的力学性能。另外，麦秸表面有一层光滑的蜡质层，水泥浆料不易进入其内部形成“胶钉”，降低了水泥和麦秸纤维机械交织力，也会影响板材的力学性能。通过碱处理，纤维中的半纤维素被去除，避免了半纤维素在水泥水化体系中水解产生水泥的阻凝成分—单糖，从而提高板材的力学性能。图3为碱处理前后麦秸纤维的红外光谱图，表1为碱处理前后麦秸纤维主要伸缩振动吸收峰的峰谱归属。可以看出碱处理前后麦秸纤维的伸缩振动吸收峰基本一致，但碱处理麦秸纤维在1 850 cm-1处半纤维素的C=O伸缩振动吸收峰的消失了，表明半纤维素在碱处理过程中被去除。

图2 碱处理对纤维增强水泥板力学性能影响Fig. 2 Effects of alkali treatments on mechanical properties of fiber-reinforced cement board

图3 1%碱处理前后麦秸纤维红外光谱Fig. 3 FTIR spectra of untreated and 1% alkali treated straw fiber

表1 1%碱液处理前后麦秸纤维红外谱数据Table 1 FTIR spectral data of untreated and 1% alkali treated straw fiber

为进一步分析碱处理对麦秸纤维的影响，利用扫描电镜对纤维表面进行了表征。图4(a)显示碱处理前纤维表面比较光滑，图4(b)显示1%碱处理后纤维表面出现了因纤维中的半纤维素的去除而形成得的沟槽，纤维表面变得粗糙，增加了水泥和纤维的机械交织力，因此，板材力学性能改善了。进一步比较不同浓度碱液的影响，如图4(c)和图4(d)所示，2%碱溶液处理后的纤维不仅表面粗糙度增加了，而且纤维出现了少量孔洞，说明纤维被一定程度的破坏。3%碱溶液处理后的纤维出现了大量孔洞，而且纤维纵向被分解裂开，横向部分断裂，纤维破坏相对严重。纤维的破坏会导致纤维本身强度下降。在水泥麦秸纤维板中纤维起增强作用，纤维本身强度的减小必然导致板材力学性能下降。

图4 麦秸纤维扫描电镜Fig. 4 SEM photograph of straw fibers

2.2 碱处理对麦秸纤维拉伸强度影响

为分析碱处理麦秸纤维对麦秸增强水泥板力学性能的影响，对1%碱处理前后的麦秸纤维拉伸强度进行了测试，测试结果见图5。可以看出，随着碱处理前后的麦秸纤维直径的减小，纤维拉伸强度呈逐渐增大趋势，说明可以通过对麦秸纤维的减处理减小其直径，提高其拉伸强度。未经碱处理的纤维的平均拉伸强度32.23 MPa，平均直径为0.55 mm，碱处理后纤维的平均拉伸强度增加到45.13 MPa，平均直径减小到0.40 mm。可见，通过碱处理，纤维细化使麦秸纤维拉伸强度以及长径比提高，因而碱处理后纤维制备的板材力学性能得到相应的改善。

图5 1%碱处理前后麦秸纤维拉伸强度Fig. 5 Tensile strength of untreated and 1% alkali treated straw fibers

3 结 论

(1)碱处理前后麦秸纤维中的大部分半纤维素被水解溶出，改善了水泥和纤维的相适性。

(2)麦秸纤维表面蜡质层被去除，表面变得粗糙，增加了水泥与纤维的交织力。

(3)碱处理前后麦秸纤维的拉伸强度以及长径比增大，平均拉伸强度也相应增加。

(4)1%碱处理后的麦秸纤维制备的板材静曲强度、内结合强度与没有经碱处理麦秸纤维制备的板材相比有明显的提高。

[1] 周定国.关于稻秸秆人造板的几个问题[J].林产工业, 2008,35(1): 3-12.

[2] ZHOU Xiao-yan, ZHOU Ding-guo, LI Jian. The Reviewand Prospect of Straw-based Wallboard in China[J]. Journal of Nanjing Forestry University: Natural Sciences Edition, 2005,29(6): 109-113.

[3] 连海兰,周定国,尤纪雪,等.预处理对麦秸纤维板性能的影响及机理研究[J].南京林业大学学报:自然科学版, 2008,32(4): 1-5.

[4] 连海兰,潘明珠,周定国,等.预处理方法对稻草中纤板性能的影响[J].木材工业, 2007, 21(2): 4-9.

[5] 张建红,徐信武,周定国.水热处理对麦秸化学构成的影响[J]. 南京林业大学学报:自然科学版, 2004, 28(3): 31-33.

[6] Stephan Frybort,Raimund Mauritz,Alfred Teischinger, et al. Cement bonded composites-a mechanical review[J].Bio.Resources, 2008, 3(2): 602-626.

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Effects of alkaline treatment on mechanical properties of straw fiber-reinforced cement board

LING Qi-fei, ZHENG Xia, LI Xin-gong
(School of Materials Science and Engineering, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

Straw fiber-reinforced cement board made from straw fiber and cement was prepared by semi-dry processing technology to investigate the effects of alkali treatment on the mechanical properties of the board. The results indicate that the board fibers were treated with 1% alkali solution showed obvious improvements in mechanical properties. After alkali treatment, hemi-celluloses of straw fiber were hydrolyzed and dissolved, which avoided hemi-celluloses hydrolyzing into monosaccharide to hinder the solidifying of cement.The fibers surface became rough, which increased the mechanical interweaving force between cement and fibers. Thereby the board’s mechanical properties were improved. At the same time, the increase of tensile strength and aspect ratio of the fibers improved the mechanical properties.

straw fiber-reinforced cement board; straw fiber; alkali treatment; mechanical properties

S784

A

1673-923X(2012)01-0157-04

2011-11-15

国家“十二五”科技计划课题(2012BAD24B03)；国家林业公益性行业科研重大专项(2012040704)；湖南省科技厅科技计划项目(2010NK3034)；中南林业科技大学青年基金项目(101-0833)；中南林业科技大学木材科学与技术国家重点学科资助项目

凌启飞(1981—)，男，安徽安庆人，硕士研究生，主要从事木质与非木质材料研究；E-mail: xysyzx@sohu.com

李新功(1970—)，男，河南固始人，副教授，主要从事木质与非木质复合材料的研究；E-mail: lxgwood@163.com

[本文编校：吴 毅]