第5章纤维增强氯氧镁复合材料

第五章纤维增强氯氧镁复合材料程伟东材料科学与工程学院5.1概论1、定义：纤维增强氯氧镁复合材料是以有机植物纤维或玻璃纤维增强氯氧镁胶黏剂（亦称氯氧镁水泥）制成的复合材料。2、发展概况：氯氧镁水泥由索瑞尔1867年研究开发出来,具有凝结硬化快、强度高、粘接力强、成型方便等优点,但是其耐水性差、返卤、翘曲较严重,无法广泛使用。20世纪50年代，哈尔滨亚麻厂建设中，采用氯氧镁锯末复合材料无缝地板代替木地板。反潮、剥落20世纪70年代，辽宁抚顺，研究了玻璃纤维增强氯氧镁复合材料，用于住宅门、窗构件。强度低20世纪80年代，竹丝、锯末和玻璃纤维增强氯氧镁复合材料的研究。用于简易房子、波形瓦、通风管等。“七五”期间，武汉工业大学（现武汉理工大学）承担氯氧镁胶黏剂水化相和相变理论研究。“八五”期间，武汉工业大学刘雄亚教授（本教材作者）研究的玻璃纤维氯氧镁复合材料的性能得到全面提高。3、玻璃纤维增强氯氧镁复合材料的基本性能①高性能氯氧镁复合材料的基本性能性能指标玻璃纤维含量/%202530密度（g/cm3）2.011.91.8拉伸强度/MPa7889150弯曲强度/MPa110140170~200压缩强度/MPa110135140吸水率/%1.8~3.81.8~3.81.8~3.8②普通氯氧镁复合材料的基本性能性能指标生产厂家宜兴玻璃钢厂襄樊玻璃钢厂武汉工业大学玻璃钢厂拉伸强度/MPa464847弯曲强度/MPa234739压缩强度/MPa748760燃烧性不燃不燃不燃5.2氯氧镁复合材料的开发应用①墙板墙板是建筑物的外部围护和内部分隔结构。复合材料墙板的构造为夹层结构：高性能氯氧镁面层轻质夹心层：聚苯乙烯泡沫、膨胀珍珠岩、聚氨酯泡沫氯氧镁墙板特点质量轻：外墙板20~67kg/m2；内墙板13~50kg/m2；一般红砖墙624kg/m2。降低能耗：红砖墙导热率0.81W/mK；氯氧镁墙板热导率为0.026~0.073W/mK。施工方便：工厂预制、现场安装、加速进度、降低成本。②波形瓦氯氧镁复合材料瓦主要用作不需要采暖建筑的屋面和墙面。如厂房、建议住房、工棚等。尺寸：1）中波瓦的尺寸为1800mm×745mm，厚度6mm，波高33mm，波距131mm；2）小波瓦尺寸为：1800mm×720mm，厚度6mm，波高16mm，波距63.2mm；吸水率6%③通风管道氯氧镁复合材料通风管道是应用量最大的产品，用于厨房、厕所、厂房中央空调通风管等。P类管，弯曲强度65~80MPa，软化系数0.7，用于公共建筑、人防工程、地下建筑；D类管，弯曲强度12~15MPa，用于住宅通风管、排烟管，软化系数0.7。④门氯氧镁复合材料门有普通门、装饰门和防火门。优点是：不用木材、隔热、隔音、耐水、防火、装饰效果好。⑤活动房子氯氧镁复合材料活动房子分为整体式和组装式两种。整体式活动房适用经常移动的情况，用汽车随意搬迁。组装式活动房由墙板、屋面板和连接型材组成。墙板和屋面板为夹层结构，强度要满足房屋设计要求。整体式活动房组装式活动房⑥压力管氯氧镁复合材料管材断面为三层，内层为防腐蚀层、中间为结构层、外层为保护层。⑦窨井盖窨井盖是市政建设中各种地下管线检查用的配套产品。5.3氯氧镁复合材料的原材料1.基体材料（胶黏剂）氯氧镁复合材料是由氧化镁、氯化镁和外加剂组成的。氧化镁：原材料是天然菱镁矿和白云石。菱镁矿晶体菱镁矿分布氧化镁的生产生产步骤：煅烧和粉碎煅烧工艺：对于菱镁矿，碳酸镁400℃开始分解，600-650℃加速分解，煅烧温度控制在800-850℃：MgCO3→MgO+CO2↑对于白云石：MgCO3·nCaCO3→nCaCO3↓+MgCO3MgCO3→MgO+CO2↑氯化镁六水氯化镁：MgCl2·6H2O无色单斜结晶，工业品通常呈黄褐色，有苦咸味。，容易吸湿，溶于水。外加剂氧化镁和氯化镁加水，可以作为基体胶黏剂，但存在很多缺陷。抗水性外加剂：磷酸H2PO4，硫酸亚铁FeSO47H2O变形稳定剂：氯化镁胶黏剂固化过程中放出大量的热，使产品容易变形。柠檬酸、粉煤灰减重和保温外加剂：松香热聚物、松香酸钠缓凝剂：硫酸铝钾消泡剂：有机硅消泡剂着色剂：燃料、颜料5.4氯氧镁复合材料的问题及解决方法（一）吸潮返卤及解决方法吸潮返卤是氯氧镁制品的三大固有弊病之首，其原因主要是制品中游离MgCl2含量超标造成的。解决方法1：在制品中添加憎水改性剂，能够在制品表面及内部空隙、空洞、毛细孔壁形成一层极薄的憎水薄膜。当空气中的CO2对其作用时又形成憎水性更强而且特别耐久的碳化憎水膜，这层憎水薄膜阻断了水分的传输途径，并将游离的MgCl2屏蔽在制品内部，使游离的MgCl2失去了吸收水分的机会，因此使制品失去了吸潮返卤的能力。解决方法2：氯氧镁制品中的主要硬化反应为：5MgO+MgCl2+13H2O=5Mg(OH)2·MgCl2·8H2O（即518结晶相）.518结晶相是制品技术性能的来源，抓好养护工艺，使上述的硬化反应尽量进行的更完全，使游离的MgCl2尽量进入518结晶相，使其失去吸潮能力。（二）不耐水原因及解决办法不耐水的原因是：氯氧镁胶结料的硬化产物518结晶相多数是以针棒状结晶体搭接粘连形式存在的，这种结晶体较粗大，不够致密，遇水后水很容易渗透到结晶体内部，造成结晶体的溶蚀，使产品失去耐水性。解决方法1：在生产配方中加入某些改性剂，如磷酸及其盐类等改变氯氧镁制品硬化物相的结构形态，促使形成更多的518凝胶，使结晶相变得细小紧密，使水不容易渗透到内部，避免或减少了结晶相的溶蚀，从而提高了制品耐水性。解决方法2：在生产配方中添加适量憎水剂，使其在制品表面、内部毛细孔壁、孔洞内壁形成极薄的憎水薄膜，阻断水分的传输，阻止了水对结晶相的溶蚀，提高了制品的耐水性。在氯氧镁体系中加入某些活性混合材料，在氯氧镁材料硬化过程中参与了其硬化过程，形成新的硬化体，或自身硬化和氯氧镁硬化体形成伴生物互相穿插搭接，从而提高了制品的强度及耐水性。5.5基体材料——胶黏剂玻璃纤维增强的氯氧镁复合材料（无机玻璃钢）的优异性能：1、高强度：190MPa2、抗水性：软化系数0.93、耐磨性：和天然大理石媲美4、柔韧性：抗冲击性能提高4倍氯氧镁胶黏剂的设计和配置是极为重要的工作胶黏剂设计原理氯氧镁胶黏剂主要由氧化镁、氯化镁和水组成，其固化反应分为三个阶段：一、氧化镁遇水，生成Mg(OH)2，这一过程持续时间较长。二、凝结和胶体形成阶段。反应生成物从浆体中析出，凝结在数小时后结束。三、凝胶发生再结晶，成为结晶合生体，晶体很微小，呈针状。氯氧镁胶黏剂水化过程MgO和MgCl2可用水化放热速率q随时间t的变化来表示。q1，发生急剧反应，放出热量，t1仅5~10min。q2，反应速度缓慢阶段，t2持续几小时q3，反应速度从新加快，出现新的放热高峰最后，反应趋于稳定放热q1q2q3t1t2t3氯氧镁胶黏剂的水化相1932年，C.R.Bury得到3Mg(OH)2MgCl28H2O（简称318相）。1976年和1980年，Sorell用XRD分析确定了还有5Mg(OH)2MgCl28H2O（简称518相）和Mg(OH)2.518和318是氯氧镁胶黏剂体系中两个主要的晶相，并且随Mg(OH)2和MgCl2含量的不同而相互转化。518相晶体为针状结构，互相穿插，使材料具有很高的强度和硬度，复合材料生成后应以518相为主，所以必须对氯氧镁胶黏剂体系配比进行设计。氯氧镁胶黏剂的配比设计实际上就是MgO-MgCl2-H2O体系的比例设计，要保证体系固化后产物主要成分为518晶体。浙江建材研究所提出一个经验公式，计算组分比例：α为氧化镁的含量（活性）K为比例系数：2.2~4.2波美度（°Bé）是表示溶液浓度的一种方法。把波美比重计浸入所测溶液中，得到的度数就叫波美度。（氯化镁水溶液）波美度氯化镁（溶液）氧化镁（粉）K5.6氯氧镁复合材料的工艺流程高性能氯氧镁复合材料的生产工艺分为两种：一、高性能氯氧镁复合材料生产工艺流程二、高性能氯氧镁复合材料与聚酯玻璃钢再复合生产工艺流程文献学习：作业：任选一种成型工艺，A4纸2页，可正反打印纤维增强氯氧镁胶黏剂复合材料的成型工艺：1、手糊成型工艺2、缠绕成型工艺3、喷射成型工艺