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2.1 礦物纖維的復合改性

取硅灰石礦物纖維和水鎂石纖維，加入濃度0.1mol/L的磷酸，研磨捏合30min；再加入改性劑異氰酸酯丙基三乙氧基硅烷增強粘結性，在105-120℃下繼續(xù)混合10min。由于礦物纖維獨特的層鏈狀結構，具有良好的表面吸附、離子交換、自發(fā)極化等優(yōu)異功能，在活化劑磷酸參與反應的條件下，通過研磨機械力以及脫羥基作用實現(xiàn)牢固的化學鍵合，從而使硅灰石礦物纖維與微納米氫氧化鎂粒子形成具有阻燃性的復合顆粒，達到協(xié)同阻燃的技術效果。硅灰石纖維CaSiO3；呈弱堿性，在機械力的超細研磨下，發(fā)生復雜的物理化學變化、微觀結構變化，Ca-Si-O鍵斷裂，使其表面處于不平衡狀態(tài)；加之磷酸的表面酸化，生成離子鍵；離子鍵起到連接節(jié)點的作用，促使單體磷酸鹽分子Mg（H2PO4）2發(fā)生聚合生成線型聚磷酸鹽，形成穩(wěn)定的無機大分子結構，使該結構的微納米無機復合阻燃顆粒具有發(fā)煙量少、阻燃效果持久、熱穩(wěn)定性好、環(huán)境友好等優(yōu)點。

2.2 樹脂固化

取熱固性酚醛樹脂和雙酚A型環(huán)氧樹脂加入到上述復合改性后的礦物纖維物料中，攪拌同時以10℃/min的升溫速率升溫至220℃后再保溫攪拌20min，使樹脂在無機物料顆粒表面均勻覆膜?；旌线^程中酚醛樹脂自身能夠發(fā)生縮合反應，且環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂相容性好，環(huán)氧樹脂的環(huán)氧基發(fā)生開環(huán)反應，與酚醛樹脂中的酚羥基或羥甲基進行交聯(lián)反應，形成互穿網絡結構，由于分子鏈變長，降低了高溫固化后的交聯(lián)密度，環(huán)氧基團的引入，增強了礦物纖維與樹脂的浸潤性，達到增強增韌的改性效果。然后取增塑劑鄰苯型二甲酸酯加入到物料中并攪拌3min，增塑劑能夠減弱樹脂分子間的次價鍵，增加樹脂分子鍵的移動性，降低樹脂分子的結晶性，從而改善樹脂性能，降低其脆性，增加機械性能。再取固化劑六亞甲基四胺加入到上述物料中并攪拌5min，使包覆在無機顆粒表面的樹脂固化，通過開環(huán)加成聚合和交聯(lián)反應形成具有三維網絡結構的巨大分子，從而使物料具有強度。

2.3 配方與成型

實驗按表1所示的組分比例進行配比，其中的F組不含有礦物纖維，作為對照組。將物料加入固化劑攪拌均勻后倒入80mm×10mm×4mm模具內，振實抹平，并施加20MPa的壓力模壓8min，制得坯體在常溫下自然養(yǎng)護6h，得到的實驗樣品供后續(xù)測試。

表1 礦物纖維增強環(huán)保建筑板材實驗的組分質量配比

2.4 測試與表征

采用WDW-100型電子式萬能試驗機儀，依據(jù)GB/T9341-2008和GB/T1040-2018對試驗樣品進行彎曲性能、拉伸性能的檢測；沖擊性能按照GB/T1843-2008以HIT-2494型擺錘沖擊試驗機進行測定，每組至少測試5個試樣，取其算術平均值為最終結果。采用JF-5型氧指數(shù)儀依據(jù)GB/T2406.2-2009進行氧指數(shù)OI的測定，試件尺寸80mm×10mm×4mm，每組15個平行樣品。保溫性能測試使用2500S型導熱系數(shù)儀。

3.1 礦物纖維含量對建筑板材力學性能的影響

在樹脂基體中添加礦物纖維功能組分，可以有效改善所制備建筑板材的力學性能，礦物纖維的層鏈狀表面形態(tài)使其比表面積大，根據(jù)表面化學理論，物質表層上分子能量比其內部分子能量大，當?shù)V物纖維和樹脂接觸形成界面時，就會發(fā)生降低表面能的吸附現(xiàn)象，形成粘接力較強的界面效應區(qū)，賦予材料較高的結構強度。

圖1 礦物纖維含量對拉伸/彎曲強度的影響

隨著礦物纖維含量增大力學強度得到提高；如圖1-2所示，B組和C組的拉伸強度、彎曲強度和沖擊強度較優(yōu)，這是由于其纖維與基體的結合度良好，利于增強板材復合材料的力學性能；當板材受到外力沖擊時，基體內的纖維顆?？梢砸种瓢宀闹形⒘鸭y的延展，吸收能量，防止材料因受到沖擊而被破壞，達到增強增韌效果；當硅灰石礦物纖維、水鎂石纖維、酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂的質量比為20/18/40/8時，相應的建筑板材的力學性能最好，拉伸強度55.8MPa，彎曲強度68.7MPa，沖擊強度8.7kJ/m2；與未添加礦物纖維的F組相比，拉伸強度提高了65%，彎曲強度提高了38%，韌性改善顯著。通過對礦物纖維的復合改性，增強了纖維與樹脂基體間的浸潤性，改善了兩相界面間的粘接強度，通過模壓使得樹脂較易黏附到纖維上，同時結合合理的固化工藝，使得制品的表面及內部無氣孔、分層和疏松等缺陷，形成了牢固的三維網絡結構，對復合建筑板材性能具有明顯增強增韌作用。當?shù)V物纖維含量過高時，其在基體中的均一性變差，相容性也會降低，分散效果不理想，部分纖維產生團聚現(xiàn)象，進而影響板材力學性能，例如A組的礦物纖維配比雖然很大，但力學性能卻呈下降趨勢。

圖2 礦物纖維含量對沖擊強度的影響

3.2 礦物纖維含量對建筑板材阻燃性能的影響

建筑板材的阻燃性是衡量其應用價值的重要指標，氧指數(shù)OI實驗是一種常用的表征材料易燃性的測試方法。從圖3可以看出，對照F組的氧指數(shù)僅為25.7，已經屬于可燃材料；通過礦物纖維的添加，形成的硅灰石/水鎂石復合阻燃顆粒使復合材料的氧指數(shù)OI值得到提高，達到了35%以上；這是由于其燃燒后形成的氧化物保護層覆蓋在材料表面，在一定程度上隔絕了材料與氧氣的接觸，提升了燃燒所需的最低含氧量水平；隨著溫度的升高，樹脂基體將表現(xiàn)出從玻璃態(tài)到熱降解的演變過程，纖維增強聚合物基復合材料在這一過程中結構發(fā)生損傷、性能發(fā)生衰退，通過引入礦物纖維形成的復合阻燃顆粒促使樹脂基體的阻燃性能得到提升；隨著水鎂石添加量的增加，極限氧指數(shù)由36.1上升到41.8，說明水鎂石的添加可以進一步提高復合材料的阻燃效果。

圖3 礦物纖維含量對板材阻燃性能OI的影響

3.3 組分含量對建筑板材的保溫性能的影響

參照JC/T564.1-2018測定建筑板材的表觀密度約為240-320kg/m3，導熱系數(shù)最優(yōu)達到了0.051W/（m·K）以下，基本達到了建筑絕熱制品標準的要求；與GB/T10303-2015《膨脹珍珠巖絕熱制品》中規(guī)定的密度為200-250kg/m3，導熱系數(shù)為0.065-0.07W/（m·K）的絕熱制品的熱性能基本相當。產品的表觀密度越小，則相應的導熱系數(shù)越低；隨著表觀密度的降低，樣品的孔隙率提高，這種封閉或半封閉狀態(tài)的孔隙結構致使無法形成有效的對流效應，同時空氣的熱傳導性也遠低于固體材料，因此，能夠使建筑板材取得良好的保溫隔熱效果。

3.4 討論

隨著我國復合材料行業(yè)的蓬勃發(fā)展，通過開發(fā)新型樹脂基體和新型固化成型工藝來優(yōu)化復合板材性能的研究方興未艾，其中以采用碳纖維和玻璃纖維增強樹脂為主導，如采用模壓成型技術制備了太陽能電池陣用碳纖維增強環(huán)氧樹脂（CF/EP）復合板材，研究發(fā)現(xiàn)在CF/EP的彈性變形過程中，沿平行于應力方向排列的碳纖維承擔了絕大部分應力，且當應變率升至1%時，軸向碳纖維的內部應力最高可達54.1MPa；又如利用KH-550改性玻璃纖維，提高玻璃纖維與環(huán)氧樹脂基體的相容性，制備了玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料（EP/GF），并研究了GF摻量對EP/GF復合材料絕緣性能和力學性能的影響，結果

表明：改性GF摻量為30%時，復合材料的沖擊強度達到最大值7.7kJ/m2，比純EP提高了40.0%。但是，以上研究中的碳纖維或玻璃纖維的制備工藝復雜，能源消耗大，生產成本高。

本研究采用價廉易得的礦物纖維增強樹脂制備建筑板材，性能改善顯著，當硅灰石礦物纖維、水鎂石纖維、酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂的質量配比為20/18/40/8時，相應建筑板材力學性能最優(yōu)，彎曲強度達到了68.7MPa，與彎曲強度僅為1.0-1.5MPa的普通酚醛保溫板相比，彎曲強度提高了50倍左右。采用無機復合阻燃劑制備板材，克服了鹵系阻燃劑復合材料燃燒過程中會產生大量有毒、有腐蝕性氣體和煙霧的弊端，其極限氧指數(shù)可以達到41.8，完全能夠滿足建材標準規(guī)定的阻燃性能要求；同時導熱系數(shù)低，節(jié)能保溫降噪效果明顯。本研究的工藝簡單，易于實現(xiàn)產業(yè)化，原料易得，制造成本低；但因礦物纖維添加量較大，分散均勻性是工藝的關鍵環(huán)節(jié)，也是未來的科研重點。