PVA和PVA纤维增强石膏基复合材料性能研究

第４１卷第２期　２０１８年３月　非金属矿　ＮＯｎ—Ｍｅｔａｌｌｉｃ　Ｍｉｎｅｓ　

ＰＶＡ和ＰＶＡ纤维增强石膏基复合材料性能研究　

曹文湘　彭家惠　易伟　朱聪　

（１重庆大学材料科学与工程学院，重庆４０００４５；２重庆建大建材有限公司，重庆４０００３０）　

摘要研究了聚乙烯醇（ＰＶＡ）及聚乙烯醇纤维掺量对石膏工作性能、力学性能、耐水性能、吸水性、弯曲韧性的影响。研究表明：ＰＶＡ及　

ＰＶＡ纤维会降低石膏浆体的工作性能，掺量越大，扩展度越低，凝结时间降低；石膏硬化体抗压强度略微降低，加入ＰｖＡ以后，抗压强度大幅度上升，　

抗折强度随纤维掺量增大而增大，弯曲韧性进一步增强；ＰＶＡ能有效改善石膏的吸水性能，降低吸水率。最佳掺量组合为ＰＶＡ质量掺量２％，ＰＶＡ　纤维体积掺量１．２％。　

关键词聚乙烯醇；聚乙烯醇纤维；工作性能；力学性能；吸水性能；微观结构　

中图分类号：ＴＵ５２６文献标识码：Ａ　文章编号：１０００．８０９８（２０１８）０２．００４８－０３　

Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ＰＶＡ　ａｎｄ　ＰＶＡ　Ｆｉｂｅｒ　Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　Ｇｙｐｓｕｍ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　

Ｃａｎ　Ｗｅｎｘｉａｎｇ　Ｐｅｎｇ　Ｊｉａｈｕｉ　Ｙｉ　Ｗｅｉ　Ｚｈｕ　Ｃｏｎｇ　

（１　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆＭａｔｅｒｉａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｍｅｅｆｉｎｇ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　４０００４５；２　Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　Ｊｉａｎｄａ　Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｍａｔｅｒｉａｌ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ　

Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　４０００３ｏ１　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ＰＶＡ　ａｎｄ　ＰｖＡ　ｆｉｂｅｒ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｗａｔｅｒ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ｗａｔｅｒ　ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　ａｎｄ　

ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ　ｗｅｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ：ＰＶＡ　ａｎｄ　ＰＶＡ　ｆｉｂｅｒ　ｃａｎ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｇｙｐｓｕｍ．ｔｈｅ　ｈｉｇｈｅｒ　ｔｈｅ　ｄｏｓａｇｅ　ｗａｓ．ｔｈｅ　

ｌｏｗｅｒ　ｔｈｅ　ｄｅｇｒｅｅ　ｏｆ　ｅｘｐａｎｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｈｏｒｔｅｒ　ｔｈｅ　ｓｅｔｔｉｎｇ　ｔｉｍｅ　ｗａｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｗｈｅｎ　ＰＶＡ　ｆｉｂｅｒ　ｗａｓ　ａｄｄｅｄ，ｔｈｅ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｄｅｃｒｅａｓｅｄ　ｓｌｉｇｈｔｌｙ，　ｈｏｗｅｖｅｒ，ｗｈｅｎ　ＰＶＡ　ｗａｓ　ａｄｄｅｄ　ｔｏ　ｇｙｐｓｕｍ．ｔｈｅ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ．Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ｆｉｂｅｒ　ｃｏｎｔｅｎｔ．ｆｌｅｘｕｒａｌ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　

ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｓｌｉｇｈｔｌｙ，ｗｈｅｎ　ＰＶＡ　ｗａｓ　ａｄｄｅｄ，ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｔｒｅａｄ　ｗａｓ　ｏｂｖｉｏｕｓ，ａｎｄ　ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ．ＰＶＡ　ｃａｎ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｗａｔｅｒ　

ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍｕｍ　ｄｏｓａｇｅ　ｗａｓ　ＰＶＡ　ｃｏｎｔｅｎｔ　２％，ＰＶＡ　ｆｉｂｅｒ　ｂｙ　ｖｏｌｕｍｅ　１．２％．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ　ａｌｃｏｈｏｌ；ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ　ａｌｃｏｈｏｌ　ｆｉｂｅｒ；ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｅｒｆｏｒｍｄｎｃｅ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ；ｗａｔｅｒ　ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ；ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　

石膏作为三大胶凝材料之一，由于它的保温隔热　

性能好，隔声效果好，环保节能，可循环利用等特点，　

广泛运用于建筑装饰，但纯石膏材料抗折强度较低，　

脆性大，耐水性能差，很难大范围使用…。　

国内外学者通过添加各种纤维来增强石膏的物　

理性能和力学性能。Ｎｅｌｓｏｎ等口　研究了聚丙烯纤维　

对石膏基复合材料的影响，认为掺入一定体积的纤维　

可以改善石膏的力学性能，并增强其他复掺材料的性　

能。展琳琳［３　研究了玻璃纤维对石膏材料的增强作　

用，得出长度为１５　ｍｌＹｌ，掺量为１．５％时，增强效果最　

明显。张维渤等　研究了Ｙ型束状单丝聚丙烯纤维　

和高强高模聚乙烯醇短纤维的长度和掺量对石膏基　

复合材料力学性能的影响，认为聚丙烯纤维对复合材　

料力学性能为负面影响而聚乙烯醇纤维对复合材料　

力学性能有增强作用。　

研究表明，聚丙烯纤维与基体黏结性较差，拔出　

强度较低，弹性模量较低，而ＰＶＡ纤维分散性好，与　

收稿日期：２０１８－０２　２２　

．．４８．．　石膏黏结性好，亲水，无毒，尤其是高弹高模聚乙烯醇　

纤维具有较高的强度，模量高，对人体无害等特点　］。　

由于纤维与基体存在界面过渡区，研究表明，添加聚　

合物胶粉或者乳液可有效改善基体与纤维的黏结性，　

进一步提高纤维增强材料的力学性能　］。　

本研究通过在石膏材料中添加具有相同化学成　

分的ＰＶＡ和ＰＶＡ纤维，探讨ＰＶＡ及ＰＶＡ纤维掺量　

对石膏基复合材料的工作性能、力学性能、耐水性能、　

吸水性能、弯曲韧性及微观结构的影响。　

１试验部分　

１．１原料建筑石膏粉，湖北应城玉环牌，其物相组　

成及物理性能见表１；聚乙烯醇纤维，日本可乐丽有　

限公司，其物理性能见表２；聚乙烯醇粉末，上海臣凯　

化工科技有限公司，其聚合度和醇化程度分别为１　７００　

和８８％，ＰＶＡ颗粒尺寸小于１２０目（１２５　ｐｍ）。　

表ｌ石膏相组成及物理性能　

半水相／二水相／无水相／　凝结时间／　抗压强抗折强过１２５　ｍｉｎ　初凝　终凝　度／

ＭＰａ度／Ｍｅａ　ｕ　％　第４１卷第２期　非金属矿　２０１８年３月　

知，石膏材料的吸水率在ｌ８０　ｍｉｎ以后明显饱和，使吸　

水速率大幅度下降。ＰＶＡ属于水溶性高分子聚合物，　

溶解后形成水溶性的膜，阻止了水分子的进入，但是　

长时间浸泡水中，导致机械膜溶解，吸水率上升。　

２．５　ＰＶＡ和ＰＶＡ纤维对石膏耐水性能的影响　纤　

维对石膏软化系数和饱水强度的影响，见图３。由　

图３可看出，ＰＶＡ纤维提高了软化系数，纤维掺量为　

０、０＿４％、０．８％、１．２％、１．６％时，饱水强度为２．５５　ＩＶ［Ｐａ、　

２．７７　ｌ￣＇ｌＰａ、３．６９　ＭＰａ、４．６８　ＭＰａ、４．４４　ＭＰａ，增幅达８．６％、　

４４．７％、８３．５％、７４．１％，软化系数由０．４６提高至０．５、　

０．６４、０．６、Ｏ．５９。加入ＰＶＡ后，饱水强度为２　ＭＰａ、２．３８　

ＭＰａ、３．４６　ＭＰａ、４．１６　ＭＰａ、２．３６　ＭＰａ，软化系数降低至　

Ｏ＿３左右。这是因为ＰＶＡ纤维是一种亲水性纤维，能　

吸收水分，在一定程度上阻止了水分子进入石膏基体　

中，而ＰＶＡ聚合物具有引气的作用，当ＰＶＡ水溶性　

的膜溶解后，孔隙率增大，结构疏松，相对于干抗折强　

度，饱水强度和软化系数大幅度下降。　—　Ｐ一０软化系莉　

０　０　Ｕ．４　０　８　１　Ｚ　１　ｂ　ＰＶＡ纤维体积掺量／％　图３　纤维对石膏软化系数和饱水强度的影响　

２．６　ＰＶＡ和ＰＶＡ纤维对石膏弯曲韧性的影响韧性　

为材料破裂前吸收的能量与体积的比值，韧性越好，　

吸收能量越多。通过试验得到的荷载．挠度曲线可　

知Ｐ一０—０组体积掺量为１＿２％时，最大荷载为１．９１　ｋＮ，　

最大位移为６．５　ｍｉｌｌ，断裂能为２．０８　ｋ‘１／ｍ　；ＰＶＡ能进一　

步增强材料的柔韧性，Ｐ一２．０组体积掺量为１．６％时，　

最大荷载高达３．１２　ｋＮ，最大位移为８　ｍｎ］，断裂能为　

２．７　ｋＪ／ｍ　。ＰＶＡ纤维与石膏基体之间存在界面过渡区，　

纤维与基体黏结较弱，很容易被拔出，ＰＶＡ能溶解形　

成一层膜，覆盖在纤维与石膏基体之间，使纤维与基　

体界面结合紧密，不易被拔出，韧性更好。　

２．７　ＰＶＡ和ＰＶＡ纤维对石膏晶体形貌的影响　用　

ＳＥＭ观察添加ＰＶＡ纤维和ＰＶＡ的石膏硬化体的晶　

体形貌，结果见图４。由图４可看出，ＰＶＡ纤维与石　

膏基体的接触面之间存在较大的空隙，黏结力较弱，　

界面过渡区成为了石膏硬化体强度最低处，孔隙率变　

大。加入水溶性聚合物ＰＶＡ，溶解以后均匀覆盖在纤　

维与石膏基体之间，使纤维与石膏基体结合紧密，增　

大了ＰＶＡ纤维和石膏基体间的黏附性，改善了ＰＶＡ　

．５０．　纤维和石膏基体问的界面结构，在受力作用下，纤维　

不容易被拔出。　

ａ－Ｐ－０－０．８；ｂ－Ｐ－０－ｌ　２；Ｃ－Ｐ－２—０．　；ｄ—ｌ　－２－１．２　

图４石膏硬化体ＳＥＭ微观形貌分析　

３结论　

１．浆体扩展度和凝结时间随ＰＶＡ纤维的增加而　

逐渐减小。ＰＶＡ纤维对石膏的吸水性能基本没有影　

响，ＰＶＡ使吸水率和吸水速率大幅度下降，吸水率下　

降值高达４７．７％；而ＰＶＡ对软化系数为负面影响，远　

远低于单掺ＰＶＡ纤维的值。　

２．加入ＰＶＡ纤维略微降低了抗压强度，增加了　

抗折强度，弯曲韧性增强；加入ＰＶＡ后表现出协同作　

用，抗压强度最大值高达２２　ＭＰａ，同时抗折强度远远　

大于单掺ＰＶＡ纤维的值，弯曲韧性进一步增强；ＰＶＡ　

纤维没有改变石膏的晶体结构，使纤维与石膏基体间　

结合紧密，改善了纤维与石膏基体的界面过渡区。综　

合考虑力学性能和耐水性能，最佳掺量组合为ＰＶＡ　

质量掺量２％，ＰＶＡ纤维体积掺量】．２％。　

参考文献：　

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觚