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摘要：本文主要介绍了MDF水泥材料的性能, 微观构造,及用途。
关键词：MD F 水泥材料；聚合物；普通硅酸盐永泥；高铝水泥
中图分类号：TQ172 文献标识码： A
引言：
MD F 水泥也称无宏观缺陷水泥。1 9 7 9 年, 英国牛津大学冶金与材料科学系和英国帝国化学工业公司的A lfo rd 和Bir e ha u 教授等人利用硅酸盐水泥、铝酸盐水泥, 加有机聚合物及改变颗粒组成, 采用强制搅拌, 加压成型, 得到性能优良的MD F 水泥, 抗折强度达到1 5 0 ~ 200MP a。
M D F 水泥的问世, 是水泥材料科学的转折点, 具有划时代的意义, 如今这类超高强胶凝材料是当前重点研究方向之一。这类材料以其极高的抗折强度, 能耗低, 成型加工方便和性能易于调整等特点, 引起世界各国尤其是英、美、法、德、丹麦等发达国家材料界科学家的关注, 美国为此于1 9 8 9 年投资1 0 0 0 万美元科研费建立了一个“ 高级水泥基材料科技中心” (C en ter For段ie n e e a n d T e e hn o lo g y o f A d v a n ee d C e m e n t B a se dMat er ial s ) 。
M D F 水泥(无缺陷水泥) 材料的抗折强度和抗冲击韧性分别比普通水泥高十几倍和几十倍, 使得水泥材料的力学性能可与塑料、高级陶瓷及部分金属材料媲美, 从而有可能大大扩展了水泥材料的应用领域。该材料还具有能耗低及性能易于调整等特点, 现已越来越引起各国材料界人士的重视。然而, 在现阶段M D F 水泥材料仍有不少问题没有得到解决和证实, 从而影响了该材料的实用性开发。
M D F 水泥材料的后期强度下降现象, 是大家最为担心的大问题。英国牛津大学的W·si nc ali r 和G·w·G r o v e s 从材料的微观结构上对这种现象做了详细论述, 并在用试验数据和X 衍射检验结果证实了他们的论点后指出:后期强度下降的原因是材料中水化矿物C A H , 。转变成C 3A H 6 , 所以这种强度下降不可避免, 强度下降率为50 %左右。本文结合笔者所做的工作, 对M D F 水泥材料作一综述介绍。
M D F 水泥材料
水泥是通过与水反应生成微细水化物而形成硬化体的, 所用水的一部分作为空隙水残留下来是水泥强度降低的重要原因。因此, 为了提高水泥的强度, 人们研究了多种方法减少用水量, 但所有这些方法都无法做到在提高材料抗压强度的同时大幅度提高材料抗拉强度和抗弯强度。英国学者B i r c h a l l用G r i f f i t h 的理论证明,水泥硬化体破坏强度降低的原因不仅与孔隙量有关, 也与孔隙直径有关。图1 表示硬化水泥浆裂纹状孔长度与抗弯强度的关系。图示表明, 除去大孔隙, 可得到与普通陶瓷相同高强度的水泥硬化体。这种材料因其结构十分致密、孔隙率低、孔径小而被称作无宏观缺陷的水泥( M ac r o 一d e f e e t f r e e e e m e n t ), 简称M D F 水泥。M D F 水泥因具有聚合物掺量低、强度提高幅度大、加工性能好、生产工艺简单、可在较低温度下成型、节省能源、代木、代钢、代塑、用途广阔等一系列优点而受到各国学者的重视。国外部分产品已商品化, 国内也正在加紧研究。
M D F 水泥材料的制备和性能
MD F水泥材料的制备基本采用B i r c h a l l教授等提出的方法： 在水泥中加入水溶性聚合物或聚合物乳液, 如聚丙烯酞胺、经丙基甲基纤维素、聚乙烯醇、丙烯酸乳液等。在高剪切力下对之搅拌, 使水泥粒子均匀分散,再经压制成型, 使水泥粒子重新紧密地排列起来。此外, 该材料也可采用挤出成型。
所用水泥最好按一定的颗粒级配调整,可用两种或三种不同颗粒分布的水泥配制。两种不同颗粒分布的水泥配比为: 粒径60 ~1 1 0um 的水泥7 0 ~ 9 0 %、粒径1 ~ 1 0 um 的水泥10 ~ 30 %。三种不同颗粒分布的水泥配比为: 粒径1 0 0 ~ 1 5 0 um 的水泥7 0 ~ 9 0%、粒径7 ~ 1 2 um 的水泥1 0 ~ 3 0 %、粒径0.5 ~2 um的水泥3 ~ 8%。
国外研究的MD F 水泥材料因其所用水泥品种而分为普通硅酸盐水泥系和高铝水泥系两类。不同的水泥使用不同的聚合物, 其性能也不完全相同。普通硅酸盐水泥类MD P材料的抗压强度大于1 0 MPa , 抗折强度为4 0 ~ 6 0MPa , 弹性模量为4 0 G Pa , 孔隙率约为1 0 ~ 1 5 V o l%。O h a m a 教授等研究改进了养护工艺, 制得了抗折强度为90 MPa 的普通硅酸盐水泥MD F 材料。高铝水泥类MD P材料的力学性能明显优于普通硅酸盐水泥类的MD F 材料。下表列出了该材料的物理性能, 力学性能、电学性能及声学性能。
普通硅酸盐水泥类MD F 材料浸水后强度有所下降, 但干燥后强度及弹性模量均能回复。高铝水泥类MD F 材料浸水后特别在湿热条件下, 强度下降幅度较大。干燥后, 强度仍不能恢复。
高铝水泥类MD P 材料的差热分析结果(见图1 )证实, 试件在干燥条件下或浸泡在20 ℃水中, 几乎没有相变发生, 但经7 天湿热处理的MDF材料在2 70 ℃ 处有一代表的强吸热峰。在上述的晶型转变时,会放出大量游离水, 使孔隙率增加, 强度下降。
M D F 水泥材料的微观结构
用光學显微镜观察MDF水泥材料, 发现未完全水化的水泥粒子被胶凝材料包围,几乎观察不到气泡, 裂纹等缺陷。改用放大倍数更高的电子显微镜观察, 则发现普通硅酸盐水泥类M DF材料的微观结构与低水灰比的普通水泥材料很相似, 水泥颗粒被微晶Oa (O H )2 及无定形相所包围, 但观察不到纤维状的CSH 。这可能是因其水灰比低, 粒子排列紧密, 缺乏纤维状C SH 生长所需的空间的缘故。在聚合物相中, C a 含量较高, C/ 8的平均值为4.26 左右, 因而聚合物与水泥之间可能已发生化学反应。
在高铝水泥类M D F 材料中, 孔隙率和孔径大小明显低于普通硅酸盐水泥类MDF材料, 未完全水化的OA 和OA2被无定形相所包围。在无定形相中, 还存在微米级和亚微米级的OA 、CA2、a 一氧化铝和Β氧化铝。经无定形相区域扫描分析, 发现其中存在Ca和A I, CA和A I 的比约为1 : 1·64 , 表明聚合物可能与水泥中的阳离子(特别是A I) 发生了反应。
M D F 水泥材料的用途
M D F 水泥材料由于强度极高, 因此制品可实现轻量化、小型化。加上其成型方法多样, 所以这种材料不仅适用于传统水泥制品的范围, 还可以代替陶瓷, 木材, 金属及塑料, 用途广泛( 见表1 )。也可以用于表2 所示特殊用途。目前M D F水泥材料的实用化产品是用作内装修材料( 表3 ), 这是利用这种材料的高强度, 高硬度, 表面平滑性, 不燃性, 成型性及耐久性。制得的产品体薄、轻质、装修效果好。由于M D F 水泥材料是新材料, 其特性尚不十分明了, 因此, 为了扩大这种材料的实际用途,在对这种材料迸行改性以适应各自用途的同时, 还必须加强开发制品生产工艺及降低生产成本的研究。今后需通过加强研究这种材料的破坏机理和微观构造, 进一步提高这种材料的再现性及声信赖性, 使之成为功能性材料, 得到广泛的利用
表1 、M D F 水泥材料用途举例
表2 、M D F 水泥材料特殊用途举例
表3 、M D F 水泥材料内装修建材产品的特点
结束语：
MD F 材料是一类新型的有机无机复合材料。该材料具有聚合物掺量低、强度提高幅度大、加工性能好, 可在较低温度下成型,节省能源等优点, 是一种有广阔潜在市场的新材料。目前, 国外部分产品已商品化, 国内的研究工作也正在进行。今后需进一步对该材料的成型工艺、养护条件, 增强机理、开发应用等方面进行研究并对该材料在不同的环境条件下的长期性能进行考察。
参考文献：
[1] 丁庆军,李悦,胡曙光,郭海英. MDF水泥的碳纤维增强研究[J]. 武汉工业大学学报. 1998(03)
[2] 黄从运,龙世宗. 工艺参数对SAC-MDF水泥力学性能的影响[J]. 新世纪水泥导报. 2003(06)
[3] 应晓,朱逢吾,肖纪美. 尼龙纤维增强MDF水泥的力学性能研究[J]. 华南理工大学学报(自然科学版). 2000(01)
[4] 吴正刚,黄从运. 工艺参数对SAC-MDF水泥力学性能的影响[J]. 新世纪水泥导报. 2004(05)
[5] 黄从运,柯劲松. MDF水泥材料的稳定性及改性研究[J]. 武汉工业大学学报. 1995(02)
[6] 柯劲松. MDF水泥材料的制备与应用[J]. 中国建材. 1995(10)
关键词：MD F 水泥材料；聚合物；普通硅酸盐永泥；高铝水泥
中图分类号：TQ172 文献标识码： A
引言：
MD F 水泥也称无宏观缺陷水泥。1 9 7 9 年, 英国牛津大学冶金与材料科学系和英国帝国化学工业公司的A lfo rd 和Bir e ha u 教授等人利用硅酸盐水泥、铝酸盐水泥, 加有机聚合物及改变颗粒组成, 采用强制搅拌, 加压成型, 得到性能优良的MD F 水泥, 抗折强度达到1 5 0 ~ 200MP a。
M D F 水泥的问世, 是水泥材料科学的转折点, 具有划时代的意义, 如今这类超高强胶凝材料是当前重点研究方向之一。这类材料以其极高的抗折强度, 能耗低, 成型加工方便和性能易于调整等特点, 引起世界各国尤其是英、美、法、德、丹麦等发达国家材料界科学家的关注, 美国为此于1 9 8 9 年投资1 0 0 0 万美元科研费建立了一个“ 高级水泥基材料科技中心” (C en ter For段ie n e e a n d T e e hn o lo g y o f A d v a n ee d C e m e n t B a se dMat er ial s ) 。
M D F 水泥(无缺陷水泥) 材料的抗折强度和抗冲击韧性分别比普通水泥高十几倍和几十倍, 使得水泥材料的力学性能可与塑料、高级陶瓷及部分金属材料媲美, 从而有可能大大扩展了水泥材料的应用领域。该材料还具有能耗低及性能易于调整等特点, 现已越来越引起各国材料界人士的重视。然而, 在现阶段M D F 水泥材料仍有不少问题没有得到解决和证实, 从而影响了该材料的实用性开发。
M D F 水泥材料的后期强度下降现象, 是大家最为担心的大问题。英国牛津大学的W·si nc ali r 和G·w·G r o v e s 从材料的微观结构上对这种现象做了详细论述, 并在用试验数据和X 衍射检验结果证实了他们的论点后指出:后期强度下降的原因是材料中水化矿物C A H , 。转变成C 3A H 6 , 所以这种强度下降不可避免, 强度下降率为50 %左右。本文结合笔者所做的工作, 对M D F 水泥材料作一综述介绍。
M D F 水泥材料
水泥是通过与水反应生成微细水化物而形成硬化体的, 所用水的一部分作为空隙水残留下来是水泥强度降低的重要原因。因此, 为了提高水泥的强度, 人们研究了多种方法减少用水量, 但所有这些方法都无法做到在提高材料抗压强度的同时大幅度提高材料抗拉强度和抗弯强度。英国学者B i r c h a l l用G r i f f i t h 的理论证明,水泥硬化体破坏强度降低的原因不仅与孔隙量有关, 也与孔隙直径有关。图1 表示硬化水泥浆裂纹状孔长度与抗弯强度的关系。图示表明, 除去大孔隙, 可得到与普通陶瓷相同高强度的水泥硬化体。这种材料因其结构十分致密、孔隙率低、孔径小而被称作无宏观缺陷的水泥( M ac r o 一d e f e e t f r e e e e m e n t ), 简称M D F 水泥。M D F 水泥因具有聚合物掺量低、强度提高幅度大、加工性能好、生产工艺简单、可在较低温度下成型、节省能源、代木、代钢、代塑、用途广阔等一系列优点而受到各国学者的重视。国外部分产品已商品化, 国内也正在加紧研究。
M D F 水泥材料的制备和性能
MD F水泥材料的制备基本采用B i r c h a l l教授等提出的方法： 在水泥中加入水溶性聚合物或聚合物乳液, 如聚丙烯酞胺、经丙基甲基纤维素、聚乙烯醇、丙烯酸乳液等。在高剪切力下对之搅拌, 使水泥粒子均匀分散,再经压制成型, 使水泥粒子重新紧密地排列起来。此外, 该材料也可采用挤出成型。
所用水泥最好按一定的颗粒级配调整,可用两种或三种不同颗粒分布的水泥配制。两种不同颗粒分布的水泥配比为: 粒径60 ~1 1 0um 的水泥7 0 ~ 9 0 %、粒径1 ~ 1 0 um 的水泥10 ~ 30 %。三种不同颗粒分布的水泥配比为: 粒径1 0 0 ~ 1 5 0 um 的水泥7 0 ~ 9 0%、粒径7 ~ 1 2 um 的水泥1 0 ~ 3 0 %、粒径0.5 ~2 um的水泥3 ~ 8%。
国外研究的MD F 水泥材料因其所用水泥品种而分为普通硅酸盐水泥系和高铝水泥系两类。不同的水泥使用不同的聚合物, 其性能也不完全相同。普通硅酸盐水泥类MD P材料的抗压强度大于1 0 MPa , 抗折强度为4 0 ~ 6 0MPa , 弹性模量为4 0 G Pa , 孔隙率约为1 0 ~ 1 5 V o l%。O h a m a 教授等研究改进了养护工艺, 制得了抗折强度为90 MPa 的普通硅酸盐水泥MD F 材料。高铝水泥类MD P材料的力学性能明显优于普通硅酸盐水泥类的MD F 材料。下表列出了该材料的物理性能, 力学性能、电学性能及声学性能。
普通硅酸盐水泥类MD F 材料浸水后强度有所下降, 但干燥后强度及弹性模量均能回复。高铝水泥类MD F 材料浸水后特别在湿热条件下, 强度下降幅度较大。干燥后, 强度仍不能恢复。
高铝水泥类MD P 材料的差热分析结果(见图1 )证实, 试件在干燥条件下或浸泡在20 ℃水中, 几乎没有相变发生, 但经7 天湿热处理的MDF材料在2 70 ℃ 处有一代表的强吸热峰。在上述的晶型转变时,会放出大量游离水, 使孔隙率增加, 强度下降。
M D F 水泥材料的微观结构
用光學显微镜观察MDF水泥材料, 发现未完全水化的水泥粒子被胶凝材料包围,几乎观察不到气泡, 裂纹等缺陷。改用放大倍数更高的电子显微镜观察, 则发现普通硅酸盐水泥类M DF材料的微观结构与低水灰比的普通水泥材料很相似, 水泥颗粒被微晶Oa (O H )2 及无定形相所包围, 但观察不到纤维状的CSH 。这可能是因其水灰比低, 粒子排列紧密, 缺乏纤维状C SH 生长所需的空间的缘故。在聚合物相中, C a 含量较高, C/ 8的平均值为4.26 左右, 因而聚合物与水泥之间可能已发生化学反应。
在高铝水泥类M D F 材料中, 孔隙率和孔径大小明显低于普通硅酸盐水泥类MDF材料, 未完全水化的OA 和OA2被无定形相所包围。在无定形相中, 还存在微米级和亚微米级的OA 、CA2、a 一氧化铝和Β氧化铝。经无定形相区域扫描分析, 发现其中存在Ca和A I, CA和A I 的比约为1 : 1·64 , 表明聚合物可能与水泥中的阳离子(特别是A I) 发生了反应。
M D F 水泥材料的用途
M D F 水泥材料由于强度极高, 因此制品可实现轻量化、小型化。加上其成型方法多样, 所以这种材料不仅适用于传统水泥制品的范围, 还可以代替陶瓷, 木材, 金属及塑料, 用途广泛( 见表1 )。也可以用于表2 所示特殊用途。目前M D F水泥材料的实用化产品是用作内装修材料( 表3 ), 这是利用这种材料的高强度, 高硬度, 表面平滑性, 不燃性, 成型性及耐久性。制得的产品体薄、轻质、装修效果好。由于M D F 水泥材料是新材料, 其特性尚不十分明了, 因此, 为了扩大这种材料的实际用途,在对这种材料迸行改性以适应各自用途的同时, 还必须加强开发制品生产工艺及降低生产成本的研究。今后需通过加强研究这种材料的破坏机理和微观构造, 进一步提高这种材料的再现性及声信赖性, 使之成为功能性材料, 得到广泛的利用
表1 、M D F 水泥材料用途举例
表2 、M D F 水泥材料特殊用途举例
表3 、M D F 水泥材料内装修建材产品的特点
结束语：
MD F 材料是一类新型的有机无机复合材料。该材料具有聚合物掺量低、强度提高幅度大、加工性能好, 可在较低温度下成型,节省能源等优点, 是一种有广阔潜在市场的新材料。目前, 国外部分产品已商品化, 国内的研究工作也正在进行。今后需进一步对该材料的成型工艺、养护条件, 增强机理、开发应用等方面进行研究并对该材料在不同的环境条件下的长期性能进行考察。
参考文献：
[1] 丁庆军,李悦,胡曙光,郭海英. MDF水泥的碳纤维增强研究[J]. 武汉工业大学学报. 1998(03)
[2] 黄从运,龙世宗. 工艺参数对SAC-MDF水泥力学性能的影响[J]. 新世纪水泥导报. 2003(06)
[3] 应晓,朱逢吾,肖纪美. 尼龙纤维增强MDF水泥的力学性能研究[J]. 华南理工大学学报(自然科学版). 2000(01)
[4] 吴正刚,黄从运. 工艺参数对SAC-MDF水泥力学性能的影响[J]. 新世纪水泥导报. 2004(05)
[5] 黄从运,柯劲松. MDF水泥材料的稳定性及改性研究[J]. 武汉工业大学学报. 1995(02)
[6] 柯劲松. MDF水泥材料的制备与应用[J]. 中国建材. 1995(10)