应用响应面法优化木丝增强石膏复合板的制备工艺1)

曹旭东 艾文兵 母军

(木质材料科学与应用教育部重点实验室(北京林业大学)，北京，100083)

我国建筑业产业巨大，发展迅速。据国家统计局数据显示，2020年，全国建筑业总产值达263 947亿元，同比增长6.2%，全国建筑业房屋建筑施工面积149.5亿m2，同比增长3.7%[1]。但建筑业发展仍面临能耗过高、能效过低等问题，开发“绿色建筑材料”已成为重要发展趋势之一。

石膏板因其轻质、隔音、阻燃等优势，广泛应用于商业地产、建筑隔墙等领域[2]。但应用中存在抗折强度低、握螺钉力小等问题，并且石膏堆存也对环境存在巨大隐患。因此开发石膏基的绿色材料是提高综合利用率的必由之路[3]。天然纤维来源广泛、绿色无污染，韧性和强度高，物理力学性能优良[4]；石膏基质中加入天然纤维可有效提升石膏板综合性能[5]。因此，针对天然纤维增强石膏板的制备工艺问题已进行了大量基础性研究，并就增强材料层面物理力学性能的研究取得了较多成果[6-9]。但针对天然纤维增强石膏复合材料的研究较多集中在基础性层面，关于综合多元非线性回归拟合分析与复合材料握螺钉力、抗折强度等建筑性能的研究较少。为此，本研究以柠檬酸溶液、脱硫建筑石膏粉、桦木木丝为原料制备木丝增强石膏复合板，参照有关国家标准、行业标准测定制备样品的力学强度；应用响应面发优化试验，构建二次多项式回归模型，分析水膏比(m(水)∶m(石膏粉)-木丝添加量-柠檬酸添加量体系中三者间交互作用对板材抗折强度和握螺钉力的影响，遴选3种原料的优化配比。旨在为木丝增强脱硫石膏复合材料实际应用中的制备工艺提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用脱硫建筑石膏粉由北新建材集团涿州石膏厂提供，主要成分为半水石膏，初凝时间44 s，终凝时间130 s。桦木木丝，含水率为3.94%，长度(50±5)mm、宽度(0.90±0.05)mm、厚度(0.46±0.02)mm，秦皇岛裕源木业有限公司提供。一水合柠檬酸，分析纯，购自北京化工厂。用X射线荧光光谱仪(XRF)测试脱硫建筑石膏的化学成分组成及元素组成(见表1)，脱硫建筑石膏的主要成分为CaO，质量分数为40.7%。

表1 脱硫建筑石膏主要化学成分及元素组成

1.2 木丝石膏板样品制备的响应面中心复合表面试验设计

试验选取水膏比(m(水)∶m(石膏粉))、木丝添加量(按照添加木丝质量比例计算，即添加木丝的质量占总体混合物质量的比例——木丝质量分数)、柠檬酸添加量(按照质量比计算，即添加柠檬酸的质量占总体混合物质量的比例——柠檬酸质量分数)为影响因素，以抗折强度和握螺钉力为评价指标(响应值)。借鉴已有相关研究成果，确定3个影响因素的3个梯度值(见表2)；采用设计专家(Design-Export)软件中心复合表面设计(CCF)方法设计了20组试验。

表2 木丝石膏板样品响应面试验设计参数

将柠檬酸溶液、按照水膏比(m(水)∶m(石膏粉))制备的脱硫建筑石膏粉水石膏、木丝按质量比混合搅拌至均匀，倒入300 mm×300 mm× 12 mm的自制模具中制样。在石膏初凝前将混合浆料放入冷压机冷压，压力2.5 MPa，待石膏水化结束后将试件放置在烘箱内40 ℃干燥48 h至恒质量，制得样品冷却至室温。

1.3 木丝石膏板样品性能的测试方法

应用MMW-50微机控制人造板万能试验机，参照LY/T 1598—2011《石膏刨花板》、GB/T 17657—2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》，测试木丝石膏板样品的力学强度。采用日本Hitachi Limited公司S-3400N II型扫描电子显微镜(放大倍数为1 000倍)，测试木丝石膏板样品的微观形貌。

2 结果与分析

2.1 木丝增强石膏复合板的抗折强度

按照试验设计测定制备木丝石膏板样品的力学性能的试验值和预测值(见表3)。抗折强度是材料单位面积承受弯矩时的极限折断应力。利用设计专家(Design-Export)软件对表3抗折强度试验结果进行分析(见表4)。

表3 木丝石膏复合板响应面法的试验结果

续(表3)

由表4可见：二次方程的相关系数(R2)为0.969 0，三次方程的相关系数(R2)为0.993 6。虽然三次方程的相关系数更高，但二次方程的校正相关系数和预测相关系数更为接近，且预测误差平方和值更小，因此选用二次方程拟合构建木丝石膏复合板的抗折强度模型：Y=16.998 06-21.186 87A+0.157 73B-41.786 36C-0.154 17AB+27.500 00AC-0.675 00BC+7.676 77A2+0.004 909 09B2+16.363 64C2。式中：Y为抗折强度；A为水膏比(m(水)∶m(石膏粉))；B为木丝添加量；C为柠檬酸添加量。

表4 木丝石膏复合板的抗折强度模型统计分析结果

由表5可见：回归模型的F值为34.71(P<0.01)，说明模型呈极显著性且可信度高，具有统计学意义；模型各因素间交互作用的显著性，由大到小依次为A×B、A×C、B×C。

表5 木丝石膏复合板的抗折强度方差分析结果

由图1(a)可见，实际值与预测值的点基本分布在一条直线上，表明两者拟合程度较高；由图1(b)可见，残差在零附近随机分布，数据点分布分散无规律，说明拟合效果较好；由图1(c)可见，残差的正态概率分布基本为一条直线，数据点分布均匀，说明残差符合正态分布。这说明模型相关性和契合度高，拟合效果好，可用于优化分析材料的抗折强度。

由图2可见，二维等高线图均呈椭圆形，反映了“水膏比(m(水)∶m(石膏粉))和木丝添加量”、“木丝添加量和柠檬酸添加量”、“水膏比(m(水)∶m(石膏粉))和柠檬酸添加量”3组因素之间的交互作用显著。三维响应曲面可以直观描述两因素交互作用与响应值的关系[10]。由图2(a)可见，降低水膏比(m(水)∶m(石膏粉))的同时增加木丝量，材料的抗折强度增大；由图2(b)可见，降低柠檬酸添加量的同时增加木丝添加量，材料的抗折强度增大；由图2(c)可见，抗折强度随着水膏比(m(水)∶m(石膏粉))和柠檬酸的添加量增大而减小。

分析其原因可知，水膏比(m(水)∶m(石膏粉))的增加会降低脱硫建筑石膏的密度，同时固化后的材料所存留的水会在材料干燥过程中挥发，在石膏中留下孔隙，从而影响材料的抗折强度。木丝本身具有较高的抗拉强度，增大其用量可以形成交联网状互锁结构[9]，另一方面是木丝表面能够与石膏粘黏，从而起到增强作用。柠檬酸作为缓凝剂能够改变石膏晶体形貌和生长习性，其作用为有效延长石膏的初凝、终凝时间。已有研究表明，石膏晶体的微观结构主要为纵横交错地交织在一起的细长针状晶体，柠檬酸的浓度增加会影响石膏的晶体形态，使得石膏晶体的针状特征消失，全部变成短柱状，且尺寸明显粗化，晶体之间空隙增大，由此导致晶体之间的搭接大大削弱，结晶网络变得松散，从而使硬化体的孔结构劣化[11-12]，宏观上则表现为强度急剧下降。这充分说明，高柠檬酸浓度是石膏复合板抗折强度大幅度下降的原因。

图1 木丝石膏复合板抗折强度的残差分布

“水膏比”为m(水)∶m(石膏粉)；“木丝添加量”为按照添加木丝的质量比例计算，即添加木丝的质量占总体混合物质量的比例——木丝质量分数；“柠檬酸添加量”为按照添加柠檬酸的质量比例计算，即添加柠檬酸的质量占总体混合物质量的比例——柠檬酸质量分数。

利用设计专家(Design-Expert)软件优化板材制备试验条件，根据实际情况确定每个因素的可取值范围：水膏比(m(水)∶m(石膏粉))为0.7∶1.0～1.3∶1.0，木丝添加量(质量分数)为0～20%，柠檬酸添加量(质量分数)为0～0.1%。得到木丝石膏复合板的最优工艺参数：水膏比(m(水)∶m(石膏粉))为0.7∶1.0，木丝添加量(质量分数)为20%，柠檬酸添加量为0(不添加柠檬酸)，抗折强度最大为8.89 MPa。

2.2 木丝增强石膏复合板的握螺钉力

对木丝增强石膏复合板的握螺钉力，运用模型进行统计分析(见表6)。由表6可见：二次方程的相关系数(R2)高达0.978 0，预测误差平方和值比其他模型更小，所以推荐选用二次方程模型：Y=1 101.511 11-1 564.661 62A+24.351 21B+225.575 76C-11.416 67AB+533.333 33AC-39.000 00BC+641.414 14A2-0.197 73B2-9 109.090 91C2。式中：Y为握螺钉力，A为水膏比(为m(水)∶m(石膏粉))，B为木丝添加量，C为柠檬酸添加量。

由表7可见：模型的P<0.01，且失拟项P>0.05，说明二次方程模型具有显著性，能够在回归区域内取得良好的拟合效果。在木丝石膏复合板握螺钉力的影响因素中，水膏比(m(水)∶m(石膏粉))、木丝添加量、柠檬酸添加量的影响极显著(P<0.01)；二次项中，A×B的影响极显著(P<0.01)、B×C的影响显著(P<0.05)、A×C的影响不显著。对木丝石膏复合板的握螺钉力信噪比分析结果表明：二次方程相关系数达到0.978 0，模型相关性良好；校正相关系数达0.958 3、预测相关系数0.878 5，两者数值较高，且两值之差小于0.2，说明模型能够充分反映木丝石膏复合板的工艺过程，不存在其他因素的显著性影响；精密度值为27.726，远大于4，说明模型精确度高。

表6 木丝石膏复合板握螺钉力的模型统计分析结果

表7 木丝石膏复合板握螺钉力的方差分析结果

由木丝石膏复合板握螺钉力的残差分布结果(见图3)可见，模型拟合木丝石膏复合板的握螺钉力具有较好适应性。

木丝增强石膏板中水膏比(m(水)∶m(石膏粉))、木丝添加量、柠檬酸添加量的交互作用，对木丝石膏复合板握螺钉力影响的等高线图和三维立体响应曲面(见图4)与图2相似。图4中二维等高线图均呈椭圆形，反映了“水膏比(m(水)∶m(石膏粉))和木丝添加量”、“木丝添加量和柠檬酸添加量”、“水膏比(m(水)∶m(石膏粉))和柠檬酸添加量”3组因素之间的交互作用显著。由图4(a)可见，握螺钉力随着水膏比(m(水)∶m(石膏粉))的减小和木丝添加量的增大而增大。由图4(b)、图4(c)可见，降低柠檬酸添加量的同时增加木丝添加量，或同时降低柠檬酸添加量和水膏比(m(水)∶m(石膏粉))，木丝石膏复合板的握螺钉力增大。这是因为木丝本身抗拉强度较高，增大其用量可以形成交联网状互锁结构。

利用设计专家(Design-Expert)软件得到木丝石膏复合板的优化工艺参数：水膏比(m(水)∶m(石膏粉))为0.7∶1.0，木丝添加量(质量分数)为20%，柠檬酸添加量为0(不添加柠檬酸)，握螺钉力最大为568.64 N。

2.3 纯石膏板与木丝增强石膏复合板的微观结构

由图5(a)可见：石膏晶体主要为长径比较大的针棒状，晶体之间彼此交错搭接，结构较为松散，且有大量空隙。由图5(b)可见：当石膏中添加木丝作为增强材料后，木丝表面附着均匀细长、排列整齐、针状和短柱状的石膏晶体，2种形态的晶体之间相互搭接，形成较为致密的网状结构。板材内部结构呈现完整、紧密的结构特点。这是因为具有亲水性羟基的木丝表面，可以吸收和保留部分游离水，在石膏的水化过程中，游离水的存在有利于晶体在木丝表面沉淀和生长，晶体间相互搭接形成密实的网状结构[13]。木丝表面与石膏基质之间形成的互锁效应，可明显提升石膏板的力学性能，对木丝增强石膏复合板的研发提供了很好的参考和借鉴。

图3 木丝石膏复合板握螺钉力的残差分布

“水膏比”为m(水)∶m(石膏粉)；“木丝添加量”为按照添加木丝的质量比例计算，即添加木丝的质量占总体混合物质量的比例——木丝质量分数；“柠檬酸添加量”为按照添加柠檬酸的质量比例计算，即添加柠檬酸的质量占总体混合物质量的比例——柠檬酸质量分数。

图5 木丝石膏板表面微观形态

3 结论

通过方差分析及显著性评价可知，水膏比(m(水)∶m(石膏粉))、木丝添加量、柠檬酸添加量交互作用，对抗折强度、握螺钉力均有影响，3者影响力由大到小依次为水膏比(m(水)∶m(石膏粉))、木丝添加量、柠檬酸添加量。增大木丝添加量，降低水膏比(m(水)∶m(石膏粉))、柠檬酸添加量，可有效提升木丝增强石膏板的抗折强度和握螺钉力。

对木丝增强石膏板抗折强度和握螺钉力进行回归分析，得到木丝增强石膏板各因素优化工艺参数：水膏比(m(水)∶m(石膏粉))为0.7∶1.0，木丝添加量(质量分数)为20%，柠檬酸添加量为0(不添加柠檬酸)。优化木丝增强石膏板的抗折强度为8.89 MPa、握螺钉力为580 N，与纯石膏板相比，分别提升48.17%、79.95%。

对纯石膏板与木丝增强石膏板的微观形貌进行分析，木丝作为增强材料添加至石膏中改变了板材的内部结构，木丝与石膏基质形成较为致密的网状结构和互锁效应，提升了板材的物理力学性能。