CN115776976A - 耐火纤维水泥组合物 - Google Patents

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Abstract

一种纤维水泥组合物，其包含至少一种水硬性黏合剂、作为纤维水泥组合物中唯一的有机纤维的有机加工助剂纤维和至少一种无机纤维，其表现出优异的耐火性和机械性能。

Description

耐火纤维水泥组合物
技术领域
本发明涉及纤维水泥组合物和由这些纤维水泥组合物获得的纤维水泥建筑材料，以及它们的制造方法。纤维水泥组合物显示出优异的耐火性。
现有技术
纤维水泥是复合建筑材料，因其强度和耐用性而主要用于屋顶和立面产品。一种常见的用途是建筑上的纤维水泥包层或壁板。
纤维水泥主要包括黏合剂(通常为水泥)和几种类型的纤维，其均在制造过程中作为加工助剂以及机械增强。
在制造过程中用作加工助剂的纤维允许由水、水泥和几种类型的纤维形成的含水浆料在部分浸没在含水浆料中的筛鼓上被拾取。另一方面，在纤维水泥产品中用作机械增强的纤维对制造过程中的“拾取”步骤没有显著帮助。
在目前可用的纤维水泥产品中，用作机械增强的纤维大多选自合成聚合物纤维，例如聚乙烯纤维(PE)或聚乙烯醇纤维。这种纤维重量轻、耐腐蚀并且容易获得。
在纤维水泥中，主要成分是以重量百分比表示的水硬性黏合剂。尽管纤维水泥中含有合成聚合物纤维，但纤维水泥中相对较高含量的水硬性黏合剂使得由纤维水泥制成的传统建筑材料具有非常好的耐火性，并且大多数纤维水泥满足根据EN 13501-1第二严格的要求，即A2-s1，d0级。根据EN 13501-1分类的试样和试验程序可在ISO 1182(A1级)、ISO1716以及EN13823(A2-S1，d0级)找到。
然而，越来越严格的防火规范，以及对公共建筑中火灾危险越来越多的了解，支持使用达到最高耐火性的建筑材料，即根据EN 13501-1A1级的要求。同时，应该满足传统纤维水泥产品的优异机械性能，以使它们能够继续用作建筑材料，如包层或屋顶，其保护和覆盖建筑外表面。最后，用于获得这种纤维水泥产品的纤维水泥组合物必须保持适合在现有类型的制造机器上进行加工，而不需要对其进行重大改装。
因此，需要提供满足现有耐火等级的最严格要求(例如根据EN 13501-1的A1级)的纤维水泥产品，以及用于其制造的组合物，所述组合物可用于现有的制造机器，并且基本上保持传统纤维水泥产品的机械性能。
发明内容
因此，本发明提供了纤维水泥组合物，以及通过所述纤维水泥组合物获得的纤维水泥产品，其满足根据EN13501-1 A1的要求并且显示出优异的机械性能。
因此，本发明的目的是提供纤维水泥组合物，其包含至少一种水硬性黏合剂、作为纤维水泥组合物中唯一的有机纤维的有机加工助剂纤维和至少一种无机纤维。
本发明的另一个目的是提供纤维水泥材料，例如由根据上述的纤维水泥组合物，优选通过圆网抄取法获得的建筑材料，如包层或屋顶元件。
从属权利要求中列出了本发明的进一步实施方案。
具体实施方式
本发明的目的是提供纤维水泥组合物，其包含至少一种水硬性黏合剂、作为纤维水泥组合物中唯一的有机纤维的有机加工助剂纤维和至少一种无机纤维。
通过其干组分描述的纤维水泥组合物适用于制造纤维水泥产品，特别是通过圆网抄取法。
纤维水泥产品可以通过将根据本发明的纤维水泥组合物的组分与给定量的水组合以获得包含纤维水泥组合物的组分的浆料或悬浮液来获得。然后，可以拾取筛鼓上的浆料或悬浮液，所述筛鼓部分浸没在含水浆料中并旋转直到沉积至湿纤维水泥组合物层的指定厚度，之后将湿纤维水泥组合物层从筛鼓上移除以干燥和固化，最后切割以产生纤维水泥产品。该方法对于纤维水泥产品领域的技术人员是众所周知的，并且用于制造纤维水泥产品的最著名的方法是所谓的“圆网抄取法”。
应理解，本文涉及本发明的纤维水泥组合物的任意公开同样适用于其相应的含水浆料或悬浮液。
根据本发明的纤维水泥组合物包含至少一种水硬性黏合剂。合适的水硬性黏合剂对于纤维水泥产品领域的技术人员是众所周知的，并且可以选自几种类型的水泥，例如波特兰水泥。可商购获得的水泥例如根据EN197-1的CEM I 42.5N，来自Holcim的产品“Normo4”。
根据本发明的纤维水泥组合物包含作为纤维水泥组合物中唯一的有机纤维的有机加工助剂纤维。已发现有机加工助剂纤维对于由纤维水泥组合物有效制造纤维水泥产品是必需的，因为有机加工助剂纤维能够使湿纤维水泥组合物沉积在筛鼓上。在试验中，省略有机加工助剂纤维导致湿纤维水泥组合物的浆料或悬浮液拾取不充分。因此，为了尽量使纤维水泥组合物中可燃材料的量减到最少，将有机加工助剂纤维限制为纤维水泥组合物中唯一的有机纤维。
在根据本发明的纤维水泥组合物的优选实施方案中，有机加工纤维包含木浆或由木浆组成。木浆可以是任意软木浆或硬木浆，优选是化学木浆如硫酸盐或亚硫酸盐木浆。在根据本发明的纤维水泥组合物的优选实施方案中，有机加工纤维包含或组成为未漂白或漂白的化学木浆，或两者的混合物。
在根据本发明的纤维水泥组合物的优选实施方案中，当使用Kajaani FS300纤维分析仪测量时，将有机加工纤维精制至约35至75的SR°细度，和/或纤维长度超过2mm，优选超过2.5mm。如果纤维长度低于2毫米，则拾取的浆料量会变得更少，最终对于有效制造来说会太小。
根据本发明的纤维水泥组合物可以包含至少一种无机纤维。无机纤维用作向所得纤维水泥材料提供优异机械性能的机械增强纤维。
在根据本发明的纤维水泥组合物的优选实施方案中，无机纤维是玄武岩纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维和玻璃纤维的组合。玄武岩纤维和玻璃纤维是不可燃的，代替了传统使用的聚合物纤维，例如聚乙烯纤维和/或聚乙烯醇纤维，同时在纤维水泥产品中提供了机械增强。
在根据本发明的纤维水泥组合物的优选实施方案中，无机纤维是数均或重均长度为约2mm至约16mm，优选约2mm至约8mm，更优选约2mm至6mm的无机纤维。无机纤维可以是短切或研磨的无机纤维，优选为短切无机纤维。短切纤维的优点是尺寸分布较窄。
在根据本发明的纤维水泥组合物的优选实施方案中，无机纤维的直径为约5微米至25微米，优选10微米至20微米。
已发现当无机纤维的长度低于12mm，优选低于8mm时，由根据本发明的纤维水泥组合物获得的纤维水泥产品的机械性能例如弯曲强度基本等同于由传统纤维水泥组合物获得的纤维水泥产品的机械性能，在传统纤维水泥组合物中使用了合成聚合物增强纤维，如聚乙烯或聚乙烯醇。
在根据本发明的纤维水泥组合物的优选实施方案中，当无机纤维是玄武岩纤维时，无机纤维的数均或重均长度为约2mm至约16mm，优选约2mm至约8mm，更优选约2mm至6mm。
在根据本发明的纤维水泥组合物的优选实施方案中，当无机纤维是玻璃纤维时，无机纤维的数均或重均长度为约2mm至约16mm，优选约2mm至约8mm，更优选约2mm至6mm。
在根据本发明的纤维水泥组合物的优选实施方案中，无机纤维优选是耐碱无机纤维时。
在根据本发明的纤维水泥组合物的优选实施方案中，当无机纤维是玄武岩纤维时，无机纤维优选是耐碱玄武岩纤维。
在根据本发明的纤维水泥组合物的优选实施方案中，当无机纤维是玻璃纤维时，无机纤维优选是耐碱玻璃纤维。
在根据本发明的纤维水泥组合物的优选实施方案中，耐碱无机纤维，特别是耐碱玻璃纤维和耐碱玄武岩纤维包含硅烷纤维上浆。
在根据本发明的纤维水泥组合物的优选实施方案中，基于玄武岩纤维的重量，玄武岩纤维包含
-约45重量％至约60重量％的SiO2，或
-约12重量％至约19重量％的Al2O3，或
-约5重量％至约15重量％的Fe2O3，或
-约6重量％至约12重量％的CaO，或
-约3重量％至约7重量％的MgO，或
-约0.9重量％至约2.0重量％的TiO2，或
-约0.9重量％至约2.0重量％的Na2O。
在根据本发明的纤维水泥组合物的更优选的实施方案中，基于玄武岩纤维重量，玄武岩纤维包含
-约45重量％至约60重量％的SiO2，
-约12重量％至约19重量％的Al2O3，
-约5重量％至约15重量％的Fe2O3，
-约6重量％至约12重量％的CaO，
-约3重量％至约7重量％的MgO，
-约0.9重量％至约2.0重量％的TiO2，和
-约0.9重量％至约2.0重量％的Na2O。已发现具有这种组成的玄武岩纤维赋予并入它们的纤维水泥产品优异的耐火性和优异的机械性能。
在根据本发明的纤维水泥组合物的优选实施方案中，当根据ISO137-1975测量时，无机纤维的密度为约2.6g/cm3至2.8g/cm3。
在根据本发明的纤维水泥组合物的优选实施方案中，玄武岩纤维的密度为约2.6g/cm3至2.8g/cm3，和/或当根据DIN ISO EN 10618测量时，其拉伸强度为100cN/tex至110cN/tex，和/或当根据ISO137-1975测量时，其纤维直径为约8微米至约20微米，优选约12微米至约16微米。
在根据本发明的纤维水泥组合物的优选实施方案中，玻璃纤维的密度为约2.6g/cm3至2.8g/cm3，和/或当根据ISO137-1975测量时，其纤维直径为15微米至25微米。
在根据本发明的纤维水泥组合物的优选实施方案中，无机纤维的L/D比为150至约1400，更优选150至约375。
在根据本发明的纤维水泥组合物的优选实施方案中，无机纤维是玻璃纤维，无机纤维的L/D比为150至约600，更优选150至约300。
在根据本发明的纤维水泥组合物的优选实施方案中，无机纤维是玄武岩纤维，无机纤维的L/D比为250至约1400，更优选250至约375。
在根据本发明的纤维水泥组合物的优选实施方案中，纤维水泥组合物不包含为石棉纤维的无机纤维。
在根据本发明的纤维水泥组合物的优选实施方案中，纤维水泥组合物不包含合成聚合物纤维，例如聚乙烯(PE)纤维或聚乙烯醇(PVA)纤维。
在根据本发明的纤维水泥组合物的优选实施方案中，纤维水泥组合物还包含泡腾剂、阻燃剂、填料或颜料，或其组合。
在根据本发明的纤维水泥组合物的优选实施方案中，纤维水泥组合物还包含三水合铝(ATH)、水菱镁矿、碳酸钙镁石或其组合。
在根据本发明的纤维水泥组合物的优选实施方案中，基于纤维水泥组合物的总干重，纤维水泥组合物包含50干重％至94干重％，优选70干重％至94干重％的水硬性黏合剂。
在根据本发明的纤维水泥组合物的优选实施方案中，基于纤维水泥组合物的总干重，纤维水泥组合物包含2干重％至6干重％，优选3干重％至5干重％的无机纤维。
在根据本发明的纤维水泥组合物的优选实施方案中，基于纤维水泥的总干重，纤维水泥组合物包含1干重％至10干重％，优选1干重％至5干重％的有机纤维。
在根据本发明的纤维水泥组合物的优选实施方案中，有机纤维还可以用阻燃剂处理。然而，已发现优异的机械性能和防火性能也可以用未经阻燃剂处理的有机纤维如漂白或未漂白的化学木浆来实现。应理解，当与使用未经阻燃剂处理的有机纤维如化学木浆的情况相比，当使用经阻燃剂处理的有机纤维时，可以使用更少量的有机纤维。
在根据本发明的纤维水泥组合物的优选实施方案中，有机纤维未经阻燃剂处理。
本发明的另一个目的是提供由根据上述的纤维水泥组合物获得，优选通过圆网抄取法获得的纤维水泥产品或建筑材料。建筑材料可以是例如屋顶元件或包层元件。屋顶元件可以是例如屋顶木瓦、屋面瓦、波纹屋面板等形式。包层元件可以是例如包层瓦片、覆盖板、隔板、波纹侧板等形式。
此外，本发明的目的是提供包层元件或屋顶元件，其包括根据上述的纤维水泥产品或建筑材料的板，优选满足EN 12467(包层)、EN 492和EN494(屋顶)的要求。
在根据本发明的包层元件或屋顶元件的优选实施方案中，屋顶元件或包层元件还包括涂覆到屋顶元件或包层元件的至少外侧的涂层，基于包层或屋顶元件的总重量，涂层的量优选小于350克/平方米(sqm)，优选80克/平方米至200克/平方米，和/或厚度为约40微米至80微米。
实验数据
通过将约25kg的Normo 4水泥(93.5干重％)、0.72kg(2.6干重％)的纤维素纤维和1.039kg的长度为4mm且密度为约2.7(3.9干重％)的短切玄武岩纤维在水中组合以提供浆料来制备样品1。将该浆料引入实验室片材成型机，所述成型机生产厚度约为4mm的矩形瓦片。
通过将约25kg的Normo 4水泥(93.8干重％)、0.72kg(2.6干重％)的纤维素纤维和1.039kg的长度为6mm且密度为约2.5(3.6干重％)的短切玻璃纤维在水中组合以提供浆料来制备样品2。将该浆料引入实验室片材成型机，所述成型机生产厚度约为4.1mm的矩形瓦片。
通过将约60kg的Normo 4水泥(93.76干重％)、1.666kg(2.6干重％)的纤维素纤维和1.164kg的长度为4mm的PVA纤维(1.82干重％)、2.818kg的长度为1.2mm的PE纤维(1.82干重％)在水中组合以提供浆料来制备参考样品。将该浆料引入实验室片材成型机，所述成型机生产厚度约为4.8mm的矩形瓦片。
样品1、样品2和参考样品彼此比较它们的断裂模量。样品1显示了在空气干燥7天、28天和56天后断裂模量分别为约22.05MPa、22.35MPa和22.72MPa。样品2显示了在空气干燥7天、21天和56天后断裂模量分别为约20.5MPa、21.52MPa和22.59MPa。参考样品显示了在空气干燥7天、28天和56天后断裂模量分别为约25.59MPa、26.26MPa和27.17MPa。
样品1和样品2显示出与参考样品类似的机械性能，例如断裂模量，这使得能够将这种组合物用于包层和/或屋顶。所有样品都满足EN 12467(用作包层板)、EN 492和EN494(用作屋顶板)的要求。
根据ISO 1182:2020，样品1、样品2和参考样品彼此比较它们的耐火性。样品1和样品2满足EN 13501-1A1级的要求，而参考样品不满足。不希望受理论束缚，认为参考样品中包含的合成聚烯烃纤维在暴露于热源时在大部分样品中液化和蒸发，当样品达到超过聚合物的自燃温度时，在燃烧之前从内部使样品破裂。
此外，在加热至750℃达到20分钟后，参考样品显示出重量损失为约15.6％，而样品1和样品2显示出重量损失分别为8.7％和9.9％。
因此，并入根据本发明的无机增强纤维的纤维水泥材料显示出优异的耐火性，而未失去当用作建筑材料时所需的机械性能。并入有机增强纤维的纤维水泥材料不满足耐火要求。

Claims (15)

1.一种纤维水泥组合物，其包含至少一种水硬性黏合剂、作为纤维水泥组合物中唯一的有机纤维的有机加工助剂纤维和至少一种无机纤维。
2.根据权利要求1所述的纤维水泥组合物，其中有机加工纤维是木浆，优选化学木浆，和/或具有超过2mm，优选超过2.5mm的纤维长度。
3.根据权利要求1或2所述的纤维水泥组合物，其中无机纤维是玄武岩纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维和玻璃纤维的组合。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的纤维水泥组合物，其中无机纤维的L/D比为150至1400。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的纤维水泥组合物，其中无机纤维是平均长度为约2mm至约16mm，优选约2mm至约8mm，更优选约2mm至6mm和/或直径为约5μm至25μm的无机纤维。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的纤维水泥组合物，其中无机纤维是玄武岩纤维或玻璃纤维，优选是耐碱玻璃纤维或耐碱玄武岩纤维。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的纤维水泥组合物，其中无机纤维是玄武岩纤维，基于玄武岩纤维的重量，其包含：
-约45重量％至约60重量％的SiO2，或
-约12重量％至约19重量％的Al2O3，或
-约5重量％至约15重量％的Fe2O3，或
-约6重量％至约12重量％的CaO，或
-约3重量％至约7重量％的MgO，或
-约0.9重量％至约2.0重量％的TiO2，或
-约0.9重量％至约2.0重量％的Na2O。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的纤维水泥组合物，其中无机纤维是玄武岩纤维，其密度为约2.6g/cm3至2.8g/cm3，和/或当根据DIN ISO EN 10618测量时，其拉伸强度为100cN/tex至110cN/tex，和/或当根据ISO137-1975测量时，其纤维直径为10微米至16微米。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的纤维水泥组合物，其中无机纤维是玻璃纤维，其密度为约2.6g/cm3至2.8g/cm3，和/或当根据ISO137-1975测量时，其纤维直径为15微米至25微米。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的纤维水泥组合物，其中基于纤维水泥组合物的总干重，纤维水泥组合物包含(50)70干重％至94干重％，优选70干重％至94干重％的水硬性黏合剂。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的纤维水泥组合物，其中基于纤维水泥组合物的总干重，纤维水泥组合物包含2干重％至6干重％、3干重％至5干重％的无机纤维。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的纤维水泥组合物，其中基于纤维水泥组合物的总干重，纤维水泥组合物包含1干重％至10干重％的有机纤维。
13.一种纤维水泥产品，优选纤维水泥建筑材料如包层或屋顶元件，其包含根据权利要求1至12中任一项所述的纤维水泥组合物，其优选能够通过圆网抄取法获得。
14.根据权利要求13所述的纤维水泥产物，优选纤维水泥建筑材料如包层或屋顶元件，其满足EN 12467、EN 492和/或EN495的要求。
15.根据权利要求14或15所述的纤维水泥产物，其为包层或屋顶元件的形式，其还包含涂覆到包层或屋顶元件的至少外侧的涂层，基于包层或屋顶元件的总重量，涂层的量优选小于1重量％，和/或厚度为约20微米至30微米。
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