利用粉煤灰等無機(jī)固體廢棄物制備塑料基復(fù)合板材工藝可行性探討

劉立柱 高遇事 王勇++閆亞楠++陳彥翠++賈韶輝

摘要：指出了現(xiàn)代塑料基復(fù)合板材以廢棄木屑和塑料復(fù)合而得的木塑制品為主。貴州省作為礦產(chǎn)資源開采大省，工業(yè)固體廢棄物產(chǎn)生量大，種類多。粉煤灰、赤泥和螢石尾礦是貴州省三種主要排放的工業(yè)固體廢棄物，年排放量和歷史留存量很大，給環(huán)境帶來嚴(yán)重污染，而木屑等植物纖維類廢棄物相對較少，如利用粉煤灰、赤泥等作為填充材料，代替木屑與塑料復(fù)合生產(chǎn)復(fù)合板材制品，能為貴州省工業(yè)固體廢棄物綜合利用開辟其他應(yīng)用途徑。

關(guān)鍵詞：復(fù)合板；固體廢棄物；粉煤灰；赤泥；資源綜合利用

中圖分類號：TB34

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：16749944（2017）16019802

1引言

塑料基復(fù)合板材，是近年來新興的一種環(huán)保型建筑裝飾材料，是以聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等塑料原材料作為粘結(jié)劑，與木屑、鋸末、秸稈等植物纖維、加工助劑經(jīng)高溫高壓熔融擠出混合而成的新型材料，與其他材料相比，其具有良好的強度性能、耐腐蝕性能、耐水性能、可塑性強、可刨、可鋸，廣泛用于家具和建筑用品及室外、室內(nèi)板材等方面。木屑等木制纖維作為填充材料分散填充于塑料基體中，起到填充料和改性料的作用，調(diào)節(jié)制品的力學(xué)性能和綜合性能。

目前，碳酸鈣等無機(jī)礦物常作為無機(jī)填料用于高分子高聚合物復(fù)合材料領(lǐng)域，不但可以降低材料的生產(chǎn)成本，還能提高材料的硬度、剛性和尺寸穩(wěn)定性等效果。與碳酸鈣因此，貴州地區(qū)的粉煤灰更容易獲得，且具有密度低、熱穩(wěn)定性好，流動性好等特點。利用粉煤灰代替木質(zhì)纖維作為主要填充材料制備塑料復(fù)合板材從其他無機(jī)填料與塑料基體的混合應(yīng)用情況來看，是有可行性的。

2原料

2.1粉煤灰的特性

粉煤灰以玻璃體為主，含有少量未燃碳和結(jié)晶體。屬于復(fù)合結(jié)構(gòu)混合體。其中玻璃體包括光滑的球體形玻璃體粒子、形狀不規(guī)則孔隙少的小顆粒、疏松多孔且形狀不規(guī)則的玻璃體球等；結(jié)晶體包括石英、莫來石、磁鐵礦等；未燃炭多呈疏松多孔形式。細(xì)度在300～400目間。

2.2赤泥的特性

赤泥是制鋁工業(yè)提取氧化鋁時排出的污染性廢渣，含氧化鐵量大，顏色以赤紅色為主，少量摻入，可起到調(diào)節(jié)制品顏色的作用，改善制品美觀性的作用。

2.3螢石尾礦的特性

螢石尾礦是螢石選礦工藝過程排出的尾礦廢渣，其特點為含有90%以上的石英顆粒。

2.4助劑

由于塑料基體為有機(jī)高聚合物，粉煤灰、赤泥、螢石尾礦等為無機(jī)材料，兩者之間不相融，如何使無機(jī)填料能有效分散在塑料基體中，并為制品性能帶來好處，可以通過添加助劑的方式來解決。主要的助劑包括偶聯(lián)劑、熱穩(wěn)定劑、潤滑劑、光穩(wěn)定劑等。

2.4.1偶聯(lián)劑

偶聯(lián)劑是一種具有兩性結(jié)構(gòu)的有機(jī)物，具有一個以上與無機(jī)粉體表面作用的基團(tuán)和一個以上與有機(jī)聚合物親合的基團(tuán)。其分子中的一部分基團(tuán)可以與無機(jī)粉體表面發(fā)生官能團(tuán)反應(yīng)，另一基團(tuán)可與塑料基體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或物理纏繞，從而將兩種性質(zhì)差異很大的材料牢固結(jié)合，使無機(jī)粉體和有機(jī)高聚物分子之間建立起具有特殊功能的“分子橋”。通過偶聯(lián)劑的改性，可增強無機(jī)填料和塑料基體的親和性，增大無機(jī)填充料的填充量，并使之可以有效均勻分布于塑料基體中，改善制品的綜合性能，特別是各種力學(xué)性能。

粉煤灰含有大量的玻璃體和晶體、螢石尾礦則有高含量的石英顆粒。因此，較為適宜的偶聯(lián)劑為硅烷類偶聯(lián)劑，其次還有鋁酸酯等偶聯(lián)劑。硅烷偶聯(lián)劑是一類具有特殊結(jié)構(gòu)的低分子有機(jī)硅化合物，其化學(xué)通式為RSiX3，式中R代表與聚合物分子有親和力或反應(yīng)能力的活性官能團(tuán)，如氨基、環(huán)氧基、甲基丙烯、三甲基、甲基和乙烯基等，X代表能水解的烷氧基，如鹵素、酰氧基等。SiO2粉體在水和空氣的作用下，可能會出現(xiàn)Si-OH（硅醇基）、Si-O-Si（硅醚基）等官能團(tuán)。因此，可以與硅烷的氨基、環(huán)氧基、甲基丙烯、三甲基、甲基和乙烯基等有機(jī)官能團(tuán)結(jié)合。

2.4.2熱穩(wěn)定劑

如以PVC塑料為基體時，由于PVC塑料的熱穩(wěn)定性差，為防止PVC塑料熱分解給成型工藝帶來困難，需要加入熱穩(wěn)定劑輔助生產(chǎn)，主要包括鉛鹽類、金屬皂類、有機(jī)錫類、稀土四大類。

3生產(chǎn)工藝

3.1原材料處理

粉煤灰在用于塑料基體前，應(yīng)先用偶聯(lián)劑進(jìn)行改性，再與塑料基體和其他助劑混合。這種處理方式，相對直接將粉煤灰、塑料基體、助劑直接混合處理的方式，混合效果更佳，制品性能良好。改性預(yù)處理的方式可采用，將粉煤灰加入高速混合機(jī)，加熱至105℃，干燥30 min，然后將稀釋后的偶聯(lián)劑噴灑于粉煤灰上，高速混合3～5 min，進(jìn)行改性。后加入塑料基體及其他助劑以600～1500 r/min的轉(zhuǎn)速混合30 min，當(dāng)溫度達(dá)到115℃時，得到混合料。再將所得混合料放入冷混機(jī)中，以500 r/min轉(zhuǎn)速混合20 min，溫度達(dá)到60℃時放料得到冷混料。

3.2制備

木塑復(fù)合板材的性能不僅與原材料、助劑有關(guān)，還與成型加工工藝和設(shè)備有關(guān)，目前塑料復(fù)合板材的成型工藝主要有壓制成型、擠出成型、注塑成型三類。其中擠出成型是將處理的物料，通過高溫螺桿擠出機(jī)進(jìn)行混料，并通過不同形狀的機(jī)頭將物料擠出，擠出后物料通過循環(huán)水進(jìn)行冷卻處理，從而得到規(guī)格不同，尺寸不同的復(fù)合板材。是目前技術(shù)較為成熟的成型工藝；擠出成型分為一步法和兩步法，一步法采用將混合料直接加入到擠出機(jī)，直接在擠出機(jī)中進(jìn)行混煉、塑化、擠出，工藝簡單，但對工藝控制要求較高。二步法是目前較為常見的生產(chǎn)工藝，其特點先混合造粒，然后再將混合好的顆粒進(jìn)入擠出機(jī)擠出，生產(chǎn)工藝較為靈活，對工人操作要求較低，不宜出錯。但其生產(chǎn)工藝需要在造粒和擠出階段分別加熱，因此，能耗較大。

3.2.1造粒

造粒機(jī)料筒加熱到160℃，保溫30min，升溫至塑料基體軟化溫度，將冷混料加入雙螺桿造粒機(jī)進(jìn)行擠出造粒，混合料擠出口通過機(jī)頭處切削裝置，將混合料切削成2～3mm厚度的薄片，隨后進(jìn)入到風(fēng)送管道制冷到40℃，稱量備用。endprint

3.2.2擠出成型

擠出成型可采用單螺桿木塑專用擠出機(jī)，將混合料顆粒加入擠出機(jī)，加熱到軟化溫度后，通過單螺桿擠出機(jī)擠出成型，隨后通過循環(huán)水冷卻帶冷卻降溫，冷卻后板材采用切割機(jī)切割成適宜長度即可。根據(jù)GB/T 17657-2013 《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》、GB6566-2010《建筑材料放射性核素限量》對產(chǎn)品斷裂荷載和放射性進(jìn)行測試，復(fù)合板材斷裂荷載達(dá)到3560N，放射性內(nèi)照射指數(shù)0.3，外照射指數(shù)0.5。

工藝流程圖見圖1。

圖1工藝流程

3.3工藝特點

3.3.1原材料處理

粉煤灰、赤泥和螢石尾礦通過加熱烘干，并于偶聯(lián)劑混合改性的原料預(yù)處理工藝保證了制品的質(zhì)量，為后續(xù)工段的生產(chǎn)提供了基礎(chǔ)。

3.3.2擠出成型效果好

采用單螺桿真空擠出成型機(jī)，擠出塑料制品表面光滑，手感好，擠出速度快，連續(xù)生產(chǎn)能力強。

3.3.3自動化程度高

整個生產(chǎn)工藝過程自動化程度高，大大降低了勞動強度，提高了生產(chǎn)效率。

2017年8月綠色科技第16期

劉立柱，等：利用粉煤灰等無機(jī)固體廢棄物制備塑料基復(fù)合板材工藝可行性探討

材料與工藝

4結(jié)語

隨著貴州省特色小城鎮(zhèn)建設(shè)工程的開發(fā)，木塑復(fù)合板材的需求量越來越大，如能利用粉煤灰、赤泥、螢石尾礦等當(dāng)?shù)責(zé)o機(jī)工業(yè)固體廢棄物資源作為無機(jī)填充材料，制備塑料基復(fù)合板材代替木塑復(fù)合板材，則可以讓塑料復(fù)合板材制品廠在貴州落地，使原來需要外購的木塑制品轉(zhuǎn)為本土化生產(chǎn)，不但消納了本地的固體廢棄物，還能實現(xiàn)增加稅收、創(chuàng)造工作崗位、達(dá)到資源綜合利用的多重效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]

鄭水林，王彩麗. 粉體表面改性[M].3版.北京：中國建材工業(yè)出版社2015.

[2]王愛梅. PVC基木塑復(fù)合材料的制備及其性能研究[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2013：6.

[3]蔡新安. 改性粉煤灰在塑料工業(yè)中應(yīng)用的研究進(jìn)展[J].景德鎮(zhèn)高專學(xué)報，2004：6.

[4]孫偉. 木塑復(fù)合板材制備及成型工藝研究[D]. 鄭州：鄭州大學(xué)， 2016.

[5]王翔. 竹造紙固體廢棄物制備功能性人造板研究初探[D]. 合肥：安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)， 2014.

[6]李正印， 王偉宏. 高木材纖維含量聚丙烯基復(fù)合材料的制備及其性能[J]. 林業(yè)工程學(xué)報， 2017， 2（2）：9～15.

[7]劉旭東， 姚建龍， 蔣永濤，等. 煙桿/聚乙烯復(fù)合材料的制備工藝及其性能研究[J]. 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備， 2015（5）：25～27.

[8]董金虎， 石振武， 楊守潔，等. PVC/粉煤灰復(fù)合板的性能研究[J]. 塑料工業(yè)， 2011， 39（5）：113～116.

[9]葉強，張林.高摻量粉煤灰/塑料復(fù)合材料耐久性研究[J].新型建筑材料，2016，43（7）：11～13，34.

[10]楊明成，李召朋，宋衛(wèi)東，等.廢舊PE/木粉/粉煤灰復(fù)合材料的制備與輻射改性研究[J].塑料工業(yè)，2010，38（5）：12～14，26.

[11]楊寶.竹材-塑料廢棄物復(fù)合材工藝技術(shù)研究[D].長沙：中南林業(yè)科技大學(xué)，2008.endprint