再生覆膜砂粉塵對硫氧鎂發(fā)泡芯板的改性作用

彭敬東*，彭煥軍，張 浩，石 燕，龔成斌

（西南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院, 重慶 400715）

再生覆膜砂粉塵主要來源于覆膜砂再生工藝中的風(fēng)選工藝。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計，鑄造行業(yè)每生產(chǎn)1噸鑄件,就會產(chǎn)生1.2 噸覆膜砂廢棄物[1]。我國鑄件已連續(xù)多年產(chǎn)量居世界第一，2011 年中國鑄件產(chǎn)量達4350 萬噸，占全球產(chǎn)量1/3 以上，2011年全中國廢砂生成總量約為5200 萬噸，全國鑄造產(chǎn)量還在以每年10%的速度增長[2]。據(jù)統(tǒng)計，每再生1 噸覆膜砂產(chǎn)生約為20kg 粉塵。我國鑄造業(yè)每年排放總粉塵量巨大，約為100 萬噸。隨著國家對環(huán)境保護要求的逐步提高和除塵技術(shù)的進步，用除塵器收集的粉塵量越來越大,收集到的粉塵顆粒也比較小,比表面積大,成分復(fù)雜,且易飛揚，不易處理,不易運輸[3]。大量廢棄物粉塵并沒有得到合理的利用,已經(jīng)成為鑄造企業(yè)很大的負擔(dān),不僅占用了大量的耕地,而且嚴重污染環(huán)境,造成沉重的經(jīng)濟、社會和環(huán)境負擔(dān)[4]。

再生覆膜砂粉塵由于有顆粒細小、比表面積大、具有一定反應(yīng)活性的特點，因此，再生覆膜砂粉塵具有資源化利用的潛在可能。當(dāng)前，再生覆膜砂粉塵主要可以用于聚合物基廢棄物復(fù)合材料[5]、水泥基廢棄物復(fù)合材料[6]、陶瓷基復(fù)合材料[7]等材料的制作，現(xiàn)有利用途徑并不能大量實現(xiàn)再生覆膜砂粉塵的資源化利用。

目前，國內(nèi)外已有應(yīng)用硫酸作為調(diào)和劑制備防火門芯板的相關(guān)研究報道，但是所取得的結(jié)果還不能滿足實際使用的要求，主要表現(xiàn)為硫氧鎂防火門芯板機械強度與防火性能不夠[8-10]。本項目組的前期工作發(fā)現(xiàn)通過對硫氧鎂防火門進行改性，可較大幅度提高硫氧鎂防火門芯板的各項性能。再生砂粉塵的主要成分為二氧化硅、氧化鋁等，將其用作硫氧鎂防火門芯板的粉體改性劑，再生砂粉塵的活性成分能夠參與到硫氧鎂的水化反應(yīng)中，形成類水泥結(jié)構(gòu)而增強硫氧鎂防火門芯板的機械強度與防火隔熱性能。本文研究了再生覆膜砂粉塵摻入硫氧鎂防火門芯板對機械強度的影響，初步探索了一條資源化利用覆膜砂粉塵的新途徑。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

試劑：輕燒氧化鎂（MgO），活性85，工業(yè)級（遼寧省海城市太寶礦產(chǎn)品加工廠）；七水硫酸鎂（MgSO4·7H2O）,工業(yè)級（山東省壽光市邦澤化工有限公司）；聚丙烯腈纖維，5 mm（重慶市宜筑工程纖維制作有限公司）；雙組分動物蛋白發(fā)泡劑（實驗室自制）。

儀器：CMT-100 型萬能力學(xué)試驗機（濟南聯(lián)工測試技術(shù)有限公司），DGH-9035 型電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海齊欣科學(xué)儀器有限公司），NJ-160 型水泥凈漿攪拌機（滄州路儀實驗儀器有限公司），水泥發(fā)泡機（合肥百樂能源設(shè)備有限公司）。

1.2 硫氧鎂發(fā)泡芯板的制備

在水泥凈漿攪拌機中加入事先配制好的硫酸鎂溶液，再加入適量的聚丙烯腈纖維，以60r/min 攪拌1min；再加入計量比例的再生覆膜砂粉塵，再攪拌30s；投入計量比例的氧化鎂，攪拌5min；在攪拌狀態(tài)下充入適量的泡沫，繼續(xù)攪拌1min；取下攪拌罐，將攪拌好發(fā)泡后的漿料倒入30cm×15cm×4.8cm 的模具中，用刮刀刮平。室溫養(yǎng)護24h 后脫模，再在室溫條件下養(yǎng)護至7d 齡期。

2 結(jié)果與討論

2.1 再生覆膜砂粉塵質(zhì)量分數(shù)對凝結(jié)時間的影響

如圖1 和圖2 所示，硫氧鎂發(fā)泡芯板的初凝時間和終凝時間隨著再生覆膜砂粉塵的摻入量的增加略有縮短，但是未發(fā)生顯著性的變化。再生覆膜砂粉塵的促凝作用在于再生覆膜砂粉塵擁有較大的比表面積，能夠較快地吸附反應(yīng)體系中的自由水，使得反應(yīng)體系中的自由水減少。但是考慮到漿料制備過程中的和易性，再生覆膜砂粉塵的摻入量不宜過大。

圖1 再生覆膜砂粉塵對初凝時間的影響

圖2 再生覆膜砂粉塵對終凝時間的影響

2.2 再生覆膜砂粉塵質(zhì)量分數(shù)對抗壓、抗折強度的影響

如圖3、圖4 所示，摻入再生覆膜砂粉塵后硫氧鎂發(fā)泡芯板的力學(xué)性能有較大幅度的提高。未加再生覆膜砂粉塵時，試件的7 抗折、抗壓強度只有0.7MPa 和1.5MPa。加入再生覆膜砂粉塵后，試件的抗壓、抗折性能大幅度增強，當(dāng)再生覆膜砂粉塵的摻入量為5%時，試件的7d 齡期的抗折、抗壓強度達到1.05MPa 和2.1MPa，表明再生覆膜砂粉塵對硫氧鎂發(fā)泡芯板的力學(xué)強度有較好的提升作用。

圖3 再生覆膜砂粉塵對抗折強度的影響

圖4 再生覆膜砂粉塵對抗壓強度的影響

加入再生覆膜砂粉塵后，硫氧鎂發(fā)泡芯板的力學(xué)性能有較大幅度的提升，當(dāng)再生覆膜砂粉塵的摻入量低于5%時，硫氧鎂發(fā)泡芯板的抗壓、抗折性能隨著再生覆膜砂粉塵的摻入量的增加而增大；但是，當(dāng)再生覆膜砂粉塵的摻入量超過5%后，硫氧鎂發(fā)泡芯板的力學(xué)強度反而隨著再生覆膜砂粉塵的摻入量的增加而急劇下降，甚至在摻入量高于7%后還低于不加再生覆膜砂粉塵的試件。因此，再生覆膜砂粉塵的摻入量不是越多越好，過量的再生覆膜砂粉塵的摻入反而會導(dǎo)致試件的力學(xué)強度下降。

3 結(jié)論

1）隨著再生覆膜砂粉塵的摻入量的增加，試件的抗壓抗折強度隨之增加，但是當(dāng)再生覆膜砂粉塵摻入量超過5%時，試件的抗壓、抗折強度反而隨著再生覆膜砂粉塵的摻入量的增加而急劇降低。

2）再生覆膜砂粉塵的摻入量對硫氧鎂發(fā)泡芯板的凝結(jié)時間沒有顯著性影響。