格林森-藻钙生态复合材料的制备及性能分析(绿色生态环保建材、材料开发与应用)

1藻钙生态复合材料的制备及性能分析韦华1童军朱跃鹏温发华（湖北格林森新型建材科技有限公司，湖北武汉，430200）摘要：本研究以藻类及含钙无机类基体在液相介质水化，通过晶体转晶、玻璃纤维增强，水化硬化制备得藻钙生态复合材料。结合微观结构、设计正交试验确定藻钙复合材料优化方案及工艺参数及性能分析。研究结果表明：藻类非晶态SiO2对生态性影响显著，转晶剂、玻璃纤维对物理性能影响显著，在适宜条件参数下，可获得兼优异装饰性、物理性及生态功能性的藻钙生态复合材料。关键词：藻钙，生态，复合材料ResearchonthepreparationandperformanceanalysisofcalciumalginateecologicalcompositematerialWeiHua,TongJun,Zhuyuepeng,Wenfahua(HuBeiGreensNewBuildingMaterialsScienceTechnologyco.,LTD,430200,WuHanAbstract：Thepresentstudypreparedacalciumalginateecologicalcompositematerialthroughcrystal-to-crystaltransformationandglass-fiberreinforcementbyusingalgaeandcalcium-containinginorganicmatrixinliquid-phasemedium.Combinedwiththemicrostructure,designtheorthogonalexperimenttodeterminecalciumcompoundmaterialoptimizationschemeandtechnicalparametersandperformanceanalysis.Theresultsshowthat:ThealgaeamorphousSiO2significantlyeffectonecosystem,Crystalagent,glassfiberhassignificanteffectsonphysicalperformance,Undertheappropriateconditionparameters,anbeobtainedandtheexcellentdecorative,physicalandecologicalfunctionalalgaecalciumcompositematerials.Keywords:Algaecalcium;Ecological;Compositematerials藻钙复合材料是由藻类基体、含钙无机类基体，在液态介质下，通过晶体转晶、复合技术、增强技术形成的一类藻钙复合材料。具有三大特点，其一，晶体结构呈多微孔性；其二，具有甲醛净化性及其负离子释放、自调湿、抗菌防霉、耐酸碱、不燃、吸音降噪等生态性；其三，工艺上具有良好塑性，可任意成型制备得任意板材状、异型以及净化媒介等系列化的藻钙复合材料，而广泛用于各种建筑空间吊顶、背景墙集成系统，具有优异的物理性、装饰性及生态性。1试验部分1.1试验原理（1）转晶机理：以多元酸盐的阴离子[RCOO-]n和阳离子Na+、K+、Ca2+/或Al3+组成的水相介质下，负吸附性极强的[RCOO-]n基团能同时与Na+、K+、Ca2+和/或Al3+吸附配位，形成一层大分子吸附金属离子构成的网络状“缓冲薄膜”，进而阻碍结晶基元在该晶面上的结合，使各方向的生长速率接近平衡，使水化产物由纤维状转晶为六方短柱状[1]。（2）甲醛净化机理：藻钙组分中含TiO2，光催化降解形成·OH（氢氧自由基），·O2-（过氧自由基）而具有很强的氧化分解能力，再由比表面积极大的微孔吸附有害物质及气体，借助·OH，·O2-的的氧化分解能力破坏有机物中的C—C键、C—H键、C—N键、C—O键、O—H键、N—H键，而最终被氧化为CO2和H2O[2]。2（3）负离子诱生机理：通过藻类、无机含钙基体中的变价原子发生氧化还原反应产生微电场，带负电的氢氧根离子与水结合生成负离子水，以气态形式释放到空气中[3]。（4）自调湿机理：基于藻类无定形二氧化硅表面羟基性质的不规则孔道和本身的多孔结构，其孔隙率高、比表面积大，而具有强大的吸湿-解湿性[4]。1.2试验原料（1）藻钙粉：由硅藻土、含钙无机类基体自行复配粉磨制得，其基本性能见表1。表1藻钙粉基本性能名称堆密度/㎏.m-3比表面积/㎡.g-1平均孔径nm初凝时间min终凝时间min抗折强度MPa用水量%性能400～500569～116223.268(2)液态介质：由市售以无机内掺型硅醇钾为防水剂，柠檬酸钠、硫酸铝钾为转晶剂以控制凝结速度调节晶体大小及形貌，减水剂SMF及水复配制成。(3)玻璃纤维：ARC1500无捻短切砂，短切长度20㎜。1.2试验设备XMQ-67型锥形球磨机,DKZ-5000型电动抗折试验机、YES-300抗压试验机、TYE-6B板材抗折试验机、101-3A电热恒温鼓风干燥机、SX-4-10箱式电阻炉、20目～200目标准筛、DJ-90W强力电动搅拌机、600x600x11㎜软塑模、ISO型稠度凝结时间测定仪、AxiosadvancedX射线荧光光谱仪、D8Advance型X射线衍射仪、JMS-5610LV扫描电子显微镜、M6甲醛仪、美国AIC2000负离子检测仪、BYS-3型扰度养护室与温湿度控制仪。1.3测试标准含水率、吸水率、断裂荷载、受潮扰度、单位面积重量常规物理性能按JC/T799-2007进行，甲醛净化性能参照JC/T1074-2008室内空气净化功能涂覆材料净化性能检测，负离子发生量参照GB/T28628-2012材料诱生空气离子量测试方法检测，吸湿放湿量参照JISA1470-1：2008建筑材料的吸放湿性试验方法第一部：湿度应答法。2试验过程与结果分析将藻钙粉与液态介质按1:0.65～0.73在液相相条件下搅拌，并复掺增强玻璃纤维，采用浇注成型得600×600×11㎜标准产品样，自然干燥后做喷涂、烤漆或喷绘表面处理方式得藻钙生态板。2.1藻钙粉组成对生态性的影响通过对藻类基体组成及掺量调整，系统考察了藻钙粉非晶态SiO2对生态性的影响，见图1、图2。结果表明：藻类基体组成及掺量对生态性影响显著，随非晶态SiO2含量由4%至8.8%，甲醛净化率、负离子发生量、吸湿量、放湿量四项生态性指标均呈现增加，当非晶态SiO2含量为8.8%时，甲醛净化率95.4%、负离子发生量1470Ions/s.cm2、吸湿量47.1×10-3Kg/m2、放湿量38.6×10-3Kg/m2。进一步的，当继续提高藻类基体掺量非晶态SiO2含量大于8.8%时，藻钙粉抗折强度（2h）将≤3.2MPa，不利于正常温和条件下水化硬化后藻钙生态复合材料初期强度建立，优选非晶态SiO2最大含量为8.8%。3图1SiO2-净化率/负离子量趋势图70758085909510044.24.46.56.8788.48.8SiO2/%甲醛净化率/%02004006008001000120014001600负离子量ions/s.cm2净化率负离子量图2SiO2-吸湿量/放湿量趋势图0510152025303540455044.24.46.56.8788.48.8吸湿量/10-3Kg/m2051015202530354045放湿量/10-3Kg/m2吸湿量放湿量2.2正交试验确定藻钙生态复合材料优化方案在探索试验基础上采用四因素三水平，即L9(34)方案进行正交分析。正交方案见表3。表3正交方案因素水平硅醇钾/A柠檬酸钠/B硫酸铝钾/C玻璃纤维/D备注1230.5%0.8%1.0%0.05%0.067%0.10%0.05%0.08%1.0%0.8%1.0%1.5%掺量为粉体的质量%正交处理结果：(断裂荷载单位:N，甲醛净化率单位：%)4图3断裂荷载趋势图050100150200250300350ABCD因素荷载位级和位级1位级2位级3图4甲醛净化率趋势图5060708090100ABCD因素净化率位级和位级1位级2位级3性能指标以断裂荷载、甲醛净化率为辅，从试验结果可以得出：玻璃纤维、硫酸铝钾为主要因素，断裂荷载强度的优化方案为A2B2C3D3，甲醛净化率的优化方案为A1B3C3D3。总体上，各因素、优化方案相差不大，从应用和防水的角度综合考虑，以A2B2C3D3为最佳方案，并进行重复试验，其结果如表4。在物理性能上，其强度、受潮扰度指标远优于硅钙板、高强晶体石膏装饰板，更具有其甲醛净化性、负离子释放、自调湿、抗菌防霉、耐酸碱、不燃、吸音降噪等环境友好性。表4优化方案验证结果指标断裂荷/N含水率/%吸水率/%单重/㎏/㎡受潮扰度/㎜燃烧性能耐盐碱性结果3180.22.411.41A1不燃无变化指标甲醛净化率/%甲醛净化持久性/%负离子量Ions/s.cm2吸湿量/Kg/m2放湿量/Kg/m2抗菌率/%降噪系数结果9590.4149741.1×10-337.8×10-3990.352.3硅醇钾对藻钙生态复合材料的影响硅醇钾在藻钙生态板的作用是在晶体结构中形成憎水的毛细网防止水分子迁移，它是通过与空气中的二氧化碳发生聚合反应形成[5]。从图1、图2的趋势图中表明，对断裂荷载与甲醛净化率的影响较小，但在表4优化方案结果中，吸水率仅为2.4%、受潮扰度仅为1㎜，防水防潮性较好。随硅醇钾掺量的提高，液相介质的PH值增大，不利于水化反应以及对藻类微孔具有侵蚀性，故而断裂荷载与甲醛净化率有略微损失。2.4转晶剂对藻钙生态复合材料的影响转晶剂中柠檬酸钠起缓凝、硫酸铝钾起促凝作用，两者复配协同使含钙无机类基体晶体形貌由纤维针状转为短柱状及扁平化板状形貌，晶体长径比逐渐减小[6][7]。从图1、图2的趋势图中表明，随柠檬酸钠、硫酸铝钾掺量提高，其甲醛净化率增大，从图3A1B1C1D1组3000倍SEM、图纤维长径比7.5、甲醛净化率92.8%纤维长径比4.2、甲醛净化率95%图3A1B1C1D1组3000倍SEM图4A2B2C3D3组3000倍SEM图154A2B2C3D3组3000倍SEM对比看，其主要原因为晶体长径比更小，纤维状晶体更趋向于短柱状或板状，相应的晶体单元之间的孔隙增大，吸附-脱附通道数量比相应增大，宏观上表现出甲醛净化率增加。2.5玻璃纤维对藻钙生态复合材料的影响玻璃纤维借助强制搅拌产生扩散作用，与胶凝基体主要依靠固化收缩的握裹力、物理吸附、电荷引力及扩散的作用而产生粘接力，起到物理结构增强的作用[8]。在0.8%～1.5%掺量范围内，断裂荷载不断增加，同时随掺量提高，在物理结构层面增加了孔隙率，同样宏观上表现出甲醛净化率增大。3结论(1)藻钙粉中藻类基体组成及掺量引起非晶态SiO2量变化，对藻钙生态复合材料生态性影响显著。当非晶态SiO2含量为8.8%时，甲醛净化率95.4%、负离子发生量1470Ions/s.cm2、吸湿量47.1×10-3Kg/m2、放湿量38.6×10-3Kg/m2。(2)硅醇钾在0.8%时，吸水率2.4%、受潮扰度1㎜，防水防潮性好。(3)转晶剂、玻璃纤维对藻钙生态复合材料力学性能显著，在A2B2C3D3优化方案下，断裂荷载＞300N，各项生态性指标影响较小，兼具装饰性、物理性及生态功能性。参考文献[1]韦华.高强晶体装饰石膏板及制备方法[P].CN102408218B.[2]韦华等.一种具有甲醛净化功能的复合材料及其生产方法[P].CN102633482A.[3]韦华等.一种具有负离子功能的复合材料及其生产方法[P].CN102633450A.[4]韦华等.一种具有自调湿功能的复合材料及其生产方法[P].CN102633483A.[5]李建权等.石膏复合防水剂对石膏晶体形成的影响[J].建筑材料学报，2007年第2期：137～141.[6]吴莉等.缓凝剂对建筑石膏水化过程和硬化体微结构的影响[J].建筑石膏与胶凝材