粉煤灰聚氨酯仿瓷砖的制备及性能研究

吕乃伟，孟 扬，田清波，孔德钰

(山东建筑大学材料科学与工程学院，济南250101)

“十一五”至今，我国陶瓷砖的产量连续7年实现了两位数的增长，从2005年的35亿m2到2010年的78亿m2，仅仅在“十一五”期间，其产量就实现了翻番[1]。2011年6月25日举行的中国建筑卫生陶瓷协会会长会议指出，到2015年，建筑陶瓷的总产量预计达到100亿m2。2008年6月1日实行的强制性国标GB21252－2007《建筑卫生陶瓷单位产品能源消耗限额标准》对陶瓷砖的单位产品能耗限额准入值和先进值进行了规定;2010年10月1日实行的GB25464－2010《陶瓷工业污染物排放标准》，规定了陶瓷工业企业的水和大气污染物排放限值、监测和监控要求。传统陶瓷工业已经列为全国节能减排的六大重点行业之一，急需升级改型，绿色建陶成为今后发展的趋势[2]。

粉煤灰是煤粉经高温燃烧后形成的一种似火山灰质的混合材料，是燃煤电厂排出的主要固体废物，同时也是我国当前排量较大的工业废渣之一。本项研究以粉煤灰为填料，制备了仿瓷砖样品，参照GB/T 4100－2006[3]和 GB/T 17671 －1999[4]进行性能测试，探讨其实用性，并期望为粉煤灰的综合利用拓宽渠道。

聚氨酯作为胶黏剂，其分子结构中含有极性很强、化学活泼性很高的异氰酸酯基(－NCO)和氨酯基(－NHCOO－)，它与含有活泼氢的材料如泡沫塑料、木材、皮革、织物、纸张、陶瓷等多孔材料和金属、玻璃、橡胶、塑料等表面光洁的材料都有着优良的化学粘接力，而聚氨酯与被粘接材料之间产生的氢健作用会使高分子内聚力增加从而使粘接更加牢固[5－8]。本研究利用聚氨酯胶黏剂的强极性作用，将粉煤灰粘接在一起制备仿瓷砖，探讨代替传统的烧结瓷砖的可行性，以此达到节省能源的目的。

1 原材料

1.1 粉煤灰

试验所用的粉煤灰是用标准筛从粉煤灰粉料中直接筛取的。本试验选取了2种不同粒径的填料，一类是粗填料(代号填料1)，第二类是细填料(代号填料2)，其填料的粒径分布如表1;粉煤灰的主要成分见表2。

表1 粉煤灰填料的粒径分布

表2 粉煤灰化学组成 /%

从表1可知，填料1的粒径在400目左右，填料2的粒径在1200目左右。粉煤灰的化学组成主要是一些氧化物，它们的化学性质比较稳定，另外，粉煤灰大部分呈球形，表面比较光滑，在与聚氨酯胶黏剂混合的过程中，能更加容易被润湿，发挥其“滚珠效应”，使两者充分的混合[9－10]。

1.2 聚氨酯胶黏剂

1.2.1 聚氨酯胶黏剂的原料 本研究制备聚氨酯胶黏剂所需要的主要原料如表3。

表3 聚氨酯胶黏剂的主要制备原料

1.2.2 聚氨酯胶黏剂的合成 本研究采用一步合成法制备聚氨酯胶黏剂，在制备的过程中，先将聚醚多元醇进行脱水处理，再将其和助剂按一定的比例混合均匀，最后加入异氰酸酯，交联固化后即得聚氨酯胶黏剂。在制备的过程中，通过改变聚醚多元醇的类型和助剂的加入量，可以改变聚氨酯胶黏剂的粘接强度以及交联固化和固化完成所需的时间。

1.2.3 粉煤灰聚氨酯仿瓷砖的制备 将上述混合均匀的聚醚多元醇、助剂和异氰酸酯的混合物与事先经过烘干分级的粉煤灰按照一定的比例，混合搅拌均匀，陈化2h后，采用模压成型的方法压制成型，在自然环境下养护7d，对表面将进行抛光处理，最后进行性能测试。其基本的工艺路线如图1。

图1 粉煤灰聚氨酯的制备流程

2 试验

2.1 正交试验设计

在确定较为合适的配方及制备工艺之前，本试验首先对填料的的加入量和压制强度进行了初步探究，不同填料含量和压制强度的仿瓷砖样品的破坏强度参照 GB/T 4100 － 2006[3]和 GB/T 17671 － 1999[4]进行测试，数据结果如图2。

图2 不同压制强度下破坏强度和填料含量的关系

由图2可以看出，当填料的含量在72% ～76%，压制强度为21MPa－109MPa时，其仿瓷砖的破坏强度比较高，达到甚至超过了 GB/T 4100－2006[3]对瓷质砖的相关性能要求。粉煤灰主要起减少变形、增大弹性模量、增加硬度的作用，随着压制强度的增加，填料的密实性也随之增加，粉煤灰颗粒之间、粉煤灰和聚氨酯胶黏剂之间结合的更加紧密，使得其样品的破坏强度增加;当压制强度继续增加的时候，样品内残存的少量空气会首先冲破制品的薄弱部分，汇聚在一起，使得样品产生了微小的裂纹，压制强度进一步增加时，样品表面还会出现溢酯的现象，上述两方面的原因导致了最终样品的破坏强度下降。为了进一步得到比较理想的试验方案，本试验选择了L25(45)正交表来设计试验。因素个数为4，各因素选择的水平为5水平，各因素与水平的选择具体见表4。

表4 正交试验因素与水平选择表

2.2 试验过程及试验结果记录

按图1进行正交试验设计方案(表4)中的各个试验，试验方案见表5，所得试验结果记录于表6。

表5 正交试验方案

表6 正交试验结果及分析一览表

2.3 试验结果分析

GB/T 4100－2006对于瓷质砖(BΙa类)的相关性能要求为:吸水率≤0.5%;破坏强度≥1300N(厚度≥7.5mm);断裂模数≥35MPa。

从表5可看出，编号为7和11仿瓷砖样品的性能均超过了上述的指标要求，而且11号样品的综合性能优于7号。在聚氨酯胶黏剂含量一定的情况之下，颗粒的比表面积越大，其润湿的就越不充分，会出现颗粒团聚现象，影响样品的性能，因此，可以适当提高填料的粒度来增强样品的性能。另外，粗细填料搭配的方式比单一填料的增强效果都要好，因为填料粒度单一时，其颗粒间的空隙最大，需要的胶黏剂最多，不同粒度的填料搭配，在相同的重量时，其颗粒的总表面积和空隙率要明显的小于单一填料，这样就能减少胶黏剂的用量，降低成本，而且还能提高样品的密实性和强度，这与表5的试验结果是一致的。综上所述，当粉煤灰的添加量为72%，粒度为400目:1200目=2:1，压制强度为65MPa时，制备的仿瓷砖样品的破坏强度和断裂模数最高，可达5256N和123MPa，吸水率最小达到了0.01%，均超过了瓷质砖的相关国家标准要求。

3 结论

(1)以聚氨酯作胶黏剂，粉煤灰为填料制备的仿瓷砖样品的破坏强度、断裂模数、吸水率等的部分性能达到甚至超过了瓷质砖的国家性能要求，具有实用价值。

(2)在聚氨酯胶黏剂含量一定时，粗细搭配的填料能够更好的提高产品的性能，当粉煤灰填料级配为400目:1200目=2:1时，其增强效果最好。

(3)将聚氨酯用作胶黏剂制备仿瓷砖，当粉煤灰填料占72%，级配为400目:1200目=2:1，压制强度为65MPa时，样品的破坏强度和断裂模数达到最高，分别为5256N和123MPa，吸水率达到了0.01%，超过了瓷质砖的相关国家标准。

[1]尹虹.尹虹:看建筑陶瓷的2011 年[J].陶瓷，2011，12:12 －13.

[2]杨辉，郭兴忠，樊先平，张玲洁，盛建松.我国建筑陶瓷的发展现状及节能减排[J].中国陶瓷工业，2009，16(2):20 －23.

[3]GB/T 4100－2006中华人民共和国国家标准－陶瓷砖[S].北京:中国标准出版社，2006.

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