藻鈣生態(tài)裝飾板的制備與性能研究

韋 華，劉蕊蕊，童 軍，冀志江，王 靜

(1.湖北格林森綠色環(huán)保材料股份有限公司，武漢 430200； 2.中國建筑材料科學(xué)研究總院綠色建筑材料國家重點實驗室，北京 100024)

0 引 言

藻鈣生態(tài)板是以藻類(硅藻土或改性硅藻土)、石膏為主要原材料經(jīng)物理活化(機械粉磨)、熱力活化(煅燒脫水)，使呈柔性圓盤篩狀的藻類晶體與剛性短柱狀硫酸鈣晶體活性深度激發(fā)，在液相介質(zhì)下水化硬化，并再度聚合呈整體握裹連續(xù)的“硅藻-鈣質(zhì)微晶單元”與局部分散的“硅藻-鈣質(zhì)微孔”的無機網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)材料,經(jīng)過成型、脫模養(yǎng)護、干燥、表面處理等工藝技術(shù)制成的無機建筑板材，它具有輕質(zhì)高強、功能環(huán)保、可塑成型性等優(yōu)點。藻鈣生態(tài)板主要應(yīng)用于室內(nèi)吊頂、墻面、墻頂集成、隔斷、玄關(guān)、背景墻等[1-2]。

目前的石膏類基裝飾板材存在一定的局限性。首先紙面石膏板裝飾效果差，且因表面有護面紙使得石膏板的環(huán)境功能性下降甚至消失[3]；其次一些石膏類基裝飾板如石膏礦棉板等產(chǎn)品存在高致癌性的石棉，引起消費者的恐慌；三是裝飾石膏板吸水性強，潮濕環(huán)境中會使板材吸收大量水分而發(fā)生變形[4]。基于以上幾點，無機類裝飾板材存在技術(shù)瓶頸、性能單一、產(chǎn)品應(yīng)用局限性、裝飾效果差等問題，因此，性能優(yōu)異的藻鈣生態(tài)板的研究具有重要的意義。

藻鈣生態(tài)板的性能與其相應(yīng)的原材料(硅藻土、石膏)性能息息相關(guān)。目前以硅藻土為原料制備的無機裝飾板產(chǎn)品種類多樣，性能存在差異。白濤等[5]以硅藻土、消石灰和水為主要原料，采用模壓成型和水熱固化等工藝制備了一種具有適宜力學(xué)強度的輕質(zhì)建筑板材。戴民等[6]以具有調(diào)濕功能的硅藻土為硅質(zhì)材料，利用水熱合成方法制備了調(diào)濕性能的硅酸鹽板材。姜洪義等[7]探討了硅藻土以及沸石的孔結(jié)構(gòu)，并以其為原料利用水熱固化法制備了硅藻土基板材。陳彥文等[8]以水洗硅藻土為基材，以拋光石粉、粉煤灰為摻和材料，采用焙燒工藝制備了甲醛吸附功能的硅藻土基板材。

本文利用多孔結(jié)構(gòu)的硅藻土、石膏以及硅酸鹽水泥為膠凝材料，通過復(fù)摻玻璃纖維，在轉(zhuǎn)晶劑以及防水劑等液態(tài)介質(zhì)下，通過攪拌混合、成型、脫模養(yǎng)護等工藝制備藻鈣生態(tài)板。

1 實 驗

1.1 原 料

硅藻土；含鈣基體：硫酸鈣、磷酸鈣；復(fù)配溶液：包括膠粉、清水、乙酸-醋酸乙烯的共聚乳液、檸檬酸鈉、硫酸鋁鉀、硅醇鉀、有機硅等成分；增強纖維：玻璃纖維。

1.2 實驗工藝

圖1 實驗工藝流程圖Fig.1 Experimental process flow chart

實驗工藝流程如圖1所示，首先對硅藻土進行胺基改性，將硅藻土粉體經(jīng)過粉磨使其粒度達到400～1 000目，在60～70 ℃條件下，摻入十八烷基胺和脂肪酸，進行表面化學(xué)包覆處理制成改性硅藻土；其次，將改性硅藻土、含鈣基體、復(fù)配溶液、增強纖維攪拌混合形成漿液；然后，采用灌注成型方法制備試塊；最后，通過脫模養(yǎng)護、干燥、表面處理等工序，得到成品。

1.3 凈化性能測試

通過凈化效率和凈化持久性兩項指標對材料凈化性能優(yōu)劣進行評價，通過對甲醛的降解測試產(chǎn)品凈化性能，測試步驟如下：(1)將處理好的試驗樣板放入樣品艙，對比艙內(nèi)不放置任何樣板，直接進行密閉。(2)將氣體發(fā)生器與試驗艙連接并確認后，密閉試驗艙，開啟攪拌風(fēng)扇。(3)移取3 μL分析純甲醛溶液，滴入氣體發(fā)生器內(nèi)，開啟氣體發(fā)生器。(4)從開啟氣體發(fā)生器開始計時，24 h后采集對比艙內(nèi)氣體并測試其濃度，此濃度為對比艙所測氣體終止?jié)舛?C0)；24 h采集樣品艙內(nèi)氣體并測試其濃度，此濃度為樣品艙所測氣體終止?jié)舛?Ct)。甲醛濃度的測試分析按GB/T 16129采用AHMT分光光度法。甲醛凈化效率按公式r=(C0-Ct)/C0×100%計算。(5)若測凈化持久性，樣品倉中注入甲醛24 h后，測其濃度若小于0.01 mg/m3，則繼續(xù)注入3 μL甲醛進行第2輪試驗，否則結(jié)束試驗，按照上述操作，以此類推完成第3、4、5輪試驗后，停止試驗。甲醛凈化持久性按凈化保持率衡量，公式如下：η=(C0+Cn-Cn+1)/(C0+Cn)×100%，其中Cn+1為第n+1輪試驗后樣品倉內(nèi)甲醛濃度，Cn為第n輪試驗后樣品倉內(nèi)甲醛濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 藻鈣生態(tài)裝飾板的微觀形貌與元素分析

圖2 藻鈣生態(tài)裝飾板的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM image of calcium alginate ecological decorative board

藻鈣生態(tài)裝飾板的微觀形貌通過SEM手段進行了表征，測試結(jié)果如圖2所示，樣品由于主要由硅藻土和含鈣基體組成，因此該樣品整體微觀形貌為冠盤狀硅藻土與柱狀含鈣基體交叉分布，冠盤狀硅藻土整體較柱狀含鈣基體尺寸大，硅藻土尺寸22～25 μm，上下殼體厚度為4～5 μm；含鈣基體柱狀長度8～10 μm，直徑為1.7～2.0 μm，外觀形貌顯著。

樣品的元素組成通過AXIOS熒光光譜儀測定所得，如表1所示，其主要成分包括SiO2、SO3、CaO等，其中SiO2主要來自于樣品中的硅藻土；SO3主要來自于硫酸鈣、復(fù)配溶液(硫酸鋁鉀)等；CaO主要來源于含鈣基體硫酸鈣、磷酸鈣；另外，Na2O、MgO、Al2O3、K2O等來源于復(fù)配溶液。

表1 藻鈣生態(tài)裝飾板元素分析Table 1 Element analysis of calcium alginate ecological decorative board

2.2 硅藻土改性技術(shù)與藻鈣生態(tài)板凈化性能相關(guān)性

圖3 改性前后的硅藻土的紅外光譜Fig.3 FT-IR spectra of diatomite before and after modification

首先，通過紅外光譜測試結(jié)果，驗證本試驗中硅藻土在十八烷基胺和脂肪酸作用下被成功改性，獲得胺基改性的硅藻土，硅藻土胺基改性前后紅外光譜對比，如圖3所示。

結(jié)果表明，在硅藻土結(jié)構(gòu)中，在1 098 cm-1處銳而強的吸收峰是硅藻土結(jié)構(gòu)中Si-O-Si不對稱拉伸振動峰，在798 cm-1和474 cm-1處分別為Si-O-Si對稱拉伸和彎曲振動峰，在1 632 cm-1和3 424 cm-1處的吸收峰與羥基-OH的彎曲振動和拉伸振動有關(guān)。與原始硅藻土相比，改性后硅藻土出現(xiàn)了新的吸收峰，其中在1 523 cm-1附近處的峰為-NH2吸收峰，3 317 cm-1附近處的吸收峰為-NH-伸縮振動峰。在2 939 cm-1附近處的峰為十八烷基胺和脂肪酸中-C-H鍵的伸縮振動峰。這說明了經(jīng)過改性后，在硅藻土中成功引入了胺基，也證明了該方法實現(xiàn)了硅藻土表面成功改性。

為了證明硅藻土胺基改性與產(chǎn)品凈化性能的相關(guān)性，設(shè)計了兩組試驗，分別以未改性的硅藻土以及改性的硅藻土為原料，制備藻鈣生態(tài)裝飾板，對比相應(yīng)產(chǎn)品對甲醛的凈化性能的影響，通過凈化效率、凈化持久性兩項指標來衡量凈化性能的優(yōu)劣以及間接分析污染物凈化機理，試驗結(jié)果如圖4所示。

一般而言，如果產(chǎn)品僅僅具有吸附作用，那么在甲醛凈化持久性試驗中，基本進行兩輪試驗，產(chǎn)品就達到吸附飽和，兩輪試驗后沒有甲醛降解性能或者甲醛降解性微弱。試驗結(jié)果如圖4所示，圖4(a)是以未改性的硅藻土和改性硅藻土為原料制備的藻鈣生態(tài)裝飾板24 h甲醛凈化性能。對比來看，經(jīng)過改性后的硅藻土甲醛降解性能有所提升，降解率從98.9%提升至99.4%，說明胺基改性有助于甲醛降解。另外，從圖4(b)來看，制備的藻鈣生態(tài)板在維持5輪試驗中，仍具有很高的甲醛凈化效率，或者說甲醛凈化保持率很高。原因可以解釋為，一方面產(chǎn)品中的多孔礦物對甲醛強的吸附作用；另一方面，硅藻土上的胺基與甲醛發(fā)生胺基甲基化反應(yīng)，使得吸附的甲醛逐漸分解。即從污染物降解機理上解釋，一方面是吸附作用，另一方面是化學(xué)反應(yīng)作用。

2.3 藻鈣生態(tài)裝飾板物理力學(xué)性能研究

藻鈣生態(tài)裝飾板的物理力學(xué)性能通過2 h抗折強度和斷裂荷載兩項指標評價，它們是反映產(chǎn)品物理力學(xué)性能優(yōu)劣的重要指標，試驗方法參照標準JC/T 799—2016《裝飾石膏板》進行。表2中列出硅藻土加入量對藻鈣生態(tài)裝飾板強度的影響，從表中可以看出，隨著硅藻土含量的增加，板材2 h抗折強度從3.61 MPa上升至3.88 MPa，隨后又下降至3.30 MPa；斷裂荷載從267 N上升至293 N，隨后又下降到 254 N，兩者都呈先上升后下降趨勢，說明硅藻土添加量對產(chǎn)品物理力學(xué)性能有直接的影響作用，最佳添加量為8%～10%。

圖4 (a)以未改性硅藻土、改性硅藻土為原料制備的藻鈣生態(tài)裝飾板的甲醛凈化效率; (b)以改性硅藻土為原料制備的藻鈣生態(tài)裝飾板的甲醛凈化保持率
Fig.4 (a) Formaldehyde purification efficiency of calcium alginate decorative board prepared from unmodified and modified diatomite; (b) formaldehyde purification retention rate of calcium alginate decorative board prepared from modified diatomite

表2 硅藻土含量與板材物理力學(xué)性能相關(guān)性
Table 2 Correlation between diatomite content and physical and mechanical properties of plates

ItemIndicatorDiatomite content/%581012162 h fexural strength/MPa3.613.883.523.143.30Breaking load/N267293271242254

2.4 藻鈣生態(tài)裝飾板裝飾性能研究

藻鈣生態(tài)裝飾板應(yīng)用主要包括吊頂、墻面、墻頂集成、隔斷、玄關(guān)、背景墻，廣泛應(yīng)用于大型辦公、家裝、醫(yī)院、酒店、商場、學(xué)校、文物保護所、大劇院、專業(yè)廠房等場所。藻鈣健康功能材料簡約的肌理紋設(shè)計，豐富的工藝塑造，美輪美奐的主題浮雕，文化底蘊的鏤花(鏤空)造型與配套龍骨與集成照明、暖通、安防等集成組件為建筑空間開創(chuàng)集成新時代，其特有的功能性詮釋了人、空間、生活的健康主題。其裝飾效果如圖5所示。

藻鈣板應(yīng)用在吊頂中，可通過多型號、多種規(guī)格、多種組合方式安裝結(jié)構(gòu)和多種表面處理工藝形成明裝、暗裝、深邊立體型、平面組合型、立體組合型等多層次多系列集成材料，如圖5(a)所示，突破吊頂產(chǎn)品單一裝飾性缺點，展現(xiàn)集成性、多元性效果。藻鈣板在墻體中應(yīng)用，能實現(xiàn)以空間為載體帶給感官視覺沖擊效果，營造顧客置身其中的氛圍，如圖5(b)所示，展現(xiàn)無限的立體空間效果。

圖5 (a)藻鈣生態(tài)板吊頂裝飾效果圖；(b)藻鈣生態(tài)板墻體裝飾效果圖
Fig.5 (a) Decorative effect diagram of calcium alginate ecological board used for suspended ceiling; (b) decorative effect diagram of calcium alginate ecological board used for wall

3 結(jié) 論

本文以胺基改性硅藻土、硫酸鈣、磷酸鈣為基體材料，通過加入玻璃纖維作為增強相，經(jīng)攪拌混合、成型、干燥養(yǎng)護及表面處理等工藝，制備了一類兼具裝飾性、優(yōu)異物理性能以及甲醛凈化性能的藻鈣生態(tài)裝飾板材。通過硅藻土胺基改性明顯提高板材對甲醛的凈化效率，達99.4%，且多次試驗后仍具有較高的甲醛凈化效率，優(yōu)異的甲醛凈化效率一方面是由于多孔礦物的吸附作用，另一方面是胺基與甲醛發(fā)生胺基甲基化化學(xué)反應(yīng)，從而將甲醛有效降解。且硅藻土添加量明顯影響板材物理力學(xué)性能。藻鈣板優(yōu)異的力學(xué)性能、甲醛凈化性能以及豐富的裝飾性，這為無機環(huán)保類裝飾板材的普及應(yīng)用以及室內(nèi)環(huán)境健康性提升起到積極推動作用。