利用粉煤灰等无机固体废弃物制备塑料基复合板材工艺可行性探讨

刘立柱 高遇事 王勇++闫亚楠++陈彦翠++贾韶辉

摘要：指出了现代塑料基复合板材以废弃木屑和塑料复合而得的木塑制品为主。贵州省作为矿产资源开采大省，工业固体废弃物产生量大，种类多。粉煤灰、赤泥和萤石尾矿是贵州省三种主要排放的工业固体废弃物，年排放量和历史留存量很大，给环境带来严重污染，而木屑等植物纤维类废弃物相对较少，如利用粉煤灰、赤泥等作为填充材料，代替木屑与塑料复合生产复合板材制品，能为贵州省工业固体废弃物综合利用开辟其他应用途径。

关键词：复合板；固体废弃物；粉煤灰；赤泥；资源综合利用

中图分类号：TB34

文献标识码：A文章编号：16749944（2017）16019802

1引言

塑料基复合板材，是近年来新兴的一种环保型建筑装饰材料，是以聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等塑料原材料作为粘结剂，与木屑、锯末、秸秆等植物纤维、加工助剂经高温高压熔融挤出混合而成的新型材料，与其他材料相比，其具有良好的强度性能、耐腐蚀性能、耐水性能、可塑性强、可刨、可锯，广泛用于家具和建筑用品及室外、室内板材等方面。木屑等木制纤维作为填充材料分散填充于塑料基体中，起到填充料和改性料的作用，调节制品的力学性能和综合性能。

目前，碳酸钙等无机矿物常作为无机填料用于高分子高聚合物复合材料领域，不但可以降低材料的生产成本，还能提高材料的硬度、刚性和尺寸稳定性等效果。与碳酸钙因此，贵州地区的粉煤灰更容易获得，且具有密度低、热稳定性好，流动性好等特点。利用粉煤灰代替木质纤维作为主要填充材料制备塑料复合板材从其他无机填料与塑料基体的混合应用情况来看，是有可行性的。

2原料

2.1粉煤灰的特性

粉煤灰以玻璃体为主，含有少量未燃碳和结晶体。属于复合结构混合体。其中玻璃体包括光滑的球体形玻璃体粒子、形状不规则孔隙少的小颗粒、疏松多孔且形状不规则的玻璃体球等；结晶体包括石英、莫来石、磁铁矿等；未燃炭多呈疏松多孔形式。细度在300～400目间。

2.2赤泥的特性

赤泥是制铝工业提取氧化铝时排出的污染性废渣，含氧化铁量大，颜色以赤红色为主，少量掺入，可起到调节制品颜色的作用，改善制品美观性的作用。

2.3萤石尾矿的特性

萤石尾矿是萤石选矿工艺过程排出的尾矿废渣，其特点为含有90%以上的石英颗粒。

2.4助剂

由于塑料基体为有机高聚合物，粉煤灰、赤泥、萤石尾矿等为无机材料，两者之间不相融，如何使无机填料能有效分散在塑料基体中，并为制品性能带来好处，可以通过添加助剂的方式来解决。主要的助剂包括偶联剂、热稳定剂、润滑剂、光稳定剂等。

2.4.1偶联剂

偶联剂是一种具有两性结构的有机物，具有一个以上与无机粉体表面作用的基团和一个以上与有机聚合物亲合的基团。其分子中的一部分基团可以与无机粉体表面发生官能团反应，另一基团可与塑料基体发生化学反应或物理缠绕，从而将两种性质差异很大的材料牢固结合，使无机粉体和有机高聚物分子之间建立起具有特殊功能的“分子桥”。通过偶联剂的改性，可增强无机填料和塑料基体的亲和性，增大无机填充料的填充量，并使之可以有效均匀分布于塑料基体中，改善制品的综合性能，特别是各种力学性能。

粉煤灰含有大量的玻璃体和晶体、萤石尾矿则有高含量的石英颗粒。因此，较为适宜的偶联剂为硅烷类偶联剂，其次还有铝酸酯等偶联剂。硅烷偶联剂是一类具有特殊结构的低分子有机硅化合物，其化学通式为RSiX3，式中R代表与聚合物分子有亲和力或反应能力的活性官能团，如氨基、环氧基、甲基丙烯、三甲基、甲基和乙烯基等，X代表能水解的烷氧基，如卤素、酰氧基等。SiO2粉体在水和空气的作用下，可能会出现Si-OH（硅醇基）、Si-O-Si（硅醚基）等官能团。因此，可以与硅烷的氨基、环氧基、甲基丙烯、三甲基、甲基和乙烯基等有机官能团结合。

2.4.2热稳定剂

如以PVC塑料为基体时，由于PVC塑料的热稳定性差，为防止PVC塑料热分解给成型工艺带来困难，需要加入热稳定剂辅助生产，主要包括铅盐类、金属皂类、有机锡类、稀土四大类。

3生产工艺

3.1原材料处理

粉煤灰在用于塑料基体前，应先用偶联剂进行改性，再与塑料基体和其他助剂混合。这种处理方式，相对直接将粉煤灰、塑料基体、助剂直接混合处理的方式，混合效果更佳，制品性能良好。改性预处理的方式可采用，将粉煤灰加入高速混合机，加热至105℃，干燥30 min，然后将稀释后的偶联剂喷洒于粉煤灰上，高速混合3～5 min，进行改性。后加入塑料基体及其他助剂以600～1500 r/min的转速混合30 min，当温度达到115℃时，得到混合料。再将所得混合料放入冷混机中，以500 r/min转速混合20 min，温度达到60℃时放料得到冷混料。

3.2制备

木塑复合板材的性能不仅与原材料、助剂有关，还与成型加工工艺和设备有关，目前塑料复合板材的成型工艺主要有压制成型、挤出成型、注塑成型三类。其中挤出成型是将处理的物料，通过高温螺杆挤出机进行混料，并通过不同形状的机头将物料挤出，挤出后物料通过循环水进行冷却处理，从而得到规格不同，尺寸不同的復合板材。是目前技术较为成熟的成型工艺；挤出成型分为一步法和两步法，一步法采用将混合料直接加入到挤出机，直接在挤出机中进行混炼、塑化、挤出，工艺简单，但对工艺控制要求较高。二步法是目前较为常见的生产工艺，其特点先混合造粒，然后再将混合好的颗粒进入挤出机挤出，生产工艺较为灵活，对工人操作要求较低，不宜出错。但其生产工艺需要在造粒和挤出阶段分别加热，因此，能耗较大。

3.2.1造粒

造粒机料筒加热到160℃，保温30min，升温至塑料基体软化温度，将冷混料加入双螺杆造粒机进行挤出造粒，混合料挤出口通过机头处切削装置，将混合料切削成2～3mm厚度的薄片，随后进入到风送管道制冷到40℃，称量备用。endprint

3.2.2挤出成型

挤出成型可采用单螺杆木塑专用挤出机，将混合料颗粒加入挤出机，加热到软化温度后，通过单螺杆挤出机挤出成型，随后通过循环水冷却带冷却降温，冷却后板材采用切割机切割成适宜长度即可。根据GB/T 17657-2013 《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》、GB6566-2010《建筑材料放射性核素限量》对产品断裂荷载和放射性进行测试，复合板材断裂荷载达到3560N，放射性内照射指数0.3，外照射指数0.5。

工艺流程图见图1。

图1工艺流程

3.3工艺特点

3.3.1原材料处理

粉煤灰、赤泥和萤石尾矿通过加热烘干，并于偶联剂混合改性的原料预处理工艺保证了制品的质量，为后续工段的生产提供了基础。

3.3.2挤出成型效果好

采用单螺杆真空挤出成型机，挤出塑料制品表面光滑，手感好，挤出速度快，连续生产能力强。

3.3.3自动化程度高

整个生产工艺过程自动化程度高，大大降低了劳动强度，提高了生产效率。

2017年8月绿色科技第16期

刘立柱，等：利用粉煤灰等无机固体废弃物制备塑料基复合板材工艺可行性探讨

材料与工艺

4结语

随着贵州省特色小城镇建设工程的开发，木塑复合板材的需求量越来越大，如能利用粉煤灰、赤泥、萤石尾矿等当地无机工业固体废弃物资源作为无机填充材料，制备塑料基复合板材代替木塑复合板材，则可以让塑料复合板材制品厂在贵州落地，使原来需要外购的木塑制品转为本土化生产，不但消纳了本地的固体废弃物，还能实现增加税收、创造工作岗位、达到资源综合利用的多重效果。

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