無機填料對聚氨酯仿瓷磚性能的影響

陳立宗，呂乃偉，田清波，趙寶玲

(1.山東省分析測試中心，山東 濟南 250014;2.山東建筑大學，山東 濟南 250101)

我國陶瓷磚的產量逐年增加，預計到2015年總產量將達100億m2。陶瓷磚的發展依靠的是粗放型的“三高”發展模式，即高排放、高污染和高能耗，陶瓷產量的連續增長加劇了黏土等自然資源的消耗和環境的污染。據統計，我國每年用于生產建筑陶瓷的泥、石料等原料為10000～12000萬噸，消耗的標準煤約為4000～5000萬噸［1］。近年來，國家大力提倡節能減排，傳統陶瓷工業已經列為6大重點行業之一。在國家政策的影響下瓷磚制造業急需升級改型，走可持續發展的道路，綠色建陶成為今后發展的趨勢。

如今，液滴粉末造粒工藝［2］、高溫低氧燃燒［3］、窯爐節能改造［4］、富氧燃燒技術［5］、陶瓷磚薄型化［6－9］等改進技術及工藝減少了對資源的浪費和環境的污染，但仍然需要高溫燒結，需要消耗大量的化石燃料。

為了降低對于環境的污染，實現瓷磚的可持續、綠色化發展，一些非燒結類的仿瓷磚產品應運而生。非燒結類仿瓷磚主要是靠有機或無機的膠料來代替高溫燒結，與一些無機填料在常溫或較低溫度(100～200℃)下制備的仿瓷磚產品，這種新型的建筑裝飾產品在減少煤炭等自然資源的消耗、降低成本的同時也迎合了國家節能減排的號召，能夠得到政策方面的扶持。更重要的是對于無機填料的選擇更加廣泛，減少了對黏土的依賴，越來越多的固體廢棄物如粉煤灰、CaCO3、大理石廢料等也被用來作為填料制備仿瓷磚產品，在降低成本的同時還實現了固體廢棄物的再利用。

有機膠料類仿瓷磚的應用前景要好于無機膠料類仿瓷磚。有機膠料類仿瓷磚中對于膠料的選擇余地較大，現在的研究主要是以不飽和聚酯和聚甲基丙烯酸甲酯為膠料，但是以聚氨酯作為膠料制備仿瓷磚的研究還很少，文獻［10］中只是介紹了大概的配方設計。本文選擇以聚氨酯為膠料、粉煤灰和CaCO3為填料，在室溫下模壓固化成型制備仿瓷磚，探討了無機填料的種類和添加量對仿瓷磚性能的影響。此制備工藝常溫下成型，不需要經過高溫燒結，節約了大量的化石燃料，減少了污染物的排放，而且所使用的填料為排放的粉煤灰和CaCO3等廢料，進一步減少了固體廢棄物對環境的破壞，具有良好的應用前景。

1 原理和方法

聚氨酯(PU)是聚氨基甲酸酯(Polyurethane)的簡稱，因其分子結構中含有氨基甲酸酯基團(-NH-COO-)而得名，通常是由多元醇和異氰酸酯外加催化劑、擴鏈劑等反應得到的。在聚氨酯的分子結構中，玻璃化溫度低于室溫的多元醇構成軟段，玻璃化溫度高于室溫的氰酸酯和擴鏈劑構成硬段，軟段和硬段交錯組合排列成復雜的空間網狀結構，其分子結構中含有極性非常強的異氰酸酯和氨基甲酸酯基團，粘附力高，與含有活潑氫的基材，如泡沫、塑料、木材、皮革、織物、紙張、陶瓷等多孔材料，以及金屬、玻璃、橡膠、塑料等表面光潔的材料都有優良的化學粘接力［11］。通過添加催化劑、緩凝劑等還可以人為地調節聚氨酯的固化時間，這對實際生產具有重要意義。此外，通過改變聚氨酯分子中軟、硬段的比例可以得到不同軟硬強度的聚氨酯產品，具有配方靈活、調節范圍廣的特點，應用非常廣泛。蘇政權等［12］將滑石粉加入到聚氨酯中制備了MDI型聚氨酯塑膠跑道，當滑石粉的添加量為40%時，樣品的物理力學性能達到了塑膠跑道國家標準［13］的要求，同時材料的加工性能提高，固化收縮率、熱膨脹系數和成本降低，具有良好的經濟價值和應用前景。

2 實驗過程

2.1 實驗原料

本文所采用的原料來源及規格如表1所示。

表1 實驗用材料Table 1 Experiment materials

2.2 實驗儀器

在制備聚氨酯仿瓷磚的過程中用到的主要實驗儀器及設備如表2所示。

表2 實驗儀器與設備Table 2 Experimental instruments and equipment

2.3 實驗方法

以多亞甲基多苯基多異氰酸酯(PAPI)和聚醚多元醇DDL-3000來合成聚氨酯膠料，將不同含量填料烘干處理后加入到聚氨酯膠料中，混合均勻后模壓成型，具體工藝路線如圖1所示。參照 GB/T4100-2006［14］，對制備的仿瓷磚樣品進行了性能測試。

圖1 制備工藝路線Fig.1 Flowchart of the preparation technology

3 結果與討論

不同填料含量(質量分數)下試樣破壞強度、斷裂模數、吸水率與壓制強度的關系分別如圖2～5所示。

圖2 不同填料含量下試樣破壞強度與填料種類、壓制強度的關系Fig.2 Relationship between specimen failure strength and filler type and compression strength for different filler contents

圖3 不同填料含量下試樣斷裂模數與填料種類、壓制強度的關系Fig.3 Relationship between specimen rupture modulus and filler type and compression strength for different filler contents

圖4 不同填料含量下試樣的吸水率與壓制強度的關系Fig.4 Relationship between specimen water absorption rate and filler type and compression strength for different filler contents

圖5 不同填料含量下試樣的耐磨損體積Fig.5 Relationship between specimen wear volumes and filler type and compression strength for different filler contents

從圖2～3可以看出，當填料的添加量在72% ～78% 時，添加粉煤灰的仿瓷磚的破壞強度為1600～3300 N，斷裂模數為24～50mPa，添加CaCO3的仿瓷磚的破壞強度范圍為1300～2300 N，斷裂模數為19～35 MPa。在填料添加量和壓制強度一定時，粉煤灰的增強作用明顯好于CaCO3的增強作用。從圖4看出在填料含量一定時，仿瓷磚的吸水率均隨著壓制強度的增大而減小，添加粉煤灰的試樣的最小吸水率可達0.95%，添加CaCO3的試樣的最小吸水率達到了0.85%，添加粉煤灰的仿瓷磚的吸水率要比添加CaCO3的仿瓷磚試樣的吸水率更小。從圖5可以得出，添加粉煤灰和CaCO3的仿瓷磚的最小耐磨損體積分別為289 mm3和445 mm3。

從圖2～3還可以發現，在填料種類和壓制強度一定時，隨著填料添加量的增大，仿瓷磚的破壞強度和斷裂模數呈現先增大后減小的趨勢。粉煤灰的添加量為74%，壓制強度為65 MPa時，仿瓷磚的破壞強度和斷裂模數達到最高的3300 N和50mPa;CaCO3的添加量為74%，壓制強度為65 MPa時，仿瓷磚的破壞強度和斷裂模數達到最高的2300 N和35 MPa。在填料種類和壓制強度一定時，隨著填料添加量的增大，仿瓷磚的吸水率逐漸增大，當填料的含量為72%，壓制強度為109 MPa時，仿瓷磚的吸水率最低達到了0.95%和0.85%。在添加量一定時，添加粉煤灰和CaCO3的仿瓷磚性能的不同與填料本身的吸油值有關，在與聚氨酯膠料混合時表現為潤濕性不一樣，潤濕是用來描述液體取代固體物質表面上另一種流體物質的過程［15］，填料的微觀幾何結構以及顆粒表面的粗糙程度對于潤濕性有很大的影響［16］。

為了對兩種填料的潤濕性能進行比較，本文參照HG/T 2567-2006［17］測定了兩種填料的吸油值，結果見表3。

表3 填料吸油值Table 3 Oil absorption values of the packing

填料的吸油值CaCO3大于粉煤灰，填料的吸油值越小，在與聚氨酯膠料混合的時候完全被“潤濕”所需要的聚氨酯量就越少。填料的吸油值較大時，會使其和聚氨酯膠料混合時顯得“量不足”，不能被完全“潤濕”;而且混合料的黏度會更高，在聚氨酯膠料中就不能夠均勻的分散開來。當聚氨酯加料與填料不能均勻混合時，填料聚集在一塊，成為薄弱點，使得仿瓷磚的強度下降，耐磨性降低。

對兩種填料的仿瓷磚的斷面進行了SEM掃描，選擇的仿瓷磚試樣的填料添加量為74%，壓制強度為65 MPa，結果如圖6所示。

從圖6可以看出，粉煤灰與聚氨酯膠料混合得比較均勻，性能測試顯示此時的破壞強度和斷裂模數較高，吸水率較低，耐磨性較好;而同樣添加量的CaCO3仍有一部分未被“潤濕”，使得制備的試樣內部存在著大量的孔洞，沒有被“潤濕”完全的填料聚集在一起形成了“斑印”，降低了試樣的破壞強度和斷裂模數，使得試樣的吸水率升高，耐磨性變差。綜上所述，粉煤灰填料的增強效果比CaCO3填料的增強效果明顯。

圖6 不同填料仿瓷磚試樣斷面SEM圖Fig.6 SEM microstructures of the section of imitation tile samples for different fillers

3 結論

以聚氨酯為膠料，粉煤灰和CaCO3為填料制備的仿瓷磚，當填料的添加量為72% ～78%、壓制強度為21～109 MPa時，添加粉煤灰和CaCO3的仿瓷磚的最大破壞強度分別為3300 N和2300 N;最大斷裂模數分別為50mPa和35 MPa;最小耐磨損體積分別為289 mm3和445 mm3;最小吸水率分別為0.95%和0.85%。粉煤灰與聚氨酯膠料的混合均勻性綜合增強作用優于CaCO3。目前，該研究尚處于實驗室階段，下一步將在小規模試制的基礎上對該仿瓷磚的放射性進行檢測。

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