沸石膠凝增強復(fù)合包裝板材的制備及性能

史云青，衛(wèi)靈君，李一鳴，孫昊,3,*

先進(jìn)材料

沸石膠凝增強復(fù)合包裝板材的制備及性能

史云青1,2，衛(wèi)靈君1,2，李一鳴1,2，孫昊1,2,3,*

（1.江南大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122；2.江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點實驗室，江蘇 無錫 214000；3.清華蘇州環(huán)境創(chuàng)新研究院，江蘇 蘇州 215000）

為了拓展固廢資源化的應(yīng)用，本研究以生物質(zhì)廢料（秸稈粉、廢木屑）為基體，以預(yù)處理后的污水污泥焚燒灰作為填料，采用熱壓成型制備了一種沸石膠凝增強復(fù)合包裝板材。通過XRD、SEM等方法表征預(yù)處理前后填料的元素組成、晶體結(jié)構(gòu)、微觀形貌等，并研究預(yù)處理填料對制備復(fù)合包裝板材性能的影響趨勢以及增強機制。添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22.5%的預(yù)處理后的填料制備的復(fù)合板材，其彎曲強度為27.73 MPa，壓縮強度為44.38 MPa，在力學(xué)性能、隔熱性能和吸水厚度膨脹率等方面均明顯優(yōu)于未經(jīng)過預(yù)處理的對照組，滿足GB/T 7284—2016《框架木箱》、GB/T 23898—2009《木托盤用人造板》等國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。復(fù)合板材性能的增強主要歸因于預(yù)處理引起填料相組成及結(jié)構(gòu)的變化。由于方沸石晶相的生成，填料對自身和基體的吸附性、易分散性得到極大改善。經(jīng)過預(yù)處理的填料制備的沸石膠凝增強復(fù)合包裝板材性能優(yōu)異，在木包裝領(lǐng)域及建筑領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。該研究可為大宗固體廢棄物資源化利用提供高附加值的解決方案，還可以為緩解林產(chǎn)資源短缺的現(xiàn)狀提供新的思路。

污水污泥焚燒灰；沸石；方沸石；復(fù)合板材；堿活化；固廢資源化

由于環(huán)境和經(jīng)濟原因，開發(fā)高強度環(huán)保型復(fù)合材料已成為各領(lǐng)域的優(yōu)先發(fā)展方向，如建筑、交通和包裝行業(yè)[1–3]。我國林木資源匱乏，森林面積僅占世界森林面積的3.9%，木材對外依賴度高。相關(guān)研究者為改善資源利用和緩解森林資源短缺問題已經(jīng)做了很多努力，目前發(fā)展綠色復(fù)合材料的一種主流方法是將天然纖維與樹脂結(jié)合[4]。馬舒慧等[5]通過KH-550處理楊木粉并與聚乙烯復(fù)合，開發(fā)了一種高強度阻燃木塑復(fù)合材料。謝良科等[6]提出了一種將生物質(zhì)纖維材料蘆葦、黃麻和紙漿引入聚己二酸/對苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）中的方法，結(jié)果PBAT/生物質(zhì)纖維復(fù)合材料的彎曲模量和強度得到明顯提升。

盡管大量研究在綠色復(fù)合材料方面取得了進(jìn)展，但因其生產(chǎn)的大多數(shù)原料仍依賴生物質(zhì)原料（木材、紙張和農(nóng)業(yè)廢棄物），因此為了更好地滿足復(fù)合材料的使用需求，并確保符合環(huán)境保護(hù)法規(guī)，有必要在評估生產(chǎn)、性能及對生態(tài)影響的指標(biāo)基礎(chǔ)上拓寬原材料來源的種類以及應(yīng)用范圍。

大宗固體廢棄物來源廣泛，例如廢木屑、秸稈、污泥、飛灰等。通過固廢材料制備復(fù)合材料，不僅降低了生產(chǎn)成本，還減輕了固廢對環(huán)境的壓力，實現(xiàn)了資源的循環(huán)利用。污水污泥焚燒灰是污水處理環(huán)節(jié)產(chǎn)生的尾泥焚燒后剩下的無機顆粒混合物，其妥善處理一直是行業(yè)面臨的持久性問題。污水污泥焚燒灰主要由SiO2、Al2O3、CaO等活性組分組成，與沸石的化學(xué)組分類似，具有合成沸石類硅鋁酸鹽的潛力[7]。已有大量研究表明[8–10]，沸石在吸附、離子交換、催化以及建筑等領(lǐng)域展現(xiàn)出應(yīng)用前景。在建筑領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用于混凝土改性中[11]，因其強大的吸附能力、膠凝特性以及對極性分子的親和力，使其在特殊環(huán)境條件下仍能保持較好的吸附性。但是，目前國內(nèi)外以合成沸石為增強填料制備生物質(zhì)復(fù)合板材的研究較少。有機纖維如木屑中的木質(zhì)素可隨著熱壓的進(jìn)行軟化變黏，與秸稈粉中的糠醛形成具有自黏性的木質(zhì)素-糠醛結(jié)構(gòu)[12]，可提供部分膠黏性，從而提升復(fù)合材料的力學(xué)強度。因此，本文以秸稈粉和廢木屑為基質(zhì)材料，以預(yù)處理后的污水污泥焚燒灰作為填料，利用熱壓成型制備沸石膠凝增強復(fù)合包裝板材，探討填料特性和添加量對復(fù)合板材結(jié)構(gòu)和性能的影響規(guī)律。為大宗固廢資源化利用提供高附加值的解決方案，同時為緩解林產(chǎn)資源短缺的現(xiàn)狀提供新的思路。

1 實驗

1.1 材料與儀器

主要材料：污水污泥焚燒灰，由新昆生物能源熱電有限公司提供；秸稈粉（來源為稻草，粒度＜0.85 mm），采自江蘇蘇瑞秸稈加工廠；廢木屑（楊樹，粒度＜0.85 mm），采自江蘇泰樂包裝工程集團有限公司；W-6C環(huán)氧樹脂膠（白色粉末，粒度為0.124～0.178 mm），由浙江豐隆環(huán)保科技有限公司提供。

主要儀器：Model E43微機控制電子萬能試驗機，英國LLOYD勞埃德儀器公司；ARL 4200 X射線熒光光譜儀（XRF），美國賽默飛世爾科技有限公司；D2 PHASER X射線衍射儀（XRD），德國布魯克AXS有限公司；Evo18 鎢燈絲掃描電子顯微鏡，德國卡爾蔡司公司；TC3000E導(dǎo)熱系數(shù)儀，西安夏溪電子科技有限公司；TY601H-10T數(shù)控?zé)釅簷C，寧波市余姚機械設(shè)備有限公司；OS20-S攪拌器，大龍興創(chuàng)實驗儀器（北京）有限公司；SIHS-100恒溫恒濕箱，寧波塞茵儀器有限公司；GSH-5L 高溫高壓反應(yīng)釜，上海巖征實驗儀器有限公司；Bettersize2600激光粒度分析儀，丹東百特儀器有限公司。

1.2 污水污泥焚燒灰的預(yù)處理

為提高污水污泥焚燒灰與生物質(zhì)基質(zhì)（秸稈纖維、木纖維）的相容性，采用堿活化的方式對其進(jìn)行預(yù)處理。步驟如下，該過程在配備外部加熱器和冷卻系統(tǒng)的高溫高壓攪拌反應(yīng)器中進(jìn)行。

1）按照設(shè)定的試驗配方稱取定量的NaOH和污水污泥焚燒灰。

2）將NaOH溶液（0.25 mol/L）和污水污泥焚燒灰混合，調(diào)整其液固比至20 mL/g，攪拌均勻倒入高溫高壓反應(yīng)釜中。

3）將反應(yīng)釜密閉后，設(shè)定溫度為180 ℃、反應(yīng)時間為5 h、攪拌轉(zhuǎn)速為300 r/min。

4）反應(yīng)結(jié)束后取出過濾，并用去離子水洗滌3次，80 ℃烘干12 h得到預(yù)處理后的污水污泥焚燒灰。

1.3 沸石膠凝增強復(fù)合包裝板材的制備

沸石膠凝增強復(fù)合包裝板材（以下簡稱沸石復(fù)合板材）的制備步驟如下：

1）稱量預(yù)處理后的污水污泥焚燒灰，廢木屑、秸稈粉（廢木屑與秸稈粉的質(zhì)量比為1∶1）等固體物料，加入環(huán)氧樹脂膠使其占體系中總質(zhì)量的10%。

2）將混合物依次加入攪拌機中，以轉(zhuǎn)速200 r/min攪拌20 min，使其充分混合。

3）將混好的物料放入厚度可調(diào)的預(yù)熱好的鋼模（尺寸為170 mm×22 mm×10 mm）中，設(shè)置條件為6 MPa、180 ℃，保持20 min。

4）熱壓完成后脫模并將試樣取出，進(jìn)行試樣平衡處理：將試樣放入溫度為（20±2）℃、相對濕度為（65±5）%的恒溫恒濕箱中平衡至質(zhì)量恒定。

5）試樣平衡處理完成后進(jìn)行編號，放入自封袋密封待測試。

制備具體流程如圖1所示。

圖1 復(fù)合板材的制備流程

注：將未預(yù)處理的污水污泥焚燒灰制備的復(fù)合板材（以下簡稱原灰復(fù)合板材）定為對照組，除預(yù)處理步驟外，它們遵循相同的工藝過程。

1.4 測試與表征

1）元素組成分析。將污水污泥焚燒灰放入105 ℃烘箱中烘至恒重，將其研磨后過100目篩，再放入X射線熒光光譜儀中進(jìn)行測定。

2）晶體結(jié)構(gòu)分析。將預(yù)處理前后的污水污泥焚燒灰研磨過100目篩，取適量樣品制樣后放于衍射儀中，設(shè)置衍射角度為10°～90°，步長為0.2 s，進(jìn)行X射線衍射測試。

3）微觀形貌觀察。使用導(dǎo)電膠帶分別將少量污水污泥焚燒灰和復(fù)合板材的絕干樣品黏附在樣品臺上，采用真空離子濺射設(shè)備對樣品表面進(jìn)行噴金，而后放入SEM交換室中進(jìn)行拍攝。

4）力學(xué)性能測試。包括彎曲強度（三點彎曲法）、壓縮強度測試。參照GB/T 17657—2022《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》[13]，使用以20 mm/min加載速度運行的萬能試驗機對試樣施加壓力至試樣被破壞，測試試樣的物理性能。測試結(jié)果參照GB/T 7284—2016《框架木箱》、GB/T 23898—2009《木托盤用人造板》和GB/T 11718—2021《中密度纖維板》[14–16]進(jìn)行性能評價。

5）熱導(dǎo)率測試。取表面光滑均勻的復(fù)合板材放置在導(dǎo)熱系數(shù)儀上，分析其在室溫下的熱導(dǎo)率。

6）吸水厚度膨脹率測試。參照GB/T 17657—2022《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》，將試樣浸泡在（20±1）℃水槽中靜置（24+0.25）h，測量浸泡前后試樣的吸水厚度和膨脹率。

2 結(jié)果與討論

2.1 污水污泥焚燒灰預(yù)處理前后特性分析

使用XRF、XRD和SEM對預(yù)處理前后的污水污泥焚燒灰進(jìn)行成分檢測和微觀形貌觀察。相關(guān)的化學(xué)成分、物相組成和微觀形貌分別呈現(xiàn)在表1、圖2和圖3中。

表1 污水污泥焚燒灰的化學(xué)成分

Tab.1 Chemical compositions of incinerated sewage sludge ash

污水污泥焚燒灰的XRF的測定結(jié)果見表1，其主要成分是SiO2、Fe2O3、Al2O3、CaO，4種主要化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和超過76%。這些氧化物具有火山灰特性[17]，能夠在材料中發(fā)揮一定的膠凝作用，因此富含這些氧化物的原料在建筑工業(yè)中常用作生產(chǎn)鋁、硅酸鹽膠凝材料[18]。圖2a為污水污泥焚燒灰的XRD圖譜，表明其主要晶相為石英（SiO2，PDF#01- 083-2466）、赤鐵礦（Fe2O3，PDF#01-085-0987）、剛玉（Al2O3，PDF#01-088-0107）和無水石膏（CaSO4，PDF#01-083-0437）。經(jīng)過預(yù)處理后，石英的最高峰消失，主要晶相變?yōu)榉椒惺∟a（AlSi2O6）·H2O，PDF#01- 076- 0905）、赤鐵礦（同上）和硅酸三鈣（Ca3SiO5，PDF#01- 073-2077）。其主要反應(yīng)式如下：

圖2 污水污泥焚燒灰（a）和預(yù)處理后污水污泥焚燒灰（b）的XRD圖譜

圖3 填料（污水污泥焚燒灰）預(yù)處理前后的微觀形貌和粒徑分布

污水污泥焚燒灰在強堿性條件下，本身含有的SiO2、Al2O3被水解為硅酸根和鋁酸根（式（1）），這些酸根離子在高溫下活性被激發(fā)，經(jīng)過地質(zhì)聚合的過程生成了大量鋁硅酸鹽的凝膠[19]（式（2）），這種凝膠被認(rèn)為是合成沸石（方沸石）的前驅(qū)體[20]。在堿性高溫條件下，使鋁硅酸鹽凝膠重排形成規(guī)則的沸石晶體，進(jìn)而在適宜的條件下轉(zhuǎn)化為方沸石（式（3））。此時硅酸根和鋁酸根離子成為晶核不斷生長的主要養(yǎng)分，被不斷消耗導(dǎo)致溶液中的離子濃度降低，固液兩相界面的溶解平衡會進(jìn)一步促進(jìn)原本含鋁、硅材料的溶解[11]，推動反應(yīng)朝方沸石晶體生長的方向進(jìn)行。副產(chǎn)物Ca3SiO5是因為污水污泥焚燒灰中本身含有一定比例的鈣元素，二氧化硅在發(fā)生溶解時與鈣離子碰撞形成的[21]（式（4））。

由圖3a、圖3b可知，污水污泥焚燒灰為粗糙的不規(guī)則多孔結(jié)構(gòu)的聚集體，表面易吸附顆粒或?qū)е聢F聚，影響填料本身在復(fù)合材料中的分散，進(jìn)而影響其力學(xué)性能。經(jīng)過預(yù)處理后的污水污泥焚燒灰可以觀察到規(guī)則的二十四面球狀晶體，這是方沸石的典型特征[8]。預(yù)處理導(dǎo)致其表面結(jié)構(gòu)的變化，其表面的不規(guī)則團聚減少。圖3c、3d中預(yù)處理前后粒徑的變化也印證了這一點：污水污泥焚燒灰的低、高位粒徑跨度較大（4.30～70.33 μm），中位粒徑（50）為24.06 μm。在預(yù)處理后，中位粒徑和高位粒徑都有顯著減小，粒徑分布趨于集中化。這主要歸因于2點：一是生成的主要晶相為方沸石，其骨架和孔道較小（晶胞孔隙度僅為0.18）[22]；二是在預(yù)處理過程中容器的攪拌使一些原本團聚的大顆粒灰分散為單個或多個小顆粒。

2.2 沸石膠凝增強復(fù)合包裝板材的力學(xué)性能

復(fù)合材料的成型方式可顯著影響樣品的力學(xué)性能，本研究對不同填料種類及添加量下試樣的力學(xué)性能變化進(jìn)行了表征，復(fù)合板材的抗彎強度如圖4所示，壓縮強度如圖5所示（以下填料添加量均按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)計）。

圖4 不同填料種類及添加量制備的復(fù)合板材的彎曲強度對比

圖5 不同填料種類及添加量制備的復(fù)合板材的壓縮強度對比

由圖4可知，以未經(jīng)處理的污水污泥焚燒灰作為填料時，當(dāng)添加量由0%增加至30%時，板材的彎曲強度呈現(xiàn)緩慢增大的趨勢（21.42～24.57 MPa）。污水污泥焚燒灰在適宜的添加量下相比純生物質(zhì)廢料制備的板材彎曲強度有小幅提升，這是因為秸稈和木屑2種天然纖維本身可通過機械互鎖、范德華力以及氫鍵的方式結(jié)合[23-24]，在復(fù)合材料內(nèi)部形成網(wǎng)狀的纖維網(wǎng)絡(luò)，使材料具備一定的抗剪切力。污水污泥焚燒灰因為其表面粗糙多孔的特性，可以附著在纖維網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的骨架中，以填充纖維間的間隙，降低加工中板材的缺陷、裂紋的發(fā)生，從而提升板材的力學(xué)性能。當(dāng)其添加量超過30%且繼續(xù)增加時，板材的彎曲性能逐漸減小。同樣地，以預(yù)處理后的污水污泥焚燒灰作為填料時，在填料添加量為22.5%時樣品表現(xiàn)出最大的彎曲強度（27.73 MPa），顯著優(yōu)于對照組。這主要歸因于經(jīng)過預(yù)處理后的污水污泥焚燒灰其主要晶相轉(zhuǎn)變?yōu)榉椒惺椒惺墓桎X骨架內(nèi)存在互不相交的一維結(jié)構(gòu)孔道[22]，這種孔道結(jié)構(gòu)可容納水分子、離子等，賦予了方沸石一定的吸附能力，使其能夠跟水分子、有機纖維更好地結(jié)合，表現(xiàn)出膠凝性能的提升。結(jié)合XRD譜圖和產(chǎn)物粒徑的信息可以得知，在預(yù)處理過程中存在方沸石的結(jié)晶行為，以及容器攪拌分散了原本團聚的灰顆粒，二者共同作用使得產(chǎn)物的粒徑分布趨于集中。這使得填料在與纖維網(wǎng)絡(luò)中的吸附、結(jié)合更加均勻，從而提升了板材的力學(xué)性能。繼續(xù)增大填料含量至45%，其彎曲強度呈下降趨勢，這種劣化可歸因于復(fù)合材料中填料與基體分布不均導(dǎo)致的填料團聚[25]。此外，添加更多的填料會影響復(fù)合板材在成型前的流動性，這有可能導(dǎo)致板材出現(xiàn)例如空隙、錯位的缺陷[26]。

板材的壓縮強度也是衡量其力學(xué)性能的重要指標(biāo)，直接影響材料在應(yīng)用中的穩(wěn)定性和持久性。由圖5可知，以未經(jīng)處理的污水污泥焚燒灰作為填料時，板材的壓縮強度隨添加量的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，峰值強度在添加量為30%時取得（36.13 MPa）。力學(xué)性能的測試結(jié)果結(jié)合王雅彤等[27]的研究證明，添加固廢顆粒制備生物質(zhì)基板材本身具有可行性[28]。以預(yù)處理后的污水污泥焚燒灰作為填料時，在填料添加量為22.5%時樣品表現(xiàn)出最大的壓縮強度（44.38 MPa），顯著優(yōu)于對照組。方沸石屬于鋁硅酸鹽，得益于其膠凝特性、粒度分布窄、結(jié)構(gòu)緊密等特點，其附著在纖維網(wǎng)絡(luò)中能有效密實化板材；而環(huán)氧樹脂作為復(fù)合材料中的膠黏劑，其固化后變?yōu)槿S網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并且能夠與生物質(zhì)廢料構(gòu)成的纖維網(wǎng)絡(luò)形成界面交聯(lián)[29]，進(jìn)一步強化了這種結(jié)構(gòu)。因此，由彎曲、壓縮強度試驗可知，制備沸石膠凝增強復(fù)合包裝板材的最優(yōu)填料添加量為22.5%。

2.3 沸石膠凝增強復(fù)合包裝板材的導(dǎo)熱性能

導(dǎo)熱性能測試提供了有關(guān)材料熱傳導(dǎo)性能的定量信息，為工程和材料設(shè)計提供了重要的參考依據(jù)。圖6顯示了不同的填料添加量對復(fù)合板材導(dǎo)熱系數(shù)的影響規(guī)律。

圖6 不同填料種類及添加量制備的復(fù)合板材的導(dǎo)熱系數(shù)

沸石相膠凝增強復(fù)合板材的熱導(dǎo)率在與試樣長度方向平行測定時，由于天然有機纖維的低熱導(dǎo)率，未添加填料制備的復(fù)合板材的熱導(dǎo)率為0.232 2 W/(m·K)。添加2種填料制備的板材，因其纖維間隙被填充，并且改變了天然有機纖維在復(fù)合材料中的占比，所以其導(dǎo)熱系數(shù)都有提升。根據(jù)XRD的結(jié)果可知，污水污泥焚燒灰的主要成分為石英及一些金屬氧化物。石英礦物自身具有較大的導(dǎo)熱系數(shù)（q=7.8 W/(m·K)），當(dāng)在堿性條件下石英相溶解生成值相對較低的鋁硅酸鹽（方沸石），直接導(dǎo)致了試樣整體值降低。因此預(yù)處理后的板材樣品的值明顯低于活化前樣品的值。導(dǎo)熱系數(shù)小于0.25 W/(m·K)的材料可以被看作是隔熱材料[30]，沸石膠凝增強復(fù)合包裝板材在填料添加量小于37.5%時均滿足此要求，其有望在保溫包裝材料、節(jié)能建筑領(lǐng)域等有更多應(yīng)用。值得注意的是，沸石增強膠凝復(fù)合包裝板材的導(dǎo)熱系數(shù)增速更為平穩(wěn)，這說明復(fù)合材料內(nèi)部更為均勻。這一結(jié)果也與力學(xué)試驗中力學(xué)性能的增加趨勢保持一致。

2.4 沸石膠凝增強復(fù)合包裝板材的吸水厚度膨脹率

吸水厚度膨脹率是復(fù)合材料性能評估中的一個關(guān)鍵指標(biāo)，用于確保其在特定應(yīng)用中的性能和耐久性。由于天然纖維基質(zhì)對水分固有的敏感性，生物質(zhì)基復(fù)合材料通常表現(xiàn)出較高的吸水厚度膨脹率，導(dǎo)致它們在各個領(lǐng)域的實際應(yīng)用受到限制。因此，本研究測定了不同添加量下2種填料制備的復(fù)合板材的吸水厚度膨脹率（圖7）。

圖7 不同填料種類及添加量制備的復(fù)合板材的吸水厚度膨脹率

由于無機物和有機物的吸水率存在顯著差異，當(dāng)填料的添加量增多時，板材的吸水厚度膨脹率逐漸減少，2種填料都觀察到相同的趨勢。與添加污水污泥焚燒灰制備的復(fù)合板材相比，添加預(yù)處理后的填料制備的復(fù)合板材的吸水厚度膨脹率顯著降低。這歸因于主要物相的改變，在經(jīng)過預(yù)處理后形成了孔道較小、致密的晶體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致水分子難以實現(xiàn)滲透和吸附[31]。因此，在添加量相同的情況下，2種填料導(dǎo)致復(fù)合材料的整體吸水性能存在差異。

2.5 沸石膠凝增強復(fù)合包裝板材與其他板材國家標(biāo)準(zhǔn)參照對比

通過復(fù)合板材物理性能的實驗結(jié)果，以添加量為22.5%的填料為例，使用預(yù)處理前的污水污泥焚燒灰制備的板材，達(dá)到了框架木箱與木質(zhì)平托盤用其他人造板的彎曲強度使用標(biāo)準(zhǔn)（表2），但吸水厚度膨脹率未達(dá)到使用要求。預(yù)處理后的填料制備的沸石相膠凝增強復(fù)合板材的彎曲強度達(dá)到27.73 MPa，壓縮強度達(dá)到44.38 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)q=0.241 9 W/(m·K)，24 h吸水厚度膨脹率為12.66%。通過對比市場上常用包裝板材及中密度纖維板的國家標(biāo)準(zhǔn)得出，復(fù)合板材的結(jié)果達(dá)到了GB/T 7284—2016《框架木箱》、GB/T 23898—2009《木托盤用人造板》、GB/T 11718—2021《中密度纖維板》中的強度和24 h吸水厚度膨脹率的要求，且力學(xué)性能全面優(yōu)于原灰復(fù)合板材。

2.6 材料微觀形貌

復(fù)合材料的性能在很大程度上受基體和增強材料結(jié)構(gòu)形態(tài)的影響。通過表征不同填料制備的復(fù)合板材的性能，可以發(fā)現(xiàn)因填料的不同特性導(dǎo)致其物理性能發(fā)生顯著變化，所以通過分析材料微觀形貌研究了這些差異的潛在因素（圖8）。添加污水污泥焚燒灰制備的復(fù)合板材的纖維表面光滑（圖8a），證明污水污泥焚燒灰無法很好地吸附在纖維表面，并且由于其固有的火山灰特性，可以觀察到明顯的顆粒聚集，光滑的表面與顆粒聚集導(dǎo)致其界面結(jié)合較差。由圖8b可以觀察到預(yù)處理后的污水污泥焚燒灰制備的復(fù)合板材表面有均勻的沸石顆粒附著，生成的方沸石結(jié)晶緊密吸附在纖維表面，填充了纖維間的空隙。力學(xué)性能的改善（圖4、圖5）和粒徑分布（圖3）的變化進(jìn)一步證實了這一觀察結(jié)果。

表2 其他板材國家標(biāo)準(zhǔn)

Tab.2 National standards for other boards

圖8 不同復(fù)合板材的截面SEM圖

注：圖b中方框為放大圖。

3 結(jié)語

污水污泥焚燒灰與沸石的化學(xué)組分類似，是合成沸石類硅鋁酸鹽的良好硅、鋁源材料。通過表征證實了污水污泥焚燒灰在預(yù)處理后能產(chǎn)生大量方沸石晶體，結(jié)合復(fù)合板材的物理性能分析，填料相組成的變化是復(fù)合板材各項性能提升的關(guān)鍵因素。

試驗表明，制備沸石膠凝增強復(fù)合包裝板材的最佳填料添加量為22.5%。所制備的材料彎曲強度為27.73 MPa、壓縮強度為44.38 MPa，滿足GB/T 7284— 2016《框架木箱》、GB/T 23898—2009《木托盤用人造板》等國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。相較于未預(yù)處理填料制備的復(fù)合板材，沸石膠凝增強復(fù)合包裝板材具有更廣闊的應(yīng)用前景。

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Preparation and Performance of Zeolite-cementing-reinforced Composite Packaging Board

SHI Yunqing1,2, WEI Lingjun1,2, LI Yiming1,2, SUN Hao1,2,3,*

(1. School of Mechanical Engineering, Jiangnan University, Jiangsu Wuxi 214122, China; 2. Jiangsu Provincial Key Laboratory of Advanced Food Manufacturing Equipment Technology, Jiangsu Wuxi 214000, China; 3. Tsinghua Suzhou Environmental Innovation Research Institute, Jiangsu Suzhou 215000, China)

The work aims to prepare a zeolite-cementing-reinforced composite packaging board through hot-press molding with employed biomass waste materials (straw powder, waste wood shavings) as the matrix, incinerated sewage sludge ash after pretreatment as fillers to enhance the potential applications of solid waste resource utilization. The elemental composition, crystal structure, and microscopic morphology of the fillers before and after pretreatment were systematically characterized. The influence of pretreated fillers on the performance trends and reinforcement mechanisms of the resulting composite packaging board was investigated. The composite board, prepared with a 22.5% mass fraction of pretreated fillers, exhibited a notable bending strength of 27.73 MPa and a compressive strength of 44.38 MPa. It significantly outperformed the untreated control group in terms of mechanical properties, thermal insulation performance, and water absorption thickness expansion rate. Moreover, it complied with the requirements of relevant national standards such as GB/T 7284-2016 "Frame Wooden Boxes" and GB/T 23898-2009 "Artificial Boards for Wooden Pallets". The enhanced performance of the composite board primarily resulted from alterations in filler composition and structure induced by the pretreatment process. The generation of the analcime phase notably improved the adsorption and dispersibility of the fillers on both themselves and the matrix. The zeolite-cementing-reinforced packaging board, crafted with pretreated fillers, exhibits exceptional performance, presenting extensive application prospects in wooden packaging and construction. This study not only provides a high-value solution for the recycling of bulk solid waste, but also contributes novel insights into alleviating the current shortage of forest resources.

incinerated sewage sludge ash; zeolite; analcime; composite board; alkali-activation; solid waste recycling

TB484；TS653.5

A

1001-3563(2024)03-0001-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.03.001

2023-12-25

江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點實驗室自主研究課題資助項目（FMZ201905）