CN115215568A - 一种废塑料自组装功能型石膏基胶凝材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种废塑料自组装功能型石膏基胶凝材料的方法，步骤如下：S1.二水石膏粉制备：将废弃块体石膏破碎和粉磨，细度控制0.2mm方孔筛筛余<10%；S2.脱水催化：将二水石膏粉平铺在托盘中，将废塑料块体摆放石膏粉体中间层并与石膏粉形成致密的接触包覆层，放置于产生一定压力的水热反应环境下；S3.发泡炭化：将S2所得材料升温至230℃，保温20min，得到彩色炭基复合材料；S4.陈化：冷却取出物料摊铺在干净台面，表面覆盖透明塑料膜，陈化3天以上。废塑料自组装彩色炭基复合材料制备工艺简单，赋予石膏基胶凝材料色彩质感性能和朴素的生态性。制品表面丝滑，温润，保温、吸声、调节温湿度，并在太阳光照下具有协同增强对甲基橙和罗丹明染料的脱色降解性。
Description
技术领域
本发明属于塑料垃圾应用建筑材料领域，具体涉及一种废塑料自组装功能型石膏基胶凝材料的方法。
背景技术
塑料是以合成树脂热塑性树脂和热固性树脂为主要原料，适当加入填料、增塑剂、稳定剂、润滑剂、色料等添加剂组成。颜料和填料属于精细化工材料，具有纯度高，比表面积大，占比50%以上。无机填料包括碳酸钙、硫酸钙、硅质材料等，具有减少树脂用量，降低成本，改善性能的作用。塑料是高分子有机化合物，生产和使用过程中产生固体废弃物、挥发性气体VOCs、废水等严重污染生态环境。尤其是粒径小于1μⅿ的微塑料,毒性更强，颗粒物还能向环境中释放溶解性有机碳（DOC）。被土壤吸附的微塑料，造成重金属和持久性有机污染物溶出，影响粮食生产的安全性。海水中存在的微塑料，造成珊瑚礁白化现象，彩色微塑料易被动物吞食，生物链效应扩大，威胁海洋生物多样性减少的潜在环境风险。塑料垃圾占比高的是彩色通用塑料聚乙烯和聚丙烯，建筑保温材料聚苯乙烯泡沫板的的应用已20多年，建筑塑料垃圾量大面广，苯环难降解，微塑料毒性更强。在满足人类生活需求条件下，减少塑料使用，采取有效治理白色污染科技手段，保障生态可持续性发展。
对于塑料的再生利用一种方式是物理方法，采用机械破碎粉磨再生利用，但存在粉磨能耗高，微塑料颗粒溶出污染。加热方法是采用高温熔融制备色母料等产品，属性还是塑料，仅用于生产附加值低的再生塑料产品，使用过程中微塑料还要释放到环境中。另一种化学方法采用高温降解分离小分子物质，能耗高，利用率低。以上这些利用方法中都无法从高分子材料中分离出颜料和填料，使其循环再生，也是一个社会资源的巨大浪费和技术难题。因此采用对微塑料固化，减少微塑料的污染和毒性是解决废塑料再生利用的生态原则。
石膏是一种具有绿色、生态、呼吸性的建筑装饰材料。以天然石膏为原料生产的白色石膏装饰材料表面细腻光滑，线条饱满，但缺乏降解有机污染物、抗菌、屏蔽电磁波等修复室内环境污染的功能。废弃天然二水石膏和化工副产石膏为原料的石膏基产品，缺乏细腻的色彩性。提高装饰性能，颜料选择首先满足不能影响石膏性能和材料的装饰质感，呈现天然石膏如脂如玉的光滑细腻华美之感。其二，选择颜料还要避免颜料中的有害物质和色素溶出，失去石膏材料的健康安全性和装饰性。其三，石膏是气硬性胶凝材料，耐水性差，不能应用在潮湿和水中环境。因此需要颜料的成分能够提高石膏的耐水性和耐海水性能，防止石膏中颜料等有害物质溶出和挥发。其四，颜料外加剂的化学组成和矿物成分有利于废弃的二水石膏通过脱水煅烧实现再生利用的绿色性。其五，颜料具有多重协同增强性能，如吸波性、光催化等性能，减少外加剂在石膏中应用，实现居住物理环境健康舒适。
发明内容
本发明的目的是以废弃塑料再生利用协同增强功能型石膏基胶凝材料性能。依据原理是利用化工副产石膏或再生石膏脱水制备建筑石膏的工艺过程，实现废塑料自组装炭基纳米功能材料。在一定温度条件下，二水石膏受热脱水与废塑料接触进行传热传质过程。根据扩散定律，固相在气、水、热、多种官能团催化作用，废塑料变软发泡自组装疏松多孔核壳纳米结构的彩色炭基复合材料。
废塑料自组装彩色炭基复合材料制备工艺简单，赋予石膏基胶凝材料色彩质感性能和朴素的生态性。制品表面丝滑，温润，保温、吸声、调节温湿度，并在太阳光照下具有协同增强对甲基橙和罗丹明染料的脱色降解性。营造石膏基胶凝材料与环境和谐共生的美丽家园。
本发明的方案如下：一种废塑料自组装功能型石膏基胶凝材料的方法，二水石膏粉制备工艺：将废弃块体石膏破碎和粉磨，细度控制0.2mm方孔筛筛余<10%；
脱水催化工艺：将二水石膏粉平铺在不锈钢托盘中，厚度≥10厘米。将废塑料块体摆放石膏粉体中间层并与石膏粉形成致密的接触包覆层，产生一定压力的水热反应环境。放置烘干箱，温度设置190℃。保温2h；
发泡炭化工艺：升温230℃，保温20min。塑料软化发泡分离出颜料和填料以及吸附的石膏粉体形成彩色炭基复合材料。
陈化工艺：冷却取出物料摊铺在干净台面，表面覆盖透明塑料膜，陈化3天以上。目的使无水石膏吸水形成半水石膏，二水石膏脱水为半水石膏，平衡炭基复合材料表面能，完成建筑石膏获得高性能的均质化过程。
增强固化工艺：在建筑石膏中掺加一定量的废弃建筑垃圾骨料和贝壳粉、蛋壳粉等生物质提高建筑石膏软化系数和增强光催化性能。
本发明公开了一种利用废塑料自组装核壳结构炭基纳米材料，协同增强功能型石膏基胶凝材料的工艺路线。主要工序是二水石膏粉体制备、脱水催化、发泡炭化、建筑石膏陈化、增强固化工艺。二水石膏脱水形成半水型β-CaSO4,氢键和SO42-等官能团催化作用使废塑料自组装核壳结构炭基纳米材料，赋予石膏基胶凝材料色彩质感性能和朴素的生态性。打造绿色先进功能型建筑材料系列，具有广阔应用前景。
本发明的优势为：
根据废塑料的微观组成结构巧妙设计了自组装核壳结构的炭基纳米材料，赋予石膏基胶凝材料修复环境的生态功能，实现废塑料再生利用协同增强石膏基胶凝材料性能的清洁生产工艺，减少微塑料的环境风险，营造美丽的家园。
附图说明
图1为建筑石膏水化与建筑石膏烘干后的XRD图谱；
图2为紫外-可见光分光光度计测试降解图谱；
图3 彩色石膏基胶凝材料水化和降解后的SEM图片。
具体实施方式
下面结合实施例详细说明本发明的方案。
实施例1 一种废塑料自组装功能型石膏基胶凝材料的方法，由下述重量配比的原料制成：废弃二水脱硫石膏粉100份；废塑料25份；
包括如下步骤：
步骤1：取块状石膏破碎和球磨机粉磨，粉体细度控制0.2mm方孔筛筛余<10%；
步骤2：称取石膏粉平铺在不锈钢托盘，将塑料放到石膏粉体中间层,烘干箱加热温度200℃，保温3小时；
步骤4：冷却后，取出彩色熟石膏。用塑料膜覆盖，陈化7d进行性能检测。
实施例2 一种废塑料自组装功能型石膏基胶凝材料的方法，由下述重量配比的原料制成：废弃二水脱硫石膏67.6份；废塑料2.4份；蛋壳凝胶粉30份；
包括如下步骤：
步骤1：取块状石膏破碎和球磨机粉磨，粉体细度控制0.2mm方孔筛筛余<10%；
步骤2：称量1000g二水脱硫石膏粉放入不锈钢托盘，中间包覆24g块体塑料；放到烘干箱加热脱水炭化。工艺参数温度190℃，保温2小时；
步骤3：升温230℃，保温20min，塑料发泡炭化；
步骤4：冷却后，取出熟石膏。包覆塑料膜，陈化3d进行性能检测；
步骤5：在彩色建筑石膏中掺加一定量的含蛋清凝胶的蛋壳粉，提高耐水性和光催化性能。
实施例3 一种废塑料自组装功能型石膏基胶凝材料的方法，由下述重量配比的原料制成：废石膏67.6份；废塑料2.4份；纳米贝壳粉30；
包括如下步骤：
步骤1：取块状石膏破碎和球磨机粉磨，粉体细度控制0.2mm方孔筛筛余<10%；
步骤2：纳米贝壳粉：将牡蛎壳用冰醋酸浸泡表面生成醋酸钙降低硬度，粉磨制备粉体，去除表面角质层，裸露纳米结构活性点。
步骤3：称量1000g二水脱硫石膏粉放入不锈钢托盘，中间包覆24g块体塑料；放到烘干箱加热脱水炭化。工艺参数温度190℃，保温3小时；
步骤4：升温230℃，保温20min，塑料发泡炭化；
步骤5：冷却后，取出熟石膏。包覆塑料膜，陈化3d进行性能检测；
步骤6：在彩色建筑石膏中掺加一定量的纳米贝壳粉，提高耐水性和光催化性能。
实施例4 一种废塑料自组装功能型石膏基胶凝材料的方法，由下述重量配比的原料制成：废石膏67.6份；废塑料2.4份；废弃白水泥砂浆骨料30份；
包括如下步骤：
步骤1：取块状石膏破碎和球磨机粉磨，粉体细度控制0.2mm方孔筛筛余<10%；
步骤2: 将废弃白水泥胶砂试块破碎和粉磨制备粉体，细度控制0.8mm方孔筛筛余<10%。
步骤3：称量1000g二水脱硫石膏粉放入不锈钢托盘，中间包覆24g块体塑料；放到烘干箱加热脱水炭化。工艺参数温度190℃，保温3小时；
步骤4：升温230℃，保温20min，塑料发泡炭化；
步骤5：冷却后，取出熟石膏。包覆塑料膜，陈化3d进行性能检测；
步骤6：在彩色建筑石膏中掺加一定量的废弃白水泥砂浆骨料，提高耐水性能。
试验例
1、原材料：
冰醋酸：上海麦克林生化科技有限公司。
牡蛎壳：取自大学海鲜市场。
纳米贝壳粉：将牡蛎壳用冰醋酸浸泡，粉磨制备粉体，去除表面角质层，裸露纳米结构活性点。
蛋壳粉：取自食堂新鲜蛋壳，蛋壳带有蛋壳膜和残留蛋清，研磨制备粉体。
废弃脱硫二水石膏粉：脱硫建筑石膏试块经过破碎和粉磨制备粉体，细度控制0.2mm方孔筛筛余<10%。
废弃白水泥砂浆骨料：白水泥胶砂试块经过破碎和粉磨制备粉体，细度控制0.8mm方孔筛筛余<10%。
罗丹明：上海麦克林生化科技有限公司。
废塑料：咖啡色PP塑料托盘，厚度1mm。将塑料托盘剪切尺寸6cmⅹ4cm。
2、试验方法：
将二水脱硫石膏放到不锈钢托盘中，把废塑料摆放到料层厚度不小于10cm的石膏粉体中间层，形成一定压力的水热反应环境。根据建筑石膏国家标准，进行标准稠度用水量、凝结时间、力学性能检测。根据粉刷石膏标准，进行标准稠度用水量、凝结时间、保水率、力学性能检测。研究石膏的耐水性能，提高对废塑料自组装核壳结构的炭基纳米材料固化性能，减少颜料析出。对彩色建筑石膏进行热性能检测，研究其高温力学性能的稳定性。分析在太阳光照射下，协同增强对罗丹明脱色降解的光催化性能研究。
3、试验及结果分析
3.1 废弃二水脱硫石膏循环再生彩色建筑石膏XRD分析
二水石膏在常温条件下加热制备建筑石膏反应方程式：
由于废弃二水石膏来源不同，主要成分是二水石膏，但还有硅、铝、铁等杂质，有利于催化废塑料的自组装核壳结构的炭基纳米材料。为了提高转化率，脱水加热工艺参数设定为200℃，保温3小时，冷却后取出，塑料膜覆盖进行陈化工艺。保障建筑石膏品种均匀，降低标准稠度用水量，提高强度。
由图1XRD图谱分析可知，在23.3°，43.3左右出现了炭的馒头峰，呈现无定型结构。在25°、27.5°、34°、44°出现碳酸钙峰，29°对应石膏峰。
脱模后的制品表面如巧克力般光泽丝滑，温润如玉。彩色再生建筑石膏性能指标：2h抗折强度0.96MPa，与空白相比，标准稠度用水量大，强度低，耐水性差，主要是炭基纳米材料多孔性，需水量大。彩色建筑石膏水化生成CaSO4·2H2O，因此建筑石膏可循环再生。由图3石膏水化SEM分析，微观晶体形貌发育不均齐，有少量晶须晶体，层状炭基材料穿插，杂质吸附在石膏晶体表面，晶体依靠水分子氢键胶结，交叉连生结晶结构网疏松，存在大孔，强度低。
3.2 生物质对彩色建筑石膏性能的影响
掺入纳米贝壳粉和蛋壳粉对彩色建筑石膏性能影响见表1和表2。
表1 纳米贝壳粉对彩色建筑石膏的性能影响
由表1性能指标数据分析，随着纳米贝壳粉掺量的增加，其标准稠度用水量都逐渐减少，初终凝时间都逐渐变长，掺量10%强度提高，耐水性最好，有利于固化可溶性成分。石膏经过190℃煅烧，抗压强度降低。由于石膏失去结晶水，结晶结构网破坏，强度降低。
表2 蛋壳粉对彩色建筑石膏性能影响
由表2数据分析，随着蛋壳粉掺量的增加，其标准稠度用水量逐渐减少，凝结时间延长。原因是含有蛋壳膜和蛋清凝胶影响性能。掺量10%抗压强度最高。石膏经过190℃煅烧，耐热性能降低。表明没有热塑性塑料的胶结作用。
3.3 废弃白水泥砂浆对彩色粉刷石膏性能的影响
白水泥粉体粒度大于30μⅿ基本不水化，利用废弃白水泥的白度和水化活性，提高彩色粉刷石膏的耐水性和固化强度。
表3废弃白水泥对彩色粉刷石膏性能影响
由表3可知，随着废弃白水泥掺量提高，力学性能抗折提高。但是凝结时间不符合粉刷石膏初凝时间≥60min。掺量20%废弃白水泥抗折提高33.8%，抗压提高140%。耐水性和固化强度增加，不具有光催化性能。
3.4 对罗丹明和甲基橙脱色降解性能分析
配置一定浓度的罗丹明和甲基橙溶液，将不同配方的试块放入若干个盛有相同浓度相同体积的溶液中，试块要完全进入溶液中，用塑料薄膜封住烧杯口，放在户外进行光照降解实验。并记录每天的天气和温度情况，一段时间后测量每组溶液的吸光度，吸光度越低，证明该试块的脱色降解性能越好。由图2图谱分析和计算，结果见表3。
表4生物质对彩色建筑石膏降解罗丹明率的效果
表4数据表明，在烟台5月份，天气比较冷的情况下，18~20℃，连续10d的室外自然条件下，并且伴随阴天。加30%蛋壳粉脱色降解率最高，其次是10%蛋壳粉、30%贝壳，降解率最低的是10%贝壳。生物质含有CO3 -，在炭基作用下，对罗丹明协同增强有机染料脱色和降解效果。由于蛋壳带有蛋壳膜和蛋白水凝胶氨基团，吸附效果最好。
图3是降解后的彩色石膏基胶凝材料SEM，石膏溶解析出再结晶，发育良好，片状炭基材料晶体尺寸规整，结晶结构网不致密，降解后的强度更低。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，本发明所描述的具体实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。
Claims (4)
1.一种废塑料自组装功能型石膏基胶凝材料的方法，其特征在于，步骤如下：
S1.二水石膏粉制备：将废弃块体石膏破碎和粉磨，细度控制0.2mm方孔筛筛余<10%；
S2. 脱水催化：将二水石膏粉平铺在托盘中，将废塑料块体摆放石膏粉体中间层并与石膏粉形成致密的接触包覆层，放置于产生一定压力的水热反应环境下；
S3.发泡炭化：将S2所得材料升温至230℃，保温20min，得到彩色炭基复合材料；
S4.陈化：冷却取出物料摊铺在干净台面，表面覆盖透明塑料膜，陈化3天以上。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，S2步骤中，二水石膏粉平铺的厚度≥10厘米。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，S2步骤中，水热反应环境为：放置于烘干箱中，温度设置为190℃，保温2h。
4.如权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于，还包括步骤S5.增强固化：还可添加一定量的废弃建筑垃圾骨料和纳米活性贝壳粉、含蛋清凝胶的蛋壳粉。
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