利用废弃聚苯颗粒制备轻质节能型仿瓷砖的研究*

毕春波

（华北理工大学 轻工学院，河北 唐山063000）

烧结瓷砖，由于具有表面光洁，耐水、耐候性好的特点，在传统建筑施工中被广泛作为建筑装饰材料使用。而传统的烧结瓷砖无论是生产还是使用都不能满足资源节约、环境友好的要求。在生产中要消耗较大的资源与能源，又排放大量的废气，对环境造成较大的污染；在使用中由于瓷砖本身密度大、质量重、导热系数高等特点，既不安全又不节能。

研制轻质节能型仿瓷砖，既能保持传统瓷砖装饰性能好的特点又可达到在生产和使用中节能环保的要求。是一种绿色墙体材料，将具有广阔的应用前景。本实验以外包覆聚合物水泥聚苯颗粒为轻质骨料、聚合物水泥为成型剂制备了轻质水泥基仿瓷砖。测试了水泥包覆聚苯颗粒松芯颗粒、轻质基体及仿瓷砖饰面的性能。

1 实验部分

1.1 原料

发泡聚苯乙烯空心颗粒（密度12kg·m-3，唐山万兴泡沫板厂）；水泥（42.5R 普通硅酸盐水泥，唐山冀东水泥公司）；VAE 乳胶粉（固含量98%，玻璃化温度0℃，台湾大连化学公司）；羟丙基甲基纤维素醚（HPMC）（粘度75000Pa·s，台湾大连化学公司）；聚丙烯酸酯乳液（固含量45%，北京有机化工公司）；重质CaCO3粉末（168#，石家庄青山矿业）；Fe3O4粉末（天津合成材料厂）。

1.2 仪器与设备

电子天平感重0.001g（上海精科实业）；3 挡板模具40×40×170（mm）（中国建筑科学研究院）；WDW-50J 型微机控制电子万能试验机（精度0.5级，规格50kW，济南联工玻璃仪器，唐山冀东玻璃厂）；离心搅拌机（上海升力机械制造）；DHG-9075A型恒温干燥箱；比重瓶50mL，承压筒、冲压模和导向筒。

1.3 实验步骤及方法

1.3.1 松芯颗粒相对密度的测定 相对密度是材料不包括孔隙在内的单位体积的质量与同温度、同体积纯水的质量之比。在一个50mL 的比重瓶内加入一定质量的轻质基料，然后加入已知液体（环己烷）充满比重瓶。用称量法求得这一液体的体积，从而间接的计算出轻质基料的真实体积，然后算出轻质基料的相对密度。

1.3.2 松芯颗粒筒压强度的测定 由于制得的松芯颗粒粒径并不完全一致，为了表征颗粒强度的平均值，采用筒压强度。测定步骤如下：

（1）筛取符合要求的轻质基料5L。

（2）将轻质基料用承压筒体盛装，分别测定三次松散料重，用其算术平均值乘以1.10 的填充系数后作为轻质基料量。

（3）将称取的轻质基料放入承压筒，先沿筒壁四周用木锤轻轻敲打几次，后装上导向筒和冲压模，检查导向筒的上边缘与冲压模的下刻度是否重合，如果不重合，需再轻轻敲打筒壁四周直至完全重合为止。

（4）将承压筒放于压力机的下压板上，以每秒294～490N 的速度匀速加荷。当冲压模压入的深度为20mm 时，记下压力值。

1.3.3 基体强度的测定 参照GB177-85《水泥胶砂强度检验方法》进行抗压强度试验。

将水泥、水泥外包裹聚苯乙烯颗粒及聚合物乳液等原材料按所确定的配合比进行人工搅拌后倒入钢制模具振动成型，24h 后脱模、编号并在自然条件下养护到一定龄期后，在60t 液压万能试验机上测定抗压强度。

2 结果和讨论

2.1 制备工艺对包覆颗粒大小及包覆率的影响

2.1.1 坯球的滚动时间 坯球的滚动时间即坯球从小的球核长大到2mm 以上，最后从圆盘造球机取出来的时间。滚动时间越长，聚合物水泥在聚苯颗粒表面的包覆率越高，但滚动时间过长会使球和球之间发生粘连，形成球体的聚集。实验表明：达到90%以上包覆率又不产生聚集的时间为50 到60min。

2.1.2 转速 转速高有利于成球，可缩短成球时间，但转速过高形成的球体粒径不均匀，适宜造球机转速为20～30r·min-1。

2.1.3 水的喷加速度 在成球过程中，水的喷加速度对包覆颗粒的强度和外貌有显著影响，喷得太慢球在滚动过程中易碎，使包覆颗粒的强度不够;喷得太快，球和球会粘结在一起，形成大的球体，不利于包覆颗粒的制备。

2.1.4 造球机圆盘倾角 造球机圆盘倾角大包覆颗粒粒径小，倾角小粒径大。为控制包覆颗粒粒径在2～4mm 之间，圆盘倾角控制在40～50℃之间。

2.2 聚苯颗粒与聚合物水泥体积比对聚合物水泥包覆聚苯颗粒松芯珠粒性能的影响

图1 为颗粒水泥体积与松芯珠粒密度的关系。

图1 颗粒水泥体积比VK/VS 与松芯珠粒密度ρ（g·cm-3）的关系Fig.1 Relationship of partical cement volume ratioand loose core particle density

由图1 可知，包覆颗粒密度随颗粒水泥体积比的减小而减小。这是因为在相同包覆率的条件下，水泥所占比例越高，包覆在聚苯乙稀颗粒表面层的聚合物水泥壳层就越厚，而水泥的密度约为1.7g·cm-3，大约是聚苯乙烯颗粒（密度0.018g·cm-3）密度的100 倍。

图2 松芯珠粒筒压强度与聚苯颗粒和聚合物水泥体积的关系Fig.2 Relationship of loose core particle cylinder compressive strength and polystyrene particles withpolymer cement volume

由图2 可知，松芯颗粒桶压强度同样也是随着颗粒水泥体积比的减小而减小。结合图1、2，在聚苯颗粒与聚合物水泥体积比为1∶0.8 时，松芯颗粒密度为0.838g·cm-3，桶压强度达到5.1MPa，达到瓷砖的密度和强度标准。

2.3 水泥与松芯颗粒配比对仿瓷砖基体抗压强度的影响

由不同密度松芯颗粒作为轻基料制得的仿瓷砖基体抗压强度与松芯颗粒密度的关系见图3。

图3 不同密度时的强度-水泥轻质基料配比图Fig.3 Proportioning of strength- cement light materialunder different density

由图3 所示，水泥基体比例是按水泥为1，包覆聚苯颗粒依次为1、2、3 做的水泥基体，通过图3 可以看出，同一比例相同水泥用量的前提下包覆聚苯颗粒用量越多，水泥基体的强度就越低；相同比例下，水泥用量减少，水泥基体的强度就降低。对于松芯颗粒密度为0.838g·cm-3（泡沫∶水泥=1∶0.8）的轻质基料与水泥按2∶1 的质量比制备的基体，其抗压强度为5.5MPa，既具有较高的抗压强度又具有较低的密度，具备了轻质高强的特点。

2.4 轻质节能型仿瓷砖的性能测试数据

根据上述实验的材料组成制备成仿瓷砖进行性能测试，结果见表1。

表1 饰面层性能测试结果Tab.1 Property test of finish coat

由以上测试数据可知，饰面层耐洗刷性、耐沾污性、表面光泽度及耐老化性均优于国标GB/T9757-2001溶剂型外墙涂料中优等品指标。

3 结论

以发泡聚苯乙烯空心颗粒为轻质材料，聚丙烯酸酯乳液作为胶料，添加助剂制备的仿瓷砖，在聚苯颗粒与聚合物水泥体积比为1∶0.8 时，松芯颗粒密度为0.838g·cm-3，桶压强度达到5.1MPa。对于松芯颗粒密度为0.838g·cm-3的轻质基料与水泥按2∶1 的质量比制备的基体，其抗压强度为5.5MPa，既具有较高的抗压强度又具有较低的密度，具备了轻质高强的特点。最后对仿瓷砖进行了其他性能测试均优于瓷质砖相关国家标准，具有实用价值。