藻钙生态板的制备及其净化甲醛性能研究

韦华，童军，朱跃鹏，温发华（湖北格林森新型建材科技有限公司，湖北 武汉　430200）



藻钙生态板的制备及其净化甲醛性能研究

韦华，童军，朱跃鹏，温发华
（湖北格林森新型建材科技有限公司，湖北 武汉430200）

以藻类及含钙无机类基体在液相介质以晶体转晶、玻璃纤维增强，制成一种能净化空气的藻钙生态板。以甲醛为去除对象，从原材料微观结构、设计正交试验确定藻钙复合材料优化方案及表面处理，考察藻钙生态板物理性能及净化甲醛性能。研究结果表明：通过转晶、复合增强可制备出断裂荷载大于300 N，甲醛净化率达95%的藻钙生态板。

藻钙生态板；微观结构；净化甲醛

藻钙生态板是以柔性圆盘筛状的藻类晶体与刚性短柱状无机钙盐晶体通过转晶技术、复合技术、增强技术形成的一种生态型无机装饰板。具有三大特点：其一，晶体结构大量含有蘑菇圆盘筛状微孔；其二，具有甲醛净化分解性；其三，工艺上具有良好塑性，可任意成型各种肌理纹、浮雕、镂空镂花等生态性无机装饰板，而广泛用于各种建筑空间吊顶、背景墙集成系统等，具有优异的物理性、装饰性及生态性。

1　试验

1.1试验机理

（1）转晶机理：以多元酸盐的阴离子［RCOO-］n和阳离子Na+、K+、Ca2+或Al3+组成的水相介质下，负吸附性极强的［RCOO-］n基团能同时与Na+、K+、Ca2+或Al3+吸附配位，形成一层大分子吸附金属离子构成的网络状“缓冲薄膜”，进而阻碍结晶基元在该晶面上的结合，使各方向的生长速率接近平衡，使水化产物由纤维状转晶为六方短柱状［1］。

（2）甲醛净化机理：藻钙组分中含TiO2，光催化降解形成·OH、·O2-而具有很强的氧化分解能力，再由比表面积极大的微孔吸附有害物质及气体，借助·OH、·O2-的氧化分解能力破坏有机物中的C—C、C—H、C—N、C—O、O—H、N—H，而最终被氧化为CO2和H2O［2］。

1.2试验原料

藻钙粉：自制，TiO2含量＞0.26%，其基本性能见表1。

表1　藻钙粉的基本性能

液态介质：由市售以无机内掺型硅醇钾为防水剂，柠檬酸钠、硫酸铝钾为转晶剂，以控制凝结速度调节晶体大小及形貌，与水复配制成。

玻璃纤维：ARC1500无捻短切砂，短切长度20 mm。

1.3仪器设备

XMQ-67型锥形球磨机；DKZ-5000型电动抗折试验机；YES-300抗压试验机；TYE-6B板材抗折试验机；101-3A电热恒温鼓风干燥机；SX-4-10箱式电阻炉；20～200目标准筛；DJ-90W强力电动搅拌机；600 mm×600 mm×11 mm软塑模；ISO型稠度凝结时间测定仪；BYS-3型扰度养护室控制仪；Axios advanced X射线荧光光谱仪；D8Advance型X射线衍射仪；JMS-5610LV扫描电子显微镜。

1.4测试方法

将藻钙粉与液态介质按1∶0.68质量比在水相条件下搅拌，并复掺增强玻璃纤维，采用浇注成型得到600 mm×600 mm×11 mm标准产品样，自然干燥后做喷涂、烤漆或喷绘表面处理方式得藻钙生态板。

含水率、吸水率、断裂荷载、受潮扰度、单位面积质量按JC/T 799—2007《装饰石膏板》进行测试，甲醛净化性能按JC/T 1074—2008《室内空气净化功能涂覆材料净化性能》进行测试。

2　试验结果与分析

2.1藻类基体微观结构与甲醛净化性能

将3种不同预处理（煅烧、漂白、陈化）藻类基体制样，并进行SEM测试，自然干燥后测试甲醛净化率，结果见图1和表2。

图1　不同预处理藻类基体的SEM照片

表2　不同预处理藻类基体的甲醛净化性能

由图1和表2可看出，煅烧样在800～950℃下圆盘表面有机质燃尽，壳体表面逐渐熔化，部分微孔被堵塞，孔径减小；通过碱液漂白样，圆盘边缘呈不规则拉伸或者溶蚀，较大微孔被溶蚀覆盖。其甲醛净化性因微孔形貌及孔径直接关联，形貌越完整、微孔越多、孔径分布越均匀，其甲醛净化率越好。其原因为常规的甲醛、苯、甲苯、二甲苯等有害气体直径为0.3～0.6nm，对于陈化样，形貌完整、微孔孔径为0.05～0.5μm、表面微孔自中心部位向圆盘边缘作辐射状均匀分布，具有30倍吸附通道数量级，最大脱附通道数量级为1.2倍，吸附-脱附通道数量比为25。

2.2正交试验

在探索试验基础上，采用4因素3水平，即L9（34）方案进行正交分析。正交试验因素水平见表3（各原材料掺量均按占粉体的质量计），正交试验结果和极差分析见表4。

表3　正交试验因素水平

表4　正交试验结果和极差分析

从表4可以得出：玻璃纤维、柠檬酸钠和硫酸铝钾为主要因素，断裂荷载强度的最优方案为A2B2C3D3，甲醛净化率的最优方案为A1B3C3D3。总体上，各因素、优化方案相差不大，从应用和防水的角度综合考虑，以A2B2C3D3为最佳方案，并进行重复试验，结果见表5。

表5　优化方案验证结果

2.3硅醇钾对藻钙生态板性能的影响

硅醇钾的作用是在藻钙生态板晶体结构中形成憎水的毛细网防止水分子迁移，它是通过与空气中的二氧化碳发生聚合反应形成［3］。表4结果表明，相对于吸水率及受潮扰度指标，其对断裂荷载与甲醛净化率的影响较小。硅醇钾掺量过大，液相介质的pH值增大，不利于水化反应以及对藻类微孔具有侵蚀性，故而断裂荷载与甲醛净化率有略微损失。

2.4转晶剂对藻钙生态板性能的影响

转晶剂中柠檬酸钠起缓凝、硫酸铝钾起促凝作用，两者复配协同使含钙无机类基体晶体形貌由纤维针状转为短柱状及扁平化板状形貌，晶体长径比逐渐减小［4-5］。从表4可知，随柠檬酸钠、硫酸铝钾掺量提高，其甲醛净化率增大。

图2为A1B1C1D1组放大3000倍的SEM照片，图3为A2B2C3D3组放大3000倍的SEM照片。

图2A1B1C1D1组放大3000倍的SEM照片

图3A2B2C3D3组放大3000倍的SEM照片

从图2、图3的对比可以看出，A1B1C1D1组晶体长径比为7.5，A2B2C3D3组晶体长径比更小（为4.2），纤维状晶体更趋向于短柱状或板状，相应的晶体单元之间的孔隙增大，吸附-脱附通道数量比相应增大，宏观上表现出甲醛净化率增加。

2.5玻璃纤维对藻钙生态板性能的影响

玻璃纤维借助强制搅拌产生扩散作用，与胶凝基体主要依靠固化收缩的握裹力、物理吸附、电荷引力及扩散的作用而产生粘接力，起到物理结构增强的作用［6］。玻璃纤维在0.8%～1.5%掺量范围内，随掺量提高，断裂荷载不断增加，同时由于在物理结构层面增加了孔隙率，宏观上表现出甲醛净化率增大。

2.6不同表面处理方式对藻钙生态板甲醛净化性能的影响

表面处理的目的是提高藻钙生态板表面的装饰性。采用4种表面处理方式来考察：（1）生物水性涂料；（2）乳液涂料；（3）乳液涂料+1.5%TiO2；（4）溶剂型涂料。不同表面处理方式对藻钙生态板甲醛净化性能的影响如图4所示。

图4　不同表面处理方式对藻钙生态板甲醛净化性能的影响

从图4可见，溶剂型涂料对藻钙生态板的甲醛净化性有影响，其有机溶剂形成的成膜物对藻钙生态板表面的微孔有一定的封闭功能性，其甲醛净化率较未处理的藻钙生态板降低5.8个百分点。而生物水性涂料及掺1.5%的乳液涂料，分别因涂料填充料具有多孔性以及光催化强化作用，使其甲醛净化性能略有提高，增长空间为0.85个百分点。总体，不同的表面处理方式对甲醛净化性能影响较小。

3　藻钙生态板性能与甲醛净化模型

3.1藻钙生态板的生态环境性

藻钙生态板更具有其优异的甲醛净化性能及其负离子释放、自调湿、抗菌防霉、耐酸碱、不燃、吸声降噪等环境友好性能（见表6）。

表6　藻钙生态板的生态环境性能

3.2藻钙生态板甲醛净化模型

通过对初始浓度、藻钙生态板应用数量、净化速率、净化时间为函变量的测试跟踪，拟得藻钙生态板的甲醛净化数学模型：

式中：Ci——初始浓度，%；

L藻钙——藻钙生态板装填系数；

t——时间，min。

4　结语

（1）藻钙生态板因具有呈圆盘微孔径为0.05～0.5 μm的筛状晶体而具有甲醛净化性能。

（2）影响藻钙生态板物理力学性能及甲醛净化性能的主要因素为藻类基体的预处理方式，液态介质与玻璃纤维的配比。在对藻类基体进行陈化及A2B2C3D3方案下，可以制备出断裂荷载大于300 N、甲醛净化率达95%的藻钙生态板。

（3）不同表面处理方式对藻钙生态板甲醛净化性能影响较小。

［1］韦华.高强晶体装饰石膏板及制备方法：中国，CN102408218B［P］. 2012-04-01.

［2］韦华，赵弘，肖富灿.一种具有甲醛净化功能的复合材料及其生产方法：中国，CN102633482A［P］.2014-07-30.

［3］李建权，李国忠，张国辉.石膏复合防水剂对石膏晶体形成的影响［J］.建筑材料学报，2007（2）：137-141.

［4］吴莉，彭家慧，万体智，等.缓凝剂对建筑石膏水化过程和硬化体微结构的影响［J］.新型建筑材料，2007（3）：1-3.

［5］陈燕，岳文海，董若兰.石膏建筑材料［M］.北京：中国建材工业出版社，2002：190-193.

［6］葛曷一.玻璃纤维增强石膏配合比设计参数的选择［J］.建材技术与应用，2004（1）：13-15.

Research on the preparation of calcium alginate ecological plate and its performance of purifying for maldehyde

WEI Hua，TONG Jun，ZHU Yuepeng，WEN Fahua
（Hubei Greens New Building Materials Science Technology Co.Ltd.，Wuhan 430200，China）

The present study prepared a calcium alginate ecological plate that is able to purify air through crystal-to-crystal transformation and glass-fiber reinforcement by using algae and calcium-containing inorganic matrix in liquid-phase medium.The effects of physical properties and formaldehyde purification performance of the calcium alginate ecological plate were investigated with formaldehyde regarded as removal target，as well as calcium alginate composite material optimization strategy and surface treatment confirmed by the microstructure of raw materials and orthogonal test design.Research results demonstrated that a calcium alginate ecological plate，with a flexural strength more than 300 N and a formaldehyde purification rate reaching 95%，was prepared through crystal-to-crystal transformation and composite reinforcement.

calcium alginate，microstructure，purify formaldehyde

TU52

A

1001-702X（2016）06-0064-03

2015-11-27；

2016-01-09

韦华，男，1983年生，云南丽江人，硕士，主要研究方向：生态环境材料。地址：武汉市江夏区文化大道联投大厦6楼，E-mail：wosil119@163.com。