园林废弃物基有机无机复合免烧轻质釉面材料及制备方法
技术领域
本发明涉及固体废弃物利用及新型复合材料制备领域，尤其涉及一种园林废弃物基有机无机复合免烧轻质釉面材料及制备方法。
背景技术
园林绿化在改善城市环境质量、缓解城市热岛效应，维持城市生态平衡等方面具有重要作用。随着生态建设和城市绿化进程的不断推进，园林废弃物产生量越来越大，已成为继生活垃圾和建筑垃圾之后的第三大城市固体废弃物。
园林废弃物是指城市绿地或郊区林地中绿化植物自然或养护过程中所产生的乔灌木修剪物、草坪修剪物、杂草、落叶、枝条、花园和花坛内废弃草花等废弃物。传统方式对园林废弃物的处置采取填埋和焚烧方式，只有极少部分实现了资源化。填埋虽操作简单，但占用大量的土地资源，运输不便，且填埋过程中的渗滤液、恶臭和填埋气体会对周围环境造成危害，产生二次污染，破坏生态环境。焚烧虽然能减少废弃物的体积，但会因技术手段不当等原因造成大气污染，现在已有多个城市已经明确规定禁止绿化废弃物的焚烧。这两种简单的处理方式不仅造成资源浪费，而且对环境也有一定的压力，进而影响人类健康和生态城市的建设。
2007年中华人民共和国建设部在《关于建设节约型城市园林绿化的意见》中指出“鼓励通过堆肥、发展生物质燃料、有机营养基质和深加T等方式处理修剪的树枝，减少占用垃圾填埋库容，实现循环利用。国内外在园林废弃物资源化利用的途方面进行了多种技术尝试。目前主要的资源化途径包括用作有机覆盖物、生物堆肥、生物质能源、食用菌培育、木塑工艺以及一些生物产品的开发利用等。有机覆盖物操作简单，但是存在使用量有限、大风天气易于污染地面等缺点；生物堆肥的方式能够实现肥料化利用，但是存在成本高、产品销路难的问题，同时，由于木质素含量高，在北方寒冷地区，堆肥效率低，不能高效实现园林废弃物的资源化；生物质能源化利用存在运输成本高、产品以来焚烧设施、资源化效益差的问题。食用菌培育存在使用量有限，无法彻底解决园林废弃物资源化的问题；木塑工艺对于分选要求高，仅能利用木质素部分，且由于市场原因，使用量相对有限。因次，开发投入少、效益高、易于成产业化、规模化生产的园林废弃物高效资源化技术，可以减少园林废弃物的排放，合理利用资源，是持续发展和清洁生产的要求，也是建设环境友好型社会的要求。
发明内容
本发明目的是解决园林废弃物资源化困难、效益差、难以形成产业化和规模化生产能力的问题，实现园林废弃物高效资源化。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种园林废弃物基有机-无机复合免烧轻质釉面材料，其原料包括：园林废弃物、无机细骨料、矿物外加剂、轻烧氧化镁、硫酸镁、消泡剂、减水剂、复合改性剂、偶联剂、水性色浆、釉面处理材料和水。
所述轻烧氧化镁与园林废弃物的重量比为0.8-1.4：1。
所述园林废弃物粒径为小于4mm。
所述无机细骨料为建筑用砂、风积沙或尾矿砂，建筑用砂采用中细砂。无机细骨料与园林废弃物重量比为1：2-4。
所述矿物外加剂为粉煤灰或矿渣粉，其用量为轻烧氧化镁的10wt％-25wt％。
所述轻烧氧化镁中活性氧化镁的含量为50wt％～70wt％；所述轻烧氧化镁中活性氧化镁与所述硫酸镁的摩尔比为6.5:1～8:1。优选的，摩尔比为7。
所述消泡剂为乳化硅油、高碳醇脂肪酸酯复合物、聚氧乙烯聚氧丙烯季戊四醇醚、聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚、聚氧丙烯甘油醚和聚氧丙烯聚氧乙烯甘油醚、聚二甲基硅氧烷中的一种或者两种以上。消泡剂的用量为硫酸镁用量的0.1wt％-0.4wt％。
所述减水剂为聚羧酸系减水剂、萘系减水剂、密胺系减水剂、氨基磺酸盐系减水剂、脂肪族系减水剂中的一种或多种。优选聚羧酸系减水剂。减水剂的用量为原料总量的0.4-2wt％。
所述复合改性剂为40-60wt％苹果酸和60-40wt％硫酸盐的复合物，硫酸盐为硫酸铁、硫酸亚铁、硫酸铝中的一种或者几种。复合改性剂用量为轻烧氧化镁中活性氧化镁含量的1-2wt％。
所述偶联剂为硅烷偶联剂，优选KH570。硅烷偶联剂用量为园林废弃物用量的1wt％。
所述水性色浆的用量为园林废弃物的1wt％-4wt％。
釉面处理材料为清漆或瓷漆。其用量为原料用量的5-10wt％。
水的总用量为原料用量的70wt％-120wt％。
上述园林废弃物基有机-无机复合免烧轻质釉面材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)园林废弃物预处理：将园林废弃物使用剪切破碎机进行破碎，并进行筛分，确保园林废弃物过5目筛，取通过筛网的园林废弃物作为原料；分别称取轻烧氧化镁、已过筛的园林废弃物、无机细骨料和矿物外加剂备用；
(2)复合改性剂溶液的配制：取复合改性剂，向其加水，搅拌直至溶质全部溶解，得复合改性剂溶液；
(3)硫酸镁溶液的配制：将所述硫酸镁配制成质量分数为20～25％的水溶液，加入消泡剂，充分搅拌至溶液澄清；
(4)复合材料混合料浆的制备：将步骤(1)中预处理好的园林废弃物、细骨料、矿物外加剂和轻烧氧化镁混合均匀，加入到步骤(3)中配制好的硫酸镁溶液中，搅拌5min，再加入步骤(2)中配制好的复合改性剂溶液，以及减水剂、偶联剂、水性色浆，并补充水分至原料用量的70wt％-120wt％，继续搅拌10min，搅拌均匀后即得复合材料混合料浆；
(5)复合材料的成型：将步骤(4)中制备的复合材料混合料浆倒入模具中，震荡成型，养护48小时脱模，并自然养护，获得复合材料坯体；
(6)复合材料表面处理：将步骤(5)得到的复合材料坯体表面均匀喷涂釉面处理材料，干燥后即可得到复合材料成品。
步骤(1)中，轻烧氧化镁与园林废弃物的重量比为0.8-1.4：1，轻烧氧化镁中活性氧化镁的含量为50wt％～70wt％，无机细骨料与园林废弃物重量比为1：2-4，矿物外加剂的用量为轻烧氧化镁的10wt％-25wt％。
步骤(1)中，所述无机细骨料为建筑用砂、风积沙或尾矿砂，建筑用砂采用中细砂。所述矿物外加剂为粉煤灰或矿渣粉。
步骤(2)中，复合改性剂为40-60wt％苹果酸和60-40wt％硫酸盐的复合物，其中硫酸盐为硫酸铁、硫酸亚铁、硫酸铝中的一种或者几种；复合改性剂用量为轻烧氧化镁中活性氧化镁含量的1-2wt％。
步骤(3)中，所述消泡剂为乳化硅油、高碳醇脂肪酸酯复合物、聚氧乙烯聚氧丙烯季戊四醇醚、聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚、聚氧丙烯甘油醚和聚氧丙烯聚氧乙烯甘油醚、聚二甲基硅氧烷中的一种或者两种以上。消泡剂的用量为溶质硫酸镁用量的0.1wt％-0.4wt％。
步骤(4)中，轻烧氧化镁中活性氧化镁与溶质硫酸镁的摩尔比为6.5:1～8:1。优选的，摩尔比为7。
步骤(4)中，减水剂为聚羧酸系减水剂、萘系减水剂、密胺系减水剂、氨基磺酸盐系减水剂、脂肪族系减水剂中的一种或多种。优选聚羧酸系减水剂。减水剂的用量为原料总量的0.4-2wt％。所述偶联剂为硅烷偶联剂，优选KH570。硅烷偶联剂用量为园林废弃物用量的1wt％。所述水性色浆的用量为园林废弃物的1wt％-4wt％。
步骤(5)中，所述模具为塑料模具、衬塑模具或玻璃模具。
步骤(6)中，釉面处理材料为清漆或瓷漆。其用量为原料用量的5-10wt％。
无机细骨料用于填充材料中的孔隙，避免表面出现孔穴，改善材料的表面平整性。矿物外加剂可以改善材料多种性能，如调节材料的色泽、降低水化热、提高耐水性、后期强度、抗压强度、劈裂强度、抗弯拉强度。苹果酸能够显著增强材料的力学性能和耐水性，但是同时具有缓凝的作用，会延长脱模时间。在发明中，由于园林废物本身吸水率大，料浆中水分含量远高于镁基胶凝材料水化所需水分，过长的脱模时间会造成样品表面形成少量的氢氧化镁，进而影响试块强度和外观。硫酸盐具有促凝作用，能够增强材料的早起性能，缩短脱模时间。因此，两种改性剂复配既能够力学性能和耐水性，又可以保证合适的脱模时间。消泡剂用于消除制备过程中混合物料产生泡沫，增大材料的强度，避免表面出现气孔，改善材料的表面平整性。偶联剂为硅烷偶联剂，偶联剂的硅烷氧基对无机物具有反应性，有机官能基对有机物具有反应性或相容性，硅烷偶联剂介于无机和有机界面之间，可形成有机基体-硅烷偶联剂-无机基体的结合层，能改善园林废弃物和硫氧镁胶凝材料的粘合性能，提高复合材料的强度。釉面处理材料为清漆或瓷漆，其目的在于增强材料的表面防水性，保护坯体材料自然釉面。特别的，当瓷漆时，还可以使复合材料具有防火性。
本发明具有如下有益效果：
本发明提供的园林废弃物基有机-无机复合免烧轻质釉面材料及其制备方法，固体废弃物掺杂量高，能够快速的实现园林废弃物的资源化。所得复合材料制备方法简单、无需高温烧结、易于生产调配、无需专用大型设备、大大减少生产成本及资源化难度，同时材料性质稳定，其密度仅为0.8-1.25g/cm3，具有轻质高强的特点，加入改性剂和无机细骨料，能够提升材料的耐磨性、表面平整度等性能，通过调节掺杂量，能够调节材料的物理性能，从而制备形式多样的材料，产品可广泛应用做建筑装饰，代替木塑板材，用做树坑覆盖物或地砖，同时可以调节模具用于制备花盆、花坛、栅栏。
附图说明
图1是复合材料的制备工艺流程图
图2是实施例4所制得复合材料的实物图
图3实施例4所制得复合材料的扫描电子显微镜(SEM)图
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明的技术方案作进一步阐述。
实施例1
一种园林废弃物基有机-无机复合免烧轻质釉面材料，其原料包括：园林废弃物、风积沙、粉煤灰、轻烧氧化镁、硫酸镁、聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚、聚羧酸系减水剂、复合改性剂、硅烷偶联剂KH570、水性色浆、清漆、水。其中园林废弃物粒径为小于4mm。轻烧氧化镁与园林废弃物的重量比为0.8：1。风积沙与园林废弃物重量比为1：4。粉煤灰用量为轻烧氧化镁的10wt％。轻烧氧化镁中活性氧化镁的含量为50wt％。轻烧氧化镁中活性氧化镁与硫酸镁的摩尔比为7:1。聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚的用量为硫酸镁的0.1wt％。聚羧酸系减水剂用量为原料总量的1wt％。所述复合改性剂为40wt％苹果酸和60wt％硫酸铝复合物，其用量为轻烧氧化镁中活性氧化镁含量的1wt％。硅烷偶联剂用量为园林废弃物的1wt％。所述水性色浆的用量为园林废弃物的1wt％。清漆用量为原料用量的5wt％。水的总用量为原料用量的120wt％。
该园林废弃物基有机-无机复合免烧轻质釉面材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)园林废弃物预处理：将园林废弃物使用剪切破碎机进行破碎，并进行筛分，确保园林废弃物过5目筛，取通过筛网的园林废弃物作为原料；分别称取轻烧氧化镁、已过筛的园林废弃物、风积沙和粉煤灰备用；
(2)复合改性剂溶液的配制：取苹果酸和硫酸铝，向其加水，搅拌直至溶质全部溶解，得复合改性剂溶液；
(3)硫酸镁溶液的配制：将所述硫酸镁配制成质量分数为20％的水溶液，加入聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚，充分搅拌至溶液澄清；
(4)复合材料混合料浆的制备：将步骤(1)中预处理好的园林废弃物、风积沙、粉煤灰和轻烧氧化镁混合均匀，加入到步骤(3)中配制好的硫酸镁溶液中，搅拌5min，再加入步骤(2)中配制好的复合改性剂溶液，以及聚羧酸系减水剂、硅烷偶联剂KH570、水性色浆，并补充水至含水率120wt％，继续搅拌10min，搅拌均匀后即得复合材料混合料浆；
(5)复合材料的成型：将步骤(4)中制备的复合材料混合料浆倒入塑料模具中，震荡成型，养护48小时脱模，并自然养护，获得复合材料坯体；
(6)复合材料表面处理：将步骤(5)得到的复合材料坯体表面均匀喷涂清漆，干燥后即可得到复合材料成品。
将其制成40*40*160mm的试块进行强度测试，其28d抗折强度为10.44MPa，28d抗压强度为21.77MPa，耐水系数为0.86，密度为0.83g/cm3。
实施例2
一种园林废弃物基有机-无机复合免烧轻质釉面材料，其原料包括：园林废弃物、中细砂、矿渣粉、轻烧氧化镁、硫酸镁、乳化硅油、聚羧酸系减水剂、复合改性剂、硅烷偶联剂KH570、水性色浆、瓷漆、水。其中园林废弃物粒径为小于4mm。轻烧氧化镁与园林废弃物的重量比为1：1。中细砂与园林废弃物重量比为1：3。矿渣粉用量为轻烧氧化镁的15wt％。轻烧氧化镁中活性氧化镁的含量为60wt％。轻烧氧化镁中活性氧化镁与硫酸镁的摩尔比为7:1。乳化硅油的用量为硫酸镁的0.2wt％。聚羧酸系减水剂用量为原料总量的0.8wt％。所述复合改性剂为50wt％苹果酸和50wt％硫酸亚铁复合物，其用量为轻烧氧化镁中活性氧化镁含量的1.3wt％。硅烷偶联剂用量为园林废弃物的1wt％。所述水性色浆的用量为园林废弃物的2wt％。瓷漆用量为原料用量的6wt％。水的总用量为原料用量的105wt％。
该园林废弃物基有机-无机复合免烧轻质釉面材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)园林废弃物预处理：将园林废弃物使用剪切破碎机进行破碎，并进行筛分，确保园林废弃物过5目筛，取通过筛网的园林废弃物作为原料；分别称取轻烧氧化镁、已过筛的园林废弃物、中细砂和矿渣粉备用；
(2)复合改性剂溶液的配制：取苹果酸和硫酸亚铁，向其加水，搅拌直至溶质全部溶解，得复合改性剂溶液；
(3)硫酸镁溶液的配制：将所述硫酸镁配制成质量分数为25％的水溶液，加入乳化硅油，充分搅拌至溶液澄清；
(4)复合材料混合料浆的制备：将步骤(1)中预处理好的园林废弃物、中细砂、矿渣粉和轻烧氧化镁混合均匀，加入到步骤(3)中配制好的硫酸镁溶液中，搅拌5min，再加入步骤(2)中配制好的复合改性剂溶液，以及聚羧酸系减水剂、硅烷偶联剂KH570、水性色浆，并补充水至含水率110wt％，继续搅拌10min，搅拌均匀后即得复合材料混合料浆；
(5)复合材料的成型：将步骤(4)中制备的复合材料混合料浆倒入塑料模具中，震荡成型，养护48小时脱模，并自然养护，获得复合材料坯体；
(6)复合材料表面处理：将步骤(5)得到的复合材料坯体表面均匀喷涂瓷漆，干燥后即可得到复合材料成品。
将其制成40*40*160mm的试块进行强度测试，其28d抗折强度为11.24MPa，28d抗压强度为22.03MPa，耐水系数为0.89，密度为0.91g/cm3。
实施例3
轻烧氧化镁与园林废弃物的重量比为1.2：1。矿渣粉用量为轻烧氧化镁的20wt％。轻烧氧化镁中活性氧化镁的含量为65wt％。乳化硅油的用量为硫酸镁的0.3wt％。聚羧酸系减水剂用量为原料总量的0.5wt％。复合改性剂的用量为轻烧氧化镁中活性氧化镁含量的1.5wt％。所述水性色浆的用量为园林废弃物的3wt％。瓷漆用量为原料用量的8wt％。水的总用量为原料用量的90wt％。其余原料组成及用量、釉面材料的制备方法与实施例2相同。
将其制成40*40*160mm的试块进行强度测试，其28d抗折强度为12.46MPa，28d抗压强度为28.89MPa，耐水系数为0.91，密度为1.08g/cm3。
实施例4
轻烧氧化镁与园林废弃物的重量比为1.4：1。矿渣粉用量为轻烧氧化镁的25wt％。轻烧氧化镁中活性氧化镁的含量为70wt％。乳化硅油的用量为硫酸镁的0.4wt％。聚羧酸系减水剂用量为原料总量的0.4wt％。复合改性剂的用量为轻烧氧化镁中活性氧化镁含量的2wt％。所述水性色浆的用量为园林废弃物的4wt％。瓷漆用量为原料用量的10wt％。水的总用量为原料用量的70wt％。其余原料组成及用量、釉面材料的制备方法与实施例2相同。
将其制成40*40*160mm的试块进行强度测试，其28d抗折强度为15.16MPa，28d抗压强度为34.17MPa，耐水系数为0.97，密度为1.21g/cm3。
图2和图3分别是本实施例制备的复合材料的实物图和扫描电子显微镜照片。由图可以看出，材料具有光亮的表面，其微观孔结构在纳米级，因为表现出光亮的外观。
对比例1
不添加复合改性剂，其余与实施例1相同。同样将其制成40*40*160mm的试块进行强度测试，其28d抗折强度为4.95MPa，28d抗压强度为15.37MPa，耐水系数为0.52，密度为0.8g/cm3。
对比例2
仅添加苹果酸，其余与实施例1相同。同样将其制成40*40*160mm的试块进行强度测试，其28d抗折强度为9.17MPa，28d抗压强度为19.58MPa，耐水系数为0.80，密度为0.81g/cm3。试块表面出现白霜，并在浸水后出现细微裂纹。
对比例3
仅添加硫酸铝，其余与实施例1相同。同样将其制成40*40*160mm的试块进行强度测试，其28d抗折强度为3.93MPa，28d抗压强度为10.46MPa，耐水系数为0.62，密度为0.82g/cm3。
对比例4
不使用园林废弃物，全部使用中细砂代替，其余与实施例2相同。将其制成40*40*160mm的试块进行强度测试，其28d抗折强度为12.74MPa，28d抗压强度为54.58MPa，耐水系数为0.84，密度为2.7g/cm3。
对比例5
不使用中细砂，全部使用园林废弃物代替，其余与实施例2相同。将其制成40*40*160mm的试块进行强度测试，其28d抗折强度为9.87MPa，28d抗压强度为15.82MPa，耐水系数为0.81，密度为0.81g/cm3，且试样表面出现多处小孔，平整度较差。
通过以上实施例可以判定，本发明提供的园林废弃物基有机-无机复合免烧轻质釉面材料密度为0.83-1.25g/cm3，抗折强度可达10MPa以上，抗压强度21.77-34.17MPa，具有质轻、高强、美观的特点。材料固体废弃物掺杂量高，能够快速的实现园林废弃物的资源化。所得复合材料制备方法简单、无需高温烧结、易于生产调配、无需专用大型设备、大大减少生产成本及资源化难度，同时材料性质稳定，具有轻质高强的特点，加入改性剂和无机细骨料，能够提升材料的耐磨性、表面平整度等性能，通过调节掺杂量，能够调节材料的物理性能，从而制备形式多样的材料，产品附加值高，可广泛应用做建筑装饰，代替木塑板材，用做树坑覆盖物或地砖，同时可以调节模具用于制备花盆、花坛、栅栏。
根据实施例能够看出，园林废弃物的掺杂量不同，材料的强度和密度也有所不同，在制备过程中，可以通过调节园林废弃物的掺杂量而调节材料的强度和密度，从而将材料应用于不同施工领域，材料形式多样化，可以从多方面对园林废弃物进行资源化处理。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
