摘要
为了资源化利用烟气脱硫产生的工业废弃物脱硫石膏，以密胺树脂强化的脱硫石膏-纤维复合体系为研究对象，将密胺树脂固化成型条件与石膏的水化成型过程进行匹配与优化，发展出具有优异综合性能的石膏复合板材.结果表明：密胺树脂的固化交联与石膏晶须生长过程的合理匹配与协同，既有助于形成有机-无机紧密结合，同时也有助于加强脱硫石膏晶须与玻璃纤维之间的附着，促进实现密胺树脂对材料性能的强化；石膏复合板的抗折强度不低于18 MPa，抗压强度大于25 MPa，弹性模量大于6 500 MPa，24 h吸水率低于3.0%，主要性能超过传统的水泥或硅酸钙类型的基础板材，具有明显的技术及市场开发前景.
脱硫石膏是湿法烟气脱硫过程产生的工业废渣，主要成分为CaSO4·2H2O.中国脱硫石膏年产生量高达上亿t，多用于水泥缓凝剂或建筑石膏的加工，亟需进一步开发先进实用的石膏新材料与新技术，以提高脱硫石膏资源化利用的技术水平.同时，脱硫石膏的资源化综合利用完全符合中国绿色环保的产业发展策略，是践行可持续健康发展战略的重要举措，具有重要的经济意义和社会意
密胺树脂是典型的热固型树脂，具有优异的本征阻燃性、耐化学腐蚀性、耐老化及高硬度等特性，作为胶黏剂被广泛应用于木材、塑料、涂料等领
采用密胺树脂强化脱硫石膏-纤维复合成型体系来开发新型高性能复合板材，是脱硫石膏综合利用技术的发展趋势.一方面有利于解决脱硫石膏技术水平低、经济性差、利用率低（不足60%）等困境，同时可望实现在脱硫石膏规模化、高值化利用技术上的突破，显著提升其与传统水泥或硅酸钙板材等的市场竞争
本文针对密胺树脂与脱硫石膏2种原料在复合过程的调控条件，以及复合成型中的协同作用方式进行研究，以明确合理的复合成型调控方式，为热固性密胺树脂强化石膏晶须复合材料的产业化提供技术依据.
脱硫石膏由广州中电荔新电力实业有限公司提供，游离水含量（质量分数，文中涉及的含量、掺量等除特别说明外均为质量分数）为8.3%，含Ca、S、O元素，使用前经预处理转化为半水石膏，粒径小于48 μm，pH=6.82.密胺树脂按照文献［
将半水石膏、玻璃纤维、密胺树脂以及助剂等按计量比进行称量，并混合搅拌成为均匀的料团，经30 MPa压力下室温模压成型为板材湿坯；于室温静置初步硬化后，在设定温度下进行烘干熟化至恒重；然后自然冷却至室温，经湿度温度平衡后进行性能测试.
将复合石膏板材按80.0 mm×20.0 mm×6.5 mm切割制样，采用美斯特工业系统（中国）有限公司CMT4204型电子万能材料试验机，参照GB/T 7019—2014《纤维水泥制品试验方法》，进行抗折强度、抗压强度、弹性模量等力学性能测试；采用上海中晨数字技术设备有限公司MER‑130‑30UM‑L型接触角仪器进行接触角以及吸水率的测试.
密胺树脂强化脱硫石膏-纤维的复合成型过程，是一种有机-无机加工成型的复合体系，其中脱硫石膏以结晶硬化方式成型，密胺树脂以交联固化方式成型.为实现2种成型方式的交互协同与匹配，需要通过对成型过程条件进行调控，以达成2种固化作用在复合过程中形成良好的网络穿插结合及合理的界面结合（见
图1 密胺树脂强化脱硫石膏复合材料的过程图示
Fig.1 Process diagram of melamine resin reinforced desulfurization gypsum composite material
脱硫石膏板材的成型与天然石膏相同，都是由半水石膏结合水而长成石膏晶须，足量的水分是石膏晶须生长硬化（即材料成型）的基础.
密胺树脂是一种在高热或酸性条件下进行交联反应的热固性树脂，与石膏板材的成型固化方式有着明显差别.
以0.32为石膏-密胺树脂混合成型的基础水膏比，分析密胺树脂掺量对石膏板成型过程以及材料性能的影响，结果见
Note： *—Unable to molding；a—Treatment of melamine prepolymer with 10% oxalic acid solution；b—Treatment of melamine prepolymer with phosphoric acid；c—Treatment of melamineprepolymer with concentrated hydrochloric acid.
（1）密胺树脂掺量较小时，对石膏板材性能的影响不甚明显，当密胺树脂掺量增至8.0%时，石膏浆料无法成型；相比而言，6.0%的密胺树脂掺量，能同时兼顾到石膏-密胺树脂的复合成型过程及板材的性能.分析其原因，在于密胺树脂掺量较少时，密胺树脂分子间难以形成足够的网络穿插，从而影响整体强度的发展；密胺树脂掺量过大时，则形成密胺树脂对石膏晶粒的包覆，从而显著削弱了石膏晶须的生长和固化进程，导致复合板材无法完整成型.
（2）从密胺树脂与石膏固化成型的角度考虑，在60 ℃进行板材的固化成型，可能对石膏晶须的生长成型具有较好的作用，但密胺树脂则无法形成良好的交联结构.为此，采用低pH值与温度结合的方法，以促进密胺树脂的固化.
（3）以盐酸调整体系pH至酸性，石膏-密胺树脂板材在成型及材料性能上有较为显著地提升，其中抗折强度达到15.5 MPa、抗压强度提高18.7 MPa左右，弹性模量提升至5 500 MPa左右，24.0 h吸水率降至6.5%.说明在酸性条件下，采用适当的高温条件，对石膏-密胺树脂复合板材的成型具有明显的促进效果.
基于以上结论，进一步对石膏板材的性能与其熟化温度的关系进行探讨：
（1）在80 ℃时，石膏板材的力学性能最佳，吸水率最低.主要原因在于该条件下，密胺树脂的交联与石膏晶须的生长成型得到较合理的兼顾与平衡，有利于实现板材较为理想的综合性能.
（2）在温度过高（如>80 ℃）或过低（如<80 ℃）时，密胺树脂的交联过快，以及水分逸失过快，影响了石膏晶须的生长；或者密胺树脂交联不足，晶须生长过慢.这2种情形都不利于形成适当的“交联-晶须”穿插结构，无助于板材性能的发展.
总之，以6.0%密胺树脂掺量于80 ℃进行板材的熟化，所得石膏板材的抗折强度达15.5 MPa，抗压强度达18.7 MPa，吸水率降低至6.5%左右.
密胺树脂的力学性能特征主要表现为脆断性，进一步采用玻璃纤维对脱硫石膏-密胺树脂板材进行增强，以提高其韧性与强度.
在所构成的脱硫石膏-密胺树脂-玻纤复合体系中，玻纤掺量对脱硫石膏-密胺树脂材料性能的影响见
图2 玻璃纤维掺量对抗折曲线的影响
Fig.2 Effect of glass fiber contents on flexural curves
综上所述，采用基础水膏比0.32，密胺树脂掺量6.0%，玻纤掺量4.0%，熟化温度80 ℃，密胺强化脱硫石膏-玻纤复合板材获得交联-结晶协同效果，促进了材料性能的最大发展.
进一步对脱硫石膏板材（A，水膏比0.32）、脱硫石膏-密胺树脂板材（B，水膏比0.32，密胺树脂6.0%）、脱硫石膏-玻纤板材（C，水膏比0.32，玻纤4.0%）以及密胺树脂-脱硫石膏-玻纤复合板材（D，水膏比0.32，密胺树脂6.0%，玻纤4.0%）4种成型体系板材的性能进行对比分析.
“脱硫石膏”板材、“脱硫石膏-密胺树脂”板材、“脱硫石膏-玻纤”板材以及“密胺树脂-脱硫石膏-玻纤”复合板材的力学性能见
由
不同成型体系板材的疏水效果如
为了进一步了解上述不同复合体系复合板材关键组分间的相互作用关系及其结构特征，借助于FESEM对其断面的微观形貌特征进行观察，结果见
图3 复合板材的内部结构
Fig.3 Internal structure of the composite boards
相对于现有的纸面石膏板、纤维石膏板、装饰石膏板等传统建筑板材，密胺树脂强化脱硫石膏-玻纤复合板材是一种具有性能发展潜力的新型复合成型板材，随着复合成型理论与技术的不断完善，密胺强化石膏纤维复合板材将展现出突出的技术性能优势与市场发展前景.相信密胺强化石膏纤维复合板材，将可能实现或超越水泥基或硅酸钙基的基础板材技术性能，从而拓展出一片新的应用技术领域.
（1）验证了密胺树脂强化脱硫石膏-玻纤板材复合成型技术体系与方案的可行性，对于高性能热固性有机预聚物强化无机晶须复合成型新材料的开发具有技术指导意义.
（2）在石膏晶须、玻纤以及密胺树脂三者的复合成型过程中，密胺树脂在一定程度上改善了硫酸钙晶须的取向性，并形成与石膏晶须间的网络穿插结构，提高了各组分界面间的附着与致密性.
（3）实现了密胺树脂对脱硫石膏-玻纤复合成型板材的增强，经优化的“石膏-玻璃纤维-密胺”复合板材抗折强度不低于18 MPa，抗压强度大于25 MPa，弹性模量大于6 500 MPa，24 h吸水率低于3.0%.
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