OCC生化污泥制備外墻底漆的初步研究

韓 卿， 張 拓， 王文亮

(陜西科技大學(xué) 輕工科學(xué)與工程學(xué)院 輕化工程國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心 中國輕工業(yè)紙基功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710021)

OCC生化污泥制備外墻底漆的初步研究

韓 卿， 張 拓， 王文亮

(陜西科技大學(xué) 輕工科學(xué)與工程學(xué)院 輕化工程國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心 中國輕工業(yè)紙基功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710021)

對廢舊瓦楞紙箱(OCC)制漿造紙廢水處理產(chǎn)生的生化污泥(OCC生化污泥)制備外墻底漆的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過單因素試驗(yàn)得出優(yōu)化配方為：純水54.37%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，聚丙烯酸脂505膠乳16.43%，污泥27.38%，羧甲基纖維素(CMC)0.38%，乙二醇0.98%，203流平劑0.09%，SPA-202消泡劑0.37%.結(jié)果表明，除透水性外，目標(biāo)產(chǎn)品的質(zhì)量性能可滿足GB/T 9755-2014對Ⅱ型外墻底漆的要求.因此，OCC生化污泥在外墻底漆制備方面具有較高應(yīng)用潛質(zhì).

生化污泥； 外墻底漆； 制備； 配方； 優(yōu)化

0 引言

生化污泥是造紙廢水處理過程中產(chǎn)生的一類固體廢棄物，其主要組分為有機(jī)質(zhì)和無機(jī)質(zhì)，無機(jī)質(zhì)主要為來自于造紙過程中添加的填料物質(zhì)如碳酸鈣、滑石粉和高嶺土等[1].資料表明，生產(chǎn)1 t紙可產(chǎn)生50 kg(絕干)廢水污泥副產(chǎn)物，此污泥數(shù)值在新聞紙廠中可能在20%之間變化，在包裝紙廠中可能變化到40%[2].據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國和日本造紙污泥的年產(chǎn)量近500萬噸，中國和英國分別達(dá)到1 200萬噸和200萬噸，南非的生產(chǎn)量相對較小為每年50萬噸[3-5]，可見造紙過程中造紙污泥的產(chǎn)生量較為龐觀，而每年造紙企業(yè)的污水處理廠對污泥的處理和處置成本就占其經(jīng)營成本的50%～60%[6].為此，對造紙過程中產(chǎn)生的廢水污泥進(jìn)行合理利用并無害化處置對于企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境保護(hù)都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.目前由于各類造紙污泥在有機(jī)含量，灰分含量和發(fā)熱量等方面均存在差異，通?；旌虾笥糜诜贌蛱盥裉幚恚@些方法都存在處理成本較高，產(chǎn)生二次污染物等問題.資源和環(huán)境是人類賴以生存的基礎(chǔ)，政府已就固體廢物治理問題頒布了相應(yīng)的政策法規(guī)，上述處理方法已被逐步限制[7].

涂料是一類可涂敷在建筑物基體表面并與之形成良好粘結(jié)強(qiáng)度的涂膜材料，起到裝飾、保護(hù)建筑物的作用.造紙廢水污泥中的無機(jī)質(zhì)主要為碳酸鈣、滑石粉和高嶺土等，與建筑涂料所用填料種類基本類似，此特性為造紙廢水污泥作為填料應(yīng)用于建筑涂料的制備提供了物質(zhì)基礎(chǔ).一直以來造紙污泥較難回收利用的主要原因在于組分中含有大量水分，干燥成本高和難度大[8]，如果不脫水或部分脫水就可在水性建筑涂料制備方面得以應(yīng)用，對于造紙污泥的資源化處理具有重大意義.

目前，發(fā)現(xiàn)相關(guān)專利有“一種以造紙污泥為填料的外墻乳膠漆的配制方法”[9]、“一種以造紙污泥為填料的內(nèi)墻乳膠漆的配制方法”[10]和“一種利用焚燒污泥灰制備建筑外墻彩色膩?zhàn)臃鄣姆椒ā盵11]，而有關(guān)利用造紙污泥制備建筑涂料的學(xué)術(shù)論文鮮見報(bào)道.本文所用OCC生化污泥具有灰分較高的特性，為其在建筑涂料制備中進(jìn)行填料化利用創(chuàng)造了條件.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原輔材料與儀器設(shè)備

(1)原輔材料：聚丙烯酸脂505膠乳，固含量為50%，pH為7.0～9.0，黏度為1 000～2 000 mPa·s，陰離子型，工業(yè)級，財(cái)臣建筑涂料有限公司；無水氯化鈣(抗泛鹽堿性試驗(yàn)用)、乙二醇、羧甲基纖維素鈉(CMC)，分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠；氫氧化鈉(抗泛鹽堿性試驗(yàn)用)，分析純，天津市進(jìn)豐化工有限公司；氫氧化鈣(抗泛鹽堿性與耐堿性試驗(yàn)用)，分析純，天津市北聯(lián)精細(xì)化學(xué)品開發(fā)有限公司； OCC生化污泥，含水率為76.82%，pH為7.59，陜西法門寺紙業(yè)有限公司；203流平劑，pH為7.0，黏度為2 000 mPa·s，工業(yè)級，武漢遠(yuǎn)程獅子山涂料廠；SPA-202消泡劑，工業(yè)級，上海同力科技發(fā)展有限公司；切片石蠟(試板封邊用)，上海華靈康復(fù)機(jī)械廠；松香(試板封邊用)，吉水縣華康天然香料化工廠；無石棉水泥平板，市售；超純水，實(shí)驗(yàn)室自制.

(2)儀器設(shè)備：FST-DL-20型定量分析超純水機(jī)，上海富詩特儀器設(shè)備有限公司；GFJ-0.4A型高速分散器，上海涂墨化工機(jī)械有限公司；LD-Y300A型高速萬能粉碎機(jī)，上海頂帥電器有限公司；BGD1357型透水性試驗(yàn)裝置，上海瞰翔儀器設(shè)備有限公司；電子萬用爐(試板封邊用)，浙江省上虞市通州實(shí)驗(yàn)儀器廠；FCD-238SE型海爾冷藏冷凍柜，青島海爾特種電冰柜有限公司.

1.2 底漆制備及檢測

制備外墻底漆的主要步驟如下：

(1)OCC生化污泥填料化預(yù)處理：將風(fēng)干后的OCC生化污泥采用粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎研磨，用300目網(wǎng)篩篩選，取細(xì)料部分備用；

(2)填料漿料制備：將CMC用純水配制成溶液，在攪拌轉(zhuǎn)速1 800 r/min下按配方比例依次加入消泡劑、防凍劑、成膜助劑和OCC生化污泥，攪拌混合時間為30 min；

(3)涂料配制：將攪拌轉(zhuǎn)速降低至800 r/min，在填料漿料中依次加入聚丙烯酸脂505膠乳和流平劑，進(jìn)一步攪拌15 min后得到外墻底漆.

外墻底漆性能按GB/T 9755-2014進(jìn)行檢測，底漆按照抗泛鹽堿性和不透水性要求的高低分為Ⅰ型和Ⅱ型，如表1所示.

表1 底漆指標(biāo)要求

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

作者在前期工作中已得到了OCC生化污泥制備底漆的基礎(chǔ)配方，如表2所示.在底漆基礎(chǔ)配方的基礎(chǔ)上通過添加流平劑、消泡劑、防凍劑和成膜助劑，并改變其用量用以完善底漆性能.經(jīng)添加涂料助劑優(yōu)化后的底漆產(chǎn)品利用GB/T 9755-2014進(jìn)行全性能檢測及評估.

表2 底漆基礎(chǔ)配方

2 結(jié)果與討論

2.1 流平劑用量對漆膜的影響

底漆涂刷在外墻表面后，經(jīng)過流動和干燥過程逐漸成膜，但由于漆料表面張力的原因，常常出現(xiàn)橘皮、流掛和刷痕等漆膜缺陷[12].流平劑的加入可有效降低底漆與基材之間的表面張力，改善漆料的觸變性，使其與基材有一個最佳的潤濕性來改善涂膜外觀[13].本實(shí)驗(yàn)通過測定不同流平劑用量下的底漆觸變指數(shù)(TI)，用以評估底漆的流平性，涂料觸變指數(shù)越小，流平性越佳，但抗流掛性越差，相反觸變指數(shù)越大，流平性越差，但抗流掛性越佳.流平劑用量對漆膜的影響見圖1所示.

圖1 203流平劑用量對底漆觸變性的影響

由圖1可知，203流平劑用量在0～0.2 g范圍時，底漆觸變指數(shù)呈現(xiàn)迅速上升趨勢；流平劑用量在0.2～0.4范圍時，觸變指數(shù)上升平緩，穩(wěn)定在5.44左右；流平劑用量在0.4～0.5范圍時，又呈現(xiàn)迅速上升趨勢.通常對流平性要求較高的涂料，其觸變指數(shù)要小于4，外墻涂料要面對流掛問題，觸變指數(shù)可以略高[14].綜合考慮底漆的流平性、抗流掛性和成本問題，流平劑用量選擇0.1 g(TI=4.68)為宜.同時發(fā)現(xiàn)，過量的流平劑使用會造成生化污泥漆膜表面出現(xiàn)細(xì)小裂紋的情況愈加嚴(yán)重.

圖2為流平劑用量分別是0.1 g與0.5 g的涂膜對比圖，用量為0.1 g時，涂膜表面裂紋極少，而用量為0.5 g時，裂紋情況較為嚴(yán)重，由此也可得出203流平劑最佳用量應(yīng)為0.1 g.

(a)流平劑用量0.1 g (b)流平劑用量0.5 g

2.2 消泡劑用量對底漆的影響

底漆制備過程中添加的表面活性劑如乳化劑、增稠劑和樹脂基料等將有利于氣泡的產(chǎn)生與穩(wěn)定，底漆中氣泡的存在不但影響生產(chǎn)過程，而且會造成各種漆膜缺陷.消泡劑加入底漆后，可進(jìn)入泡沫雙膜層結(jié)構(gòu)擴(kuò)展液/氣界面，應(yīng)力的改變最終導(dǎo)致泡沫的破裂達(dá)到消泡目的[15].

本實(shí)驗(yàn)通過測定不同SPA-202消泡劑用量下相同質(zhì)量底漆經(jīng)相同攪拌時間后體積增加量來評估消泡劑的最佳用量，具體操作過程為：在流平劑添加量為0.1 g條件下，加入不同量的消泡劑制備底漆，樣品制備完畢后在室溫下放置24 h，使消泡劑充分發(fā)揮作用后分別秤取45 g，倒入量筒記錄體積，再次稱量相同質(zhì)量涂料并在1 400 r/min轉(zhuǎn)速下攪拌2 min后倒入量筒記錄體積，觀察底漆前后的體積變化量，變化量較小的樣品的消泡劑添加量即為最佳用量.消泡劑用量對底漆的影響見表3所示.

表3 SPA-202消泡劑用量對消泡效果的影響

由表3可知，當(dāng)消泡劑用量在0.4～0.8 g范圍內(nèi)時，底漆經(jīng)攪拌后體積增加量最小，穩(wěn)定在0.2 mL，考慮到消泡劑用量過多會造成涂料再涂性差、縮邊等問題，所以消泡劑最佳用量為0.4 g，并且在此用量下制備的底漆經(jīng)涂刷后，涂膜表面未出現(xiàn)細(xì)小裂紋情況，結(jié)果見圖3所示.

圖3 SPA-202消泡劑用量 為0.4 g涂膜形貌圖

2.3 乙二醇對底漆低溫穩(wěn)定性影響

底漆中的水分在低溫時會發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象，結(jié)冰過程中產(chǎn)生的膨脹壓力會使聚合物靠攏凝聚，從而導(dǎo)致乳膠破乳情況的發(fā)生，使涂料在低溫環(huán)境中喪失穩(wěn)定性.實(shí)驗(yàn)中加入乙二醇作為防凍劑用以提高底漆的低溫穩(wěn)定性，同時，其兼具有成膜助劑的作用，可促進(jìn)乳液中聚合物的塑性流動和彈性變形，使之能在較寬的溫度范圍內(nèi)成膜，實(shí)現(xiàn)了“一劑多用”的優(yōu)勢[16].本實(shí)驗(yàn)通過測定不同乙二醇用量(相對基料用量)下的底漆低溫穩(wěn)定性，用以確定乙二醇最佳用量，結(jié)果如表4所示.

表4 乙二醇用量對底漆低溫穩(wěn)定性的影響

由表4可知，乙二醇用量在5%～7%時可達(dá)到底漆低溫穩(wěn)定性的要求，考慮到其還具有成膜助劑的作用，可適當(dāng)加大用量，所以選取6%(即1.08 g)為乙二醇最佳用量.

2.4 底漆全性能檢測

通過實(shí)驗(yàn)得出完善后的底漆配方為OCC生化污泥30 g(27.38%)，聚丙烯酸脂505膠乳18 g(16.43%)，CMC用量0.42 g(0.38%)，203流平劑0.1 g(0.09%)，SPA-202消泡劑0.4 g(0.37%)，乙二醇1.08 g(0.98%)，純水用量為59.58 g(54.37%).

通常在底漆制備完成后，會利用氨水或碳酸氫鈉等調(diào)節(jié)底漆pH至堿性，以利于底漆與堿性水泥砂漿基層粘結(jié)，而本文制備的OCC生化污泥底漆在未添加pH調(diào)節(jié)劑情況下pH已達(dá)8.5，節(jié)約了涂料制備的原料成本，其部分原因可能在于OCC生化污泥呈弱堿性(pH7.59)的緣故，這是OCC生化污泥制備底漆的一項(xiàng)優(yōu)勢；填料在底漆中的潤濕和分散是底漆制備中的重要環(huán)節(jié)，由于造紙廢水污泥具有較強(qiáng)親水性[17]，在水性底漆制備中未添加涂料分散劑與潤濕劑也可與體系具有良好相容性，這是OCC生化污泥制備底漆的另一項(xiàng)優(yōu)勢.

表5 OCC污泥基底漆性能

由表5可知，除透水性外，OCC生化污泥底漆質(zhì)量性能符合Ⅱ型外墻底漆的標(biāo)準(zhǔn).OCC生化污泥底漆透水性較高原因可能來自兩個方面：首先，實(shí)驗(yàn)中觀察到消泡劑加入涂料后由流平劑引起的涂膜裂紋情況“消失”的現(xiàn)象，但實(shí)際涂膜裂紋沒有完全消失，只是裂紋縮小至肉眼無法觀測的程度，由于極細(xì)小裂紋的存在造成涂膜透水性較高；其次，OCC生化污泥具有親水性，造成涂膜透水性較高.一般底漆顏基比為(2.0～4.0)∶1.0[16]，目前污泥涂料顏基比為3.33，基料用量較少，涂料成本較低，雖然可作為污泥涂料一項(xiàng)優(yōu)勢，但為有效降低涂膜透水性，可適當(dāng)提高基料用量，解決透水性較高問題的同時還有助于提高涂料其他性能.

3 結(jié)論

(1)利用OCC生化污泥制備外墻底漆優(yōu)化后的配方為：純水59.58 g(54.37%)，聚丙烯酸脂505膠乳18 g(16.43%)，OCC生化污泥30 g(27.38%)，CMC用量0.42 g(0.38%)，乙二醇1.08 g(0.98%)，203流平劑0.1 g(0.09%)，SPA-202消泡劑0.4 g(0.37%).依此配方制得建筑底漆符合GB/T 9755-2014中除透水性外Ⅱ型外墻底漆其他性能要求.

(2)OCC生化污泥呈弱堿性和親水性，在水性涂料制備中無需添加pH調(diào)節(jié)劑和潤濕劑、分散劑也可使涂料呈堿性并與其他物料間產(chǎn)生良好的相容性，此特性為直接利用濕態(tài)污泥制備涂料奠定了基礎(chǔ).

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【責(zé)任編輯：蔣亞儒】

AprimarystudyonthepreparationofexteriorwallprimerusingOCCbiochemicalsludge

HAN Qing, ZHANG Tuo, WANG Wen-liang

(College of Bioresources Chemical and Materials Engineering, National Demonstration Center for Experimental Light Chemistry Engineering Education, Key Laboratory of Paper Based Functional Materials of China National Light Industry, Shaanxi Province Key Laboratory of Papermaking Technology and Specialty Paper, Shaanxi University of Science amp; Technology, Xi′an 710021, China)

This paper investigates the process parameters of the exterior wall primer which was prepared by the biochemical sludge (OCC biochemical sludge) achieving from the waste papermaking wastewater treatment of old corrugated cardboard.The optimize technological parameters were: the amount of pure water was 54.37% wt%,polyacrylic acid 505 latex 16.43% wt%,sludge 27.38% wt%,carboxymethyl cellulose (CMC) dosage 0.38% wt%,ethylene glycol 0.98% wt%,203 leveling agent 0.09% wt%,SPA-202 defoamer 0.37% wt%.In addition to water permeability.Results showed that the quality of target product met the standard of GB / T 9755-2014 on the type Ⅱ exterior paint requirements.Therefore,OCC biochemical sludge shows a great potential in the usage of external wall primer.

biochemical sludge; exterior primer; preparation; formulation; optimization

2017-09-09

陜西省科技廳科技計(jì)劃項(xiàng)目( 2017SF-382)

韓 卿(1965-)，男，青海西寧人，教授，博士，研究方向：清潔生產(chǎn)與資源化利用

2096-398X(2017)06-0025-04

TU56+4.5

A