廢棄紅磚微粉填料制備環(huán)保乳膠漆及其性能研究

鄭 毅,夏發(fā)發(fā),林順洪,柏繼松,黃仁華,周海燕,張美蘭,趙由才*

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廢棄紅磚微粉填料制備環(huán)保乳膠漆及其性能研究

鄭 毅1,夏發(fā)發(fā)1,林順洪2,柏繼松2,黃仁華3,周海燕3,張美蘭3,趙由才1*

(1.同濟大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,污染控制與資源化研究國家重點實驗室,上海 200092；2.重慶科技學(xué)院,重慶 401331；3.上海老港廢棄物處置有限公司,上海 201302)

研究了利用廢棄紅磚生產(chǎn)環(huán)保乳膠漆的制備方法,通過正交試驗分析了乳液種類、乳液含量、醇酯十二含量、丙二醇含量和增稠劑含量對環(huán)保乳膠漆性能的影響.結(jié)果表明,廢棄紅磚微粉與苯丙乳液有較好的相容性,當(dāng)乳液含量為25%~30%,醇酯十二0.4%~1.2%,丙二醇3.00%~3.75%,增稠劑1‰~1.5‰時,磚質(zhì)環(huán)保乳膠漆產(chǎn)品低溫穩(wěn)定性良好,可成完全懸浮狀態(tài),表干時間小于30min,擺桿阻尼次數(shù)可達(dá)103次,附著力等級大于5,這為建筑廢物資源化提供新的途徑.

建筑廢物；紅磚；乳膠漆；資源化

近年來,我國建筑廢物的產(chǎn)量逐年增加,據(jù)統(tǒng)計截止到2016年年底,我國建筑廢物產(chǎn)生量約為24億t[1].大量的建筑廢物不僅占據(jù)土地資源,同時也存在潛在危害性[2-3],所以建筑廢物資源化一直是許多研究的重點.建筑廢物資源化利用途徑可分為分揀利用和一般性回填、作為建筑物或道路的基礎(chǔ)材料、還原成水泥和瀝青等方式[4-5],且以建筑物或道路的基礎(chǔ)材料為主.但是因其生產(chǎn)的產(chǎn)品性能無法與天然原材料的產(chǎn)品相比[6-9],因此其資源化利用受到限制.

在建筑涂料領(lǐng)域,乳膠漆是以合成樹脂乳液為基料加入顏料、填料及各種助劑配制而成的一類水性涂料[10],其可以分為漿料和漿液兩部分.填料作為漿料的主要成分,主要起到骨架結(jié)構(gòu)和改善涂料性能的作用,大多采用重質(zhì)與輕質(zhì)碳酸鈣[11]、滑石粉[12]、硅灰石粉[13]、云母粉[14]和石英粉[15]等礦物質(zhì).其中滑石粉、硅灰石粉、云母粉和石英粉均為硅酸鹽類或金屬硅酸鹽類礦物質(zhì),其與建筑廢物中某些組分的組成相近[16-17],因此建筑廢物粉末具有部分或完全替代傳統(tǒng)填料的可能性.目前,已有一些研究利用廢石膏[18]、粉煤灰[19-20]和蛋殼粉[21-22]等替代填料制備涂料,并且某些產(chǎn)品具有特別的功能,如利用蛋殼制備的涂料,其阻燃性能較好[23].也有部分研究根據(jù)廢磚顆粒的可燒結(jié)性制備噴涂料,張雯文等[24]采用廢粘土磚作為骨料,結(jié)果顯示4a%廢黏土磚顆粒取代60礬土骨料的涂料,可維持燒后線收縮不變;王立旺等[25]利用硅莫磚作為原料制備噴涂料,研究表明硅莫磚噴涂料在水泥窯三次風(fēng)管上具有良好的使用效果.但是關(guān)于使用廢棄紅磚制備水性涂料的研究較少.

本研究以廢棄紅磚作為典型建筑廢物,通過正交試驗的研究方法,探究乳液種類、乳液百分比、成膜助劑和增稠劑等因素對涂料性能的影響,并給出適宜的添加范圍,提出了磚質(zhì)建筑廢物制備水性涂料的工藝路線,為建筑廢物資源化提供新途徑.

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗中所使用的材料如表1所示.

表1 實驗材料

將紅磚經(jīng)過鄂式破碎和電磁粉碎兩級破碎后,過80目篩,篩下物即為實驗所用初始原料.(10)、(50)和(90)分別表示低于此粒徑值的顆粒含量分別占總體的10%、50%和90%,[4,3]為顆粒的等體積平均粒徑,其計算式如下:

其特征粒徑(10)、(50)和(90)分別為3.97μm、25.5μm和85.7μm,體積平均粒徑[4,3]為36.6μm.廢棄紅磚微粉的化學(xué)組成見表2,主要以Si和Al為主要元素.

表2 廢棄紅磚微粉化學(xué)組成(以氧化物計)

1.2 正交試驗設(shè)計

本實驗采用5因素3水平正交試驗設(shè)計,對水性涂料中的主要成分進行分析,選擇乳液種類、乳液百分比、醇酯十二、丙二醇和增稠劑含量作為研究因素,正交試驗因素水平表見表3.

表3 正交試驗因素水平表

1.3 漿料制備

1.3.1 漿料 按質(zhì)量計,取50%的廢棄紅磚微粉(133g)與相應(yīng)百分比的乳液,加入3%的去離子水與適量分散劑,攪拌均勻后置于尼龍罐中,球磨珠為氧化鋯研磨球,球料比6:1.將尼龍罐置于行星式球磨機中,轉(zhuǎn)速500r/min,球磨300min后得到涂料漿料.

1.3.2 漿液 將增稠劑與5%的去離子水混合均勻得到漿液1,將相應(yīng)比例的醇酯十二、丙二醇、消泡劑與剩余的去離子水混合均勻得到漿液2.

1.3.3 調(diào)漆 將漿料與漿液2進行混合,加入適量消泡劑后剪切攪拌10min,轉(zhuǎn)速200r/min,然后加入漿液1剪切攪拌5min,轉(zhuǎn)速150r/min,最終即得水性涂料.

1.4 性能測試

根據(jù)國標(biāo)對漆膜[26]進行制備,并測試涂料的粘度[27]、耐凍融性[28]和干燥時間[29],以及涂層的附著力[30]和硬度[31].粘度測試采用涂-4杯測定,以涂料流出時間記;表干時間采用吹棉球法測定; 附著力測試中等級一級、二級、三級、四級、五級、六級、七級分別以數(shù)字7、6、5、4、3、2、1;涂層硬度以擺桿阻尼次數(shù)記.

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗結(jié)果

正交試驗及相關(guān)性能的測試見表4.

2.2 涂層外觀

正交試驗各組配方的涂層外觀如圖1所示.部分組別配方的涂層出現(xiàn)一定程度的涂層缺陷,主要包括縮孔和氣泡,這兩種缺陷均與消泡劑的使用有關(guān).乳液、增稠劑等物質(zhì)在水性涂料制備過程中容易造成體系中出現(xiàn)大量氣泡,從而影響體系中各類物質(zhì)的均一性,因此通過消泡劑來降低水性涂料體系的表面張力.消泡劑以不溶解于發(fā)泡介質(zhì)的液滴形態(tài)存在于涂料體系中,液滴具有一定的大小.當(dāng)液滴較大時,涂層表面存在高、低表面張力區(qū),且表面張力差值較大,涂層液體容易從低表面張力區(qū)移動至高表面張力區(qū),在涂層表面出現(xiàn)邊緣上隆而中心下凹的縮孔.當(dāng)液滴較小時,消泡劑液滴小于氣泡壁厚,消泡能力下降,因此涂刷干燥過程中造成涂層表面的不均勻.

表4 正交試驗及性能測試

注:低溫穩(wěn)定性各等級,10:涂料呈完全懸浮狀態(tài);8:調(diào)刀下降過程中有明顯沉降觸感;6:調(diào)刀上出現(xiàn)明顯的沉降塊;4:調(diào)刀無法以自重落到底部,結(jié)塊較厚;2:結(jié)塊嚴(yán)重,有堅硬塊狀物.

配方2、9、10、15的涂層表面出現(xiàn)縮孔缺陷,其中配方10、15縮孔密集,說明該配方中消泡劑在制備過程中分散不夠充分,液滴直徑較大,導(dǎo)致涂層的表面張力分布不均勻.配方6、13、14、16的涂層表面出現(xiàn)氣泡缺陷,涂層表面不均勻,表明消泡劑在此體系中易于分散,造成液滴直徑過小,分散性能欠佳.

圖1 各組配方涂層外觀

2.3 各因素對涂料性能的影響

2.3.1 粘度 涂料的粘度采用涂4杯進行測試,涂料的流出時間越長,則涂料的粘度越大,反之則越小.圖2為各因素對流出時間的影響,其中增稠劑的方差(2)顯著大于其他各因素,表明涂料產(chǎn)品的粘度完全受增稠劑含量的影響,其他因素的影響基本可以忽略.增稠劑的添加量為1‰,1.5‰和2‰所對應(yīng)的平均流出時間分別為39.38s,75.25s和113s,其流出時間均在涂4杯測試范圍內(nèi),符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求.涂料的粘度影響其在使用過程中的涂刷效果,粘度過低易出現(xiàn)流掛現(xiàn)象,粘度過高又會造成施工困難.實驗中發(fā)現(xiàn)1‰增稠劑添加量的涂料過稀,1.5‰和2‰的添加量可以涂刷出正常的涂層,且不會對涂刷造成阻礙.因此增稠劑的添加量建議為1.5‰~2‰.

圖2 各因素對涂料流出時間的影響

圖3 各因素對涂層表干時間的影響

2.3.2 表干時間 表干時間較大會增長兩次涂刷的間隔時間,不利于施工過程的順利進行.表干時間過短,涂層表面干燥成型,但涂層內(nèi)部仍為濕軟狀態(tài),其干燥過程會繼續(xù)收縮,致使涂層表面出現(xiàn)裂紋等缺陷的出現(xiàn).因此需要對表干時間進行一定的控制,使其既減小涂刷的間隔時間,又可保證涂層的美觀.由圖3可知,所有配方的涂料表干時間均小于32min,不同因素對涂料表干時間影響的方差大小依次為:丙二醇>醇酯十二>乳液含量>乳液種類>增稠劑,其中丙二醇和醇酯十二均屬于成膜助劑,它們的含量對表干時間的長短起主導(dǎo)作用.隨著醇酯十二的增多,磚粉水性涂料的最低成膜溫度逐漸降低,因此其表干時間縮短,有利于快速成膜.丙二醇在涂料體系中起到慢干劑的作用,一定程度延長表干時間.在實驗添加范圍內(nèi),表干時間與丙二醇添加量呈正相關(guān).結(jié)合涂層外觀情況,當(dāng)醇酯十二添加量為1.2%或2%,且丙二醇添加量為2.25%或3%時(配方2、9、10、16),涂層易出現(xiàn)縮孔缺陷.因此以表干時間和涂層情況為參考指標(biāo),最終確定醇酯十二和丙二醇的添加范圍分別為0.4%~1.2%和3%~3.75%.

2.3.3 附著力 附著力反映的是涂層與底材之間的粘結(jié)程度,乳液種類及乳液含量是影響涂層附著力等級的關(guān)鍵因素,其方差遠(yuǎn)大于其余三種因素.對于不同種類的乳液,苯丙乳液制備出來的磚粉水性涂料的附著力較大,附著力平均值為5.625,表明磚粉與苯丙乳液的適應(yīng)性相對較好.硅丙乳液的附著力平均值僅為3.75,說明其不易與磚粉組分形成較好的結(jié)合關(guān)系,從而影響與底材之間的粘結(jié)效果.

圖4 各因素對涂層附著力的影響

附著力數(shù)值隨乳液含量增大呈上升趨勢,且當(dāng)乳液含量為30%時,附著力可達(dá)到5.75.當(dāng)乳液含量較低時,乳液分子對涂層與底材之間的粘結(jié)作用貢獻(xiàn)較小,此時附著力體現(xiàn)在磚粉與底材之間的作用.乳液含量升高時,乳液分子可充分介于磚粉顆粒和底材之間,形成較好的粘附效果.

2.3.4 硬度 涂層硬度是表示涂層機械強度的主要指標(biāo)之一,反映當(dāng)其他物體作用在涂層較小表面時涂層產(chǎn)生的變形能力.硬度越高則變形越小,外界物體與涂層接觸時越不容易在其表面留下痕跡.填料種類及含量、乳液種類及含量、填料與乳液結(jié)合情況、成膜效果均是影響涂層硬度的影響較大,純丙乳液和硅丙乳液涂料的平均硬度較低,分別為83.75和79.25次,苯丙乳液的涂料的因素.由圖5可知,涂層硬度受乳液種類及含量可達(dá)到92.25次,說明苯丙乳液與磚粉所形成的涂層相較于其他兩種乳液“質(zhì)硬”.

另一方面,磚粉顆粒在乳液含量較少情況下無法有效結(jié)合,當(dāng)外界施加作用力在涂層表面時,表層顆粒極易脫落,并進而對內(nèi)層結(jié)構(gòu)造成破壞,因此表現(xiàn)為硬度較低,乳液含量20%時平均次數(shù)僅為84次.當(dāng)乳液含量升高為30%時,擺桿阻尼次數(shù)可達(dá)93.25次,此時乳液分子與磚粉顆粒形成較好的共存體系,填料與乳液結(jié)合密切,所形成的涂層更為致密.

圖5 各因素對涂層硬度的影響

2.3.5 低溫穩(wěn)定性 各因素對涂料低溫穩(wěn)定性的影響如圖6所示,磚粉水性涂料在低溫環(huán)境下的穩(wěn)定性主要受成膜助劑的影響.當(dāng)丙二醇不僅有利于涂料的成膜過程,同時可降低涂料體系的冰點,起到防凍劑的作用.因此丙二醇含量較低時,磚粉水性涂料在低溫環(huán)境中容易結(jié)塊,且恢復(fù)室溫后,無法滿足均一體系的要求.當(dāng)添加量大于3%時,涂料不易凝結(jié)成固體,體系中的有機組分和無機組分仍能很好地互溶,具備良好的低溫儲存能力.醇酯十二與丙二醇的作用效果相反,其含量的增多會降低磚粉水性涂料的低溫穩(wěn)定性.因而,醇酯十二的使用量應(yīng)控制在較低的使用范圍中.

圖6 各因素對涂料低溫穩(wěn)定性的影響

表5 優(yōu)化配方各組分含量及涂料性能測試

圖7 優(yōu)化配方涂層外觀情況

2.4 配方優(yōu)化

根據(jù)正交試驗結(jié)果,選擇苯丙乳液作為基體材料,并對各因素的最佳添加范圍進行驗證.試驗結(jié)果如表5所示,涂料的流出時間范圍為42~78s,表干時間14~27min,附著力等級一至三級,擺桿阻尼88~ 103次,低溫穩(wěn)定性可達(dá)評價指標(biāo)8以上.圖7為涂層的外觀情況,各試驗配方涂層表面完整,且均未出現(xiàn)明顯缺陷.優(yōu)化試驗結(jié)果表明,所測試的性能符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,且具有良好的性能及外觀.因此,各因素的最佳添加范圍為苯丙乳液25%~30%,醇酯十二0.4%~1.2%,丙二醇3%~3.75%,增稠劑1‰~ 1.5‰.

3 結(jié)論

3.1 乳液種類及添加量、醇酯十二和丙二醇的添加量對廢棄紅磚水性涂料的粘度影響較小,其主要受增稠劑添加量的影響,為確保良好的施工性能,建議增稠劑添加量為1‰~1.5‰.

3.2 表干時間和低溫穩(wěn)定性與醇酯十二和丙二醇的添加量有關(guān),當(dāng)醇酯十二含量0.4%~1.2%,丙二醇含量3%~3.75%時,磚質(zhì)水性涂料在低溫環(huán)境下不變質(zhì)結(jié)塊.

3.3 附著力和硬度受乳液種類和添加比的影響,相較于純丙乳液和硅丙乳液,苯丙乳液和廢棄紅磚微粉間具有更好的相容性,成膜效果更好.在實驗的乳液添加量范圍內(nèi),附著力和硬度隨乳液添加量增加而變大,因此乳液添加比建議為25%~ 30%.

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Preparation and properties of environmentally friendly latex paint with red brick waste powder.

ZHENG Yi1, XIA Fa-fa1, Lin Shun-hong2, Bai Ji-song2, HUANG Ren-hua3, ZHOU Hai-yan3, ZHANG Mei-lan3, ZHAO You-cai1*

(1.State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse, School of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China；2.Chongqing University of Science and Technology, Chongqing 401331；3.Shanghai Laogang Waste Disposal Co., Ltd, Shanghai 201302, China)., 2019,39(2)：684~690

In this paper, the preparation of environmentally friendly latex paint with red brick waste was investigated. Effects of emulsion type, and the dosages of emulsion, coalescent, propylene glycol and thickener were studied in detail. It was indicated that red brick waste powder had a good compatibility with styrene acrylic emulsion. The environmentally friendly latex paint was completely suspended and had an excellent low temperature stability under the optimum condition, which was the dosages of emulsion, coalescent, propylene glycol and thickener were 25%~30%, 0.4%~1.2%, 3.00%~3.75% and 1.0‰~1.5‰, respectively. In addition, under the optimum condition, the drying time, damped pendulum rod time and adhesion level were less than 30min, 103and more than 5, respectively. All of the promising results manifested that the environmentally friendly latex paint was a potential resource and provided a new platform for reusing construction waste.

construction waste；red brick；latex paint；resource

X705

A

1000-6923(2019)02-0684-07

鄭 毅(1995-),男,河北邯鄲人,同濟大學(xué)碩士研究生,主要從事固體廢棄物處理處置與資源化.

2018-07-20

重慶市生活垃圾資源化處理協(xié)同創(chuàng)新中心資助項目(Shljzyh2017-006)

* 責(zé)任作者, 教授, zhaoyoucai@#edu.cn