粉煤灰在水性外墻涂料中的應(yīng)用研究

朱雪皎，呂潔茹，王永秋，劉德遠(yuǎn)，程秋蘋，張雪芹，孫登明

（1.淮北師范大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，安徽 淮北 235000；2.淮北慶豐涂料有限公司，安徽 淮北 235000）

0 引言

粉煤灰主要來源于火力發(fā)電廠，屬于工業(yè)廢料. 我國(guó)粉煤灰的存儲(chǔ)高過10億噸，并且仍處于上升趨勢(shì). 預(yù)計(jì)2020年我國(guó)粉煤灰生產(chǎn)量會(huì)突破5億噸/年［1］. 大量的粉煤灰如果不及時(shí)處理將會(huì)對(duì)環(huán)境造成巨大的傷害，會(huì)侵占耕地、污染水源、引起揚(yáng)塵、造成空氣質(zhì)量下降［2-3］. 粉煤灰在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的利用率較高，日本對(duì)粉煤灰的利用率高達(dá)100%［4］. 然而粉煤灰在我國(guó)利用率相對(duì)較低，目前我國(guó)的粉煤灰主要用于制造混凝土［5］、鋪路［6］、建筑材料［7］. 但是這些方案也不足以消滅全部的粉煤灰，所以必須開發(fā)出更多的途徑去合理地利用粉煤灰以減少環(huán)境壓力，與此同時(shí)還能創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值，保護(hù)環(huán)境，并符合綠色化學(xué)的理念. 粉煤灰可充當(dāng)無機(jī)材料，相對(duì)于有機(jī)材料有更好的耐熱性、耐候性、表面硬度高、低毒等優(yōu)點(diǎn)［8］，另外粉煤灰化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，作為填料已在涂料中使用［9-15］. 本文探究粉煤灰用在水性涂料中的可行性，在不改變傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，研究粉煤灰替代不同填料后涂料的性能，以及粉煤灰摻雜對(duì)水性外墻涂料的性能，依據(jù)國(guó)標(biāo)測(cè)試該涂料的耐水、耐洗刷、耐堿等性能，因粉煤灰的價(jià)格較低，資源豐富，不僅降低涂料的生產(chǎn)成本，而且提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與原料

1.1.1 主要儀器

QFS型涂料耐洗刷測(cè)定儀（天津市世博偉業(yè)化玻璃儀器有限公司）；電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海一恒科學(xué)儀器有限公司）；數(shù)顯變頻分散機(jī)（安徽炎信生物科技有限公司）；電動(dòng)噴槍HD3020（浙江普萊得電器有限公司）；數(shù)字式粘度計(jì)NDJ-5S（上?？?jī)泰電子科技有限公司）；FA1104 電子天平（上海橫平儀器儀表廠）；掃描電子顯微鏡（日本電子株式會(huì)社）；高速粉碎機(jī)（永康市鉑歐五金制造品有限公司）；鹽霧試驗(yàn)機(jī)（上海邦億精密量?jī)x有限公司）.

1.1.2 主要原料

消泡劑、纖維素、氨水、分散劑、非離子潤(rùn)濕劑、丙二醇、鈦白粉、煅燒高嶺土、硅灰石粉、重鈣、成膜助劑、外墻苯丙乳液、聚氨酯流平劑、締合型增稠劑、粉煤灰、氫氧化鈣、洗衣粉等均為工業(yè)級(jí).

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

向分散機(jī)料筒中依次加入適量的去離子水、消泡劑、2%纖維素（3萬）、氨水、非離子潤(rùn)濕劑、分散劑、丙二醇后，先在低速下攪拌均勻（約10 min）. 用粉煤灰依次替換原傳統(tǒng)的4個(gè)填料（重鈣、高嶺土、硅灰石粉、鈦白粉），在分散機(jī)中高速分散30 min，確保分散均勻. 最后添加成膜助劑、苯丙乳液、消泡劑、流平劑、增稠劑和適量的水，攪拌分散均勻即可.

工藝流程圖：

將制備得到的粉煤灰涂料產(chǎn)品用100目的紗網(wǎng)過濾，濾液裝入電動(dòng)噴槍均勻噴涂在測(cè)試板上（無石棉纖維增強(qiáng)水泥加壓平板符合JC/T 412.1-2006），經(jīng)過露天晾干后的測(cè)試板進(jìn)行相關(guān)性質(zhì)的測(cè)試.

2 結(jié)果與討論

2.1 粉煤灰前處理

2.1.1 煙道灰

經(jīng)簡(jiǎn)單處理過的煙道灰可直接通過160 目篩，用掃描電子顯微鏡查看，結(jié)果見圖1. 未經(jīng)研磨處理的煙道灰粒度在200 μm以下.

取適量過160 目篩后的煙道灰于高速粉碎機(jī)中，粉碎研磨不同時(shí)間，用掃描電鏡測(cè)試，結(jié)果如圖2.

圖1 粉煤灰的掃描電鏡圖

圖2 粉煤灰在不同研磨時(shí)間下的掃描電鏡圖

由圖2可見，不同研磨時(shí)間的煙道灰顆粒都小于30 μm. 且外觀上粉碎過后的煙道灰顏色更黑.

2.1.2 粉煤灰

粉煤灰取于工地堆放處，含有較多水分，有較多結(jié)塊不宜直接實(shí)驗(yàn)，故需要先經(jīng)過烘箱充分烘干脫水.

取適量的未經(jīng)處理的粉煤灰鋪開盛放在托盤中. 烘箱設(shè)置120 ℃，烘干2 h后自然冷卻. 4次稱取400 g未經(jīng)處理的粉煤灰，經(jīng)過充分振蕩過篩得到不同“目系”級(jí)別的粉煤灰（見圖1）.

表1 粉煤灰過篩情況 g

稱量過篩后的粉煤灰，發(fā)現(xiàn)其顆粒大小范圍，60目系占比為3.7%，80目系占比為30%，160目系占比為63%，總體來說160目系的占比較高. 本實(shí)驗(yàn)主要使用的是160目的粉煤灰.

2.2 粉煤灰涂料的制備

本實(shí)驗(yàn)用兩種粉煤灰進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，第一種是煙道灰，煙道灰是煙囪里殘留的灰，顆粒較普通粉煤灰細(xì)一點(diǎn)，雜質(zhì)較多，成分也不盡相同，所以性質(zhì)也有所差別. 第二種就是普通粉煤灰. 為方便區(qū)分，這里分別用煙道灰和粉煤灰表示.

2.2.1 煙道灰添加量對(duì)水性外墻涂料性能的研究

分別將傳統(tǒng)的填料等比例減少，并使用煙道灰代替，運(yùn)用上述相同的制備流程制備得到煙道灰涂料，并進(jìn)行耐水性、耐堿性、耐凍融性等粉煤灰涂料性能試驗(yàn)，如表2.

表2 煙道灰添加量對(duì)涂料的影響

測(cè)定方法嚴(yán)格依據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 9266-2009、GB/T 1733-1993、GB/T 9265-2009、JGT 25-1999進(jìn)行.

由表2可知，不同比例的煙道灰制備的涂料，其耐凍融性和耐堿性與之前的參照品沒有明顯區(qū)別，性能優(yōu)異，但是其耐洗刷性質(zhì)有著明顯變化，煙道灰的比例越高涂料涂層的耐洗刷性越低，若全以煙道灰當(dāng)做填料則不滿足涂料基本要求，另外煙道灰比例越高，在耐水性測(cè)試中水漬現(xiàn)象越明顯，煙道灰占比越高，涂料涂層的光澤度也會(huì)隨之下降.

經(jīng)過粉煤灰摻雜對(duì)水性外墻涂料性能的研究，依次用煙道灰代替原有外墻工程乳膠漆中的填料，得到的產(chǎn)品能經(jīng)受耐洗刷、耐堿性、耐凍融等檢驗(yàn). 不難看出以煙道灰充當(dāng)填料可以滿足外墻工程乳膠漆的基本條件.

2.2.2 粉煤灰添加量對(duì)水性外墻涂料性能的研究

向數(shù)字變頻分散機(jī)料筒中依次加入適量的去離子水、消泡劑、2%纖維素（3萬）、氨水、非離子潤(rùn)濕劑、分散劑、丙二醇后，先在低速下攪拌均勻（約10 min），用粉煤灰代替全部填料，在分散機(jī)中高速分散30 min，確保分散均勻. 最后添加成膜助劑、苯丙乳液、消泡劑、流平劑、增稠劑和適量的水，攪拌分散均勻即可.

將制備得到的粉煤灰涂料產(chǎn)品用100的目紗網(wǎng)過濾，濾液裝入電動(dòng)噴槍均勻噴涂在測(cè)試板上（無石棉纖維增強(qiáng)水泥加壓平板符合JC/T 412.1-2006），經(jīng)過露天晾干后的測(cè)試板進(jìn)行相關(guān)性質(zhì)的測(cè)試. 經(jīng)檢驗(yàn)，各性質(zhì)均符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（GB9756-2018），且優(yōu)于煙道灰.

2.2.3 乳液和纖維素的選擇對(duì)粉煤灰涂料性能的影響

正交實(shí)驗(yàn)法（四因素三水平）見表3；乳液種類：東聯(lián)104，巴德富858，羅斯福2892T；乳液用量：80，100，120；纖維素種類：3萬，10萬，纖維素醚；纖維素用量：45，60，75.

表3 設(shè)計(jì)正交表

按表3所示組合方式添加乳液和纖維素，共做得9組實(shí)驗(yàn)，分別測(cè)其耐水性、耐堿性、耐洗刷性及耐凍融性.

2.3 涂料性能測(cè)試

2.3.1 煙道灰涂料

用煙道灰依次替換原傳統(tǒng)的4個(gè)填料（重鈣、高嶺土、硅灰石粉、鈦白粉），然后做其性質(zhì)實(shí)驗(yàn).

2.3.1.1 耐洗刷測(cè)試

配制200 mL pH為10洗衣粉溶液，用作洗刷介質(zhì). 按照GB/T 9266-2009標(biāo)準(zhǔn)對(duì)毛刷進(jìn)行處理，之后固定好晾干一個(gè)星期的測(cè)試板在涂料耐洗刷測(cè)定儀上進(jìn)行耐洗刷測(cè)試，結(jié)果見表4. 洗刷500次涂層未破損為合格品，洗刷1 000次涂層未破損為一等品，洗刷2 000次涂層未破損為優(yōu)等品.

表4 耐洗刷性試驗(yàn)

根據(jù)表4顯示，用煙道灰代替原有外墻工程乳膠漆中的4個(gè)填料進(jìn)行耐洗刷測(cè)試，發(fā)現(xiàn)依次用煙道灰代替4個(gè)填料粉刷過后的石棉板都達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)，其中代替高嶺土和重鈣的耐洗刷程度相似都達(dá)到一級(jí)品的標(biāo)準(zhǔn)，代替硅灰石粉的效果最好達(dá)到優(yōu)等品的等級(jí).

2.3.1.2 耐水性、耐堿性、耐凍融性測(cè)試

耐水性：將噴有涂料的測(cè)試板晾干一個(gè)星期后分別浸泡在水中96 h，檢查是否出現(xiàn)起泡、掉粉、明顯變色等涂膜病態(tài)現(xiàn)象的現(xiàn)象，未出現(xiàn)則為無異常（依據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T1733-1993 漆膜耐水性測(cè)定法）.

耐堿性：將噴有涂料的測(cè)試板露天晾干一個(gè)星期后分別浸泡在飽和的氫氧化鈣水溶液中48 h，檢查測(cè)試板上的涂料涂層是否出現(xiàn)起泡、掉粉、明顯變色等涂膜病態(tài)現(xiàn)象，未出現(xiàn)則為無異常（依據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 9265-2009 建筑涂料涂層耐堿性的測(cè)定）.

耐凍融性：將噴有涂料的測(cè)試板露天晾干一個(gè)星期后將測(cè)試板置于水溫為23 ℃的恒溫水槽中，浸泡18 h，然后在低溫-20 ℃下冷凍3 h，轉(zhuǎn)到烘箱中50 ℃左右. 恒溫3 h，浸泡18 h，冷凍3 h，恒溫3 h為一個(gè)循環(huán). 循環(huán)3次后檢查測(cè)試板上的涂料涂層是否出現(xiàn)起泡、掉粉、明顯變色等涂膜病態(tài)現(xiàn)象，未出現(xiàn)則為無異?，F(xiàn)象（依據(jù)國(guó)標(biāo)JGT 25-1999建筑涂料涂層耐凍融循環(huán)性測(cè)定法）.

表5 耐水性、耐堿性、耐凍融性

根據(jù)表5顯示，使用粉煤灰替換傳統(tǒng)涂料中的重鈣、硅灰石粉、鈦白粉、高嶺土等填料，其耐水性、耐堿性、耐凍融等性質(zhì)較為良好，且都沒有出現(xiàn)涂料病態(tài)的現(xiàn)象，符合涂料的相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn).

2.3.2 普通粉煤灰涂料

性質(zhì)實(shí)驗(yàn)見表6. 耐水性96 h：未出現(xiàn)起泡、掉粉、明顯變色等涂膜病態(tài)現(xiàn)象為無異常. 耐堿性48 h：未出現(xiàn)起泡、掉粉、明顯變色等涂膜病態(tài)現(xiàn)象無異常. 耐凍融性：做3次循環(huán)（水中浸泡18 h，冷凍3 h，熱烘3 h為一次循環(huán)），未出現(xiàn)粉化、開裂、起泡、剝落、明顯變色等涂膜病態(tài)現(xiàn)象無異常. 耐洗刷性：洗刷500次涂層未破損為合格品；洗刷1 000次涂層未破損為一等品；洗刷2 000次涂層未破損為優(yōu)等品.

表6 性質(zhì)測(cè)試表

由表6可知粉煤灰可直接作為唯一填料應(yīng)用于外墻涂料中時(shí)，改變其乳液種類、用量、纖維素種類用量時(shí)且其耐水性、耐堿性、耐凍融等涂膜性質(zhì)均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn). 當(dāng)增長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間時(shí)，纖維素用量越多耐水性越差. 根據(jù)計(jì)算得知纖維素用量是其主要影響因素. 纖維素種類和纖維素用量影響耐洗刷性，當(dāng)纖維素種類確定，用量較少時(shí)，耐洗刷性差，容器內(nèi)涂料狀態(tài)下層沉淀易結(jié)塊，不易攪拌；纖維素用量較多時(shí)耐水性差. 所以應(yīng)根據(jù)經(jīng)濟(jì)原則及涂料性質(zhì)要求自行搭配.

2.4 應(yīng)用試驗(yàn)

應(yīng)用試驗(yàn)采用安徽某新型建材有限責(zé)任公司生產(chǎn)的玻鎂板，該玻鎂板具有以下缺陷：在濕度較高的環(huán)境中該玻鎂板表面會(huì)出現(xiàn)濕漉漉的回潮現(xiàn)象，在干燥的環(huán)境中該玻鎂板表面會(huì)析出大面積的白色堿狀物（浸出金屬鹽等物質(zhì)），該板是一種理想的實(shí)驗(yàn)對(duì)象. 將煙道灰涂料和粉煤灰涂料使用電動(dòng)噴槍將煙道灰涂料均勻噴涂在該玻鎂板表面，自然晾干后進(jìn)行性能的測(cè)試.

耐潮濕測(cè)試：將噴涂涂料晾干后的玻鎂板放入鹽霧試驗(yàn)機(jī)中，設(shè)置參數(shù)為35 ℃，控制濕度為90%，在此實(shí)驗(yàn)條件下持續(xù)實(shí)驗(yàn)96 h得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果（測(cè)定依據(jù)GB/T 33544-2007）. 噴涂煙道灰涂料后，該板回潮現(xiàn)象有所減少，并且無涂料脫落等現(xiàn)象，一定程度上解決回潮問題. 噴涂過粉煤灰涂料后，該板不再出現(xiàn)回潮現(xiàn)象，并且也無油漆脫落等現(xiàn)象，很好地解決回潮問題.

遮蓋能力測(cè)試：選用已經(jīng)發(fā)白的玻鎂板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，等待涂料晾干后觀察其覆蓋能力. 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)兩種涂料都具有良好的遮蓋效果，粉刷過后的玻鎂板觀察不到原來白色堿狀物的痕跡. 說明制備的兩種涂料有一定的防潮能力、很好的遮蓋能力，即一定的市場(chǎng)應(yīng)用前景.

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出制備的粉煤灰涂料具有更好的遮蓋能力和耐回潮能力，其實(shí)驗(yàn)成果也得到該廠家的認(rèn)可.

3 結(jié)論

使用粉煤灰替換傳統(tǒng)涂料中的填料，制備新的粉煤灰涂料，并對(duì)粉煤灰摻雜對(duì)水性外墻涂料性能進(jìn)行研究，涂料具有良好的耐洗刷性、耐水性、耐堿性和耐凍融性. 涂料的各項(xiàng)性能符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn). 由于粉煤灰涂料顏色接近水泥的顏色，可以在外墻工程乳膠漆、外墻真石漆等涂料當(dāng)中被開發(fā)利用.