貝殼粉彈涂料的研制及性能分析

蓋廣清，葉柄楊

吉林建筑大學 建筑節(jié)能技術工程實驗室,長春 130118

近年來,我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)逐漸發(fā)展壯大,貝類水產(chǎn)品中的貝殼占其總質量的60 % 以上，卻沒有被正確利用研究.這樣不僅造成了嚴重的資源浪費，還會導致環(huán)境的污染,給人們的身體健康帶來危害[1].貝殼中95 %左右為碳酸鈣(CaCO3),其余約5 % 為糖蛋白、多糖、甲殼素和其它蛋白質等有機質[2-3].貝殼具有優(yōu)異的力學性能,研究發(fā)現(xiàn)貝殼珍珠層的楊氏模量為60 GPa～70 GPa,抗拉強度達到了140 MPa～170 MPa,是自然界碳酸鈣抗拉強度的3 000倍[4-5].本文的貝殼粉彈涂料是一種干粉涂料,由可再分散乳膠粉、顏填料以及各種功能性粉末助劑混合而成[6].在涂料中摻入無機黏結料,使涂料在保持有機聚合物基料黏結力的同時增加了涂膜的黏結料比例,進一步提高了涂膜的內聚力.將貝殼粉與各種涂料助劑混合應用于干粉涂料的生產(chǎn),具有原料易得、生產(chǎn)成本低廉、無污染、改善環(huán)境、節(jié)能減排等優(yōu)勢,順應了涂料的發(fā)展趨勢[7].

1 實驗部分

1.1 實驗主要原材料與儀器

貝殼粉(遼寧圣島納米貝殼生物科技有限公司),灰鈣粉(天津灰鈣粉建材有限公司),CR 501重鈣粉(沈陽順豐實業(yè)集團有限公司),高嶺土(內蒙古三保高嶺土有限公司),滑石粉(長興龍峰粉體材料有限公司),金紅石型鈦白粉(沈陽順豐實業(yè)集團有限公司),可再分散乳膠粉(柳州青龍建材有限公司),15 us羥丙基甲基纖維素醚(韓國三星化學),分散劑(上海建涂國際貿易有限公司),消泡劑(上海博易和化工有限公司),防菌殺菌劑(河南恒協(xié)化工制品銷售有限公司).BGD 526耐洗刷儀,QFZ型漆膜附著力試驗儀,STM-V斯托默粘度計等.

1.2 實驗方法

將貝殼粉作為干粉涂料的功能填料,外摻灰鈣作為活性劑,重鈣作為骨架填料,高嶺土作為添加劑,摻入可再分散乳膠粉以及其它功能型助劑加入水中攪拌,靜置片刻,待泡沫逐漸消除,用軟毛刷或彈涂裝置彈涂至事先準備好的水泥試板上,然后測試不同材料摻量對涂料性能的影響.

1.3 正交實驗設計

綜合考慮各因素對本實驗結果的影響,確定選取貝殼粉、重鈣、灰鈣、可再分散乳膠粉4種影響因素,每個因素取3個水平,配方設計過程中水的質量與涂料質量比為2∶1,鈦白粉用量為26 g,高嶺土25 g,羥丙基甲基纖維素醚用量為10 g,助劑用量為0.4 %～1.5 %.正交實驗因素水平見表1所示.

表1 正交實驗因素水平

2 實驗結果分析

2.1 涂料配比分析

采用正交表安排實驗,將正交實驗下的9組涂料產(chǎn)品進行涂層的耐洗刷性、粘度和附著力進行性能測試,并將測試結果進行數(shù)據(jù)分析.正交實驗結果見表2,正交實驗結果極差分析見表3，并繪制各因素效應曲線見圖1,分析各因素用量對貝殼粉彈涂料的影響規(guī)律,最終確定最優(yōu)的配方組合.表3中K1,K2,K3為各測試項水平因素結果的平均值,R表示各水平因素平均值的極差.

表2 正交實驗結果Table 2 Orthogonal experimental results

表3 正交實驗結果極差分析Table 3 Range analysis of orthogonal experiment results

續(xù)表3

(a) 因素水平對耐洗刷性的影響 (b) 因素水平對粘度的影響 (c) 因素水平對附著力的影響圖1 因素效應曲線Fig.1 Factor effect curves

由圖1(a)可見,貝殼粉彈涂料的耐洗刷性隨著可再分散乳膠粉摻量的增加而提高；隨著貝殼粉摻量的增加而降低,由于可再分散乳膠粉在涂料體系中可形成緊密的光滑涂膜,進而涂料的耐洗刷次數(shù)也相應增加.由圖1(b)可見,貝殼粉彈涂料的粘度隨著可再分散乳膠粉摻量的增加而提高;隨著貝殼粉摻量的增加而提高,這是由于貝殼粉的比表面積大,在制備涂料過程中與水接觸且需要被水包裹的面積也較大,從而具有較高的粘度；由圖1(c)可見,貝殼粉涂料的附著力隨著可再分散乳膠粉摻量減少而明顯提高,低于120 g則有所降低;隨著貝殼粉摻量增加而降低,超過330 g則逐漸提高;隨著灰鈣的減少而升高.這是由于貝殼粉增加使涂料粘度提高,成膜物質減少使涂料間連結的更加緊密.由于重鈣與灰鈣在涂料中分別起骨架與活性填料的作用,所以由圖1中(a)和(b)可見，隨著重鈣與灰鈣摻量的減少,涂料的耐洗刷性及粘度變化雖不明顯，但均有所降低.

由極差分析表明,對于耐洗刷性,優(yōu)化方案為A1B2C1D1.對于粘度而言,優(yōu)化方案為A3B1C2D1.對于附著力而言,優(yōu)化方案為A1B3C3D2.由于當貝殼粉摻量過大時涂料的耐洗刷性以及附著力明顯下降,從節(jié)約資源和貝殼粉彈涂料綜合性能考慮,選擇A2B3C2D2.為最佳基料及填料摻量,涂料不僅有優(yōu)異的粘性,附著力和耐洗刷性均比較好.

2.2 涂料一般性能測試

確定涂料配方,貝殼粉330 g,重鈣200 g,高嶺土25 g,灰鈣200 g,可再分散乳膠粉120 g,羥丙基甲基纖維素醚10 g,分散劑3 g,消泡劑2 g,防菌殺菌劑5 g.配制涂料對其進行一般性測試見表4.

表4 貝殼粉彈涂料一般性能測試Table 4 General performance test of shell powder elastic coating

3 結論

(1) 貝殼粉彈涂料的耐洗刷性隨著可再分散乳膠粉摻量的增加而提高;隨著貝殼粉摻量的增加而降低.

(2) 貝殼粉彈涂料的粘度隨著可再分散乳膠粉摻量的增加而降低;隨著貝殼粉摻量的增加而提高.

(3) 貝殼粉彈涂料的附著力,隨著灰鈣摻量的減少而升高,隨著可再分散乳膠粉摻量減少而明顯提高,低于120 g則有所降低;隨著貝殼粉摻量增加而降低,超過330 g則逐漸提高.

(4) 重鈣與灰鈣對貝殼粉彈涂料的耐洗刷性以及粘度影響較小.

(5) 通過正交實驗,對貝殼粉彈涂料的耐洗刷性、粘度、附著力,以及其它性能的研究,確定貝殼粉彈涂料中的各主要填料比例為：貝殼粉∶重鈣∶高嶺土∶灰鈣=13.2∶8∶1∶8.