OCC生化污泥制备外墙底漆的初步研究

韩 卿， 张 拓， 王文亮

(陕西科技大学 轻工科学与工程学院 轻化工程国家级实验教学示范中心 中国轻工业纸基功能材料重点实验室 陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室， 陕西 西安 710021)

OCC生化污泥制备外墙底漆的初步研究

韩 卿， 张 拓， 王文亮

(陕西科技大学 轻工科学与工程学院 轻化工程国家级实验教学示范中心 中国轻工业纸基功能材料重点实验室 陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室， 陕西 西安 710021)

对废旧瓦楞纸箱(OCC)制浆造纸废水处理产生的生化污泥(OCC生化污泥)制备外墙底漆的相关参数进行了实验研究。通过单因素试验得出优化配方为：纯水54.37%(质量分数，下同)，聚丙烯酸脂505胶乳16.43%，污泥27.38%，羧甲基纤维素(CMC)0.38%，乙二醇0.98%，203流平剂0.09%，SPA-202消泡剂0.37%.结果表明，除透水性外，目标产品的质量性能可满足GB/T 9755-2014对Ⅱ型外墙底漆的要求.因此，OCC生化污泥在外墙底漆制备方面具有较高应用潜质.

生化污泥； 外墙底漆； 制备； 配方； 优化

0 引言

生化污泥是造纸废水处理过程中产生的一类固体废弃物，其主要组分为有机质和无机质，无机质主要为来自于造纸过程中添加的填料物质如碳酸钙、滑石粉和高岭土等[1].资料表明，生产1 t纸可产生50 kg(绝干)废水污泥副产物，此污泥数值在新闻纸厂中可能在20%之间变化，在包装纸厂中可能变化到40%[2].据统计，美国和日本造纸污泥的年产量近500万吨，中国和英国分别达到1 200万吨和200万吨，南非的生产量相对较小为每年50万吨[3-5]，可见造纸过程中造纸污泥的产生量较为庞观，而每年造纸企业的污水处理厂对污泥的处理和处置成本就占其经营成本的50%～60%[6].为此，对造纸过程中产生的废水污泥进行合理利用并无害化处置对于企业的经济效益和环境保护都具有重要的现实意义.目前由于各类造纸污泥在有机含量，灰分含量和发热量等方面均存在差异，通常混合后用于焚烧或填埋处理，但这些方法都存在处理成本较高，产生二次污染物等问题.资源和环境是人类赖以生存的基础，政府已就固体废物治理问题颁布了相应的政策法规，上述处理方法已被逐步限制[7].

涂料是一类可涂敷在建筑物基体表面并与之形成良好粘结强度的涂膜材料，起到装饰、保护建筑物的作用.造纸废水污泥中的无机质主要为碳酸钙、滑石粉和高岭土等，与建筑涂料所用填料种类基本类似，此特性为造纸废水污泥作为填料应用于建筑涂料的制备提供了物质基础.一直以来造纸污泥较难回收利用的主要原因在于组分中含有大量水分，干燥成本高和难度大[8]，如果不脱水或部分脱水就可在水性建筑涂料制备方面得以应用，对于造纸污泥的资源化处理具有重大意义.

目前，发现相关专利有“一种以造纸污泥为填料的外墙乳胶漆的配制方法”[9]、“一种以造纸污泥为填料的内墙乳胶漆的配制方法”[10]和“一种利用焚烧污泥灰制备建筑外墙彩色腻子粉的方法”[11]，而有关利用造纸污泥制备建筑涂料的学术论文鲜见报道.本文所用OCC生化污泥具有灰分较高的特性，为其在建筑涂料制备中进行填料化利用创造了条件.

1 实验部分

1.1 原辅材料与仪器设备

(1)原辅材料：聚丙烯酸脂505胶乳，固含量为50%，pH为7.0～9.0，黏度为1 000～2 000 mPa·s，阴离子型，工业级，财臣建筑涂料有限公司；无水氯化钙(抗泛盐碱性试验用)、乙二醇、羧甲基纤维素钠(CMC)，分析纯，天津市大茂化学试剂厂；氢氧化钠(抗泛盐碱性试验用)，分析纯，天津市进丰化工有限公司；氢氧化钙(抗泛盐碱性与耐碱性试验用)，分析纯，天津市北联精细化学品开发有限公司； OCC生化污泥，含水率为76.82%，pH为7.59，陕西法门寺纸业有限公司；203流平剂，pH为7.0，黏度为2 000 mPa·s，工业级，武汉远程狮子山涂料厂；SPA-202消泡剂，工业级，上海同力科技发展有限公司；切片石蜡(试板封边用)，上海华灵康复机械厂；松香(试板封边用)，吉水县华康天然香料化工厂；无石棉水泥平板，市售；超纯水，实验室自制.

(2)仪器设备：FST-DL-20型定量分析超纯水机，上海富诗特仪器设备有限公司；GFJ-0.4A型高速分散器，上海涂墨化工机械有限公司；LD-Y300A型高速万能粉碎机，上海顶帅电器有限公司；BGD1357型透水性试验装置，上海瞰翔仪器设备有限公司；电子万用炉(试板封边用)，浙江省上虞市通州实验仪器厂；FCD-238SE型海尔冷藏冷冻柜，青岛海尔特种电冰柜有限公司.

1.2 底漆制备及检测

制备外墙底漆的主要步骤如下：

(1)OCC生化污泥填料化预处理：将风干后的OCC生化污泥采用粉碎机进行粉碎研磨，用300目网筛筛选，取细料部分备用；

(2)填料浆料制备：将CMC用纯水配制成溶液，在搅拌转速1 800 r/min下按配方比例依次加入消泡剂、防冻剂、成膜助剂和OCC生化污泥，搅拌混合时间为30 min；

(3)涂料配制：将搅拌转速降低至800 r/min，在填料浆料中依次加入聚丙烯酸脂505胶乳和流平剂，进一步搅拌15 min后得到外墙底漆.

外墙底漆性能按GB/T 9755-2014进行检测，底漆按照抗泛盐碱性和不透水性要求的高低分为Ⅰ型和Ⅱ型，如表1所示.

表1 底漆指标要求

1.3 实验方法

作者在前期工作中已得到了OCC生化污泥制备底漆的基础配方，如表2所示.在底漆基础配方的基础上通过添加流平剂、消泡剂、防冻剂和成膜助剂，并改变其用量用以完善底漆性能.经添加涂料助剂优化后的底漆产品利用GB/T 9755-2014进行全性能检测及评估.

表2 底漆基础配方

2 结果与讨论

2.1 流平剂用量对漆膜的影响

底漆涂刷在外墙表面后，经过流动和干燥过程逐渐成膜，但由于漆料表面张力的原因，常常出现橘皮、流挂和刷痕等漆膜缺陷[12].流平剂的加入可有效降低底漆与基材之间的表面张力，改善漆料的触变性，使其与基材有一个最佳的润湿性来改善涂膜外观[13].本实验通过测定不同流平剂用量下的底漆触变指数(TI)，用以评估底漆的流平性，涂料触变指数越小，流平性越佳，但抗流挂性越差，相反触变指数越大，流平性越差，但抗流挂性越佳.流平剂用量对漆膜的影响见图1所示.

图1 203流平剂用量对底漆触变性的影响

由图1可知，203流平剂用量在0～0.2 g范围时，底漆触变指数呈现迅速上升趋势；流平剂用量在0.2～0.4范围时，触变指数上升平缓，稳定在5.44左右；流平剂用量在0.4～0.5范围时，又呈现迅速上升趋势.通常对流平性要求较高的涂料，其触变指数要小于4，外墙涂料要面对流挂问题，触变指数可以略高[14].综合考虑底漆的流平性、抗流挂性和成本问题，流平剂用量选择0.1 g(TI=4.68)为宜.同时发现，过量的流平剂使用会造成生化污泥漆膜表面出现细小裂纹的情况愈加严重.

图2为流平剂用量分别是0.1 g与0.5 g的涂膜对比图，用量为0.1 g时，涂膜表面裂纹极少，而用量为0.5 g时，裂纹情况较为严重，由此也可得出203流平剂最佳用量应为0.1 g.

(a)流平剂用量0.1 g (b)流平剂用量0.5 g

2.2 消泡剂用量对底漆的影响

底漆制备过程中添加的表面活性剂如乳化剂、增稠剂和树脂基料等将有利于气泡的产生与稳定，底漆中气泡的存在不但影响生产过程，而且会造成各种漆膜缺陷.消泡剂加入底漆后，可进入泡沫双膜层结构扩展液/气界面，应力的改变最终导致泡沫的破裂达到消泡目的[15].

本实验通过测定不同SPA-202消泡剂用量下相同质量底漆经相同搅拌时间后体积增加量来评估消泡剂的最佳用量，具体操作过程为：在流平剂添加量为0.1 g条件下，加入不同量的消泡剂制备底漆，样品制备完毕后在室温下放置24 h，使消泡剂充分发挥作用后分别秤取45 g，倒入量筒记录体积，再次称量相同质量涂料并在1 400 r/min转速下搅拌2 min后倒入量筒记录体积，观察底漆前后的体积变化量，变化量较小的样品的消泡剂添加量即为最佳用量.消泡剂用量对底漆的影响见表3所示.

表3 SPA-202消泡剂用量对消泡效果的影响

由表3可知，当消泡剂用量在0.4～0.8 g范围内时，底漆经搅拌后体积增加量最小，稳定在0.2 mL，考虑到消泡剂用量过多会造成涂料再涂性差、缩边等问题，所以消泡剂最佳用量为0.4 g，并且在此用量下制备的底漆经涂刷后，涂膜表面未出现细小裂纹情况，结果见图3所示.

图3 SPA-202消泡剂用量 为0.4 g涂膜形貌图

2.3 乙二醇对底漆低温稳定性影响

底漆中的水分在低温时会发生结冰现象，结冰过程中产生的膨胀压力会使聚合物靠拢凝聚，从而导致乳胶破乳情况的发生，使涂料在低温环境中丧失稳定性.实验中加入乙二醇作为防冻剂用以提高底漆的低温稳定性，同时，其兼具有成膜助剂的作用，可促进乳液中聚合物的塑性流动和弹性变形，使之能在较宽的温度范围内成膜，实现了“一剂多用”的优势[16].本实验通过测定不同乙二醇用量(相对基料用量)下的底漆低温稳定性，用以确定乙二醇最佳用量，结果如表4所示.

表4 乙二醇用量对底漆低温稳定性的影响

由表4可知，乙二醇用量在5%～7%时可达到底漆低温稳定性的要求，考虑到其还具有成膜助剂的作用，可适当加大用量，所以选取6%(即1.08 g)为乙二醇最佳用量.

2.4 底漆全性能检测

通过实验得出完善后的底漆配方为OCC生化污泥30 g(27.38%)，聚丙烯酸脂505胶乳18 g(16.43%)，CMC用量0.42 g(0.38%)，203流平剂0.1 g(0.09%)，SPA-202消泡剂0.4 g(0.37%)，乙二醇1.08 g(0.98%)，纯水用量为59.58 g(54.37%).

通常在底漆制备完成后，会利用氨水或碳酸氢钠等调节底漆pH至碱性，以利于底漆与碱性水泥砂浆基层粘结，而本文制备的OCC生化污泥底漆在未添加pH调节剂情况下pH已达8.5，节约了涂料制备的原料成本，其部分原因可能在于OCC生化污泥呈弱碱性(pH7.59)的缘故，这是OCC生化污泥制备底漆的一项优势；填料在底漆中的润湿和分散是底漆制备中的重要环节，由于造纸废水污泥具有较强亲水性[17]，在水性底漆制备中未添加涂料分散剂与润湿剂也可与体系具有良好相容性，这是OCC生化污泥制备底漆的另一项优势.

表5 OCC污泥基底漆性能

由表5可知，除透水性外，OCC生化污泥底漆质量性能符合Ⅱ型外墙底漆的标准.OCC生化污泥底漆透水性较高原因可能来自两个方面：首先，实验中观察到消泡剂加入涂料后由流平剂引起的涂膜裂纹情况“消失”的现象，但实际涂膜裂纹没有完全消失，只是裂纹缩小至肉眼无法观测的程度，由于极细小裂纹的存在造成涂膜透水性较高；其次，OCC生化污泥具有亲水性，造成涂膜透水性较高.一般底漆颜基比为(2.0～4.0)∶1.0[16]，目前污泥涂料颜基比为3.33，基料用量较少，涂料成本较低，虽然可作为污泥涂料一项优势，但为有效降低涂膜透水性，可适当提高基料用量，解决透水性较高问题的同时还有助于提高涂料其他性能.

3 结论

(1)利用OCC生化污泥制备外墙底漆优化后的配方为：纯水59.58 g(54.37%)，聚丙烯酸脂505胶乳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流平剂0.1 g(0.09%)，SPA-202消泡剂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型外墙底漆其他性能要求.

(2)OCC生化污泥呈弱碱性和亲水性，在水性涂料制备中无需添加pH调节剂和润湿剂、分散剂也可使涂料呈碱性并与其他物料间产生良好的相容性，此特性为直接利用湿态污泥制备涂料奠定了基础.

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【责任编辑：蒋亚儒】

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

陕西省科技厅科技计划项目( 2017SF-382)

韩 卿(1965-)，男，青海西宁人，教授，博士，研究方向：清洁生产与资源化利用

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

TU56+4.5

A