废弃红砖微粉填料制备环保乳胶漆及其性能研究

郑 毅,夏发发,林顺洪,柏继松,黄仁华,周海燕,张美兰,赵由才*



废弃红砖微粉填料制备环保乳胶漆及其性能研究

郑 毅1,夏发发1,林顺洪2,柏继松2,黄仁华3,周海燕3,张美兰3,赵由才1*

(1.同济大学环境科学与工程学院,污染控制与资源化研究国家重点实验室,上海 200092；2.重庆科技学院,重庆 401331；3.上海老港废弃物处置有限公司,上海 201302)

研究了利用废弃红砖生产环保乳胶漆的制备方法,通过正交试验分析了乳液种类、乳液含量、醇酯十二含量、丙二醇含量和增稠剂含量对环保乳胶漆性能的影响.结果表明,废弃红砖微粉与苯丙乳液有较好的相容性,当乳液含量为25%~30%,醇酯十二0.4%~1.2%,丙二醇3.00%~3.75%,增稠剂1‰~1.5‰时,砖质环保乳胶漆产品低温稳定性良好,可成完全悬浮状态,表干时间小于30min,摆杆阻尼次数可达103次,附着力等级大于5,这为建筑废物资源化提供新的途径.

建筑废物；红砖；乳胶漆；资源化

近年来,我国建筑废物的产量逐年增加,据统计截止到2016年年底,我国建筑废物产生量约为24亿t[1].大量的建筑废物不仅占据土地资源,同时也存在潜在危害性[2-3],所以建筑废物资源化一直是许多研究的重点.建筑废物资源化利用途径可分为分拣利用和一般性回填、作为建筑物或道路的基础材料、还原成水泥和沥青等方式[4-5],且以建筑物或道路的基础材料为主.但是因其生产的产品性能无法与天然原材料的产品相比[6-9],因此其资源化利用受到限制.

在建筑涂料领域,乳胶漆是以合成树脂乳液为基料加入颜料、填料及各种助剂配制而成的一类水性涂料[10],其可以分为浆料和浆液两部分.填料作为浆料的主要成分,主要起到骨架结构和改善涂料性能的作用,大多采用重质与轻质碳酸钙[11]、滑石粉[12]、硅灰石粉[13]、云母粉[14]和石英粉[15]等矿物质.其中滑石粉、硅灰石粉、云母粉和石英粉均为硅酸盐类或金属硅酸盐类矿物质,其与建筑废物中某些组分的组成相近[16-17],因此建筑废物粉末具有部分或完全替代传统填料的可能性.目前,已有一些研究利用废石膏[18]、粉煤灰[19-20]和蛋壳粉[21-22]等替代填料制备涂料,并且某些产品具有特别的功能,如利用蛋壳制备的涂料,其阻燃性能较好[23].也有部分研究根据废砖颗粒的可烧结性制备喷涂料,张雯文等[24]采用废粘土砖作为骨料,结果显示4a%废黏土砖颗粒取代60矾土骨料的涂料,可维持烧后线收缩不变;王立旺等[25]利用硅莫砖作为原料制备喷涂料,研究表明硅莫砖喷涂料在水泥窑三次风管上具有良好的使用效果.但是关于使用废弃红砖制备水性涂料的研究较少.

本研究以废弃红砖作为典型建筑废物,通过正交试验的研究方法,探究乳液种类、乳液百分比、成膜助剂和增稠剂等因素对涂料性能的影响,并给出适宜的添加范围,提出了砖质建筑废物制备水性涂料的工艺路线,为建筑废物资源化提供新途径.

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验中所使用的材料如表1所示.

表1 实验材料

将红砖经过鄂式破碎和电磁粉碎两级破碎后,过80目筛,筛下物即为实验所用初始原料.(10)、(50)和(90)分别表示低于此粒径值的颗粒含量分别占总体的10%、50%和90%,[4,3]为颗粒的等体积平均粒径,其计算式如下:

其特征粒径(10)、(50)和(90)分别为3.97μm、25.5μm和85.7μm,体积平均粒径[4,3]为36.6μm.废弃红砖微粉的化学组成见表2,主要以Si和Al为主要元素.

表2 废弃红砖微粉化学组成(以氧化物计)

1.2 正交试验设计

本实验采用5因素3水平正交试验设计,对水性涂料中的主要成分进行分析,选择乳液种类、乳液百分比、醇酯十二、丙二醇和增稠剂含量作为研究因素,正交试验因素水平表见表3.

表3 正交试验因素水平表

1.3 浆料制备

1.3.1 浆料 按质量计,取50%的废弃红砖微粉(133g)与相应百分比的乳液,加入3%的去离子水与适量分散剂,搅拌均匀后置于尼龙罐中,球磨珠为氧化锆研磨球,球料比6:1.将尼龙罐置于行星式球磨机中,转速500r/min,球磨300min后得到涂料浆料.

1.3.2 浆液 将增稠剂与5%的去离子水混合均匀得到浆液1,将相应比例的醇酯十二、丙二醇、消泡剂与剩余的去离子水混合均匀得到浆液2.

1.3.3 调漆 将浆料与浆液2进行混合,加入适量消泡剂后剪切搅拌10min,转速200r/min,然后加入浆液1剪切搅拌5min,转速150r/min,最终即得水性涂料.

1.4 性能测试

根据国标对漆膜[26]进行制备,并测试涂料的粘度[27]、耐冻融性[28]和干燥时间[29],以及涂层的附着力[30]和硬度[31].粘度测试采用涂-4杯测定,以涂料流出时间记;表干时间采用吹棉球法测定; 附着力测试中等级一级、二级、三级、四级、五级、六级、七级分别以数字7、6、5、4、3、2、1;涂层硬度以摆杆阻尼次数记.

2 结果与讨论

2.1 正交试验结果

正交试验及相关性能的测试见表4.

2.2 涂层外观

正交试验各组配方的涂层外观如图1所示.部分组别配方的涂层出现一定程度的涂层缺陷,主要包括缩孔和气泡,这两种缺陷均与消泡剂的使用有关.乳液、增稠剂等物质在水性涂料制备过程中容易造成体系中出现大量气泡,从而影响体系中各类物质的均一性,因此通过消泡剂来降低水性涂料体系的表面张力.消泡剂以不溶解于发泡介质的液滴形态存在于涂料体系中,液滴具有一定的大小.当液滴较大时,涂层表面存在高、低表面张力区,且表面张力差值较大,涂层液体容易从低表面张力区移动至高表面张力区,在涂层表面出现边缘上隆而中心下凹的缩孔.当液滴较小时,消泡剂液滴小于气泡壁厚,消泡能力下降,因此涂刷干燥过程中造成涂层表面的不均匀.

表4 正交试验及性能测试

注:低温稳定性各等级,10:涂料呈完全悬浮状态;8:调刀下降过程中有明显沉降触感;6:调刀上出现明显的沉降块;4:调刀无法以自重落到底部,结块较厚;2:结块严重,有坚硬块状物.

配方2、9、10、15的涂层表面出现缩孔缺陷,其中配方10、15缩孔密集,说明该配方中消泡剂在制备过程中分散不够充分,液滴直径较大,导致涂层的表面张力分布不均匀.配方6、13、14、16的涂层表面出现气泡缺陷,涂层表面不均匀,表明消泡剂在此体系中易于分散,造成液滴直径过小,分散性能欠佳.

图1 各组配方涂层外观

2.3 各因素对涂料性能的影响

2.3.1 粘度 涂料的粘度采用涂4杯进行测试,涂料的流出时间越长,则涂料的粘度越大,反之则越小.图2为各因素对流出时间的影响,其中增稠剂的方差(2)显著大于其他各因素,表明涂料产品的粘度完全受增稠剂含量的影响,其他因素的影响基本可以忽略.增稠剂的添加量为1‰,1.5‰和2‰所对应的平均流出时间分别为39.38s,75.25s和113s,其流出时间均在涂4杯测试范围内,符合相关标准要求.涂料的粘度影响其在使用过程中的涂刷效果,粘度过低易出现流挂现象,粘度过高又会造成施工困难.实验中发现1‰增稠剂添加量的涂料过稀,1.5‰和2‰的添加量可以涂刷出正常的涂层,且不会对涂刷造成阻碍.因此增稠剂的添加量建议为1.5‰~2‰.

图2 各因素对涂料流出时间的影响

图3 各因素对涂层表干时间的影响

2.3.2 表干时间 表干时间较大会增长两次涂刷的间隔时间,不利于施工过程的顺利进行.表干时间过短,涂层表面干燥成型,但涂层内部仍为湿软状态,其干燥过程会继续收缩,致使涂层表面出现裂纹等缺陷的出现.因此需要对表干时间进行一定的控制,使其既减小涂刷的间隔时间,又可保证涂层的美观.由图3可知,所有配方的涂料表干时间均小于32min,不同因素对涂料表干时间影响的方差大小依次为:丙二醇>醇酯十二>乳液含量>乳液种类>增稠剂,其中丙二醇和醇酯十二均属于成膜助剂,它们的含量对表干时间的长短起主导作用.随着醇酯十二的增多,砖粉水性涂料的最低成膜温度逐渐降低,因此其表干时间缩短,有利于快速成膜.丙二醇在涂料体系中起到慢干剂的作用,一定程度延长表干时间.在实验添加范围内,表干时间与丙二醇添加量呈正相关.结合涂层外观情况,当醇酯十二添加量为1.2%或2%,且丙二醇添加量为2.25%或3%时(配方2、9、10、16),涂层易出现缩孔缺陷.因此以表干时间和涂层情况为参考指标,最终确定醇酯十二和丙二醇的添加范围分别为0.4%~1.2%和3%~3.75%.

2.3.3 附着力 附着力反映的是涂层与底材之间的粘结程度,乳液种类及乳液含量是影响涂层附着力等级的关键因素,其方差远大于其余三种因素.对于不同种类的乳液,苯丙乳液制备出来的砖粉水性涂料的附着力较大,附着力平均值为5.625,表明砖粉与苯丙乳液的适应性相对较好.硅丙乳液的附着力平均值仅为3.75,说明其不易与砖粉组分形成较好的结合关系,从而影响与底材之间的粘结效果.

图4 各因素对涂层附着力的影响

附着力数值随乳液含量增大呈上升趋势,且当乳液含量为30%时,附着力可达到5.75.当乳液含量较低时,乳液分子对涂层与底材之间的粘结作用贡献较小,此时附着力体现在砖粉与底材之间的作用.乳液含量升高时,乳液分子可充分介于砖粉颗粒和底材之间,形成较好的粘附效果.

2.3.4 硬度 涂层硬度是表示涂层机械强度的主要指标之一,反映当其他物体作用在涂层较小表面时涂层产生的变形能力.硬度越高则变形越小,外界物体与涂层接触时越不容易在其表面留下痕迹.填料种类及含量、乳液种类及含量、填料与乳液结合情况、成膜效果均是影响涂层硬度的影响较大,纯丙乳液和硅丙乳液涂料的平均硬度较低,分别为83.75和79.25次,苯丙乳液的涂料的因素.由图5可知,涂层硬度受乳液种类及含量可达到92.25次,说明苯丙乳液与砖粉所形成的涂层相较于其他两种乳液“质硬”.

另一方面,砖粉颗粒在乳液含量较少情况下无法有效结合,当外界施加作用力在涂层表面时,表层颗粒极易脱落,并进而对内层结构造成破坏,因此表现为硬度较低,乳液含量20%时平均次数仅为84次.当乳液含量升高为30%时,摆杆阻尼次数可达93.25次,此时乳液分子与砖粉颗粒形成较好的共存体系,填料与乳液结合密切,所形成的涂层更为致密.

图5 各因素对涂层硬度的影响

2.3.5 低温稳定性 各因素对涂料低温稳定性的影响如图6所示,砖粉水性涂料在低温环境下的稳定性主要受成膜助剂的影响.当丙二醇不仅有利于涂料的成膜过程,同时可降低涂料体系的冰点,起到防冻剂的作用.因此丙二醇含量较低时,砖粉水性涂料在低温环境中容易结块,且恢复室温后,无法满足均一体系的要求.当添加量大于3%时,涂料不易凝结成固体,体系中的有机组分和无机组分仍能很好地互溶,具备良好的低温储存能力.醇酯十二与丙二醇的作用效果相反,其含量的增多会降低砖粉水性涂料的低温稳定性.因而,醇酯十二的使用量应控制在较低的使用范围中.

图6 各因素对涂料低温稳定性的影响

表5 优化配方各组分含量及涂料性能测试

图7 优化配方涂层外观情况

2.4 配方优化

根据正交试验结果,选择苯丙乳液作为基体材料,并对各因素的最佳添加范围进行验证.试验结果如表5所示,涂料的流出时间范围为42~78s,表干时间14~27min,附着力等级一至三级,摆杆阻尼88~ 103次,低温稳定性可达评价指标8以上.图7为涂层的外观情况,各试验配方涂层表面完整,且均未出现明显缺陷.优化试验结果表明,所测试的性能符合相关标准要求,且具有良好的性能及外观.因此,各因素的最佳添加范围为苯丙乳液25%~30%,醇酯十二0.4%~1.2%,丙二醇3%~3.75%,增稠剂1‰~ 1.5‰.

3 结论

3.1 乳液种类及添加量、醇酯十二和丙二醇的添加量对废弃红砖水性涂料的粘度影响较小,其主要受增稠剂添加量的影响,为确保良好的施工性能,建议增稠剂添加量为1‰~1.5‰.

3.2 表干时间和低温稳定性与醇酯十二和丙二醇的添加量有关,当醇酯十二含量0.4%~1.2%,丙二醇含量3%~3.75%时,砖质水性涂料在低温环境下不变质结块.

3.3 附着力和硬度受乳液种类和添加比的影响,相较于纯丙乳液和硅丙乳液,苯丙乳液和废弃红砖微粉间具有更好的相容性,成膜效果更好.在实验的乳液添加量范围内,附着力和硬度随乳液添加量增加而变大,因此乳液添加比建议为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

郑 毅(1995-),男,河北邯郸人,同济大学硕士研究生,主要从事固体废弃物处理处置与资源化.

2018-07-20

重庆市生活垃圾资源化处理协同创新中心资助项目(Shljzyh2017-006)

* 责任作者, 教授, zhaoyoucai@tongji.edu.cn