粉煤灰在水性外墙涂料中的应用研究

朱雪皎，吕洁茹，王永秋，刘德远，程秋苹，张雪芹，孙登明

（1.淮北师范大学 化学与材料科学学院，安徽 淮北 235000；2.淮北庆丰涂料有限公司，安徽 淮北 235000）

0 引言

粉煤灰主要来源于火力发电厂，属于工业废料. 我国粉煤灰的存储高过10亿吨，并且仍处于上升趋势. 预计2020年我国粉煤灰生产量会突破5亿吨/年［1］. 大量的粉煤灰如果不及时处理将会对环境造成巨大的伤害，会侵占耕地、污染水源、引起扬尘、造成空气质量下降［2-3］. 粉煤灰在欧美等发达国家的利用率较高，日本对粉煤灰的利用率高达100%［4］. 然而粉煤灰在我国利用率相对较低，目前我国的粉煤灰主要用于制造混凝土［5］、铺路［6］、建筑材料［7］. 但是这些方案也不足以消灭全部的粉煤灰，所以必须开发出更多的途径去合理地利用粉煤灰以减少环境压力，与此同时还能创造经济价值，保护环境，并符合绿色化学的理念. 粉煤灰可充当无机材料，相对于有机材料有更好的耐热性、耐候性、表面硬度高、低毒等优点［8］，另外粉煤灰化学性质稳定，作为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，在不改变传统生产工艺的基础上，研究粉煤灰替代不同填料后涂料的性能，以及粉煤灰掺杂对水性外墙涂料的性能，依据国标测试该涂料的耐水、耐洗刷、耐碱等性能，因粉煤灰的价格较低，资源丰富，不仅降低涂料的生产成本，而且提高产品的市场竞争力.

1 实验部分

1.1 仪器与原料

1.1.1 主要仪器

QFS型涂料耐洗刷测定仪（天津市世博伟业化玻璃仪器有限公司）；电热鼓风干燥箱（上海一恒科学仪器有限公司）；数显变频分散机（安徽炎信生物科技有限公司）；电动喷枪HD3020（浙江普莱得电器有限公司）；数字式粘度计NDJ-5S（上海绩泰电子科技有限公司）；FA1104 电子天平（上海横平仪器仪表厂）；扫描电子显微镜（日本电子株式会社）；高速粉碎机（永康市铂欧五金制造品有限公司）；盐雾试验机（上海邦亿精密量仪有限公司）.

1.1.2 主要原料

消泡剂、纤维素、氨水、分散剂、非离子润湿剂、丙二醇、钛白粉、煅烧高岭土、硅灰石粉、重钙、成膜助剂、外墙苯丙乳液、聚氨酯流平剂、缔合型增稠剂、粉煤灰、氢氧化钙、洗衣粉等均为工业级.

1.2 实验方法

向分散机料筒中依次加入适量的去离子水、消泡剂、2%纤维素（3万）、氨水、非离子润湿剂、分散剂、丙二醇后，先在低速下搅拌均匀（约10 min）. 用粉煤灰依次替换原传统的4个填料（重钙、高岭土、硅灰石粉、钛白粉），在分散机中高速分散30 min，确保分散均匀. 最后添加成膜助剂、苯丙乳液、消泡剂、流平剂、增稠剂和适量的水，搅拌分散均匀即可.

工艺流程图：

将制备得到的粉煤灰涂料产品用100目的纱网过滤，滤液装入电动喷枪均匀喷涂在测试板上（无石棉纤维增强水泥加压平板符合JC/T 412.1-2006），经过露天晾干后的测试板进行相关性质的测试.

2 结果与讨论

2.1 粉煤灰前处理

2.1.1 烟道灰

经简单处理过的烟道灰可直接通过160 目筛，用扫描电子显微镜查看，结果见图1. 未经研磨处理的烟道灰粒度在200 μm以下.

取适量过160 目筛后的烟道灰于高速粉碎机中，粉碎研磨不同时间，用扫描电镜测试，结果如图2.

图1 粉煤灰的扫描电镜图

图2 粉煤灰在不同研磨时间下的扫描电镜图

由图2可见，不同研磨时间的烟道灰颗粒都小于30 μm. 且外观上粉碎过后的烟道灰颜色更黑.

2.1.2 粉煤灰

粉煤灰取于工地堆放处，含有较多水分，有较多结块不宜直接实验，故需要先经过烘箱充分烘干脱水.

取适量的未经处理的粉煤灰铺开盛放在托盘中. 烘箱设置120 ℃，烘干2 h后自然冷却. 4次称取400 g未经处理的粉煤灰，经过充分振荡过筛得到不同“目系”级别的粉煤灰（见图1）.

表1 粉煤灰过筛情况 g

称量过筛后的粉煤灰，发现其颗粒大小范围，60目系占比为3.7%，80目系占比为30%，160目系占比为63%，总体来说160目系的占比较高. 本实验主要使用的是160目的粉煤灰.

2.2 粉煤灰涂料的制备

本实验用两种粉煤灰进行实验，第一种是烟道灰，烟道灰是烟囱里残留的灰，颗粒较普通粉煤灰细一点，杂质较多，成分也不尽相同，所以性质也有所差别. 第二种就是普通粉煤灰. 为方便区分，这里分别用烟道灰和粉煤灰表示.

2.2.1 烟道灰添加量对水性外墙涂料性能的研究

分别将传统的填料等比例减少，并使用烟道灰代替，运用上述相同的制备流程制备得到烟道灰涂料，并进行耐水性、耐碱性、耐冻融性等粉煤灰涂料性能试验，如表2.

表2 烟道灰添加量对涂料的影响

测定方法严格依据国标GB/T 9266-2009、GB/T 1733-1993、GB/T 9265-2009、JGT 25-1999进行.

由表2可知，不同比例的烟道灰制备的涂料，其耐冻融性和耐碱性与之前的参照品没有明显区别，性能优异，但是其耐洗刷性质有着明显变化，烟道灰的比例越高涂料涂层的耐洗刷性越低，若全以烟道灰当做填料则不满足涂料基本要求，另外烟道灰比例越高，在耐水性测试中水渍现象越明显，烟道灰占比越高，涂料涂层的光泽度也会随之下降.

经过粉煤灰掺杂对水性外墙涂料性能的研究，依次用烟道灰代替原有外墙工程乳胶漆中的填料，得到的产品能经受耐洗刷、耐碱性、耐冻融等检验. 不难看出以烟道灰充当填料可以满足外墙工程乳胶漆的基本条件.

2.2.2 粉煤灰添加量对水性外墙涂料性能的研究

向数字变频分散机料筒中依次加入适量的去离子水、消泡剂、2%纤维素（3万）、氨水、非离子润湿剂、分散剂、丙二醇后，先在低速下搅拌均匀（约10 min），用粉煤灰代替全部填料，在分散机中高速分散30 min，确保分散均匀. 最后添加成膜助剂、苯丙乳液、消泡剂、流平剂、增稠剂和适量的水，搅拌分散均匀即可.

将制备得到的粉煤灰涂料产品用100的目纱网过滤，滤液装入电动喷枪均匀喷涂在测试板上（无石棉纤维增强水泥加压平板符合JC/T 412.1-2006），经过露天晾干后的测试板进行相关性质的测试. 经检验，各性质均符合国际标准（GB9756-2018），且优于烟道灰.

2.2.3 乳液和纤维素的选择对粉煤灰涂料性能的影响

正交实验法（四因素三水平）见表3；乳液种类：东联104，巴德富858，罗斯福2892T；乳液用量：80，100，120；纤维素种类：3万，10万，纤维素醚；纤维素用量：45，60，75.

表3 设计正交表

按表3所示组合方式添加乳液和纤维素，共做得9组实验，分别测其耐水性、耐碱性、耐洗刷性及耐冻融性.

2.3 涂料性能测试

2.3.1 烟道灰涂料

用烟道灰依次替换原传统的4个填料（重钙、高岭土、硅灰石粉、钛白粉），然后做其性质实验.

2.3.1.1 耐洗刷测试

配制200 mL pH为10洗衣粉溶液，用作洗刷介质. 按照GB/T 9266-2009标准对毛刷进行处理，之后固定好晾干一个星期的测试板在涂料耐洗刷测定仪上进行耐洗刷测试，结果见表4. 洗刷500次涂层未破损为合格品，洗刷1 000次涂层未破损为一等品，洗刷2 000次涂层未破损为优等品.

表4 耐洗刷性试验

根据表4显示，用烟道灰代替原有外墙工程乳胶漆中的4个填料进行耐洗刷测试，发现依次用烟道灰代替4个填料粉刷过后的石棉板都达到合格标准，其中代替高岭土和重钙的耐洗刷程度相似都达到一级品的标准，代替硅灰石粉的效果最好达到优等品的等级.

2.3.1.2 耐水性、耐碱性、耐冻融性测试

耐水性：将喷有涂料的测试板晾干一个星期后分别浸泡在水中96 h，检查是否出现起泡、掉粉、明显变色等涂膜病态现象的现象，未出现则为无异常（依据国标GB/T1733-1993 漆膜耐水性测定法）.

耐碱性：将喷有涂料的测试板露天晾干一个星期后分别浸泡在饱和的氢氧化钙水溶液中48 h，检查测试板上的涂料涂层是否出现起泡、掉粉、明显变色等涂膜病态现象，未出现则为无异常（依据国标GB/T 9265-2009 建筑涂料涂层耐碱性的测定）.

耐冻融性：将喷有涂料的测试板露天晾干一个星期后将测试板置于水温为23 ℃的恒温水槽中，浸泡18 h，然后在低温-20 ℃下冷冻3 h，转到烘箱中50 ℃左右. 恒温3 h，浸泡18 h，冷冻3 h，恒温3 h为一个循环. 循环3次后检查测试板上的涂料涂层是否出现起泡、掉粉、明显变色等涂膜病态现象，未出现则为无异常现象（依据国标JGT 25-1999建筑涂料涂层耐冻融循环性测定法）.

表5 耐水性、耐碱性、耐冻融性

根据表5显示，使用粉煤灰替换传统涂料中的重钙、硅灰石粉、钛白粉、高岭土等填料，其耐水性、耐碱性、耐冻融等性质较为良好，且都没有出现涂料病态的现象，符合涂料的相关测试标准.

2.3.2 普通粉煤灰涂料

性质实验见表6. 耐水性96 h：未出现起泡、掉粉、明显变色等涂膜病态现象为无异常. 耐碱性48 h：未出现起泡、掉粉、明显变色等涂膜病态现象无异常. 耐冻融性：做3次循环（水中浸泡18 h，冷冻3 h，热烘3 h为一次循环），未出现粉化、开裂、起泡、剥落、明显变色等涂膜病态现象无异常. 耐洗刷性：洗刷500次涂层未破损为合格品；洗刷1 000次涂层未破损为一等品；洗刷2 000次涂层未破损为优等品.

表6 性质测试表

由表6可知粉煤灰可直接作为唯一填料应用于外墙涂料中时，改变其乳液种类、用量、纤维素种类用量时且其耐水性、耐碱性、耐冻融等涂膜性质均符合国家标准. 当增长实验时间时，纤维素用量越多耐水性越差. 根据计算得知纤维素用量是其主要影响因素. 纤维素种类和纤维素用量影响耐洗刷性，当纤维素种类确定，用量较少时，耐洗刷性差，容器内涂料状态下层沉淀易结块，不易搅拌；纤维素用量较多时耐水性差. 所以应根据经济原则及涂料性质要求自行搭配.

2.4 应用试验

应用试验采用安徽某新型建材有限责任公司生产的玻镁板，该玻镁板具有以下缺陷：在湿度较高的环境中该玻镁板表面会出现湿漉漉的回潮现象，在干燥的环境中该玻镁板表面会析出大面积的白色碱状物（浸出金属盐等物质），该板是一种理想的实验对象. 将烟道灰涂料和粉煤灰涂料使用电动喷枪将烟道灰涂料均匀喷涂在该玻镁板表面，自然晾干后进行性能的测试.

耐潮湿测试：将喷涂涂料晾干后的玻镁板放入盐雾试验机中，设置参数为35 ℃，控制湿度为90%，在此实验条件下持续实验96 h得出实验结果（测定依据GB/T 33544-2007）. 喷涂烟道灰涂料后，该板回潮现象有所减少，并且无涂料脱落等现象，一定程度上解决回潮问题. 喷涂过粉煤灰涂料后，该板不再出现回潮现象，并且也无油漆脱落等现象，很好地解决回潮问题.

遮盖能力测试：选用已经发白的玻镁板进行实验，等待涂料晾干后观察其覆盖能力. 实验发现两种涂料都具有良好的遮盖效果，粉刷过后的玻镁板观察不到原来白色碱状物的痕迹. 说明制备的两种涂料有一定的防潮能力、很好的遮盖能力，即一定的市场应用前景.

从实验结果看出制备的粉煤灰涂料具有更好的遮盖能力和耐回潮能力，其实验成果也得到该厂家的认可.

3 结论

使用粉煤灰替换传统涂料中的填料，制备新的粉煤灰涂料，并对粉煤灰掺杂对水性外墙涂料性能进行研究，涂料具有良好的耐洗刷性、耐水性、耐碱性和耐冻融性. 涂料的各项性能符合国家标准. 由于粉煤灰涂料颜色接近水泥的颜色，可以在外墙工程乳胶漆、外墙真石漆等涂料当中被开发利用.