贝壳粉弹涂料的研制及性能分析

盖广清，叶柄杨

吉林建筑大学 建筑节能技术工程实验室,长春 130118

近年来,我国水产养殖业逐渐发展壮大,贝类水产品中的贝壳占其总质量的60 % 以上，却没有被正确利用研究.这样不仅造成了严重的资源浪费，还会导致环境的污染,给人们的身体健康带来危害[1].贝壳中95 %左右为碳酸钙(CaCO3),其余约5 % 为糖蛋白、多糖、甲壳素和其它蛋白质等有机质[2-3].贝壳具有优异的力学性能,研究发现贝壳珍珠层的杨氏模量为60 GPa～70 GPa,抗拉强度达到了140 MPa～170 MPa,是自然界碳酸钙抗拉强度的3 000倍[4-5].本文的贝壳粉弹涂料是一种干粉涂料,由可再分散乳胶粉、颜填料以及各种功能性粉末助剂混合而成[6].在涂料中掺入无机黏结料,使涂料在保持有机聚合物基料黏结力的同时增加了涂膜的黏结料比例,进一步提高了涂膜的内聚力.将贝壳粉与各种涂料助剂混合应用于干粉涂料的生产,具有原料易得、生产成本低廉、无污染、改善环境、节能减排等优势,顺应了涂料的发展趋势[7].

1 实验部分

1.1 实验主要原材料与仪器

贝壳粉(辽宁圣岛纳米贝壳生物科技有限公司),灰钙粉(天津灰钙粉建材有限公司),CR 501重钙粉(沈阳顺丰实业集团有限公司),高岭土(内蒙古三保高岭土有限公司),滑石粉(长兴龙峰粉体材料有限公司),金红石型钛白粉(沈阳顺丰实业集团有限公司),可再分散乳胶粉(柳州青龙建材有限公司),15 us羟丙基甲基纤维素醚(韩国三星化学),分散剂(上海建涂国际贸易有限公司),消泡剂(上海博易和化工有限公司),防菌杀菌剂(河南恒协化工制品销售有限公司).BGD 526耐洗刷仪,QFZ型漆膜附着力试验仪,STM-V斯托默粘度计等.

1.2 实验方法

将贝壳粉作为干粉涂料的功能填料,外掺灰钙作为活性剂,重钙作为骨架填料,高岭土作为添加剂,掺入可再分散乳胶粉以及其它功能型助剂加入水中搅拌,静置片刻,待泡沫逐渐消除,用软毛刷或弹涂装置弹涂至事先准备好的水泥试板上,然后测试不同材料掺量对涂料性能的影响.

1.3 正交实验设计

综合考虑各因素对本实验结果的影响,确定选取贝壳粉、重钙、灰钙、可再分散乳胶粉4种影响因素,每个因素取3个水平,配方设计过程中水的质量与涂料质量比为2∶1,钛白粉用量为26 g,高岭土25 g,羟丙基甲基纤维素醚用量为10 g,助剂用量为0.4 %～1.5 %.正交实验因素水平见表1所示.

表1 正交实验因素水平

2 实验结果分析

2.1 涂料配比分析

采用正交表安排实验,将正交实验下的9组涂料产品进行涂层的耐洗刷性、粘度和附着力进行性能测试,并将测试结果进行数据分析.正交实验结果见表2,正交实验结果极差分析见表3，并绘制各因素效应曲线见图1,分析各因素用量对贝壳粉弹涂料的影响规律,最终确定最优的配方组合.表3中K1,K2,K3为各测试项水平因素结果的平均值,R表示各水平因素平均值的极差.

表2 正交实验结果Table 2 Orthogonal experimental results

表3 正交实验结果极差分析Table 3 Range analysis of orthogonal experiment results

续表3

(a) 因素水平对耐洗刷性的影响 (b) 因素水平对粘度的影响 (c) 因素水平对附着力的影响图1 因素效应曲线Fig.1 Factor effect curves

由图1(a)可见,贝壳粉弹涂料的耐洗刷性随着可再分散乳胶粉掺量的增加而提高；随着贝壳粉掺量的增加而降低,由于可再分散乳胶粉在涂料体系中可形成紧密的光滑涂膜,进而涂料的耐洗刷次数也相应增加.由图1(b)可见,贝壳粉弹涂料的粘度随着可再分散乳胶粉掺量的增加而提高;随着贝壳粉掺量的增加而提高,这是由于贝壳粉的比表面积大,在制备涂料过程中与水接触且需要被水包裹的面积也较大,从而具有较高的粘度；由图1(c)可见,贝壳粉涂料的附着力随着可再分散乳胶粉掺量减少而明显提高,低于120 g则有所降低;随着贝壳粉掺量增加而降低,超过330 g则逐渐提高;随着灰钙的减少而升高.这是由于贝壳粉增加使涂料粘度提高,成膜物质减少使涂料间连结的更加紧密.由于重钙与灰钙在涂料中分别起骨架与活性填料的作用,所以由图1中(a)和(b)可见，随着重钙与灰钙掺量的减少,涂料的耐洗刷性及粘度变化虽不明显，但均有所降低.

由极差分析表明,对于耐洗刷性,优化方案为A1B2C1D1.对于粘度而言,优化方案为A3B1C2D1.对于附着力而言,优化方案为A1B3C3D2.由于当贝壳粉掺量过大时涂料的耐洗刷性以及附着力明显下降,从节约资源和贝壳粉弹涂料综合性能考虑,选择A2B3C2D2.为最佳基料及填料掺量,涂料不仅有优异的粘性,附着力和耐洗刷性均比较好.

2.2 涂料一般性能测试

确定涂料配方,贝壳粉330 g,重钙200 g,高岭土25 g,灰钙200 g,可再分散乳胶粉120 g,羟丙基甲基纤维素醚10 g,分散剂3 g,消泡剂2 g,防菌杀菌剂5 g.配制涂料对其进行一般性测试见表4.

表4 贝壳粉弹涂料一般性能测试Table 4 General performance test of shell powder elastic coating

3 结论

(1) 贝壳粉弹涂料的耐洗刷性随着可再分散乳胶粉掺量的增加而提高;随着贝壳粉掺量的增加而降低.

(2) 贝壳粉弹涂料的粘度随着可再分散乳胶粉掺量的增加而降低;随着贝壳粉掺量的增加而提高.

(3) 贝壳粉弹涂料的附着力,随着灰钙掺量的减少而升高,随着可再分散乳胶粉掺量减少而明显提高,低于120 g则有所降低;随着贝壳粉掺量增加而降低,超过330 g则逐渐提高.

(4) 重钙与灰钙对贝壳粉弹涂料的耐洗刷性以及粘度影响较小.

(5) 通过正交实验,对贝壳粉弹涂料的耐洗刷性、粘度、附着力,以及其它性能的研究,确定贝壳粉弹涂料中的各主要填料比例为：贝壳粉∶重钙∶高岭土∶灰钙=13.2∶8∶1∶8.