铸造废弃砂为原料制备氟碳彩砂及性能优化研究

2024-01-10张于涛陈高顺罗炜萍雷建东赖钟斌张晓凯陈均瑶肖旺钏

山东化工 2023年22期

张于涛,陈高顺,罗炜萍,雷建东,赖钟斌,张晓凯,陈均瑶,肖旺钏

(1.中机铸材科技(福建)有限公司,福建三明 365500;2.三明学院资源与化工学院,福建三明 365004)

彩砂因其色泽鲜艳、耐候性良好等特点,在现代建筑装修、屋顶涂料等应用领域有着十分广泛的用途[1]。彩砂可分为天然彩砂和人造彩砂。天然彩砂属于不可再生资源,资源有限,且其可供开采量越来越少,日渐枯竭,已经难于满足现今高速发展的建筑行业对彩砂用量的需求以及对高品质彩砂产品的要求。人造彩砂是由白色或浅白色的石英砂经人工着色制得,与天然彩砂相比,人造彩砂颜色较为丰富,且硬度较高,但现有技术下制得的彩砂质感仍较差[1]。迄今为止,现有人造彩砂的制备方法主要包括:常温染色法、无机颜料直接染色法、树脂固化法、高温烧结法、陶瓷彩釉法、搪瓷法、硅酸盐废渣法、利用尾矿制备彩砂等[2-6]。

氟碳树脂分子结构中的C-F键呈对称分布,电子云不发生偏移,呈非极性,具有较高的键能(约486 kJ/mol);另外,氟原子半径小,电负性大且极化率很低,C-F键在受热、光作用时难以断裂,因此,氟碳树脂具有优异的耐候性。由于含氟材料表面能较小,且其分子结构中氟原子多集中于表面,因而氟碳树脂具有极好的疏水性(最大吸水率<5%)、疏油性且摩擦系数极小(0.15～0.17),表现出良好的非黏附性、低摩擦性、耐腐蚀性等[7-11]。为减少人造彩砂制备过程中选用传统涂料导致的环境污染问题,氟碳树脂处理后获得的彩砂产品相对而言具有环境友好性。另外,涂料所含的挥发性有机化合物是导致光化学烟雾等大气污染的主要原因之一,而氟碳树脂涂料具有较好的耐候性,可大大减少重涂的次数,因而可以有效地减少挥发性有机化合物的排放。低挥发性有机化合物的排放也在一定程度上减少了二氧化碳的排放,这具有重要的环保效应[12-13]。

常见的可溶性氟碳树脂有两种,其中,具有交替共聚结构的FEVE树脂结构如图1所示,它是由含氟乙烯(FE)和乙烯基醚(VE)经共聚反应生成[14]。氟碳树脂中含氟原子的特殊性,使其具有良好的耐候性、耐腐蚀性等优良特性[15]。本研究采用铸造废弃砂为原料,氟碳树脂为成膜剂,以无机颜料、水、油酸钠等为添加剂制备彩砂,并对制备条件和彩砂性能进行分析,为铸造废弃砂的高附加值利用提供了新的途径。

图1 水性氟碳树脂结构图

1 实验部分

1.1 主要试剂

铸造砂再生砂由本公司自制,粒径0.85 mm;水性氟碳乳液(固含量30%,上海卓瑜科技有限公司),色料(上海申虹颜料有限公司),油酸钠(阿拉丁试剂),聚乙二醇(分子量6 000,阿拉丁试剂),氢氧化钠、硫酸、硝酸、硫酸等试剂均为分析纯。

1.2 主要仪器

主要仪器:超声波清洗器,磁力搅拌器,电动搅拌器,钥匙,圆底烧瓶,烧杯,玻璃棒,电子天平等。

1.3 氟碳彩砂制备

典型样品制备:采用的铸造废弃水玻璃砂再生砂作为原料100 g,水性氟碳树脂30 g,聚乙二醇、油酸钠等预先分散在水性氟碳树脂中,在超声溶解池溶解30 s,氟碳树脂事先用水稀释1倍。再生砂与水性氟碳树脂充分搅拌分散均匀后放入温度为150 ℃烘箱进行高温烘烤,使水性氟碳树脂更好地黏附在砂子表面,染色更加均匀。

1.4 样品检测

本研究均依照《建筑饰面用彩砂(JC/T 2328—2015)》行业标准对彩砂进行各项性能测试。

附着力测试:取3 g左右2号砂子加20 mL水用磁力搅拌器在800 r/min下搅拌,5 min左右开始有褪色现象,表明黏附性较弱。

耐水性:称取彩砂试样100 g放入500 mL的烧杯中,用水清洗彩砂,将水倒掉,再重复一次。加入400 mL的蒸馏水浸泡168 h,然后用搅拌棒搅拌试样约1 min,静置30 s,观察烧杯中的水是否有浑浊变色现象。

耐沸水性:称取试样50 g放入250 mL烧瓶中,用水清洗彩砂,将水倒掉,再重复一次。加入200 mL的蒸馏水,然后将烧瓶放置在加热器上煮沸20 min,冷却至室温,观察烧瓶中的水是否有明显浑浊变色现象以及砂粒是否有结团现象。耐酸性:称取彩砂试样100 g放入500 mL的烧杯中,用水清洗彩砂,将水倒掉,再重复一次。加入400 mL质量分数为5%的硫酸(H2SO4)溶液,浸泡24 h后,用搅拌棒搅拌试样约1 min,静置30 s,观察溶液是否有浑浊变色现象。

耐碱性:称取彩砂试样100 g放入500 mL的烧杯中,用水清洗彩砂,将水倒掉,再重复一次。加入400 mL的碱溶液,浸泡24 h后,用搅拌棒搅拌砂粒约1 min,静置30 s,观察溶液是否有浑浊变色现象。墙刷用彩砂的浸泡碱液为饱和Ca(OH)2上清液,地面用彩砂的浸泡碱液为质量分数为5%的氢氧化钠(NaOH)溶液。耐溶剂性:称取经过水清洗并干燥的试样50 g放入250 mL的锥形瓶中,然后倒入二甲苯至150 mL刻度处。盖好瓶塞,浸泡24 h后,摇动锥形瓶约1 min,静置30 s,观察锥形瓶中的溶液是否有浑浊变色现象。

耐紫外光照:1)用电子天平分别称取约200 g纯丙乳液和约600 g彩砂置于塑料容器中,用手工搅拌均匀;2)将容器放置于实验室用电动搅拌机下,夹紧容器,开动搅拌机,以1 200 r/min的速度搅拌2 min作为试样,取出约50 g试样作为参考样,继续以1 200 r/min的速度搅拌剩余试样12 min,作为比对样;3)将参考样和比对样分别刮涂在同一块纤维水泥板上,刮涂面积相同,刮涂厚度约为1.5～2.5 mm;4)将纤维水泥试板在标准试验条件下养护24 h;5)结果评定:观察比对样与参考样有无明显颜色差异。

2 结果与讨论

2.1 着色效果优化

2.1.1 不同颜料用量

烘干温度150 ℃,改变颜料用量,得到结果如表1所示,当颜料用量低于0.6%时,包裹性不足,彩砂出现露白现象;其用量高于0.6%时,彩色可以得到均匀的包裹。经上分析得出,颜料量控制在0.6%左右较为合适。

表1 颜料用量与着色效果关系

2.1.2 不同聚乙二醇用量

聚乙二醇作为水溶性高分子,可以降低表面张力,同时调节体系黏度。固定烘干温度150 ℃,表2为加入不同聚乙二醇用量与彩砂着色效果的关系。当聚乙二醇用量高于0.5%时,体系黏度适当,可以保证色料体系有好的流挂性能,实现对砂子的均匀包裹。当聚乙二醇用量低于0.5%时,体系黏度不够,彩砂表面无法着色均匀。

表2 聚乙二醇数据用量与着色效果关系

2.1.3 不同氟碳树脂用量

氟碳树脂作为主要成膜物质,不仅直接影响着色效果,其用量对后续的耐候性、附着力、耐磨性等性能均有影响。固定烘干温度150 ℃,表3为不同氟碳树脂用量与着色效果的关系,当氟碳树脂用量高于20%时,石英砂表面着色均匀,无露白现象,当氟碳树脂用量低于20%时,成膜物质不够,无法完全包裹石英砂表面,导致出现露白现象。