朱雪皎，呂潔茹，王永秋，劉德遠，程秋蘋，張雪芹，孫登明

（1.淮北師范大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，安徽 淮北 235000；2.淮北慶豐涂料有限公司，安徽 淮北 235000）

0 引言

粉煤灰主要來源于火力發(fā)電廠，屬于工業(yè)廢料. 我國粉煤灰的存儲高過10億噸，并且仍處于上升趨勢. 預(yù)計2020年我國粉煤灰生產(chǎn)量會突破5億噸/年［1］. 大量的粉煤灰如果不及時處理將會對環(huán)境造成巨大的傷害，會侵占耕地、污染水源、引起揚塵、造成空氣質(zhì)量下降［2-3］. 粉煤灰在歐美等發(fā)達國家的利用率較高，日本對粉煤灰的利用率高達100%［4］. 然而粉煤灰在我國利用率相對較低，目前我國的粉煤灰主要用于制造混凝土［5］、鋪路［6］、建筑材料［7］. 但是這些方案也不足以消滅全部的粉煤灰，所以必須開發(fā)出更多的途徑去合理地利用粉煤灰以減少環(huán)境壓力，與此同時還能創(chuàng)造經(jīng)濟價值，保護環(huán)境，并符合綠色化學(xué)的理念. 粉煤灰可充當無機材料，相對于有機材料有更好的耐熱性、耐候性、表面硬度高、低毒等優(yōu)點［8］，另外粉煤灰化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，作為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，在不改變傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，研究粉煤灰替代不同填料后涂料的性能，以及粉煤灰摻雜對水性外墻涂料的性能，依據(jù)國標測試該涂料的耐水、耐洗刷、耐堿等性能，因粉煤灰的價格較低，資源豐富，不僅降低涂料的生產(chǎn)成本，而且提高產(chǎn)品的市場競爭力.

1 實驗部分

1.1 儀器與原料

1.1.1 主要儀器

QFS型涂料耐洗刷測定儀（天津市世博偉業(yè)化玻璃儀器有限公司）；電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海一恒科學(xué)儀器有限公司）；數(shù)顯變頻分散機（安徽炎信生物科技有限公司）；電動噴槍HD3020（浙江普萊得電器有限公司）；數(shù)字式粘度計NDJ-5S（上?？兲╇娮涌萍加邢薰荆籉A1104 電子天平（上海橫平儀器儀表廠）；掃描電子顯微鏡（日本電子株式會社）；高速粉碎機（永康市鉑歐五金制造品有限公司）；鹽霧試驗機（上海邦億精密量儀有限公司）.

1.1.2 主要原料

消泡劑、纖維素、氨水、分散劑、非離子潤濕劑、丙二醇、鈦白粉、煅燒高嶺土、硅灰石粉、重鈣、成膜助劑、外墻苯丙乳液、聚氨酯流平劑、締合型增稠劑、粉煤灰、氫氧化鈣、洗衣粉等均為工業(yè)級.

1.2 實驗方法

向分散機料筒中依次加入適量的去離子水、消泡劑、2%纖維素（3萬）、氨水、非離子潤濕劑、分散劑、丙二醇后，先在低速下攪拌均勻（約10 min）. 用粉煤灰依次替換原傳統(tǒng)的4個填料（重鈣、高嶺土、硅灰石粉、鈦白粉），在分散機中高速分散30 min，確保分散均勻. 最后添加成膜助劑、苯丙乳液、消泡劑、流平劑、增稠劑和適量的水，攪拌分散均勻即可.

工藝流程圖：

將制備得到的粉煤灰涂料產(chǎn)品用100目的紗網(wǎng)過濾，濾液裝入電動噴槍均勻噴涂在測試板上（無石棉纖維增強水泥加壓平板符合JC/T 412.1-2006），經(jīng)過露天晾干后的測試板進行相關(guān)性質(zhì)的測試.

2 結(jié)果與討論

2.1 粉煤灰前處理

2.1.1 煙道灰

經(jīng)簡單處理過的煙道灰可直接通過160 目篩，用掃描電子顯微鏡查看，結(jié)果見圖1. 未經(jīng)研磨處理的煙道灰粒度在200 μm以下.

取適量過160 目篩后的煙道灰于高速粉碎機中，粉碎研磨不同時間，用掃描電鏡測試，結(jié)果如圖2.

圖1 粉煤灰的掃描電鏡圖

圖2 粉煤灰在不同研磨時間下的掃描電鏡圖

由圖2可見，不同研磨時間的煙道灰顆粒都小于30 μm. 且外觀上粉碎過后的煙道灰顏色更黑.

2.1.2 粉煤灰

粉煤灰取于工地堆放處，含有較多水分，有較多結(jié)塊不宜直接實驗，故需要先經(jīng)過烘箱充分烘干脫水.

取適量的未經(jīng)處理的粉煤灰鋪開盛放在托盤中. 烘箱設(shè)置120 ℃，烘干2 h后自然冷卻. 4次稱取400 g未經(jīng)處理的粉煤灰，經(jīng)過充分振蕩過篩得到不同“目系”級別的粉煤灰（見圖1）.

表1 粉煤灰過篩情況 g

稱量過篩后的粉煤灰，發(fā)現(xiàn)其顆粒大小范圍，60目系占比為3.7%，80目系占比為30%，160目系占比為63%，總體來說160目系的占比較高. 本實驗主要使用的是160目的粉煤灰.

2.2 粉煤灰涂料的制備

本實驗用兩種粉煤灰進行實驗，第一種是煙道灰，煙道灰是煙囪里殘留的灰，顆粒較普通粉煤灰細一點，雜質(zhì)較多，成分也不盡相同，所以性質(zhì)也有所差別. 第二種就是普通粉煤灰. 為方便區(qū)分，這里分別用煙道灰和粉煤灰表示.

2.2.1 煙道灰添加量對水性外墻涂料性能的研究

分別將傳統(tǒng)的填料等比例減少，并使用煙道灰代替，運用上述相同的制備流程制備得到煙道灰涂料，并進行耐水性、耐堿性、耐凍融性等粉煤灰涂料性能試驗，如表2.

表2 煙道灰添加量對涂料的影響

測定方法嚴格依據(jù)國標GB/T 9266-2009、GB/T 1733-1993、GB/T 9265-2009、JGT 25-1999進行.

由表2可知，不同比例的煙道灰制備的涂料，其耐凍融性和耐堿性與之前的參照品沒有明顯區(qū)別，性能優(yōu)異，但是其耐洗刷性質(zhì)有著明顯變化，煙道灰的比例越高涂料涂層的耐洗刷性越低，若全以煙道灰當做填料則不滿足涂料基本要求，另外煙道灰比例越高，在耐水性測試中水漬現(xiàn)象越明顯，煙道灰占比越高，涂料涂層的光澤度也會隨之下降.

經(jīng)過粉煤灰摻雜對水性外墻涂料性能的研究，依次用煙道灰代替原有外墻工程乳膠漆中的填料，得到的產(chǎn)品能經(jīng)受耐洗刷、耐堿性、耐凍融等檢驗. 不難看出以煙道灰充當填料可以滿足外墻工程乳膠漆的基本條件.

2.2.2 粉煤灰添加量對水性外墻涂料性能的研究

向數(shù)字變頻分散機料筒中依次加入適量的去離子水、消泡劑、2%纖維素（3萬）、氨水、非離子潤濕劑、分散劑、丙二醇后，先在低速下攪拌均勻（約10 min），用粉煤灰代替全部填料，在分散機中高速分散30 min，確保分散均勻. 最后添加成膜助劑、苯丙乳液、消泡劑、流平劑、增稠劑和適量的水，攪拌分散均勻即可.

將制備得到的粉煤灰涂料產(chǎn)品用100的目紗網(wǎng)過濾，濾液裝入電動噴槍均勻噴涂在測試板上（無石棉纖維增強水泥加壓平板符合JC/T 412.1-2006），經(jīng)過露天晾干后的測試板進行相關(guān)性質(zhì)的測試. 經(jīng)檢驗，各性質(zhì)均符合國際標準（GB9756-2018），且優(yōu)于煙道灰.

2.2.3 乳液和纖維素的選擇對粉煤灰涂料性能的影響

正交實驗法（四因素三水平）見表3；乳液種類：東聯(lián)104，巴德富858，羅斯福2892T；乳液用量：80，100，120；纖維素種類：3萬，10萬，纖維素醚；纖維素用量：45，60，75.

表3 設(shè)計正交表

按表3所示組合方式添加乳液和纖維素，共做得9組實驗，分別測其耐水性、耐堿性、耐洗刷性及耐凍融性.

2.3 涂料性能測試

2.3.1 煙道灰涂料

用煙道灰依次替換原傳統(tǒng)的4個填料（重鈣、高嶺土、硅灰石粉、鈦白粉），然后做其性質(zhì)實驗.

2.3.1.1 耐洗刷測試

配制200 mL pH為10洗衣粉溶液，用作洗刷介質(zhì). 按照GB/T 9266-2009標準對毛刷進行處理，之后固定好晾干一個星期的測試板在涂料耐洗刷測定儀上進行耐洗刷測試，結(jié)果見表4. 洗刷500次涂層未破損為合格品，洗刷1 000次涂層未破損為一等品，洗刷2 000次涂層未破損為優(yōu)等品.

表4 耐洗刷性試驗

根據(jù)表4顯示，用煙道灰代替原有外墻工程乳膠漆中的4個填料進行耐洗刷測試，發(fā)現(xiàn)依次用煙道灰代替4個填料粉刷過后的石棉板都達到合格標準，其中代替高嶺土和重鈣的耐洗刷程度相似都達到一級品的標準，代替硅灰石粉的效果最好達到優(yōu)等品的等級.

2.3.1.2 耐水性、耐堿性、耐凍融性測試

耐水性：將噴有涂料的測試板晾干一個星期后分別浸泡在水中96 h，檢查是否出現(xiàn)起泡、掉粉、明顯變色等涂膜病態(tài)現(xiàn)象的現(xiàn)象，未出現(xiàn)則為無異常（依據(jù)國標GB/T1733-1993 漆膜耐水性測定法）.

耐堿性：將噴有涂料的測試板露天晾干一個星期后分別浸泡在飽和的氫氧化鈣水溶液中48 h，檢查測試板上的涂料涂層是否出現(xiàn)起泡、掉粉、明顯變色等涂膜病態(tài)現(xiàn)象，未出現(xiàn)則為無異常（依據(jù)國標GB/T 9265-2009 建筑涂料涂層耐堿性的測定）.

耐凍融性：將噴有涂料的測試板露天晾干一個星期后將測試板置于水溫為23 ℃的恒溫水槽中，浸泡18 h，然后在低溫-20 ℃下冷凍3 h，轉(zhuǎn)到烘箱中50 ℃左右. 恒溫3 h，浸泡18 h，冷凍3 h，恒溫3 h為一個循環(huán). 循環(huán)3次后檢查測試板上的涂料涂層是否出現(xiàn)起泡、掉粉、明顯變色等涂膜病態(tài)現(xiàn)象，未出現(xiàn)則為無異?，F(xiàn)象（依據(jù)國標JGT 25-1999建筑涂料涂層耐凍融循環(huán)性測定法）.

表5 耐水性、耐堿性、耐凍融性

根據(jù)表5顯示，使用粉煤灰替換傳統(tǒng)涂料中的重鈣、硅灰石粉、鈦白粉、高嶺土等填料，其耐水性、耐堿性、耐凍融等性質(zhì)較為良好，且都沒有出現(xiàn)涂料病態(tài)的現(xiàn)象，符合涂料的相關(guān)測試標準.

2.3.2 普通粉煤灰涂料

性質(zhì)實驗見表6. 耐水性96 h：未出現(xiàn)起泡、掉粉、明顯變色等涂膜病態(tài)現(xiàn)象為無異常. 耐堿性48 h：未出現(xiàn)起泡、掉粉、明顯變色等涂膜病態(tài)現(xiàn)象無異常. 耐凍融性：做3次循環(huán)（水中浸泡18 h，冷凍3 h，熱烘3 h為一次循環(huán)），未出現(xiàn)粉化、開裂、起泡、剝落、明顯變色等涂膜病態(tài)現(xiàn)象無異常. 耐洗刷性：洗刷500次涂層未破損為合格品；洗刷1 000次涂層未破損為一等品；洗刷2 000次涂層未破損為優(yōu)等品.

表6 性質(zhì)測試表

由表6可知粉煤灰可直接作為唯一填料應(yīng)用于外墻涂料中時，改變其乳液種類、用量、纖維素種類用量時且其耐水性、耐堿性、耐凍融等涂膜性質(zhì)均符合國家標準. 當增長實驗時間時，纖維素用量越多耐水性越差. 根據(jù)計算得知纖維素用量是其主要影響因素. 纖維素種類和纖維素用量影響耐洗刷性，當纖維素種類確定，用量較少時，耐洗刷性差，容器內(nèi)涂料狀態(tài)下層沉淀易結(jié)塊，不易攪拌；纖維素用量較多時耐水性差. 所以應(yīng)根據(jù)經(jīng)濟原則及涂料性質(zhì)要求自行搭配.

2.4 應(yīng)用試驗

應(yīng)用試驗采用安徽某新型建材有限責(zé)任公司生產(chǎn)的玻鎂板，該玻鎂板具有以下缺陷：在濕度較高的環(huán)境中該玻鎂板表面會出現(xiàn)濕漉漉的回潮現(xiàn)象，在干燥的環(huán)境中該玻鎂板表面會析出大面積的白色堿狀物（浸出金屬鹽等物質(zhì)），該板是一種理想的實驗對象. 將煙道灰涂料和粉煤灰涂料使用電動噴槍將煙道灰涂料均勻噴涂在該玻鎂板表面，自然晾干后進行性能的測試.

耐潮濕測試：將噴涂涂料晾干后的玻鎂板放入鹽霧試驗機中，設(shè)置參數(shù)為35 ℃，控制濕度為90%，在此實驗條件下持續(xù)實驗96 h得出實驗結(jié)果（測定依據(jù)GB/T 33544-2007）. 噴涂煙道灰涂料后，該板回潮現(xiàn)象有所減少，并且無涂料脫落等現(xiàn)象，一定程度上解決回潮問題. 噴涂過粉煤灰涂料后，該板不再出現(xiàn)回潮現(xiàn)象，并且也無油漆脫落等現(xiàn)象，很好地解決回潮問題.

遮蓋能力測試：選用已經(jīng)發(fā)白的玻鎂板進行實驗，等待涂料晾干后觀察其覆蓋能力. 實驗發(fā)現(xiàn)兩種涂料都具有良好的遮蓋效果，粉刷過后的玻鎂板觀察不到原來白色堿狀物的痕跡. 說明制備的兩種涂料有一定的防潮能力、很好的遮蓋能力，即一定的市場應(yīng)用前景.

從實驗結(jié)果看出制備的粉煤灰涂料具有更好的遮蓋能力和耐回潮能力，其實驗成果也得到該廠家的認可.

3 結(jié)論

使用粉煤灰替換傳統(tǒng)涂料中的填料，制備新的粉煤灰涂料，并對粉煤灰摻雜對水性外墻涂料性能進行研究，涂料具有良好的耐洗刷性、耐水性、耐堿性和耐凍融性. 涂料的各項性能符合國家標準. 由于粉煤灰涂料顏色接近水泥的顏色，可以在外墻工程乳膠漆、外墻真石漆等涂料當中被開發(fā)利用.