蓋廣清，葉柄楊

吉林建筑大學(xué) 建筑節(jié)能技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室,長春 130118

近年來,我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)逐漸發(fā)展壯大,貝類水產(chǎn)品中的貝殼占其總質(zhì)量的60 % 以上，卻沒有被正確利用研究.這樣不僅造成了嚴(yán)重的資源浪費(fèi)，還會(huì)導(dǎo)致環(huán)境的污染,給人們的身體健康帶來危害[1].貝殼中95 %左右為碳酸鈣(CaCO3),其余約5 % 為糖蛋白、多糖、甲殼素和其它蛋白質(zhì)等有機(jī)質(zhì)[2-3].貝殼具有優(yōu)異的力學(xué)性能,研究發(fā)現(xiàn)貝殼珍珠層的楊氏模量為60 GPa～70 GPa,抗拉強(qiáng)度達(dá)到了140 MPa～170 MPa,是自然界碳酸鈣抗拉強(qiáng)度的3 000倍[4-5].本文的貝殼粉彈涂料是一種干粉涂料,由可再分散乳膠粉、顏填料以及各種功能性粉末助劑混合而成[6].在涂料中摻入無機(jī)黏結(jié)料,使涂料在保持有機(jī)聚合物基料黏結(jié)力的同時(shí)增加了涂膜的黏結(jié)料比例,進(jìn)一步提高了涂膜的內(nèi)聚力.將貝殼粉與各種涂料助劑混合應(yīng)用于干粉涂料的生產(chǎn),具有原料易得、生產(chǎn)成本低廉、無污染、改善環(huán)境、節(jié)能減排等優(yōu)勢(shì),順應(yīng)了涂料的發(fā)展趨勢(shì)[7].

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)主要原材料與儀器

貝殼粉(遼寧圣島納米貝殼生物科技有限公司),灰鈣粉(天津灰鈣粉建材有限公司),CR 501重鈣粉(沈陽順豐實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司),高嶺土(內(nèi)蒙古三保高嶺土有限公司),滑石粉(長興龍峰粉體材料有限公司),金紅石型鈦白粉(沈陽順豐實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司),可再分散乳膠粉(柳州青龍建材有限公司),15 us羥丙基甲基纖維素醚(韓國三星化學(xué)),分散劑(上海建涂國際貿(mào)易有限公司),消泡劑(上海博易和化工有限公司),防菌殺菌劑(河南恒協(xié)化工制品銷售有限公司).BGD 526耐洗刷儀,QFZ型漆膜附著力試驗(yàn)儀,STM-V斯托默粘度計(jì)等.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將貝殼粉作為干粉涂料的功能填料,外摻灰鈣作為活性劑,重鈣作為骨架填料,高嶺土作為添加劑,摻入可再分散乳膠粉以及其它功能型助劑加入水中攪拌,靜置片刻,待泡沫逐漸消除,用軟毛刷或彈涂裝置彈涂至事先準(zhǔn)備好的水泥試板上,然后測(cè)試不同材料摻量對(duì)涂料性能的影響.

1.3 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

綜合考慮各因素對(duì)本實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響,確定選取貝殼粉、重鈣、灰鈣、可再分散乳膠粉4種影響因素,每個(gè)因素取3個(gè)水平,配方設(shè)計(jì)過程中水的質(zhì)量與涂料質(zhì)量比為2∶1,鈦白粉用量為26 g,高嶺土25 g,羥丙基甲基纖維素醚用量為10 g,助劑用量為0.4 %～1.5 %.正交實(shí)驗(yàn)因素水平見表1所示.

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素水平

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 涂料配比分析

采用正交表安排實(shí)驗(yàn),將正交實(shí)驗(yàn)下的9組涂料產(chǎn)品進(jìn)行涂層的耐洗刷性、粘度和附著力進(jìn)行性能測(cè)試,并將測(cè)試結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析.正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2,正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果極差分析見表3，并繪制各因素效應(yīng)曲線見圖1,分析各因素用量對(duì)貝殼粉彈涂料的影響規(guī)律,最終確定最優(yōu)的配方組合.表3中K1,K2,K3為各測(cè)試項(xiàng)水平因素結(jié)果的平均值,R表示各水平因素平均值的極差.

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Orthogonal experimental results

表3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果極差分析Table 3 Range analysis of orthogonal experiment results

續(xù)表3

(a) 因素水平對(duì)耐洗刷性的影響 (b) 因素水平對(duì)粘度的影響 (c) 因素水平對(duì)附著力的影響圖1 因素效應(yīng)曲線Fig.1 Factor effect curves

由圖1(a)可見,貝殼粉彈涂料的耐洗刷性隨著可再分散乳膠粉摻量的增加而提高；隨著貝殼粉摻量的增加而降低,由于可再分散乳膠粉在涂料體系中可形成緊密的光滑涂膜,進(jìn)而涂料的耐洗刷次數(shù)也相應(yīng)增加.由圖1(b)可見,貝殼粉彈涂料的粘度隨著可再分散乳膠粉摻量的增加而提高;隨著貝殼粉摻量的增加而提高,這是由于貝殼粉的比表面積大,在制備涂料過程中與水接觸且需要被水包裹的面積也較大,從而具有較高的粘度；由圖1(c)可見,貝殼粉涂料的附著力隨著可再分散乳膠粉摻量減少而明顯提高,低于120 g則有所降低;隨著貝殼粉摻量增加而降低,超過330 g則逐漸提高;隨著灰鈣的減少而升高.這是由于貝殼粉增加使涂料粘度提高,成膜物質(zhì)減少使涂料間連結(jié)的更加緊密.由于重鈣與灰鈣在涂料中分別起骨架與活性填料的作用,所以由圖1中(a)和(b)可見，隨著重鈣與灰鈣摻量的減少,涂料的耐洗刷性及粘度變化雖不明顯，但均有所降低.

由極差分析表明,對(duì)于耐洗刷性,優(yōu)化方案為A1B2C1D1.對(duì)于粘度而言,優(yōu)化方案為A3B1C2D1.對(duì)于附著力而言,優(yōu)化方案為A1B3C3D2.由于當(dāng)貝殼粉摻量過大時(shí)涂料的耐洗刷性以及附著力明顯下降,從節(jié)約資源和貝殼粉彈涂料綜合性能考慮,選擇A2B3C2D2.為最佳基料及填料摻量,涂料不僅有優(yōu)異的粘性,附著力和耐洗刷性均比較好.

2.2 涂料一般性能測(cè)試

確定涂料配方,貝殼粉330 g,重鈣200 g,高嶺土25 g,灰鈣200 g,可再分散乳膠粉120 g,羥丙基甲基纖維素醚10 g,分散劑3 g,消泡劑2 g,防菌殺菌劑5 g.配制涂料對(duì)其進(jìn)行一般性測(cè)試見表4.

表4 貝殼粉彈涂料一般性能測(cè)試Table 4 General performance test of shell powder elastic coating

3 結(jié)論

(1) 貝殼粉彈涂料的耐洗刷性隨著可再分散乳膠粉摻量的增加而提高;隨著貝殼粉摻量的增加而降低.

(2) 貝殼粉彈涂料的粘度隨著可再分散乳膠粉摻量的增加而降低;隨著貝殼粉摻量的增加而提高.

(3) 貝殼粉彈涂料的附著力,隨著灰鈣摻量的減少而升高,隨著可再分散乳膠粉摻量減少而明顯提高,低于120 g則有所降低;隨著貝殼粉摻量增加而降低,超過330 g則逐漸提高.

(4) 重鈣與灰鈣對(duì)貝殼粉彈涂料的耐洗刷性以及粘度影響較小.

(5) 通過正交實(shí)驗(yàn),對(duì)貝殼粉彈涂料的耐洗刷性、粘度、附著力,以及其它性能的研究,確定貝殼粉彈涂料中的各主要填料比例為：貝殼粉∶重鈣∶高嶺土∶灰鈣=13.2∶8∶1∶8.