鑄造廢棄砂為原料制備氟碳彩砂及性能優(yōu)化研究

張于濤,陳高順,羅煒萍,雷建東,賴鐘斌,張曉凱,陳均瑤,肖旺釧

(1.中機(jī)鑄材科技(福建)有限公司,福建 三明 365500;2.三明學(xué)院 資源與化工學(xué)院,福建 三明 365004)

彩砂因其色澤鮮艷、耐候性良好等特點(diǎn),在現(xiàn)代建筑裝修、屋頂涂料等應(yīng)用領(lǐng)域有著十分廣泛的用途[1]。彩砂可分為天然彩砂和人造彩砂。天然彩砂屬于不可再生資源,資源有限,且其可供開采量越來越少,日漸枯竭,已經(jīng)難于滿足現(xiàn)今高速發(fā)展的建筑行業(yè)對(duì)彩砂用量的需求以及對(duì)高品質(zhì)彩砂產(chǎn)品的要求。人造彩砂是由白色或淺白色的石英砂經(jīng)人工著色制得,與天然彩砂相比,人造彩砂顏色較為豐富,且硬度較高,但現(xiàn)有技術(shù)下制得的彩砂質(zhì)感仍較差[1]。迄今為止,現(xiàn)有人造彩砂的制備方法主要包括:常溫染色法、無機(jī)顏料直接染色法、樹脂固化法、高溫?zé)Y(jié)法、陶瓷彩釉法、搪瓷法、硅酸鹽廢渣法、利用尾礦制備彩砂等[2-6]。

氟碳樹脂分子結(jié)構(gòu)中的C-F鍵呈對(duì)稱分布,電子云不發(fā)生偏移,呈非極性,具有較高的鍵能(約486 kJ/mol);另外,氟原子半徑小,電負(fù)性大且極化率很低,C-F鍵在受熱、光作用時(shí)難以斷裂,因此,氟碳樹脂具有優(yōu)異的耐候性。由于含氟材料表面能較小,且其分子結(jié)構(gòu)中氟原子多集中于表面,因而氟碳樹脂具有極好的疏水性(最大吸水率<5%)、疏油性且摩擦系數(shù)極小(0.15～0.17),表現(xiàn)出良好的非黏附性、低摩擦性、耐腐蝕性等[7-11]。為減少人造彩砂制備過程中選用傳統(tǒng)涂料導(dǎo)致的環(huán)境污染問題,氟碳樹脂處理后獲得的彩砂產(chǎn)品相對(duì)而言具有環(huán)境友好性。另外,涂料所含的揮發(fā)性有機(jī)化合物是導(dǎo)致光化學(xué)煙霧等大氣污染的主要原因之一,而氟碳樹脂涂料具有較好的耐候性,可大大減少重涂的次數(shù),因而可以有效地減少揮發(fā)性有機(jī)化合物的排放。低揮發(fā)性有機(jī)化合物的排放也在一定程度上減少了二氧化碳的排放,這具有重要的環(huán)保效應(yīng)[12-13]。

常見的可溶性氟碳樹脂有兩種,其中,具有交替共聚結(jié)構(gòu)的FEVE樹脂結(jié)構(gòu)如圖1所示,它是由含氟乙烯(FE)和乙烯基醚(VE)經(jīng)共聚反應(yīng)生成[14]。氟碳樹脂中含氟原子的特殊性,使其具有良好的耐候性、耐腐蝕性等優(yōu)良特性[15]。本研究采用鑄造廢棄砂為原料,氟碳樹脂為成膜劑,以無機(jī)顏料、水、油酸鈉等為添加劑制備彩砂,并對(duì)制備條件和彩砂性能進(jìn)行分析,為鑄造廢棄砂的高附加值利用提供了新的途徑。

圖1 水性氟碳樹脂結(jié)構(gòu)圖

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要試劑

鑄造砂再生砂由本公司自制,粒徑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(上海申虹顏料有限公司),油酸鈉(阿拉丁試劑),聚乙二醇(分子量6 000,阿拉丁試劑),氫氧化鈉、硫酸、硝酸、硫酸等試劑均為分析純。

1.2 主要儀器

主要儀器:超聲波清洗器,磁力攪拌器,電動(dòng)攪拌器,鑰匙,圓底燒瓶,燒杯,玻璃棒,電子天平等。

1.3 氟碳彩砂制備

典型樣品制備:采用的鑄造廢棄水玻璃砂再生砂作為原料100 g,水性氟碳樹脂30 g,聚乙二醇、油酸鈉等預(yù)先分散在水性氟碳樹脂中,在超聲溶解池溶解30 s,氟碳樹脂事先用水稀釋1倍。再生砂與水性氟碳樹脂充分?jǐn)嚢璺稚⒕鶆蚝蠓湃霚囟葹?50 ℃烘箱進(jìn)行高溫烘烤,使水性氟碳樹脂更好地黏附在砂子表面,染色更加均勻。

1.4 樣品檢測(cè)

本研究均依照《建筑飾面用彩砂(JC/T 2328—2015)》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)彩砂進(jìn)行各項(xiàng)性能測(cè)試。

附著力測(cè)試:取3 g左右2號(hào)砂子加20 mL水用磁力攪拌器在800 r/min下攪拌,5 min左右開始有褪色現(xiàn)象,表明黏附性較弱。

耐水性:稱取彩砂試樣100 g放入500 mL的燒杯中,用水清洗彩砂,將水倒掉,再重復(fù)一次。加入400 mL的蒸餾水浸泡168 h,然后用攪拌棒攪拌試樣約1 min,靜置30 s,觀察燒杯中的水是否有渾濁變色現(xiàn)象。

耐沸水性:稱取試樣50 g放入250 mL燒瓶中,用水清洗彩砂,將水倒掉,再重復(fù)一次。加入200 mL的蒸餾水,然后將燒瓶放置在加熱器上煮沸20 min,冷卻至室溫,觀察燒瓶中的水是否有明顯渾濁變色現(xiàn)象以及砂粒是否有結(jié)團(tuán)現(xiàn)象。耐酸性:稱取彩砂試樣100 g放入500 mL的燒杯中,用水清洗彩砂,將水倒掉,再重復(fù)一次。加入400 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的硫酸(H2SO4)溶液,浸泡24 h后,用攪拌棒攪拌試樣約1 min,靜置30 s,觀察溶液是否有渾濁變色現(xiàn)象。

耐堿性:稱取彩砂試樣100 g放入500 mL的燒杯中,用水清洗彩砂,將水倒掉,再重復(fù)一次。加入400 mL的堿溶液,浸泡24 h后,用攪拌棒攪拌砂粒約1 min,靜置30 s,觀察溶液是否有渾濁變色現(xiàn)象。墻刷用彩砂的浸泡堿液為飽和Ca(OH)2上清液,地面用彩砂的浸泡堿液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的氫氧化鈉(NaOH)溶液。耐溶劑性:稱取經(jīng)過水清洗并干燥的試樣50 g放入250 mL的錐形瓶中,然后倒入二甲苯至150 mL刻度處。蓋好瓶塞,浸泡24 h后,搖動(dòng)錐形瓶約1 min,靜置30 s,觀察錐形瓶中的溶液是否有渾濁變色現(xiàn)象。

耐紫外光照:1)用電子天平分別稱取約200 g純丙乳液和約600 g彩砂置于塑料容器中,用手工攪拌均勻;2)將容器放置于實(shí)驗(yàn)室用電動(dòng)攪拌機(jī)下,夾緊容器,開動(dòng)攪拌機(jī),以1 200 r/min的速度攪拌2 min作為試樣,取出約50 g試樣作為參考樣,繼續(xù)以1 200 r/min的速度攪拌剩余試樣12 min,作為比對(duì)樣;3)將參考樣和比對(duì)樣分別刮涂在同一塊纖維水泥板上,刮涂面積相同,刮涂厚度約為1.5～2.5 mm;4)將纖維水泥試板在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下養(yǎng)護(hù)24 h;5)結(jié)果評(píng)定:觀察比對(duì)樣與參考樣有無明顯顏色差異。

2 結(jié)果與討論

2.1 著色效果優(yōu)化

2.1.1 不同顏料用量

烘干溫度150 ℃,改變顏料用量,得到結(jié)果如表1所示,當(dāng)顏料用量低于0.6%時(shí),包裹性不足,彩砂出現(xiàn)露白現(xiàn)象;其用量高于0.6%時(shí),彩色可以得到均勻的包裹。經(jīng)上分析得出,顏料量控制在0.6%左右較為合適。

表1 顏料用量與著色效果關(guān)系

2.1.2 不同聚乙二醇用量

聚乙二醇作為水溶性高分子,可以降低表面張力,同時(shí)調(diào)節(jié)體系黏度。固定烘干溫度150 ℃,表2為加入不同聚乙二醇用量與彩砂著色效果的關(guān)系。當(dāng)聚乙二醇用量高于0.5%時(shí),體系黏度適當(dāng),可以保證色料體系有好的流掛性能,實(shí)現(xiàn)對(duì)砂子的均勻包裹。當(dāng)聚乙二醇用量低于0.5%時(shí),體系黏度不夠,彩砂表面無法著色均勻。

表2 聚乙二醇數(shù)據(jù)用量與著色效果關(guān)系

2.1.3 不同氟碳樹脂用量

氟碳樹脂作為主要成膜物質(zhì),不僅直接影響著色效果,其用量對(duì)后續(xù)的耐候性、附著力、耐磨性等性能均有影響。固定烘干溫度150 ℃,表3為不同氟碳樹脂用量與著色效果的關(guān)系,當(dāng)氟碳樹脂用量高于20%時(shí),石英砂表面著色均勻,無露白現(xiàn)象,當(dāng)氟碳樹脂用量低于20%時(shí),成膜物質(zhì)不夠,無法完全包裹石英砂表面,導(dǎo)致出現(xiàn)露白現(xiàn)象。

表3 不同氟碳樹脂用量與著色效果關(guān)系

2.2 性能優(yōu)化

2.2.1 烘干溫度對(duì)附著力的影響

氟碳樹脂在成膜過程,需要烘干除去水分,并提供足夠高的溫度,讓氟碳樹脂重排,達(dá)到足夠附著力。彩砂附著力測(cè)試結(jié)果如表4,當(dāng)烘干溫度高于150 ℃時(shí),彩砂無掉色現(xiàn)象,低于150 ℃出現(xiàn)掉色,這是由于溫度太低,達(dá)不到氟碳樹脂的熔點(diǎn),造成黏附力不夠。

表4 烘干溫度和附著力關(guān)系

2.2.2 綜合性能測(cè)試

對(duì)上述優(yōu)化后的氟碳彩砂進(jìn)行各項(xiàng)性能測(cè)試,檢測(cè)項(xiàng)目包括耐水性、耐沸水性、耐酸堿性、耐溶劑性和耐紫外光照等,依照《建筑飾面用彩砂(JC/T 2328—2015)》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。從表5看出,各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),表明本研究氟碳彩砂符合建筑用。

表5 綜合性能檢測(cè)情況

3 結(jié)論

以鑄造廢棄砂為原料,氟碳樹脂為成膜物質(zhì)制備氟碳彩砂,研究了顏料、聚乙二醇和氟碳樹脂用量對(duì)氟碳彩砂著色效果的影響,并檢測(cè)了彩砂的耐水性、耐沸水性、耐酸性、耐堿性、耐溶劑性和耐紫外光照等性能,性能達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),可望用于建筑外墻涂料。