贝壳粉干粉涂料性能研究

盖广清，祁庶瑒

吉林建筑大学 材料科学与工程学院,长春 130118

0 引言

随着人们生活水平的提高,室内环境质量问题逐渐成为评价建筑使用性的重要指标之一,而作为室内墙面装饰材料的重要分支,涂料的品种结构也向着降低VOC释放量的方向发展[1].贝壳粉干粉涂料是一种绿色内墙涂料,具有净化有害挥发物质和异味、抑菌、杀菌、抗静电和防火等优异功能,主要成分为贝壳粉、各种外加剂、无机填料及高分子粉状材料[2].贝壳粉是将废弃贝壳通过高温煅烧、粉碎后制成的,主要成分为碳酸钙、氧化钙和氢氧化钙等钙化物[3-4].与其他类别的内墙涂料相比,贝壳粉干粉涂料非常具有优势,具有成本低、能耗小和本身无污染的特性,同时能净化室内有害气体[5],具有良好的应用前景.本文研究了贝壳粉干粉涂料的原材料及纤维素醚、可再分散乳胶粉对贝壳粉干粉涂料的易分散性、粘结性、保水性和易施工性等性能的影响规律,并得到最佳配比,对生产实践具有一定指导意义.

1 实验部分

1.1 实验材料及设备

1.1.1 实验原材料

贝壳粉,青岛万源生物科技有限公司;1250目重钙,青岛万源生物科技有限公司;VINNAPAS-5044乳胶粉,德国瓦克化学公司;纤维素醚,山东瑞泰新材料科技有限公司;水,本实验用水均为自来水.

1.1.2 实验设备

BGD 750/1砂磨、分散、搅拌多用机,广东标格达实验室仪器药品有限公司;称量天平,精度0.001 g;量筒,100 mL,50 mL;搅拌皿,用于盛放贝壳粉涂料浆体;烧杯,用于盛放贝壳粉、增稠剂、乳胶粉、重钙;玻璃棒,用于搅拌贝壳粉涂料浆体.线棒,80 μm,120 μm.

1.2 实验步骤与实验方法

1.2.1 实验步骤

对填料进行筛分,采用电子秤对原材料进行称量,然后按配方采用砂磨、分散、搅拌多用机对干粉涂料进行分散混合.之后与水混合搅拌10 min停止机器搅拌,用玻璃棒将其搅匀,再通过搅拌机保持低速搅拌,20 min后停止搅拌.最后在水泥平板上用120 μm线棒将涂料涂刷均匀,待凝固后再用80 μm线棒二次涂刷.

1.2.2 正交实验方案

本实验采用以贝壳粉、乳胶粉和增稠剂为因素的正交实验设计,固定干粉重量为200 g,确定选择贝壳粉干粉涂料的最佳配合比.各因素及其水平如表1所示.

表1 正交因素及水平Table 1 Orthogonal factors and levels

本实验设计的考察性能指标项为:易施工性、易分散性、粘结性、保水性、抗裂性和抗脱粉性,对实验现象及数据进行分析.性能指标实验结果采用“好(5)、较好(4)、中(3)、较差(2)、差(1)”评价.根据水平因素数,采用L 9(34)(即3水平4因素9组实验)表.

2 实验结果与讨论

按照实验设计方案制作试块并进行实验,正交实验结果如表2所示.

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

续表2

2.1 极差分析

表3 综合性能极差分析Table 3 Range analysis on combination properties

依据表3的极差大小,因素影响的主次排序为A(贝壳粉)>C(增稠剂)>B(乳胶粉),表2中实验的最优方案为第7组(A3C3B1).在用干粉重量相同的条件下,C(增稠剂)和B(乳胶粉)的合理用量能使贝壳粉干粉涂料的粘结性、保水性、易施工性和易分散性等得到较好的体现,所以取第7组实验数据为最佳配合比,即A(贝壳粉)60 g，B(乳胶粉)4 g，C(增稠剂)1.2 g，重钙134.8 g和水130 mL.

2.2 各因素对涂料易施工性的影响

各因素对贝壳粉干粉涂料易施工性的影响见表4.由极差分析可知,在影响涂料易施工性能的各因素中影响程度依次为:B(乳胶粉)>A(贝壳粉)>C(增稠剂),乳胶粉对涂料的易施工性影响程度最高.

表4 易施工性极差分析Table 4 Range analysis on easy construction

如图1所示,贝壳粉、乳胶粉及增稠剂对砂浆易施工性能的影响均不是单一线性关系.随着乳胶粉掺量的增加,涂料的易施工性也在增加,当乳胶粉掺入量达到4 %(8 g)时,易施工性最好,但当掺量超过4 %(8 g)时, 涂料易施工性开始下降,这是再分散乳胶粉自身性质所致,其表面活性剂成分可在配置涂料时将引入气泡,使之起到润滑作用,因此少量添加可起到优化涂料工作性能的作用.但当掺入量过大时,引入气体过多形成大量不稳定气泡,反而会对涂料的施工性造成负面影响[6],而贝壳粉和增稠剂的掺入都对涂料施工性产生一定的正面影响.

图1 易施工性的值变化Fig.1 The value variation of easy construction

2.3 各因素对涂料易分散性的影响

各因素对贝壳粉干粉涂料易分散性的影响见表5.由极差分析可知,涂料易分散性影响程度依次为:B(乳胶粉)>A(贝壳粉)>C(增稠剂).

表5 易分散性极差分析Table 5 Range analysis on easy dispersibility

由图2可见,乳胶粉对涂料易分散性影响最大.可再分散乳胶粉自身具有流动性好、再分散后粒度均匀且易分散性优异等特点[7],但随着乳胶粉掺入量的增加,涂料易分散性呈下降趋势.贝壳粉对涂料易分散性有一定影响,且呈现先减后增趋势,当掺入量为20 %(40 g)时减至最低点随后上升,而增稠剂对涂料易分散性的影响呈相反趋势,当掺入量为0.4 %(0.8 g)时影响最大而后下降,掺入量为0.6 %(1.2 g)时又降至最低.

图2 易分散性的值变化Fig.2 The value variation of easy dispersibility

图3 粘结性的值变化Fig.3 The value variation of cohesiveness

2.4 各因素对涂料粘结性的影响

各因素对贝壳粉干粉涂料粘结性的影响见表6.由极差分析可知,在影响涂料粘结性的各因素中影响程度依次为:A(贝壳粉)>B(乳胶粉)和C(增稠剂).图3表明,贝壳粉对涂料粘结性影响程度最高,随着贝壳粉掺量的增加,涂料粘结性降低,当掺入量为20 %(40 g)时降至最低点,掺入量进一步增加,涂料粘结性又开始提升,而乳胶粉随着掺入量的增加,在2 %(4 g) ～ 4 %(8 g)范围内涂料粘结性能较为稳定,而后随之提升.这是由于乳胶粉在遇水搅拌过程中会形成均匀分布于涂料中的乳液,其中含有的聚合物颗粒会在成型过程中,逐渐堆积于固相表面并聚合成网状膜,与其他化合物交织在一起,提高了涂料内部不同颗粒间的粘结力.增稠剂与乳胶粉对涂料粘结性的影响呈相同趋势及0.2 %(0.4 g) ～ 0.4 %(0.8 g)范围内无明显变化,超过0.4 %(0.8 g)后随之上升.

表6 粘结性极差分析Table 6 Range analysis on cohesiveness

2.5 各因素对涂料保水性的影响

各因素对贝壳粉干粉涂料保水性的影响见表7.由极差分析可知,在影响涂料保水性的各因素中影响程度依次为:A(贝壳粉)>C(增稠剂)>B(乳胶粉).由表7可以看出,贝壳粉对涂料保水性的影响程度最高.如图4所示,随着贝壳粉掺入量的增加,涂料保水性降低,当掺入量达到20 %(40 g)时,涂料保水性最低,随着掺入量的进一步增加,涂料保水性又呈上升趋势,随着增稠剂的掺入,涂料保水性不断上升.

表7 保水性极差分析Table 7 Range analysis on water retention

图4 保水性的值变化Fig.4 The value variation of water retention

随着乳胶粉掺入量的增加,涂料保水性呈先升后降趋势,且当掺入量为4 %(8 g)时达到最大值,这是由于乳胶粉在乳化过程中会吸附并储存一定量的水分,而后随着反应的进行而逐渐释放,进而达到一定保水效果,但当掺入量超过一定程度后,保水性不再随乳胶粉掺入量的增加而上升.

2.6 各因素对涂料抗裂性和抗脱粉性的影响

通过对照实验现象,发现贝壳粉、乳胶粉和增稠剂的掺入量对贝壳粉干粉涂料抗裂性的影响不大,其中乳胶粉的干缩率随掺入量的增加略呈上升趋势,但其最大干缩率仍满足规范要求[8].纤维素醚的掺入量对涂料收缩性无明显影响.综合分析表明,采用各种配合比配制而成的贝壳粉干粉涂料其抗裂性都较好,不存在明显开裂,而其抗脱粉性则与贝壳粉的掺入量有关,当贝壳粉掺入量达到30 %时,涂料发生轻微脱粉.

3 结论

(1) 随着乳胶粉掺入量的增加, 贝壳粉干粉涂料易施工性提升,当乳胶粉掺入量为4 %(8 g)时,涂料易施工性最好,但当乳胶粉掺入量超过4 %(8 g)时,涂料易施工性开始降低.

(2) 随着乳胶粉掺入量的增加,贝壳粉干粉涂料易分散性降低,而当增稠剂掺入量为0.4 %(0.8 g)时,涂料有较好的易分散性.

(3) 随着贝壳粉掺入量的增加,贝壳粉干粉涂料粘结性提高,而随着乳胶粉和增稠剂掺入量的增加,涂料粘结性也有所提升.

(4) 当贝壳粉掺入量为10 %(20 g)时,贝壳粉干粉涂料保水性优异,而后随着贝壳粉掺入量的增加,涂料保水性下降,直至20 %(40 g)时逐渐上升.随着增稠剂掺入量的增加,涂料保水性逐渐升高.当乳胶粉掺入量为4 %(8 g)时,涂料保水性最优.

(5) 通过实验确定了贝壳粉干粉涂料的最佳配合比,按最佳配合比配制而成的贝壳粉干粉涂料均能获得较好的易施工性、易分散性、粘结性、保水性、抗裂性和抗脱粉性等性能.