鑄造廢棄砂為原料制備氟碳彩砂及性能優化研究

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.中機鑄材科技(福建)有限公司,福建 三明 365500;2.三明學院 資源與化工學院,福建 三明 365004)

彩砂因其色澤鮮艷、耐候性良好等特點,在現代建筑裝修、屋頂涂料等應用領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,已經難于滿足現今高速發展的建筑行業對彩砂用量的需求以及對高品質彩砂產品的要求。人造彩砂是由白色或淺白色的石英砂經人工著色制得,與天然彩砂相比,人造彩砂顏色較為豐富,且硬度較高,但現有技術下制得的彩砂質感仍較差[1]。迄今為止,現有人造彩砂的制備方法主要包括:常溫染色法、無機顏料直接染色法、樹脂固化法、高溫燒結法、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]。

氟碳樹脂分子結構中的C-F鍵呈對稱分布,電子云不發生偏移,呈非極性,具有較高的鍵能(約486 kJ/mol);另外,氟原子半徑小,電負性大且極化率很低,C-F鍵在受熱、光作用時難以斷裂,因此,氟碳樹脂具有優異的耐候性。由于含氟材料表面能較小,且其分子結構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%)、疏油性且摩擦系數極小(0.15～0.17),表現出良好的非黏附性、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涂料導致的環境污染問題,氟碳樹脂處理后獲得的彩砂產品相對而言具有環境友好性。另外,涂料所含的揮發性有機化合物是導致光化學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,因而可以有效地減少揮發性有機化合物的排放。低揮發性有機化合物的排放也在一定程度上減少了二氧化碳的排放,這具有重要的環保效應[12-13]。

常見的可溶性氟碳樹脂有兩種,其中,具有交替共聚結構的FEVE樹脂結構如圖1所示,它是由含氟乙烯(FE)和乙烯基醚(VE)經共聚反應生成[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,以無機顏料、水、油酸鈉等為添加劑制備彩砂,并對制備條件和彩砂性能進行分析,為鑄造廢棄砂的高附加值利用提供了新的途徑。

圖1 水性氟碳樹脂結構圖

1 實驗部分

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攪拌分散均勻后放入溫度為150 ℃烘箱進行高溫烘烤,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

本研究均依照《建筑飾面用彩砂(JC/T 2328—2015)》行業標準對彩砂進行各項性能測試。

附著力測試:取3 g左右2號砂子加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象以及砂粒是否有結團現象。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,再重復一次。加入400 mL質量分數為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量分數為5%的氫氧化鈉(NaOH)溶液。耐溶劑性:稱取經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)將容器放置于實驗室用電動攪拌機下,夾緊容器,開動攪拌機,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,繼續以1 200 r/min的速度攪拌剩余試樣12 min,作為比對樣;3)將參考樣和比對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準試驗條件下養護24 h;5)結果評定:觀察比對樣與參考樣有無明顯顏色差異。

2 結果與討論

2.1 著色效果優化

2.1.1 不同顏料用量

烘干溫度150 ℃,改變顏料用量,得到結果如表1所示,當顏料用量低于0.6%時,包裹性不足,彩砂出現露白現象;其用量高于0.6%時,彩色可以得到均勻的包裹。經上分析得出,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,同時調節體系黏度。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系。當聚乙二醇用量高于0.5%時,體系黏度適當,可以保證色料體系有好的流掛性能,實現對砂子的均勻包裹。當聚乙二醇用量低于0.5%時,體系黏度不夠,彩砂表面無法著色均勻。

表2 聚乙二醇數據用量與著色效果關系

2.1.3 不同氟碳樹脂用量

氟碳樹脂作為主要成膜物質,不僅直接影響著色效果,其用量對后續的耐候性、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系,當氟碳樹脂用量高于20%時,石英砂表面著色均勻,無露白現象,當氟碳樹脂用量低于20%時,成膜物質不夠,無法完全包裹石英砂表面,導致出現露白現象。

表3 不同氟碳樹脂用量與著色效果關系

2.2 性能優化

2.2.1 烘干溫度對附著力的影響

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,達到足夠附著力。彩砂附著力測試結果如表4,當烘干溫度高于150 ℃時,彩砂無掉色現象,低于150 ℃出現掉色,這是由于溫度太低,達不到氟碳樹脂的熔點,造成黏附力不夠。

表4 烘干溫度和附著力關系

2.2.2 綜合性能測試

對上述優化后的氟碳彩砂進行各項性能測試,檢測項目包括耐水性、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)》行業標準。從表5看出,各項指標均達到行業標準,表明本研究氟碳彩砂符合建筑用。

表5 綜合性能檢測情況

3 結論

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