韩明虎1，胡浩斌1，张腊腊1，芦娅妮1，李永锐2，陈水强1
（1.陇东学院化学化工学院，甘肃庆阳745000；2.庆阳西庆涂料有限公司，甘肃庆阳745000）
摘 要：以黄土为基料,通过改性、乳化、分散制备生态型内墙乳胶漆。以内墙乳胶漆的主要性能为指标,采用单因素控制变量法优化黄土改性工艺(用量、煅烧温度及时间)与乳胶漆配方。结果表明:450℃恒温煅烧90 min的黄土,添加量为15%时制备的乳胶漆各项性能最佳。产品完全符合且优于《合成树脂乳液内墙涂料》(GB/T9756-2009)要求,成本低、工艺简单和绿色环保,有良好的实际应用前景。
关键词：黄土 改性 单因素控制变量法 内墙乳胶漆
随着人们生活水平的不断提高，工作及生活场所的舒适度及室内环境污染问题备受关注。内墙乳胶漆作为一种室内装饰材料，对室内环境质量有重要影响，其生态环保性是绿色建筑的主要评价指标之一。水性内墙乳胶漆的研发对室内环境的改善至关重要，也是保障良好室内环境的重要措施。
黄土呈浅黄色或黄褐色，颗粒介于粘土与细砂之间，主要成分有SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、MgO和K2O等，有机质含量约占1%，粘土矿物以伊利石为主，包括高岭石、蒙脱石、绿泥石、蛙石及少量混层矿物，是一种来源丰富、廉价易得的硅酸盐类天然无机矿物材料。特殊的气候条件、植物根系腐烂、水冲刷、渗入等相关作用与成岩作用，使黄土具有粉末化、多孔疏松、垂直节理发育、极易渗水和可溶性物质多等物理性质[4-6]。黄土表面含有大量的活性硅羟基，表现出较好的亲水性、粘结性与反应活性，但有机碳含量较低，比表面积小，乳化、分散和吸附性较差，只有通过无机或有机改性，去除黄土中的有机质及结构水，增大比表面积，增强吸附、悬浮、离子交换与吸水溶胀等特性，才能有利于改善材料的综合性能。
目前，黄土少量应用于农业、建筑、医学和橡胶等领域，附加值较低，国内外相关文献报道较少[9]。同时，黄土占全球陆地面积的1/10，主要分布于世界大陆较干燥的中纬度地带，陇东地区地处黄河中下游沟壑区，存在世界上规模最大的黄土高原，其优质丰富的黄土资源尚未开发利用。因此，对采自陇东地区的天然黄土经水洗、煅烧、球磨改性后，添加于内墙乳胶漆配方中以替换或减少部分功能原料，以单因素控制变量法优化工艺及配方，制备一种成本低廉、生态环保且性能卓越的水性黄土基内墙乳胶漆，为绿色建筑涂料的配方研究与应用提供新方向，也为陇东地区优势黄土资源的产业化开发提供理论基础。
1 实验部分
1. 1 原料与仪器
黄土：采自陇东地区庆阳市西峰区温泉乡张铁沟，地表0. 3 m以下；AMP-95：陶氏化工；乳液998A：巴德富乳液有限公司；分散剂5040：三洋化成精细化工品有限公司；润湿剂PE-100：德国科宁化工有限公司；重质碳酸钙：四川贡嘎雪新材料有限公司；滑石粉：辽宁骏驰超细粉体有限公司；杀菌剂NXE、消泡剂1340：日本圣诺普科有限公司；纤维素HBR：美国亚跨龙；乙二醇：扬子化工有限公司；十二醇酯：齐鲁伊士曼精细化工有限公司；杀菌剂LXE：罗门哈斯公司；以上试剂均为工业级。
智能型分散砂磨机：SF 0. 4，常州彩宝机械有限公司；真空干燥箱：DZF-6020型，上海恒科学仪器有限公司；箱式高温电阻炉：XL-1型，鹤壁市丰泰仪器仪表有限公司；斯托默黏度计：STM-2T型，上海方瑞仪器有限公司；轻型立式行星式球磨机：DECO，长沙市德科仪器设备有限公司；气相色谱-质谱联用仪：GC-MS 3100型，重庆尚立仪器设备有限公司；紫外可见分光光度计：SPECORD-50型，德国耶拿公司；原子吸收分光光度计：AA 370 MC型，上海精密科学仪器有限公司。
1. 2 参考配方
按表1配方制备黄土基内墙乳胶漆。
1. 3 实验方法
1. 3. 1 黄土预改性
取适量天然黄土置于聚乙烯桶中，添加蒸馏水搅拌使黄土颗粒充分分散，溶出包容物质后，用筛网（50目）去除漂浮物，静置60 min后倾去上层悬浮液与底层细砂颗粒杂质，重复清洗3次，取中间黄土泥浆。将黄土泥浆置于105 ℃恒温干燥箱中烘干，研磨至粉末状，球磨30 min后过标准筛（200目），取过筛黄土置于450 ℃的马弗炉中恒温煅烧90 min，冷却至常温得到预改性黄土。
1. 3. 2 乳胶漆的制备
按表1配方精确称取预改性黄土置于分散罐中，添加乳液和水，高速分散至均匀乳状液，逐次定量添加其他组分，搅拌分散30 min，制备得黄土基内墙乳胶漆。
1. 3. 3 性能测试
将制备的乳胶漆均匀涂刷于试板上，待完全干燥后按GB/T 9756—2009要求检测涂料性能（表2），通过考察黄土用量、煅烧温度和时间等影响因素，优化工艺至最佳配方，依据GB/T 18582—2008检测有害物质限量，其中采用气相色谱法测定VOC，甲苯、乙苯及二甲苯总和含量，紫外分光光度法测定游离甲醛含量，火焰原子吸收光谱法测定可溶性重金属铅、镉、铬、汞元素含量。
2 结果与讨论
2. 1 预改性黄土用量的选择
按表1 配方分别添加总质量13%、14%、15%、16%、17%的预改性黄土（450 ℃煅烧90 min），同比减少重钙质量，其他组分用量不变，考察预改性黄土用量对涂料性能的影响，结果如表3所示。
由表3 可见，预改性黄土用量为15% 时，乳胶漆呈淡黄色，均匀一致，贮存无团聚、沉降现象，漆膜光滑致密，无针眼、裂纹与剥落现象，黏度为99kU，施工性良好，耐洗刷性高达6 000 次，表干时间短，各项性能符合内墙乳胶漆的国家标准。预改性黄土用量较低时，乳胶漆黏度较小，漆膜遮盖力略低，而且重钙、增稠剂等功能组分的质量增加将导致经济成本上升；预改性黄土用量较高时，涂料呈黄褐色，黏度显著增大，施工难度增加，漆膜出现裂纹，干燥时间不变，耐水、耐洗刷及耐碱性明显下降，表明具有疏松特性的黄土不能完全替代重钙的填料骨架作用，但具有一定的悬浮、增黏及分散性；因此，选择15%的预改性黄土为最佳用量。
2. 2 煅烧温度的选择
保持配方各组分用量不变，分别添加15% 于150 ℃、300 ℃、450 ℃、600 ℃、750 ℃煅烧90 min的预改性黄土，考察黄土的煅烧温度对涂料性能的影响，结果如表4所示。
由表4可见，添加450 ℃的煅烧黄土时，乳胶漆各项性能最佳。煅烧温度较低时，黄土中具有水化活性的结构水与有机质依然存在，涂料黏度较大，静置（72 h）出现沉降现象，耐水性测试（浸入水中2 h）漆膜起泡变色，硬度和耐洗刷性较低；煅烧温度较高时，黄土中水分与有机质逐渐减少，填料骨架作用增强，胶黏性降低，Fe2O3的增多使乳胶漆呈淡粉色，黏度随温度的上升逐渐降低，漆膜均匀一致，耐水和耐碱性较好，耐洗刷性显著增大，表干时间变短，但高温煅烧的工业生产成本明显增加；乳胶漆的经济成本主要来自于各类功能性原料及助剂组分，而陇东地区位于黄土高原中心地带，极丰富的黄土资源尚未开发利用，自然黄土的成本极低，实际生产过程中，添加相同质量煅烧黄土的成本费远低于替换或减少的其他功能组分的总费用。因此，考虑实际生产与经济成本因素，选择450 ℃煅烧黄土为适宜。
2. 3 煅烧时间的选择
保持配方各组分用量不变，分别添加15%煅烧30 min、60 min、90 min、120 min、150 min 的预改性黄土（煅烧温度为450 ℃），考察黄土的煅烧时间对涂料性能的影响，结果如表5所示。由表5可见，当煅烧时间为90 min时，乳胶漆各项性能最佳。煅烧时间少于90 min时，涂料易沉降且不均匀，黏度较高，漆膜有裂纹，耐水、耐碱和耐洗刷性很低，而且煅烧时间过短，黄土中结构水和有机质残余较多，产品低温状态不稳定，干燥时间变长；煅烧时间超过90 min时，涂料黏度略微下降，漆膜均匀一致，耐水和耐碱性良好，耐洗刷性略微增大；综合考虑，黄土煅烧的最佳时间为90 min。
综上所述，确定添加量为15%的450 ℃恒温煅烧90 min的预改性黄土作基本原料，替代或减少配方中的重钙、高岭土、钛白粉及增稠剂等功能原料，制备水性黄土基内墙乳胶漆。
2. 4 漆膜性能检测结果
选择最佳配方制备黄土基内墙乳胶漆，按1. 3. 3测定漆膜性能及有害物质限量，结果如表6所示。
由表6 可见，漆膜性能完全符合GB/T 9756—2009和GB/T 18582—2008中优等品的标准要求，表明水性黄土基内墙乳胶漆有害物质含量少，毒性低，绿色环保，是品质优良的生态型涂料。与现有市场上的贝壳粉涂料和硅藻土涂料相比，黄土涂料色泽自然、原料丰富、工艺简单且成本更低，有效改善了现有乳胶漆对环境污染大、色泽不自然、自洁性差、易变陈旧等关键性能，在西北民俗及红色文化旅游建筑的修饰上独具优势。
3 结语
（1）通过水洗、球磨和煅烧等预处理工艺改性黄土，使黄土具有较好的悬浮性、胶黏性、分散性、遮盖力及耐碱性，成为一种制备乳胶漆的新型功能原料。
（2）经配方及工艺优化，当黄土用量15%，煅烧温度450 ℃，煅烧时间90 min时，制备的黄土基内墙乳胶漆性能优良、绿色环保且工艺简单，有实际应用价值。
（3）陇东地区黄土资源丰富且价格低廉，通过物理与化学方法改性黄土，使其应用于其他功能型复合材料，有广阔的研究与开发前景，对实现闲置黄土的资源化利用、贫困山区农民的脱贫致富等都具有重要意义。
《涂料工业》2019年 第11期
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