Paint & Coatings Industry >

2018 , Vol. 48 >Issue 8: 84 - 87

DOI: https://doi.org/10.12020/j.issn.0253-4312.2018.8.84

Science View

Research Progress of Flyash Applied in Functional Coatings

  • Shi Jin 1 ,
  • Meiling Gao 1 ,
  • Pengcheng Tan 1 ,
  • Xianglong Wan 1, * ,
  • Guofang Hao 2
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  • 1.School of Materials Science and Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan, Anhui 232001, China
  • 2.Institute of Process Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China

Received date: 2018-06-11

  Online published: 2018-09-13

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Abstract

The application of flyash in coating is mainly focused on the utilization of its components and the way of stuffing. The utilization of its components is mainly applied to prepare the geopolymer coating and composite ceramic coating. The flyash can be acted as a filler for casting coating, thermal insulation coating and fire retardant coating, etc. The functional filler based on flyash is surface modified first, then is added to the various types of resins to form the functional coatings including hydrophobic coating, photocatalysis coating, humidity-controlling coating and formaldehyde-capturing coatings, etc. The modified flyash can be used more widely in various kinds of high value-added coatings.

Key words： flyash; filler; surface modification; loaded; functional coating

Cite this article

Shi Jin , Meiling Gao , Pengcheng Tan , Xianglong Wan , Guofang Hao . Research Progress of Flyash Applied in Functional Coatings[J]. Paint & Coatings Industry, 2018 , 48(8) : 84 -87 . DOI: 10.12020/j.issn.0253-4312.2018.8.84

粉煤灰作为一种工业固体废弃物对环境的污染引起了广泛的关注,对其资源化研究是缓解经济发展与环境保护之间矛盾的有效手段。目前粉煤灰大多被用于制备混凝土[1]、路面材料[2]、建筑材料等[3]。这些粉煤灰的利用方式虽然简单,但无法消耗掉所有的粉煤灰,仍存有大量的粉煤灰对环境造成严重威胁,因此需要多渠道、功能化、深度利用粉煤灰。在涂料工业中每年都要耗费大量的填料,若把粉煤灰作为原料或填料在各类涂料中加以利用,不仅减少了填料需求对矿山的压力和环境污染,还可以资源化固体废弃物,保护环境,为一举多得的好方法。
粉煤灰在涂料中的应用研究主要集中在利用其成分和作为涂层填料2种方式。利用其主要的硅铝酸盐的成分可以制备陶瓷涂层[4]、泡沫陶瓷[5]或地聚物涂层[6]等,得到性能优异的无机涂层,可应用于各类基材从而提高涂层的耐磨性、耐腐蚀性等性能[7]。充当填料时可经过简单的改性直接添加,也可以通过表面处理后得到功能化粉煤灰再添加,再得到具有功能化的涂料。通过对粉煤灰粉末进行表面改性和功能设计,能够开拓粉煤灰的应用范围,减缓涂料工业中对功能填料的需求压力,增加粉煤灰利用时的附加值,从而提高企业资源化粉煤灰的积极性。

1 利用粉煤灰成分的涂料

1.1 复合陶瓷涂料

粉煤灰含有硅铝酸盐,在一些研究中其可被用作制备陶瓷涂料的原料[8,9]。所制备的陶瓷涂料用以保护基材,防止其被腐蚀,同时陶瓷涂层的耐磨性和耐热、耐冲击等性能也得到发挥[10]。粉煤灰陶瓷涂料对粉煤灰的成分要求较高,同时需配合一定量的其他原料,如铝钒土或废旧玻璃等,制备成陶瓷涂料。通过如热化学反应[11]、氧乙炔火焰喷涂[12]和等离子喷涂法[13]等工艺得到均匀、致密、牢固的陶瓷涂层,如可在钢或铜表面制备的功能陶瓷涂层[14,15],可用来保护基材不被腐蚀,基材抗氧化性能明显增加。
粉煤灰在陶瓷涂层中的应用具有原料便宜、易得的优点,可根据不同成分的陶瓷涂层调整不同的配料,得到各种性能的功能陶瓷涂层[9, 15]。粉煤灰在复合陶瓷中的应用可以增加粉煤灰资源化的方法,同时也提高了其资源化的附加值。

1.2 粉煤灰基地聚物涂层

地质聚合物是一种具有三维交联铝硅酸盐结构的无机聚合物,使用粉煤灰等含有硅铝酸盐的原料可以在碱激发下发生反应得到地聚物[16,17]。当其作为涂层材料时,其涂层具有很好的收缩性能和粘结性能,在基材的表面具有良好的硬度、耐磨性和耐腐蚀性,可作为路面层材料使用[18]。如木材对环境湿度的敏感性很高,环境湿度的增加和降低会导致木材的膨胀和收缩,使木材表面形成裂纹,这个问题可以通过在木材表面涂布聚合物涂层得以解决。地质聚合物涂层成功地渗透到木材表层的细孔中,从而建立了两者之间的物理机械连接和化学键连接,得到具有湿度敏感性低,同时具有一定防火性能的木质复合材料[19]。
利用粉煤灰中的成分能参与反应制备的涂层对粉煤灰的成分要求较高,方便其在反应中形成相应的网络结构,得到预期性能的涂层。

2 利用粉煤灰充当填料的涂料

粉煤灰在一些对颜色要求不高的涂料中可以直接充当填料,多为直接利用其自身具有的理化性质。

2.1 铸造涂料

铸件生产过程中,铸造涂料是涂敷在铸型的型腔或型芯表面上,用来改善铸型的抗金属液冲刷性、铸型表面的耐火性、化学稳定性和金属液抗粘砂性等铸造时必不可少的辅助材料[20]。粉煤灰在铸造涂料中的应用关键是如何保持其悬浮性,便于均匀地涂布到铸型的内腔壁上。为了提高粉煤灰在铸造涂料中的悬浮性,使用乙基纤维素(EC)制备的粉煤灰铸造涂料能够满足铸造涂料的应用要求,其具有悬浮率高、使用效果好等优点[21]。可再分散粉末也可用来提高粉煤灰在铸造涂料中的悬浮性,同时还提高了粉煤灰铸造涂料的密度、涂层耐磨性和暴热抗裂纹性等[22]。

2.2 保温涂料

保温隔热涂料采用具有低导热系数的材料,既阻止了室内外温度的传递,降低建筑物内的温度,又能使建筑物内部温度不易散失,起到保温的作用。隔热保温涂料的填料通常选择导热系数较低的材料[23]。粉煤灰尤其是漂珠具有多孔性,其导热系数较低[24],改性发泡后可得到性能优异的保温材料[25]。在涂料中应用粉煤灰漂珠可以降低复合涂层的导热系数,使涂层具有保温的效果,可以应用于建筑外墙涂料中[26]。由于粉煤灰的白度不够,也有报道利用二氧化钛包覆粉煤灰制备外墙隔热涂料[27]。

2.3 防火涂料

粉煤灰因导热系数较低在防火涂料中可以充当填料,降低热量传递速度[28]。如钢结构防火涂料中可以使用粉煤灰作为填料,改变防火涂层的导热系数[29]。利用粉煤灰与环氧树酯的复配也可以得到性能优异的防火涂料[30]。在木材防火涂料中可以通过改变粉煤灰的添加量,得到烟密度和阻燃性能都较好的木材防火涂料[31]。
通过对粉煤灰进行简单的表面处理,在不同的树脂中充当填料,复配得到了各类用途的涂料。这种方法是对粉煤灰利用量较大的一种方式,而且在铸造、防火涂料等中,当颜色要求不高时,可能直接大量地把粉煤灰当成填料使用。

3 改性粉煤灰充当功能填料的涂料

通过对粉煤灰的表面改性与功能化设计可得到功能性粉煤灰填料,添加到各类涂料中后,得到具有不同功能性的涂料。

3.1 粉煤灰疏水涂层

采用盐酸沉淀法,在粉煤灰玻璃微珠表面均匀沉淀一层纳米SiO2颗粒包覆层,制备出具有核壳结构的复合颗粒,实现对粉煤灰功能化设计。这种方法制备出的粉煤灰微珠复合材料可以在超疏水、自清洁、光催化、隔热等方面具有广泛应用[32]。使用硬脂酸对粉煤灰进行简单的疏水改性后,复配聚丙烯酸酯可制备得到疏水涂层,通过调整涂层的颜料体积浓度可以得到高达120°以上的接触角[33]。这类方法是通过对粉煤灰的表面改性得到具有疏水性的粉煤灰,再应用到涂料中去得到疏水涂层。

3.2 粉煤灰光催化涂层

在粉煤灰微珠表面形成锐钛矿相的TiO2纳米层从而得到具有光催化效果的粉煤灰。通过控制反应物浓度、配比、反应外部条件等方式可以改变微珠表面包覆的纳米材料晶形,改善涂层光催化性能。试验表明由此制得的TiO2/粉煤灰复合材料涂层在紫外光下的降解率达到90%以上,具有较高的光催化活性[27]。硫掺杂的TiO2包覆的粉煤灰也具有不错的光催化效果[34]。在粉煤灰漂珠上包覆TiO2制备的粉煤灰具有很好的光催化降解特性[35]。在此过程中发挥作用的是包覆在粉煤灰载体外的TiO2。

3.3 粉煤灰调湿涂料

在一些需要控制室内湿度的环境中,如图书馆、木质古建筑等场合中,环境中的湿度对其中物品的保存寿命具有重要的影响。使用空调的除湿或空气加湿器的方法可以保持室内空气中的湿度,但这样的方法消耗了大量的电能,近年来无源、节能、环保的调湿涂料也可以被应用到这一场合中[36]。通过改性粉煤灰与亲水性聚合物的复配得到了调湿性能优异的调湿材料[37],同时,使用亲水性改性的粉煤灰与苯丙乳液复配可制备具有调湿性能的内墙涂料,研究发现粉煤灰在涂层中的颜料体积浓度与临界颜料体积浓度接近时,调湿效果最佳[38]。利用改性后具有调湿性能的粉煤灰充当填料得到了具有调湿性能的内墙功能涂料。

3.4 粉煤灰消甲醛涂料

利用粉煤灰的多孔性与物理吸附性,可以通过改性得到吸附甲醛的粉煤灰[39]。结合对粉煤灰设计改性再负载的甲醛捕捉剂,综合物理吸附与化学吸附的双重性得到了先吸附再消除甲醛的粉煤灰功能材料,并以此为填料制备出具有甲醛消除功能的内墙涂料[40],试验中可将单位体积内的甲醛浓度降低到0.03 mg/m3,低于国家标准值0.08 mg/m3。
总的来说,通过表面处理与界面负载的方法得到具有功能性的粉煤灰粉体,粉煤灰起的作用是一种载体,其功能性由其界面包覆或负载的功能材料所决定。

4 结 语

粉煤灰在涂料中应用时不仅可以充当原料或填料,还可以通过设计改性与负载的方法得到功能填料。作为一种固废物,粉煤灰在涂料中的利用不仅大量减少其对环境的污染,减少涂料工业中对其他功能填料的压力,而且能切实提高粉煤灰资源化的附加值,是一种理想的资源化方法。随着对粉煤灰表面设计改性理论的深入研究,其可能会成为涂料工业中的一种重要的功能填料,从而完成其从固废到功能材料的转变。

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