Study of the possibility of using recovered phosphogypsum to produce coating materials
Study of the possibility of using recovered phosphogypsum to produce coating materials
Abstract
The work studies the possibility of obtaining coating materials with the use of phosphogypsum as a filler and ultraviolet pigment synthesized on its basis. Phosphogypsum takes the leading place by the volume of accumulation among industrial wastes containing calcium sulphate, which creates conditions for the growth of scientific and practical interest in possible ways of solving the problem of its utilization. In this regard, the search of cheap effective fillers of coating materials, obtained on the basis of processing of industrial wastes, is relevant. In the course of the research it was established that phosphogypsum heat-treated in the presence of reducing agent, showing the properties of ultraviolet pigment, can be used to produce coating materials on aqueous and non-aqueous basis.
1. Введение
Пигменты или наполнители представляют собой специальные мелкодисперсные вещества, добавляемые к лакокрасочным материалам с целью улучшения их ключевых свойств и снижения стоимости
.Поиск эффективных наполнителей является актуальной задачей химической технологии. В работе
было проведено изучение восприимчивости к солнечному свету 10 красок различного состава, обычно используемых городскими художниками. Их нанесли на бетон и кирпич и подвергли старению искусственным солнечным светом в лабораторных условиях. Изучали изменение цвета с течением времени, а также минералогические и физические свойства. Показано, что стойкость красок на этих подложках зависит, главным образом, от состава краски (основы, пигмента и наполнителя), а также от типа основания, так как он влияет на адгезию краски. Наибольшая модификация окраски выявлена у флуоресцентных красок, которые теряют цвет из-за разрушения органической фазы, а при увеличении дефектов при высыхании со временем отслаиваются от подложки.В качестве наполнителей красок для снижения их стоимости используют отработанные отходы стали и магнетита
, , тальк , оксидные соединения , , . Наполнители полимерных материалов помогают контролировать заданные параметры. Например, каолинит обладает выраженными реологическими свойствами, которые помогают поддерживать надлежащую дисперсность и придают объем продукту ; маслопоглощающая способность глины помогает контролировать загрузку наполнителя; гранулометрический состав – плотность упаковки, стойкость к истиранию и растекание в красках ; вязкость способствует тиксотропности и стойкости краски к оседанию .В последние десятилетия усилилась тенденция обострения проблем геоэкологического характера, обусловленных, в первую очередь, экстенсивной формой природопользования, ухудшением экологической обстановки, вызванной рядом причин
, , в том числе – нерациональным ведением многих отраслей природопользования . Фосфогипс занимает ведущее место по объему накопления среди промышленных отходов, содержащих сульфат кальция, что создает условия нарастания научного и практического интереса к возможным путям решения проблемы его утилизации.В этой связи актуальным является поиск дешевых эффективных наполнителей лакокрасочных материалов, получаемых на основе переработки отходов производства.
Целью работы являлось изучение возможности получения лакокрасочных материалов с применением в качестве наполнителя ультрафиолетового пигмента, полученного на фосфогипса.
2. Методы и принципы исследования
Синтез ультрафиолетового (УФ) пигмента из фосфогипса осуществляли по методике, описанной в
, . Фосфогипс и восстановитель отвешивали с точностью до 0,005 г на технических электронных весах, гомогенизировали в смесителе мощностью 0,45 кВт со скоростью 1500 об/мин, после чего помещали в алундовых тиглях в рабочее пространство муфельной печи, где производили их термообработку по следующим режимам: нагрев образцов со скоростью 13 К/мин до температуры прокалки, которая составляла 800 оС, 900 оС, 1000 оС. Далее следовала выдержка в течение 60 мин. По окончании термообработки – охлаждение образцов вместе с печью до комнатной температуры.Для получения лакокрасочных материалов в готовую матрицу вводили определенное количество УФ пигмента, наносили на поверхность гипсокартона. После полного высыхания визуально оценивали качество лакокрасочного покрытия и его люминесцентную способность.
Для оценки качества покрытия его выдерживали до полного высыхания (не менее 2 ч), далее оценивали его визуально при дневном или электрическом освещении.
Перед введением пигментов провеяли их гранулометрический состав с помощью ситового анализа, крупные фракции растирали в агатовой ступке в течение 20 мин до пудрообразного состояния.
3. Основные результаты
Минерал фосфогипс представляет собой мелкодисперсный порошок белого цвета. В обычном состоянии при облучении его ультрафиолетовым светом люминесценция не отмечена. В присутствии влаги фосфогипс может подвергаться слеживанию. В этой связи для получения наполнителя исходный материал подвергали термообработке при температуре 800 оС. В результате получается порошок обожженного материала, рассыпчатый, белого цвета, не гигроскопичный. В таком состоянии термообработанный фосфогипс может быть использован в качестве инертного наполнителя лакокрасочных материалов.
Проведение процесса термообработки в присутствии углеродсодержащего вещества приводит к формированию композиционного материала сульфат кальция/сульфид кальция. При облучении ультрафиолетовым светом восстановленный фосфогипс испускает свечение желто-оранжевого цвета. Полученные с применением разработанного способа УФ пигменты были использованы для получения лакокрасочных материалов на водной (дисперсная латексная краска белая) и неводной (эмаль белая ПФ-115) основе. Введение полученного пигмента в полимерную матрицу незначительно снижает люминесцентную способность пигмента.
В табл. 1 и 2 приведены рецептуры разработанных лакокрасочных материалов (полимерной (или водной)) основы во всех экспериментах использовали фиксированное количество – 10 мл.
Таблица 1 - Составы лакокрасочных материалов на водной основе
Обозначение | Кол-во ультрафиолетового пигмента, г | Кол-во фосфогипса, г | Интенсивность свечения при УФ-освещении, отн. ед |
ДЛК-1 | 0,5 | - | 0,4 |
ДЛК-2 | 1,0 | - | 0,7 |
ДЛК-3 | 1,5 | - | 0,8 |
ДЛК-4 | 2,0 | - | 1,0 |
ДЛК-5 | - | 1,0 | 0 |
Таблица 2 - Составы лакокрасочных материалов на неводной основе
Обозначение | Кол-во ультрафиолетового пигмента, г | Кол-во фосфогипса, г | Интенсивность свечения при УФ-освещении, отн. ед |
ЭБ-1 | 0,5 | - | 0,4 |
ЭБ-2 | 1,0 | - | 0,5 |
ЭБ-3 | 1,5 | - | 0,7 |
ЭБ-4 | 2,0 | - | 0,9 |
ЭБ-5 | - | 1,0 | 0 |
Рисунок 1 - Внешний вид покрытий при дневном освещении
Рисунок 2 - Внешний вид покрытий при ультрафиолетовом освещении
4. Обсуждение
Согласно проведенным исследованиям, получаются покрытия с хорошей укрывной способностью. С увеличением количества введенного наполнителя укрывная способность лакокрасочных материалов становится лучше. Согласно наблюдениям, адгезия лакокрасочного покрытия к поверхности гипсокартона в модельном эксперименте была высокая. Разработанный пигмент и полимерная основа обладают заметной когезией, распределение пигмента в матрице равномерное. Покрытие во всех изученных образцах было сплошным, без потёков, морщин, наплывов, постороннего мусора. С увеличением количества наполнителя в лакокрасочном материале вязкость системы, как и сухой остаток, увеличивались. В случаях максимального количества введенного наполнителя и УФ-пигмента было отмечено затруднение растекания лакокрасочного материала.
При облучении излучением с длиной волны ультрафиолетового диапазона, полученные покрытия излучают желто-оранжевое свечение. С увеличением количества ультрафиолетового пигмента в составе лакокрасочного материала люминесцентная способность становится более выраженной. Образец с введенным фосфогипсом в качестве наполнителя (ДЛК-5, ЭБ-5) люминесцентной способностью не обладает.
Повышение количества наполнителя в составе лакокрасочного материала сопровождается снижением текучести краски, что может в дальнейшем негативно сказываться на качестве покрытий. В изученном диапазоне введенного количества ультрафиолетового пигмента (от 5 до 20 % (масс.)) оказалось достаточным для получения композиций с хорошей укрывной способностью и выраженным желто-оранжевым свечением при облучении ультрафиолетовым светом. Данный результат воспроизводится с любым изученным лакокрасочным материалом.
Полученные результаты открывают широкие возможности по разработке технологии утилизации отходов химической промышленности в доступные продукты с высокой добавочной стоимостью. Помимо очевидного экономического эффекта, параллельно решаются ряд экологических и социальных вопросов, связанных с высвобождением земель под хозяйственные нужды, снижения техногенного воздействия на окружающую среду, оздоровления природных ландшафтов.
5. Заключение
На основании изучения возможности использования восстановленного фосфогипса в качестве наполнителя лакокрасочных материалов можно заключить следующее.
1. Восстановленный фосфогипс, проявляющий свойства ультрафиолетового пигмента, может быть использован для получения лакокрасочных материалов на водной и неводной основе.
2. С увеличением количества ультрафиолетового пигмента в составе лакокрасочного материала люминесцентная способность становится более выраженной.