新型环保防氡涂料中消泡剂用量的探讨

新型环保防氡涂料中消泡剂用量的探讨

高文武1，高秀峰1，谭志明2
（1.西安交通大学理学院，西安710049；2：香港城市大学建筑系，香港）

1 引言
室内的氡主要是指Rn222，氡的衰变产物称为氡子体，主要包括Po218、Pb214、Bi214、Po214。联合国原子辐射效应科学委员会（UNSCEAR），在1982 年的报告中估算了居民接受的天然辐射剂量，其中60%来源于环境中的氡及其短寿命子体, 且主要来自内照射。即由于吸入氡及其子体而产生的辐射剂量占据了人类接受天然辐射剂量的1/2。因此，室内氡污染的治理是十分必要的。报告中还指出，建筑材料是室内氡的主要来源，如天然放射性核素含量过高的煤渣砖、石材、高氡释出率的轻型发泡混凝土等，都会导致室内的氡浓度增高。常温下氡及子体在空气中能形成放射性气溶胶而污染空气，且容易被呼吸系统截留，并在局部区域不断积累而诱发肺癌。

UNSCEAR 于2008 年公布的2006 文件中又一次提醒世界各国公众注意防范氡的危害。控制内照射的基本原则是防止或减少放射性物质进入体内，对于放射性核素可能进入体内的途径要予以防范。
迄今为止，一般认为，室内氡浓度水平的高低主要取决于房屋地基地质结构和建筑材料中镭含量的高低，以及房屋密封性等多种因素。认为以下情况应当重点进行室内氡浓度的检测：用做工作或居住的地下室、别墅、封闭性较强的建筑、装有空调的房屋、使用矿渣水泥和灰渣砖的建筑，对于高层楼房室内氡污染的问题尚未引起人们的重视，这方面的资料也较少。尽管引起高层楼房氡污染的机理较之低层建筑简单，但是有关数据和资料相对匮乏。目前人们已经普遍认识到，加强通风可以临时降低室内氡浓度水平，但不能改变氡气的进气总量，而且有冬夏季能源的浪费与安全等问题。因此治理室内氡的根本方法在于加强建筑选址的放射性评估和建筑材料的辐射卫生监督。

为降低和控制室内氡的危害，研发了一种新型环保防氡涂料，并对涂料中消泡剂的用量进行重点研究。

2 消泡剂的种类和作用
对于泡沫至今尚无准确的定义，Smith.R.S 把泡沫定义为3 种：气泡、气泡分散体和泡沫。笔者认为泡沫是气泡的堆集体或集合体；总的应称为泡孔。作为涂料既有生产、施工和贮存状态下的气液非均相体系，又有涂料成膜之后的气固非均相体系。通常使用的消泡方法主要有物理、机械、化学法3 种。一般指的是化学法，即将某些化学试剂加到泡液中，消除或抑制泡沫的生成。消泡剂品种繁多，性能各异，从功能上可分为破泡剂和抑泡剂2 大类，从组成上可分为有机硅型、聚醚型和非硅型3 类。

硅油型消泡剂属于有机硅型消泡剂，具有较高的消泡功能,由于其乳化问题复杂，若乳化不完全使用时破乳将严重影响应用效果。它对油溶性溶液的消泡功效是令人满意的, 改性硅油消泡剂在水体系中消泡很好。聚醚型消泡剂主要有以下2 种:①直链聚醚,如聚氧乙烯、聚氧丙烯等；②端基由醇、氨（胺）或酯化的聚醚衍生物,此类消泡剂表面活性强,消泡效力高。非硅型是指以脂肪酰胺、磷酸酯、醇、醚等有机化合物为主的消泡剂，其价格低廉，但对致密型泡沫的消除能力较差。某些特殊环境或条件（如强酸、强碱等）下就需要像聚四氟乙烯这类耐酸碱的非硅型消泡剂。聚醚型消泡剂的扩展系数较大,因此破坏泡沫的作用很强,但抑泡作用很差;有机硅类的扩展系数很小,单纯的有机硅如二甲基聚硅氧烷无消泡作用,而将其乳化后,表面张力迅速降低,很少量使用即能达到极强的破泡和抑泡作用。本文研究的防氡涂料中的泡孔属气泡分散体的范畴，由于防氡涂料粉体原料表面常吸附有大量气体以及自身的洞孔缺陷，当这些粉料进入混合料之后，来不及排出而形成气泡；在添加不同的液体原料、倾倒或移动物料、不适宜的搅拌等操作过程中自身也会出现气泡，还有各种设备和配件等的器壁混入气体，小分子物未消耗完全残留在基体中而引起的气泡。彻底消除涂料中的泡孔，至今依然是困难的。

3 消泡剂的研制
⑴自制消泡剂的配方见表1。

⑵消泡剂的制备工艺流程见图1。

4 消泡剂的用量
消泡剂是防氡涂料中的必需成分，但属于工艺性材料，即对于涂料的功能本身并不需要，只是为了解决生产过程中出现的泡沫问题而添加的材料。因其在涂料成品中是多余的成分，且可能给产品带来缺陷，所以原则上是消泡剂的用量越少越好。在防氡涂料的配方中消泡剂的添加量确切地讲，它不是一个准确的数值，需要根据涂料制造工艺中的一些条件和影响因素作出适当调整。影响因素分析起来有：环境的湿度、添加方式、搅拌速率和时间等。采用三因素、三水平的正交试验设计方法对防氡涂料配方中消泡剂的用量进行试验设计，并进一步分析每个因素水平对防氡涂料配方中消泡剂用量的作用及各个水平之间的差异,探讨了相对湿度、搅拌速率等试验因素对防氡涂料配方中消泡剂用量的影响规律和机理,并与基准防氡涂料进行对比。
4.1 质量评价标准
面漆、底漆评价标准：储藏期外观细腻；开罐陈放24 h 质地均匀、无分层；一遍涂刷成膜均匀，无裂纹、无微气泡、无明显刷痕。腻子评价标准：储藏期外观质地均匀，单位长度一遍批抹裂缝为零、无微气泡。

4.2 试验
⑴正交设计。按正交表L9 （ 34）安排试验,以探讨不同影响因素对防氡涂料（包括面漆、底漆、腻子）的影响规律，来优化指导防氡涂料（包括面漆、底漆、腻子）中消泡剂比例的设计，从而指导防氡涂料（包括面漆、底漆、腻子）的生产。在满足上述评价面漆、底漆和腻子条件的同时，尽可能地降低消泡剂的用量。共试验了30组，面漆、底漆和腻子各1 组，每组又分10 小组。每组的第一小组为基准组，消泡剂用量（因素Q）分别为：面漆的消泡剂用量1.7（1.1+0.6）kg/t、2.3（1.4+0.9）kg/t、2.9（1.7+1.2）kg/t; 底漆的消泡剂用量A 型0.6 kg/t 与B 型0.7 kg/t，A 型0.9 kg/t 与B 型1.0 kg/t，A 型1.2 kg/t 与B 型1.3 kg/t；腻子的消泡剂用量2.3 kg/t、2.9 kg/t 3.5kg/t；相对湿度（因素R）：面漆、底漆和腻子相同，分别为45%、65%和85%；搅拌速率（因素S）：面漆、底漆和腻子相同，分别为300 r/min、1 000 r/min 和1 800 r/min；搅拌时间统一固定为30 min。面漆、底漆和腻子的材料总用量分别固定为186 kg、172 kg 和217 kg。

⑵质量评定。面漆、底漆和腻子的性能指标分五级：极差、差、中、良和优，相应表示为*、**、***、****、*****。具体评级标准见表2 和表3。


⑶试验结果与分析。正交试验结果见表4 ～ 6。


从表4 ～ 6 可以看出：
⑴环境湿度对防氡涂料性能具有重要的影响，为保证产品质量应该为生产车间配备空调设备，控制室内空气的湿度在45%。
⑵搅拌速率对于提高防氡涂料的质量也是重要的条件，在条件允许时用较高的速率生产。
⑶消泡剂的添加量对于防氡涂料质量的提高也具有一定的影响，消泡剂的添加量应控制在一定的范围之内，在保证达到消泡的目的的前提下，消泡剂的量越少越好，因此建议消泡剂用量取每组的中间值为佳。
⑷其性能的量化程度存在一定不足，由于在本研究中所取n 值较小，结果的精确性尚需进一步研究。

5 消泡剂用量的影响因素微观机理探讨
大量研究结果表明,面漆、底漆和腻子之间的过渡区是防氡涂料中最薄弱的环节,改善过渡区的组成、结构与性能是改善和提高防氡涂料性能的重要途径之一。消泡剂的添加量、生产环境的湿度和搅拌速率的变化对过渡层结构有重要的影响。
⑴在防氡涂料中,消泡剂的添加会导致面漆、底漆和腻子之间的黏结程度降低,从而使孔隙率提高。不均匀的黏结会使面漆、底漆和腻子之间的微观结合力减小，这种弱的结合受环境等因素的影响，易于开裂形成微裂纹，为氡气由混凝土进入室内提供通道。
⑵生产环境的湿度过高，使生产防氡涂料时添加的微粒粉料表面吸附更多的水分，研究发现，粉料粒径越小，其吸附水的量就越多，而且粉料颗粒结团，颗粒粒径也有增长的趋势。经验告知，在这种情况下，不仅增加了消泡剂的变数（大多数情况是消泡剂的量需要增加），而且其它成分，例如分散剂也不得不做出调整。这为防氡涂料整体的质量保证增加了困难。
⑶消泡剂的增加，需要更多的搅拌，才可以将消泡剂分散得更加均匀和成为更小的微粒。各种粉料颗粒由于相对湿度的增加，结成了较大的团粒，这需要更强的高剪切搅拌才可将这些颗粒打碎分开，获得符合质量要求的防氡涂料。

6 防氡涂料与其它涂料防氡性能比较
⑴试验仪器：混凝土试验箱。
⑵材料：选用在内地采购的某防氡涂料（2#）、3 种自制的不同配方的涂料（3#、4#、5#）和本研究成功的涂料（1#）。使用同样的施工工艺，同样的单位面积使用量（即涂层厚度完全相同），分别涂以腻子、底漆、面漆。
⑶测量：用标定校验好的RAD-7 测氡仪测量各自的防氡性能，以百分比数值比较防氡指数，防氡指数最高为100%。
⑷结果与讨论: 表7 是内地采购防氡涂料与本研制的防氡涂料防氡性能的比较结果，根据其数据整理得到图2。
从图2 可看出，使用本防氡涂料测出的第1# 方直图结果说明，无论是腻子、底漆或面漆都比其它同类涂料的防氡性能要高；第2# 方直图为已进入市场的品牌防氡涂料，按产品所附的说明操作，但其效果不理想。分析原因可能是本文提出的检测方法过于严格。第6#方直图显示将它们重叠之后产生了相当的协同效应，使得总体的防氡性能大幅提高。初步分析认为是前述颗粒密堆集和凝胶密堆集2 种效应的协同，这也与微颗粒最佳匹配有关。有关机理研究需要继续探讨。

7 结语
通过对专用防氡涂料的消泡剂等助剂的选用，提出了以各项性能指数的配合为中心的一种思路，本文以消泡剂为例探讨了该思路的应用，该思路尽管还需要细化和完善，但还是设计和制备出了优越的消泡剂，为进一步制取防氡性能优越的新型防氡涂料打下了坚实的基础。既保证了整体涂料的防氡性能又避免了损害涂料的其它环保性能。