0 引 言
近年来,在全国各地逐渐限制在高层建筑中使用玻璃幕墙及饰面砖的情况下,外墙涂料正逐渐成为建筑装饰的主要材料[ 1 ]。其中氟碳涂料在耐候性、耐腐蚀性、耐化学药品性、耐沾污性等方面,具有其他涂料无法比拟的综合优点[ 2 ] ,逐渐受到人们的青睐。
但氟碳建筑外墙涂料在施工时还存在龟裂现象;而且随着人们生活品质的不断提高,对氟碳外墙涂料的性能也提出了更高的要求,其中耐候性是人们最为关注的问题中国机械网okmao.com。本文针对上述氟碳外墙涂料的缺陷,利用具有紫外线屏蔽性能的纳米TiO2粒子来提高漆膜的耐候性,同时解决了纳米TiO2的稳定分散问题,在此基础上研制出水性纳米TiO2改性氟碳涂料。
实验结果表明:纳米TiO2改性后的氟碳涂料,不仅克服了龟裂现象,而且在耐候性和耐洗刷性等方面也有了明显的提高。将其与水性氟碳涂料进行常规性能对比,其中耐水性提高近4倍,耐酸性提高近3倍,耐碱性稍有提高,耐人工老化性能提高了1.25倍。
1 实验部分
1. 1 试剂与仪器
GHSF - 30型水性氟碳乳液、KH - 570硅烷偶联剂、PU增稠剂、DM分散剂、2#流平剂、TSP - 01消泡剂、丙二醇、十二醇酯、超细滑石粉、金红石型二氧化钛、云母粉、pH调节剂:工业级;金红石型纳米TiO2 (20～30 nm) :南京海泰纳米材料有限公司; SK - 5040分散剂:北京首创纳米科技有限公司。JSM - 6480扫描电镜:日本岛津生产; KQ - 200KDB型高功率数控超声波清洗器:昆山市超声仪器有限公司生产; LUV紫外加速老化试验箱、C84 - Ⅲ反射率测定仪、WGG便携式镜向光泽计、BY铅笔硬度仪、JTX - Ⅱ建筑涂料耐洗刷仪:由上海普申化工机械有限公司;涂- 4杯:天津市建筑仪器实验机公司; 7312 - Ⅰ型电动搅拌器:上海标本模型厂; FA2004N电子天平:上海精密科学仪器有限公司。
112 无机纳米粒子的选择
金红石型纳米TiO2是一种重要的无机功能材料,由于其粒径很小,比表面积大、界面原子所占比例大而具有优异的紫外屏蔽作用,可以改善涂料的耐老化性能,将纳米TiO2与涂料复合后,可以提高涂料的耐候性,耐人工老化等性能。此外,由于纳米粒子的粒径小,可提高涂膜的流平性,从而能够得到较薄的涂层,降低了表面张力,这样就解决了涂膜的龟裂问题。
113 水性纳米TiO2改性氟碳涂料的制备
将分散剂、丙二醇混合加热后溶解,加入滑石粉、二氧化钛、云母粉及适量的去离子水,混合高速搅拌40 min,再将混合搅拌好的一定配比的氟碳乳液与十二醇酯加入,混合搅拌1 h,然后按一定配比加入改性纳米TiO2浆料及各种助剂,高速搅拌,充分分散均匀后研磨、过滤,得到产品。
2 结果与讨论
211 水性纳米TiO2改性氟碳涂料配方的正交实验采用正交实验L16 (45 )的方法对氟碳乳液用量、金红石型二氧化钛用量、超细滑石粉用量、云母粉用量及纳米TiO2用量的配比进行优化实验,具体实验方案及实验结果见表1和表2。
表1 正交试验因素水平表
表2 正交试验结果及分析
注: Rj—耐人工老化性极差; Rk —耐擦洗性极差。
正交实验结果表明,以耐人工老化性为考察标准时,其优化工艺条件为A3B4 C3D2 E1 ,即氟碳乳液的用量为50% ,纳米TiO2用量为4% ,金红石型二氧化钛用量为20% ,滑石粉用量为8% ,云母粉用量为4% ,对表2进行极差分析可知,各因素的影响大小依次为A >B >C >D > E,即氟碳乳液>纳米TiO2>金红石型二氧化钛>滑石粉>云母粉;以耐擦洗次数为考察标准时,其优化工艺条件则为A4B2 C4D3 E4 ,即氟碳乳液的用量为60% ,纳米TiO2用量为3% ,金红石型二氧化钛用量为12% ,滑石粉用量为12% ,云母粉用量为2% ,对表2进行极差分析可知,各因素的影响大小依次为A >B > C > E >D,即氟碳乳液>纳米TiO2 >金红石型二氧化钛>云母粉>滑石粉。
氟碳乳液用量对涂料的耐人工老化性和耐擦洗性影响最大,滑石粉和云母粉用量影响较小。这是因为增加乳液的用量会使涂层中作为连续相乳胶粒子增多,乳胶粒子进入作为分散相的颜填料之间的空隙的几率增大,粘结力增强,所以耐人工老化性和耐擦洗性增大很快。
滑石粉和云母粉作为颜料由于自身密度和体积都较大,易于沉降和分层而影响涂层的性能。综合涂料性能和经济成本分析,选择组合A3B2C4D2 E4 ,即氟碳乳液的用量为50%,纳米TiO2用量为3%,金红石型二氧化钛用量为12%,滑石粉用量为8%,云母粉用量为2%。这样既满足了耐人工老化性要求,也提供了很高的耐擦洗性,同时还比较经济。
212 水性纳米TiO2改性氟碳涂料配方的确定
按照实验112中的步骤,通过加入不同配比的纳米TiO2浆液对氟碳涂料进行反复实验,确定了最佳配方见表3。
213 SEM形貌对比分析
改性前氟碳涂料与纳米TiO2改性氟碳涂料扫描电镜( SEM) ,见图1。
从图1可以看出,改性前涂膜中固体颗粒分散不太均匀,团聚现象较明显;改性后涂膜中固体颗粒分散均匀,没有明显的团聚现象,这说明纳米粒子均匀分布在颜填料和乳胶粒子之间,在涂料干燥成膜时,纳米粒子的高表面能改善了乳胶粒子之间和乳胶粒子与颜填料之间的界面结合力,形成多种形式的键合,因此涂膜表面各部分形貌均匀。
纳米TiO2在涂料中得到有效分散,无明显团聚现象,其原因有2: 1是本实验采用了合理的制备工艺,使纳米TiO2基本呈单一分散状,总体上分散比较均匀; 2是本实验采用的纳米TiO2经过表面处理,纳米粒子与处理剂之间进行化学反应,改变纳米粒子的表面结构和状态,防止纳米粒子在涂料中2次聚集,增强纳米粒子与基料之间的界面粘结力,从而表现出与基料良好的相容性。
2. 4 纳米TiO2改性氟碳涂料的性能
根据HG/T 3792—2005《氟碳涂料行业标准》, 对纳米TiO2改性氟碳涂料与水性氟碳涂料的常规性能进行检测,检测结果见表4。
从表4可以看出,耐碱性稍有提高,纳米TiO2改性氟碳涂料在耐水性、耐洗刷性、耐人工老化性等常规性能方面均优于水性氟碳涂料。其原因是纳米TiO2在涂料中分散均匀,颗粒较小,比表面积较大,消除了涂料涂膜的一些表面缺陷,同时在表面成膜以多种形式发生键合,封闭了表面的一些水溶性基团,从而提高了涂膜的耐水性、耐酸性。
同时由于形成了致密的涂膜,纳米材料粒子密集在涂膜表层,充当了润滑剂的作用,降低了涂膜的摩擦系数,从而提高了涂膜的耐洗刷性;另外,纳米粒子与高分子胶粘剂及其他填料粒子表面吸附,形成了更多的物理交联,从而增强了耐人工老化性能[ 3 ]。
3 结 语
(1)利用SEM对未经改性的氟碳外墙涂料和改性氟碳外墙涂料进行了外貌分析,结果表明经纳米TiO2改性的氟碳外墙涂料的涂膜表面平整,光滑致密,分散性好,无团聚现象。
(2)对纳米TiO2改性氟碳涂料进行常规性能检测,结果表明其性能稳定,在耐候性、耐擦洗性和耐老化性等方面均优于未经改性的氟碳涂料。纳米TiO2浆料按一定配比加入氟碳涂料并对其改性,能有效地提高氟碳涂料的性能,克服了龟裂现象。
水性纳米TiO2 改性氟碳外墙涂料的研究
郭文录,王文明,国晓军,吕秀波 (江苏科技大学材料科学与工程学院,江苏镇江212003)