建筑防尘涂料的研制

1  概 述
丙烯酸涂料具有良好的抗老化性、保光性和保色性,在建筑物、户外构造物等方面得到了广泛的应用。但丙烯酸树脂的显著缺点是易回粘,从而导致了该涂料易粘尘、耐污染性差,影响了装饰效果和使用价值。为提高丙烯酸涂料的耐沾污性,在现有数种方法中,有机硅改性丙烯酸涂料的研究最为活跃。但当有机硅树脂用量少时,不足以有效的降低回粘性、提高耐沾污性;用量大时,虽能有效的提高涂膜的耐沾污性,但生产成本大大增加。为了克服这一矛盾,我们采用了国外七八十年代以来逐渐发展起来的涂料自动分层原理,成功地研制出了既具有良好耐沾污性和耐候性,又具有较低成本而性能优异的丙烯酸—有机硅涂料,并赋于其独特的装饰效果。
自动分层涂料的概念是1976 年由W. Funke(1) 首先提出的,并吸引了众多专家的兴趣。尤其值得注意的是英国Paint Research Association 领导的并由欧盟成员国资助参加的BRITE/ EURAM 计划(2) 。现在自动分层涂料制造技术已应用于粉末涂料、水性涂料和溶剂型涂料。它的显著优点有: (1) 一次操作即可形成满足实际使用的2 层涂料(3) (如具有防腐功能和装饰功能) ; (2) 2 层之间有良好的附着力,克服了由于涂料层间附着力不良而引发的问题。充分使丙烯酸涂料和有机硅涂料各自的特性结合起来,从而研制成功具有极低表面能的防尘涂料。该涂料不仅可以用于建筑物外墙的装修,也可以用于户外各类建造物的装饰和维护。

2  实验部分
2. 1  原材料
有机硅树脂 可室温固化的二甲基有机硅树脂,简称RTV ,晨光化工研究院产;
丙烯酸树脂 溶液聚合制得;
有机硅丙烯酸接枝共聚物(简称G- g – B)  自制;
颜填料、溶剂等。

2. 2  涂膜性能测试仪器
彩色色差计CR – 300 (日本minolta 公司) ;人工老化试验机QUV(美国Q – panel LAB products) 。

2. 3  涂料生产工艺流程(见图1)

2. 4  产品的主要技术指标
光泽      > 90
附着力     2 级
耐沾污性(白色)  5 个循环,反射系数下降率小于3 %
耐候性     人工老化500 h 粉化,2 级

3  结果与讨论
3. 1  实现涂料分层的原理
2 种互不相溶树脂所组成(见图2) 的涂料体系,分层的基本条件如下式:
γs1 – γs2 ≥γ12 (1)  
γ2 – γs2 – γ1 +γs1 > 0 (2)  
γs – γs2 – γ12 – γ1 > 0 (3)  
式中 γ1 、γ2 、γs – 组分1 、组分2 及基底的表面张力;
 γs1 、γs2 – 组分1 、组分2 与基底之间的界面张力;
 γ12 – 组分1 与组分2 之间的界面张力。

显而易见,预测涂料的分层,需要知道2 种分层相的表面张力、它们之间的界面张力以及与基材的界面张力。一般而言,丙烯酸树脂具有较高的表面张力,与混凝土等具有较高的亲合力;而有机硅树脂表面张力小,一般与混凝土的亲合力较小[ 含有较高极性基团的- Si (OR) n 结构的除外] 。
我们选择了表面能低的二甲基有机硅树脂,因此可以预见,分层后形成的涂膜具有如图3 所示的结构,从图3 可以看出,有机硅树脂迁移到表面以提供低表面能、不粘尘、抗老化性能好的表面涂膜。

3. 2  G- g – B 的掺入
一般来说,有机硅树脂与丙烯酸树脂互溶性差,即使使用如V. V. Verkholantsev(4) 等提出的强共溶剂,一般也较难以形成稳定的体系;另一方面,有些极性较强的有机硅,可以形成较稳定的体系,但在形成涂膜时不能充分的分层。为解决这一对矛盾,我们合成的有机硅丙烯酸接枝共聚物( G- g- B) ,加入它使有机硅树脂分散在丙烯酸树脂溶液中,形成稳定的油/ 油“乳液”,在形成涂膜时,有机硅迁移至表面形成有机硅涂膜。表1 为G- g – B 加入量对涂膜性能的影响。
表1  G- g – B 掺入量对涂膜性能的影响

 由表1 可见,当G- g – B 用量超过1. 7 % ,涂膜性能严重下降,基本无机械性能,涂膜严重发雾。所形成的涂膜为多相体系,但与一般高分子多相体系相比性能优于2 种树脂单独使用的性能,此现象可归因于G- g – B 的特殊结构。据我们的合成机理推测,它具有“非”字型结构(见图4) 。如果用量少,且与有机硅树脂配合适当,能够形成建筑防尘的涂膜。对于丙烯酸树脂涂膜的性能影响很小。

3. 3  有机硅树脂的选择和对性能的影响
有机硅树脂具有极低的表面能,可有效的提高涂膜的回粘性、抗粘污能力,但其必须充分的迁移至涂膜表层,才能显示出它应有的特性。因此,有机硅树脂必须具备下列条件:
(1) 与丙烯酸树脂不互溶,即苯基、羟基、氰基等极性基团含量少; (2) 粘度小,这样在迁移到表面时能随着溶剂的挥发,有机硅树脂能够充分展开,才能形成连续的涂膜。为此,研究常温硫化硅橡胶RTV 并配合以室温交联催干剂形成乳液的情况,其性能见表2 。
表2  RTV 和G- g – B 用量对涂料性能的影响

 由表2 可见,在G- g – B 用量多而RTV 用量少时,涂料的稳定性好,但在形成涂膜时两相分层不够充分,涂膜性能差;反之当RTV 用量多而G- g – B 用量少时,虽然形成良好的涂膜,但贮存稳定性差,实际上不能用于涂料的制备。所以充分考虑到涂料的成本,RTV 有机硅树脂用量在4 %~12 %为宜,G- g – B 则在0. 1 %~0. 3 %范围内最为适宜。使涂料在贮存时具有良好的稳定性,而在涂膜形成时两相能够发生充分的分层,达到预期的目的。

3. 4  溶剂的选择和应用
在分层涂料中,溶剂对油/ 油“乳液”的稳定性起着至关重要的作用,同时在涂膜的形成过程中,使分散相有足够小的粘度,为油/ 油“乳液”的自动分层提供充足的时间,形成两层单相涂膜。
溶剂的选择原则是: (1) 在涂料贮存期间,应能保证足够的稳定性; (2) 随着低沸点溶剂的挥发,应使“乳液”体系中2种互不相溶两相产生足够的界面张力梯度,促使两相分层;(3) 在涂膜形成过程中,应有较低的粘度,保证两相有充分的分层速度。表3 为溶剂对涂膜性能的影响。

由表3 可见,在本文的研究体系中,200 # 汽油的用量达到30 %左右时,才能形成分层涂膜;二甲苯只有在低温时能够形成所要求的涂膜;而在仅有甲苯和丁醇时,难以形成两相分层的涂膜。究其原因,200 # 汽油具有较高的沸点,随着丁醇的挥发,丙烯酸树脂对于有机硅树脂的斥力增加,而200 # 汽油则保证RTV 具有较低的粘度,保证了它的分层迁移速度。

3. 5  涂料的配制
在涂料配制过程中,应制成丙烯酸和有机硅树脂的油/油“乳液”和丙烯酸树脂的颜料浆,待颜填料浆稀释到合格的粘度后,再加入油/ 油“乳液”,才能制成合适的涂料。如直接用油/ 油“乳液”制颜料浆,必然造成破乳,不能制备所需的涂料。

4  结 论
(1) 利用自动分层涂料技术可以使涂料具有其它方法不能达到的性能,在本涂料中则以低廉的成本制备了性能良好的有机硅—丙烯酸双膜涂料。
(2) 有机硅丙烯酸接枝共聚物的合成与应用是技术的关键,对于涂料的稳定性和涂膜形成时2 种互不相溶树脂形成理想的分层涂膜起着至关重要的作用。
(3) 自动分层涂料的制备具有较大的技术难度,涉及到大量的基本数据,如界面张力强度梯度,随溶剂的组成而变化,很难检测到具体的数据,而根据最终形成的涂膜性能来确定配方,即简单又有效、可靠。

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