纳米复合外墙乳胶漆的研制

1  前 言
为了满足建筑涂料在装饰、环保、节能、施工等方面的更高要求,近年来,国内外建筑涂料向水性化、高固体分化方向发展;向高装饰性、高耐候性、高耐沾污性方向发展;向省能源、省资源、无污染方向发展;向多品种、功能复合化、高效率、高性能方向发展。纳米技术与建筑涂料进行有机结合,对建筑涂料向高质量、高档次、环保型、多功能化等方向发展将会起着极大的推动作用;对提高建筑涂料在国内外市场上的竞争力,特别是与国外知名品牌的竞争性将起到积极作用。随着国家和各级地方政府部门对玻璃幕墙、墙面砖等建筑材料的限制使用,以及对环保型建筑涂料的大力推广应用,高性能、高质量的纳米复合建筑内外墙涂料将具有广阔的市场前景。

2  实验部分
211  原材料
纳米级SiO2 、纳米级TiO2 ;粒子表面改性剂ZH -10 ,自制; 纯丙乳液,罗门- 哈斯公司产品; 钛白粉(R – 706) ,美国杜邦公司产品;纤维素( ER – 30M) ,美国联碳公司产品;Rheovis CR2 ,英国联合胶体公司产品。

212  性能测试
耐候性(人工加速老化) 试验: 按GB/ T 1865 —1997《色漆和清漆人工气候老化和人工辐射暴露》标准在日本WEL – 6XS – HC 型氙灯气候试验机上进行。黑板温度: (65 ±2) ℃;610 kW水冷式氙灯光源,连续光照;相对湿度60 %~80 %;降雨周期:18 min/120 min。
贮存稳定性:按GB/ T 66713 —86《涂料贮存稳定性试验方法》进行。
耐洗刷性:按GB/ T 9266 —88《涂层耐洗刷性的测定》进行。
耐冻融性:按GB/ T 9268 —88《乳胶漆耐冻融性的测定》进行。
耐水性和耐碱性:分别按GB/ T 1733 —93《漆膜耐水性测定法》和GB/ T 9265 —88《涂层耐碱性的测定》进行。

213  配 方
不同组成外墙乳胶漆的配方见表1。

214  生产工艺
外墙乳胶漆组成比较复杂, 这给配方设计带来了一定的难度。有关基料乳液、颜填料及其体积浓度(PVC) 、增稠剂、成膜助剂、润湿剂、分散剂以及其他助剂等对涂料性能的影响, 以前的文献中已有报道。本研究重点放在纳米粒子的分散状态、纳米粒子的用量以及纳米粒子表面改性剂等对涂料性能的影响上。

215  涂料性能比较
不同组成外墙乳胶漆性能比较见表2。

3  结果与讨论
311  纳米粒子分散性的影响
纳米粒子表面极性大,表面能高,粒径小,极易发生团聚而成为微米级粒子,因而使涂料性能达不到理想的要求。为了提高纳米粒子在涂料体系中的分散性,增加纳米粒子与其他组分的界面结合力,需要对纳米粒子的表面进行改性,主要是降低粒子的表面能,提高粒子与有机相的亲和力,减弱粒子的表面极性等。我们针对TiO2 和SiO2 的表面特性,研制开发了硅酮类粒子表面改性剂ZH – 10 ,结合超声波预分散手段,使TiO2 和SiO2 纳米粒子在涂料体系中达到70 %~80 %纳米级分散状态。从表1 和表2 中的配方A – 0 和A – 1 与A – 4 的比较可看出,纳米粒子表面改性剂使涂料性能,特别是耐候性、耐水性、耐洗刷性及耐沾污性等明显提高。

312  纳米粒子用量的影响
虽然纳米粒子表面通过表面改性剂的处理,并结合超声波预分散手段进行分散,但由于涂料体系的组分多而复杂,且涂料的粘度较大,因此,纳米粒子在涂料体系中的分散量是有限的。实验结果表明,对于TiO2 和SiO2 纳米粒子,涂料性能随着纳米粒子用量的增加而提高,但当纳米粒子的用量达到一定值时,涂料的性能基本不变;而当纳米粒子的用量进一步增加时,涂料的性能反而下降。这一结果表明,纳米粒子的用量小于某一值时,在表面改性剂等作用下,纳米粒子在涂料体系中能得到有效分散;当纳米粒子的用量进一步增加时,由于体系粘度大,纳米粒子表面能高,纳米粒子发生团聚而成为微米级粒子,从而使体系中的纳米相的比例降低甚至消失,因而涂料性能也发生相应的变化。根据涂料的性能与成本,应合理控制纳米粒子的用量。

313  纳米粒子间的协同效应的影响
纳米SiO2 粒子具有大颗粒所不具备的特殊光学性能,存在“蓝移”现象,即光吸收带向短波方向移动。经分光光度仪测试表明,纳米SiO2 粒子具有极强的紫外光吸收,红外反射的特性,其中对紫外光长波UVA ( 320 ~ 400 nm) 反射率达85 % , 对中波UVB(280~320 nm) 的反射率达80 % , 对短波UVC(200~280 nm) 的反射率仍达70 %~80 % ,所以,将纳米SiO2 粒子用于建筑外墙涂料体系中,可提高涂料的耐候性。此外,纳米SiO2 粒子具有三维硅石结构,庞大的比表面积,表面严重的配位不足,表现出极强的活性。所以,纳米SiO2 粒子对涂料中的色素粒子的吸附力很强,能紧密地包覆在色素粒子的表面,产生屏蔽效应,大大地降低了因紫外光的照射而产生的色素衰减和涂料的黄变等现象。普通TiO2 具有一定的吸收紫外线的能力,而纳米TiO2 由于粒径更小,活性更高,吸收紫外线的能力更强。此外,根据Rayleigh 光散射理论,纳米TiO2 可以透过可见光及散射波更短(200~400 nm) 的紫外线,因此,纳米TiO2 既能吸收又能散射紫外线,其屏蔽紫外线的能力很强。
由表2 可见,TiO2 和SiO2 两种纳米粒子同时加入涂料体系中,对涂料的性能(如耐候性、耐水性、耐碱性及遮盖力等) 产生协同效应。但是,TiO2 和SiO2 两种纳米粒子用量配比不当或用量超出一定范围,对涂料的性能不能产生协同效应,相反还会降低涂料的性能。

4  结 语
我们研制的纳米复合外墙乳胶漆,由广东高科力新材料有限公司投入生产并投放市场,分别在三峡水利工程中的发电厂房、宜昌葛洲坝水利工程、南昌八一大桥、广州市迎九运“穿衣戴帽”及体育场馆工程、广州市市立交桥涂装工程等一大批重点工程中应用,特别是在2001 年宜昌三峡夷陵长江大桥和2002 年古城荆州长江大桥的涂装工程的招标中,该涂料以高质量分别中标,使企业获得了可观的经济收益。
纳米技术将纳米材料与传统涂料产业结合,提高涂料的性能/ 价格比和市场竞争力,这一工作在我国还刚刚开始,无论在理论方面、纳米粒子与涂料体系的作用机理方面,还是在涂料性能的提高和完善等方面还有大量的工作需要不断进行深入、系统地研究,以推动纳米技术和纳米材料在涂料中的广泛应用。

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