纳米复合水性外墙涂料的研究

1 前言
纳米材料作为新型功能材料引起了学术界的极大关注。近期,纳米材料的研究和应用已遍及各行各业。纳米材料在涂料中的应用研究有2种情况【1]:一种是将纳米粒子在涂料中分散后形成纳米复合涂料,另一种是将完全由纳米粒子组成的纳米材料应用于涂料后形成纳米涂料。本课题属于第一种情况。将纳米TiO2加在涂料中研制纳米复合水性外墙涂料,主要目的是使涂料的耐候、耐碱、耐水、耐擦洗、耐老化等性能有明显提高。在水性涂料中, 由于纳米材料具有很高的比表面积,表面能很高,在水介质中分散很容易团聚,造成涂料性能下降【2】。因此,纳米材料在水性涂料中的均匀分散是研制纳米复合水性涂料的关键。本文通过对纳米TiO2材料进行表面改性处理,从而形成纳米TiO2浆,然后应用到改性苯丙乳液中制成纳米复合乳液, 以此纳米复合乳液与相应的颜填料和助剂复配制得纳米复合水性外墙涂料,并研究了其综合性能。

2 实验部分
2.1 主要原料及仪器
金红石型纳米TiO2、改性苯丙乳液、滑石粉、硫酸钡、纤维素、其它溶剂和助剂均为市售。JSF一400型搅拌砂磨分散多用机(上海现代环境工程技术研究所生产),电子天平(上海精密科学仪器有限公司),JSM.6480扫描电镜(日本岛津),紫外LuV加速老化试验箱、JTX.1 1建筑涂料耐洗刷仪、WGG60镜向光泽度仪、反射率测定仪和涂.4杯均为上海普申化工机械有限公司生产。

2.2 纳米二氧化钛浆料的制备
在120 mL烧杯中加适量的水、OP一10、TFC一1分散剂、TSP 03消泡剂、丙二醇和纤维素,缓慢搅拌均匀,然后加入纳米TiO2粉,高速分散15 min后,升温至80。C左右。在高速分散25 min后,冷却,再加入少量TiO2,高速砂磨10 min即制成浆料。

2.3 纳米复合外墙涂料的制备
将溶剂、乳液、填料及各种助剂按一定比例混合,搅拌分散30 min,再将制备好的纳米TiO2浆料按配比加到涂料中,搅拌30 min,分散均匀,加入消泡剂,过滤, 出产品。

2.4 性能检测
根据GB/T 9755—2001《合成树脂乳液外墙涂料》的技术指标,按GB/T 1865—1997《色漆和清漆人工气候老化和人工辐射暴露(滤过的氙弧辐射)》测定耐候性,按GB/T 1733—1993《漆膜耐水性测定法》检测耐水性,按GB/T 9265—1988《建筑涂料涂层耐碱性的测定》检测耐碱性,按GB/T 9266-1988《建筑涂料涂层耐洗刷性的测定》检测耐擦洗性。

3 结果与讨论
3.1 不同含量纳米TiO2复合涂料对涂膜耐候性的影响
用人工LUV紫外加速老化试验箱,紫外荧光灯管功率0.06 kW,波长313 rim,其特征具有连续光谱。将不同含量的纳米TiO2复合外墙涂料与没有加纳米TiO2的改性苯丙涂料作比较,测试结果如表1所示。
表1 不同含量的纳米TiO2涂料与改性苯丙涂料的人工老化实验对比

从表1可看出,纳米复合苯丙外墙涂料具有超强的人工老化性能,比改性苯丙外墙涂料人工老化性能提高了80%。主要原因是TiO2纳米粒子非常小,预先制备的浆料在水介质中能均匀分散,使得涂膜表面光滑致密,增强了涂膜对紫外光的屏蔽性能。另外,纳米粒子在涂料中分散后表面能很大,与高分子胶粘剂及其它填料的粒子表面吸附,形成更多的物理交联[3J,从而增强了耐老化性能。实验表明,含3% TiO2的纳米复合涂料其耐老化效果最好。

3.2 不同含量纳米Tio2复合涂料对涂膜耐水性的影响
几种涂料耐水性能检测的结果(25。C下)见表2。
表2 不同含量的纳米TiO2涂料与改性苯丙涂料的耐水性试验对比

从表2可知,纳米复合涂料的耐水性比改性苯丙涂料好,而加入3% TiO2的涂料其耐水性最好。其主要原因是纳米TiO2浆在水中能很好地分散,形成的涂膜致密,可延缓水分子的侵入。含4% TiO2的涂料其耐水性有所下降,主要是因为聚沉而使涂膜变差。

3.3 不同含量纳米TiO2复合涂料对涂膜耐碱性的影响
不同含量纳米TiO2复合涂料与改性苯丙涂料涂膜的耐碱性检测结果列于表3。
表3 不同含量的纳米TiO2涂料与改性苯丙涂料的耐碱性试验对比

从表3可知,纳米复合涂料比改性苯丙涂料具有优异的耐碱性,且含3% TiO2的涂料其耐碱性最好。原因可能是纳米粒子小,形成涂膜致密, 阻挡了碱液中的OH-侵入涂膜。

3.4 耐擦洗性检测
含3% TiO2的纳米复合涂料与改性苯丙涂料的耐擦洗性试验结果分别为>l8 000次和>l 1 000次。纳米复合外墙涂料的耐擦洗性比改性苯丙外墙涂料提高了近60%。原因是纳米复合外墙涂料涂膜致密,纳米粒子富集在表层,充当了润滑剂的作用,降低了涂膜的摩擦系数,从而提高了耐擦洗性。

3.5 纳米复合外墙涂料性能检测结果
按GB/T 9755-2001对含3%Ti02的纳米复合涂料与改性苯丙涂料的常规性能进行检测,结果见表4。
表4 纳米复合外墙涂料与改性苯丙涂料性能对比

从纳米复合水性外墙涂料与原来改性苯丙涂料检测结果相比,容器中状态、施工性、低温稳定性、涂膜外观、干燥时间无显著差别。但是,耐水性、耐碱性、耐人工老化、耐洗刷性均有明显提高。特别是耐洗刷性提高了近80%。究其原因,一是形成了致密的涂膜,二是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擦洗性。耐人工老化性提高了近60%,主要原因可能是纳米粒子在涂料中均匀分散,使涂膜致密,增强了涂膜对紫外光及雨水、酸雨的屏蔽性能;另外,纳米粒子与高分子胶粘剂及其它填料粒子表面吸附,形成了更多的物理交联,从而增强了耐老化性能。

3.6 扫描电镜照片对比
含3% TiO2的纳米复合涂料与改性苯丙涂料的SEM 照片如图1所示。从图1可以看出,纳米复合涂料的分散效果比改性苯丙涂料的分散效果好。

4 结语
(1)制备了能够在水介质中均匀分散的纳米TiO2浆料。将该浆料加入到改性苯丙外墙涂料中制成纳米复合外墙涂料,其性能稳定,涂膜表面光滑致密,在耐候性、耐碱性、耐水性和耐擦洗性等方面比改性苯丙涂料有明显提高。
(2)纳米TiO2的量控制在3%时效果较好。

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