纳米TiO2改性建筑外墙乳胶漆耐候性的研究

纳米TiO2 改性建筑外墙乳胶漆耐候性的研究

吴健春1 , 黄婉霞2 , 郑洪平2 , 曹建军1
(1. 攀枝花钢铁研究院,四川 攀枝花 617000 ;  2. 四川大学材料学院,四川 成都 610065)

0  引言
  纳米材料由于具有量子尺寸效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应[1 ] 等一系列特殊的物理化学性能,从而越来越受到人们的重视,纳米材料改性涂料便是目前最受关注的对象之一。二氧化钛具有金红石型、锐钛型和板钛矿型三种晶型结构,前两种是常用的晶型,板钛矿因结构不稳定而很少使用。由于纳米二氧化钛可透过可见光和散射波长更短(200~400 nm) 的紫外光[2 ] ,因而是一种优异的紫外屏蔽材料,可以用于涂料中。将纳米二氧化钛作为一种纳米级的颜料加入到涂料中,充分分散后可以大幅度提高涂料的抗老化性能、抗粘污性能和力学性能[3 ] 。金红石型纳米二氧化钛与锐钛型纳米二氧化钛相比具有更高的紫外屏蔽效应,因而更适合于外墙涂料。笔者将攀钢生产的纳米二氧化钛作为添加剂,利用超声波分散技术将其分散到普通涂料中做了一系列对比试验。

1  试验方法
1. 1  试验设备
银河SH60B 氙灯耐气候试验机;
加速老化试验箱(自制) ;
WGG—60 微机光泽度仪;
QEY型涂膜粉化率测定仪;
MINOLTA CR —10 型色差仪。

1. 2  测试方法
将涂料样板放入加速老化试验箱和银河SH60B氙灯耐气候试验机中进行老化试验[4] 。经过一定时间后取出测量其色差与失光率的变化情况,从而判断其抗老化的能力。色差越大表明其抗变色能力越差,失光率越大表明光泽度损失越大。采用测定样板的色度空间坐标值L 、a 、b 的方法来测定色差值。老化前测定样板原始色度坐标值:L T、aT、bT ;老化x 时间后测定样板的色度坐标:Lx 、ax 、bx ,这样就可以计算老化前后色度坐标的变化值[3 ] :

这样进行色差的测定,同直接利用未老化样板作参照测定色差不同,是进行老化试验的样板老化前后自身参数的对比,可以有效排除样板间固有差异的影响。光泽度测定采用:WGG—60 微机光泽度仪,上海精密科学仪器有限公司生产。该仪器等效采用国际标准ISO2813《非金属涂料膜20°、60°、85°镜面光泽的测量》,适用于一般漆膜光泽度的测量。实际测量时采用符合ASTM D523 推荐的60°镜面光泽度标准测试方法。WGG—60 微机光泽度仪技术参数: 测量范围0~120光泽单位,稳定性±0. 4 光泽单位,示值读差±2 光泽单位。粉化测定采用:QEY型涂膜粉化率测定仪,天津建筑仪器试验机公司生产。该仪器根据DIN5315“用Kempf 方法测定油漆和类似涂料的粉化率”标准进行粉化率的测定。技术指标如下:施力范围为50~250 N ,施力精度为±10 % ,橡胶压头硬度为60 ±5A 级,直径为40 mm。使用方法:将试样涂膜朝上放在托盘中,放上在室温下水中浸泡4 min 并用滤纸吸干表面水分的黑色相纸(相纸的光面朝向涂膜) ;握住手柄以均匀压力往下至刻度值,抬起手柄;取出相纸与标准粉化率等级照片比较评级。将涂料刷在样板上,放进银河SH60B 氙灯耐气候试验机中进行老化试验,每过24 h 后测试光泽度和颜色值,最后再计算失光率和色差值。然后根据国标对其抗老化性能进行评级。失光率和色差的计算方法如下:
失光率= 原始光泽度- 老化后光泽度/原始光泽度×100 %
色差= 老化前颜色值- 老化后颜色值

2  涂料制备
  试验原料采用攀钢生产的纳米TiO2 ,粒度为30nm。涂料使用同一基本配方(BBL) 配制,这是一种中档外墙涂料。改变纳米TiO2 的添加量制备出几组试验涂料,即将纳米TiO2 适量溶解用超声波分散30 min 后按表1 的比例添加到涂料中制备出纳米改性外墙涂料。
表1  纳米TiO2 粉体改性苯丙乳胶漆试样

 按照国标规定的方法制备涂料样板[4 ] ,然后进行人工气候老化和紫外加速老化的实验。其中紫外加速老化试验采用4 ×60 W 荧光紫外灯管作为光源,试样表面距灯管100 mm。

3  实验结果与分析
3. 1  对乳胶漆色差的影响
添加单一纳米TiO2 粉体对乳胶漆色差的影响结果如图1 所示。
从图1 中可以看出,纳米TiO2 的加入使得苯丙乳胶漆的抗色变性有明显的提高;纳米TiO2 添加量对涂膜抗变色性有一定的影响。从紫外加速实验结果可以看出, 老化后期, 添加量1. 0 %的涂料同2. 0 %以上的相比,色差要高出0. 5 左右; 添加量2. 0 %的涂料同3. 0 %时相比差异不大,反而添加量2. 0 %时的色差值比3. 0 %时要稍小,可见纳米TiO2添加量有一个适当范围,并不是越多越好。从图1 中人工气候老化结果来看, 单一纳米TiO2 改性苯丙乳胶漆在老化202 h (相当于标准620h 左右) 时的色差为3. 0 左右,变色1 级,已经超过国标优等品的指标,而未改性乳胶漆只基本符合国标中档产品(一等品) 的指标。对比人工气候老化与紫外加速老化的结果可以看出,紫外加速实验中色差变化普遍比人工气候老化要大,但变化趋势基本一致。

3. 2  对乳胶漆失光率的影响
添加单一纳米TiO2 粉体对乳胶漆失光率影响的测试结果如图2 所示。从图2 中可以看出,单一纳米TiO2 改性乳胶漆的失光率同未改性相比都有变小的趋势,紫外加速老化144 h 后未改性涂膜的失光率达到50 %,而两种改性涂膜失光率在30 %以下;人工气候老化条件下光泽度的变化不稳定,改性与未改性试样相比差异不明显,但改性试样的失光率总体来看还是稍小一些。可以测得该配方苯丙乳胶漆的光泽度在3. 0 左右,属于平光乳胶漆,纳米改性乳胶漆的结果对光泽度的影响不大。由于涂膜本身的光泽度很小,以及光泽度测定仪的稳定性( ±0. 4 光泽单位) 较差,所以这里讨论失光率的变化应该考虑仪器误差的影响。


3. 3  粉化等级
  纳米TiO2 改性乳胶漆粉化等级测试结果如表2所示。表2 中所有粉化等级都是由粉化率测定仪测得的结果与标准等级照片对比得出的。从表2 中明显可以看出,纳米TiO2 的加入,可以有效抑制涂膜粉化。紫外加速条件下老化120 h 和人工气候条件下老化202 h 后,经改性后的漆膜粉化等级仍为1 级。而未改性试样紫外加速条件下老化48h 后粉化等级为2 级,老化144 h 后粉化等级已经超过4 级;人工气候条件下老化156 h 后为2 级,到202h 后已经达到3 级。
表2  纳米TiO2 改性乳胶漆粉化等级测试结果

4  结语
  纳米TiO2 加入到涂料中分散均匀后可以较大幅度地提高涂料的抗老化性能,主要表现在以下几点。
(1) 纳米TiO2 的加入对苯丙乳胶漆的抗色变性有明显的提高;添加2 %纳米TiO2 改性的涂料经过202 h (相当于标准620 h 左右) 时的色差为3. 0 左右,变色1 级,已经超过国标优等品的指标。
(2) 紫外加速老化144 h 后未改性涂膜的失光率达到50 %以上,而两种改性涂膜失光率在30 %以下。
(3) 纳米TiO2 的加入,可以有效抑制涂膜粉化,紫外加速老化120 h 和人工气候老化202 h 后,经改性后的漆膜粉化等级仍为1 级。而未改性试样紫外加速老化48 h 后粉化等级为2 级,老化144 h 后粉化等级已经超过4 级,人工气候老化156 h 后达到2级,到202 h 后已经达到3 级。

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