纳米ZnO改性苯丙外墙涂料的研制及性能研究

纳米ZnO改性苯丙外墙涂料的研制及性能研究

郭文录,国晓军,吕秀波,王文明
(江苏科技大学材料科学与工程学院,江苏镇江,212003)

目前,无机纳米材料改性苯丙外墙涂料的开发与应用成为当今涂料领域的研究热点 。无机纳米材料由于其表面和结构的特殊性,具有一般材料难以获得的优异性能,加到苯丙外墙涂料中对涂料进行改性后可以赋予涂料优异的性能 ,同时也能大大提高涂料的综合性能。纳米ZnO以其独特的颜色效应、光催化作用及散射和吸收紫外线的能力,被誉为面向2l世纪的现代功能材料。采用纳米ZnO改性苯丙涂料,已达到较好效果,其各项性能都达到并超过未改性苯丙外墙涂料,不但环保无毒,而且成本低廉,具有广阔的应用前景。

1 实验部分
1.1 主要材料与仪器
纳米ZnO (20~30nm)、TL-615D苯丙乳液、OP一1润湿剂、SK-5040分散剂、TSP-01消泡剂、TM一2成膜助剂、KF-01杀菌剂、DM增稠剂;金红石型钛白粉、超细滑石粉、沉淀硫酸钡、硅烷偶联剂KH560,均为工业级。
JSM-6480扫描电镜, 日本岛津;KQ-600DE型数控超声波清洗器,南京安铎贸易有限责任公司;SDF-04多用分散机,江阴精细化工机械有限公司;JJ-1电动搅拌器,江苏金坛国胜仪器厂;C84-III反射率测定仪、JTX一Ⅱ建筑涂料耐洗刷仪,上海普申化工机械有限公司。

1.2 纳米ZnO浆液的制备
将既定比例的分散剂、润湿剂和去离子水按比例混合,搅拌均匀后,加入纳米ZnO用SDF-04多用分散机高速预分散15~2O分钟,加入既定量的硅烷偶联剂,采用KQ-600DE型数控超声波清洗器
进行超声波分散30分钟,制得纳米ZnO浆。

1.3 纳米ZnO改性涂料配方研究
将水、填料、金红石型钛白粉及各种助剂按配比混合,高速搅拌,充分分散均匀制得浆料。将苯丙乳液、成膜助剂、丙二醇按比例混合制得基料。在低速搅拌状态下将基料加入浆料中,搅拌均匀,再加入纳米ZnO浆,添加其它助剂,制得改性涂料。

2 结果与讨论
2.1 纳米ZnO改性外墙涂料配方的正交实验
采用正交实验L16 (45 )的方法对苯丙乳液、金红石型钛白粉、超细滑石粉、沉淀硫酸钡、纳米ZnO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 正交实验方案

由表2正交实验结果可知,各因素对耐擦洗性的影响程度为:苯丙乳液>纳米ZnO >超细滑石粉>金红石型钛白粉>沉淀硫酸钡。乳液对耐擦洗性的影响最大,沉淀硫酸钡用量对耐擦洗性的影响最小。这是因为乳液作为成膜物质,用量增加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,故而粘结力增强,所以耐擦洗性增大很快。沉淀硫酸钡颗粒小,具有良好的光、化学稳定性,作为填料加人到涂料中具有一定遮盖力,缺点是密度大,易沉淀结块,降低涂料的储存稳定性,所以用量不宜过多。滑石粉属六方菱形板状晶体片状,少量加入能增加其耐擦洗性能。纳米ZnO的用量虽少但对耐擦洗性的影响甚大,是因为纳米ZnO颗粒小、表面能大,均匀分散于涂料后,增加了涂膜表面致密程度,使得水份不易通过表面进人底层。同时由于纳米ZnO硬度较乳胶粒子的硬度高再加上其较高的表面能,与有机树脂基质之间存在良好的界面结合力,从而可提高原有涂层的强度、硬度、耐磨性、耐刮伤性等力学性能,使得涂膜耐擦洗性得以提高。因而实验方案最佳配比组合为A4B2C4D4E3。
表2 正交实验结果及数据处理

由表2正交实验结果可知,各因素对耐老化性的影响程度为:苯丙乳液>纳米ZnO >超细滑石粉>金红石型钛白粉>沉淀硫酸钡。改性苯丙乳液对耐老化性能的影响最大,沉淀硫酸钡对耐老化性能的影响最小。紫外线是导致外墙涂料老化的主要因素。纳米ZnO既能吸收紫外线,又能反射和散射紫外线,是高性能紫外线防护剂。能够延缓涂料因为紫外光线的照射引起的褪色、粉化、剥落、附着力下降等,从而延长了涂膜使用寿命。滑石粉极易粉化,用量不宜过多。综上各因素,最佳配比组合为A4B1C4D4E4。从表1和2分析可知,优化组合应为A4 B1C4D4E4,,这样的组合既能满足较高的耐擦洗性,又能满足耐老化性能要求。
2.2 纳米ZnO改性外墙涂料配方的确定
通过加人纳米ZnO浆液对苯丙涂料进行多次实验改性,确定了最佳配方,见表3。
表3 纳米ZnO改性外墙涂料的配方

2.3 涂料的性能测试
按GB/T9755—2001和GB18582-2001,对其各项性能指标进行了测试,结果见表4。
从表4可以看出,加入纳米ZnO改性后的涂料整体性能优于苯丙外墙涂料。这是因为纳米ZnO加入后,由于纳米粒子的小尺寸效应和表面效应,在涂料中起了颜填料和基料间桥梁的作用,提高了涂膜的硬度和附着力,同时由于纳米粒子在涂料中良好的分散性,加入改性纳米ZnO填充后的涂料在光泽度、流平性、耐候性和耐洗刷性方面均优于苯丙外墙涂料。
表4 两种外墙涂料性能测试结果

2.4 涂层外貌电镜分析
从SEM图可以看出:苯丙外墙涂料的表面凸凹不平,颗粒大小不匀。这是因为颜填料的颗粒粒径一般较大,涂膜干燥成膜时乳胶粒子和颜填料之间相互堆积,从而使得涂膜的表面形成很多小孔和微缝。这在一定程度上影响了涂料的耐水性、耐碱性、耐擦洗等性能,甚至降低涂料的光泽。而纳米改性外墙涂料的表面平整、光滑、致密,几乎没有针孔和微缝等症状。这是因为纳米ZnO粉体的粒径小,在水介质中能充分分散,预先制成浆液,再和水性苯丙涂料复合,纳米粒子能均匀分布在颜填料之间的空隙,还有一部分富集到涂层表面,致使涂层表面变得光滑致密。涂料干燥成膜时,高表面自由能的纳米ZnO,能有效地改善乳胶粒子之间、乳胶粒子与颜填料颗粒之间的界面结合力,由原单一物理堆积,加以化学键交联,从而使得涂膜表面平整、光滑、致密。从而极大地提高了涂料的耐水性、耐碱性、耐擦洗性、耐老化等综合性能。

3 结论
(1)通过超声波分散法,制得纳米ZnO浆液,具有很好的稳定性。
(2)用纳米ZnO浆液对苯丙涂料进行了改性,通过正交实验确定了最佳配方。对改性前后涂料的性能进行了检测。检测结果表明,当纳米ZnO浆含量为2.0% 时改性苯丙外墙涂料各项性能最佳,耐擦洗性、耐老化等性能得到极大提高。
(3)用SEM电镜对改性苯丙外墙涂料和未改性苯丙外墙涂料进行了形貌分析,结果表明:纳米ZnO改性外墙涂料的综合性能显著提高。

发表评论

您的电子邮箱地址不会被公开。 必填项已用 * 标注