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外墙无机建筑涂料的制备,阐述了外墙无机建筑涂料原材料的选择和改性,及其制备工艺,制得性能优异、贮存稳定性好的涂料
2019年06月19日    阅读量:1244     新闻来源:中网行业信息网    |  投稿

外墙无机建筑涂料的制备

薛小倩,刘洪亮,郭京林

(河北省水性涂料工程技术研究中心,河北晨阳工贸集团有限公司,河北保定 072550)


0 引言

长期以来,有机涂料以其良好的装饰性、品种的多样性和低廉的价格取得了广泛的应用。但是,由于有机类建筑涂料的主要原材料来源于煤、石油、天然气等资源,加工时会产生大量的副产物、挥发性溶剂及剩余单体,既造成了环境污染,又浪费了大量的资源和能源。同时,有机涂料涂覆在墙体表面一段时间后,涂膜会出现空鼓、起泡甚至掉皮脱落现象中国机械网okmao.com。相对于有机涂料的这些缺陷,无机涂料具有良好的透气性、抗沾污性以及优良的综合环保性能。因此,无机建筑涂料的研究与应用成为发展趋势。

 

1 实验部分

1.1 原料

纳米硅溶胶,粒径为5~80 nm 的不同粒径产品,青岛市基亿达硅胶试剂厂;醋丙乳液、苯丙乳液、纯丙乳液和硅丙乳液,保立佳化工有限公司;十二烷基硫酸钠、海川相容稳定剂、硬脂酸钠、十二烷基磺酸钠,均为市售品;硅烷偶联剂,南京向前化工有限公司;助剂、颜填料,均为市售品。

1.2 配方

外墙无机建筑涂料配方见表1。

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外墙无机建筑涂料配方

2 结果与讨论

2.1 纳米硅溶胶的选择

外墙无机建筑涂料的主体组分是纳米硅溶胶。一般纳米硅溶胶的粒径分布为5~80 nm,比一般粒径为0.1~10 μm 的乳液粒子要小得多。当粒径<8 nm 时,硅溶胶粒子的比表面积很大,水的隔离作用减弱,粒子发生聚并几率较大,涂膜的耐水性下降,浸水易起泡;当粒径>40 nm 时,粒径大,粒子的电荷大,沉降速率快,体系不稳定,导致涂料的成膜性及渗透性不好。故纳米硅溶胶的粒径以10~20 nm 为宜,粒径分布越小,体系越稳定。另外,在选择与乳液配用的纳米硅溶胶时,一般选用澄清透明度高的纳米硅溶胶,其粒径分布小,杂质含量少,有利于体系稳定。在颜填料和乳液的种类及用量不变的情况下,更换不同粒径的纳米硅溶胶,按照相同的工艺进行配漆,并按照国标制备涂膜,检测涂料的贮存稳定性和涂膜耐水性,结果见表2。

表2 硅溶胶粒径对涂料贮存稳定性及涂膜耐水性的影响

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硅溶胶粒径对涂料贮存稳定性及涂膜耐水性的影响

根据以上实验结果,以及硅溶胶的外观等综合性能的评价,本实验中选择粒径为12~15 nm 的高透明度纳米硅溶胶。

2.2 乳液的选择

纳米硅溶胶是以水为分散介质的高相对分子质量聚偏硅酸的胶体溶液,其二氧化硅粒子间能形成牢固的Si—O 键,而成为连续的网状结构膜。但由于Si—O 键刚性较强,成膜交联又是一个缩水过程,若单独使用纳米硅溶胶,常温下成膜往往存在裂纹、内部微孔等缺陷。而有机树脂乳液具有柔韧性好、附着力强的特点。引入有机树脂乳液后,有机高分子成膜物能均匀分布在Si—O 的间隙中,不仅消除了上述缺陷,还增加了涂膜的柔韧性,提高了抗冲击性,也改善了涂料的贮存稳定性,因此,在以纳米硅溶胶为主要黏结剂的外墙无机建筑涂料中常常混拼少量的有机树脂乳液。

在硅溶胶稳定的pH 范围内,拼入各种乳液,如苯乙烯- 丙烯酸酯乳液、醋酸乙烯- 丙烯酸酯乳液、醋酸乙烯- 叔碳酸乙烯酯乳液、纯丙烯酸酯乳液、硅丙乳液等,纯乳液和混拼后的基料的性能检测结果见表3。

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由表3 可见:超低VOC(挥发性有机化合物)含量的环保型硅丙乳液,其Tg 较高,对钙、镁离子稳定,与硅溶胶的相容性好,能够为涂料提供良好的成膜性和涂装性,满足涂膜所需要的各种理化性能。

2.3 纳米硅溶胶的改性

纳米硅溶胶的稳定性直接影响着外墙无机建筑涂料的贮存稳定性,因此提高纳米硅溶胶的稳定性是关键。硅溶胶在制备和应用过程中的稳定性与众多因素有关,比如提高体系pH、加盐降黏或吸附非极性分子以提高硅溶胶的稳定性。在质量分数为40%、pH=9.5 的纳米硅溶胶中添加不同种类的相容稳定剂,用量均为1.0 g/L,将pH调到3.5,在100℃下测定其凝胶时间来表示稳定性,

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溶胶到达凝胶的时间越长则稳定性越好,结果如图1所示。

相容稳定剂种类对纳米硅溶胶凝胶时间的影响

由图1 可见:添加海川相容稳定剂的纳米硅溶胶的凝胶时间最长,即海川相容稳定剂改性纳米硅溶胶后的稳定性最好。

2.4 硅丙乳液与纳米硅溶胶配比的影响

由于纳米硅溶胶本身存在漆膜脆等弊病,故采用硅丙乳液进行改性,但是两者之间存在着最合适的配比,以达到最优的性能。硅丙乳液与纳米硅溶胶配比对涂料贮存稳定性和吸水率的影响见图2。

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硅溶胶和硅丙乳液配比对涂料贮存稳定性和吸水率的影响

由图2 可见:随着硅溶胶所占比例的增大,涂料贮存稳定性变差,而吸水率逐渐降低;硅溶胶/ 硅丙乳液的配比为1.75∶1 时,吸水率和贮存稳定性达最佳平衡。硅溶胶和硅丙乳液配比对成膜性的影响见表4。

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硅溶胶和硅丙乳液配比的影响

由表4 可见:随着硅溶胶所占比例的增大,成膜性能变好,附着力由低到高,再降低。这是因为硅溶胶用量低时,二氧化硅粒子不能包覆颜填料颗粒,未能形成连续涂膜,故附着力低;硅溶胶用量高时,二氧化硅粒子对固体颗粒包覆层加厚,致使颗粒之间及颗粒与基层之间缺陷增多而附着力降低,且使涂料成本增加,硅溶胶和硅丙乳液配比以1.75∶1 为宜。

2.5 偶联剂的影响

偶联剂的品种较多,大体上可分为3 类:有机硅烷偶联剂、有机铬化合物、有机钛化合物,其中硅烷偶联剂是目前品种最多、用量最大的偶联剂,其通式为RSiX3,其中R 为有机基团,X 基团是能够水解的烷氧基(如甲氧基、乙氧基)以及氯等。如果用硅烷偶联剂处理无机基材表面,X 基团与无机物质表面的硅醇基缩合形成硅氧烷基,牢固地附着于无机基材表面,这时无机基材表面蒙上一层R 基团取向朝外的硅烷外层,该无机基材表面就会被不同官能性的有机基团改性。

加入偶联剂,在硅溶胶和硅丙乳液两界面之间形成了硅烷“弹性桥”,既改善了两者之间的复合程度,也形成了传递应力的界面层,使涂膜硬度有所提高。另一方面由于在两者之间形成了“弹性桥”,防止了水分的侵入,大大提高了涂膜的耐水性。另外,偶联剂及硅溶胶的硅醇基也与基材上的某些基团反应,使涂膜的附着力也有很大的提高。

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表5 偶联剂用量的影响

由表5 可见:加入偶联剂,极大地提高了涂膜的附着力;偶联剂用量为0.25% 时,涂膜附着力最好;而凝胶量、贮存稳定性、涂膜透明性等性能随着偶联剂用量的增大而降低,从节约成本和提高性能方面考虑,偶联剂用量以0.25% 为宜。

2.6 颜填料的影响

颜料是色漆中不可缺少的成分之一,其作用不仅是提供色彩和装饰性,更重要的是改善涂料的物理化学性能。乳胶涂料以白色和浅色为主,因而一般使用白色颜料。常用的白色颜料有钛白、立德粉、锌白、铅白等。填料在乳胶涂料中起消光作用;能改善乳胶涂料的流动性和施工性能;提高乳胶涂料的遮盖力,以及颜料的悬浮性和防流挂性能;降低乳胶涂料的成本。乳胶涂料中常用的填料是碳酸钙、滑石粉、高岭土、硅灰石粉等。颜填料的选用对硅溶胶- 硅丙复合涂料的性能有较大影响。锌钡白和轻质碳酸钙不能用于该涂料中,因为锌钡白作为颜料使用时其活性较大,且Zn2+具有导致阴离子乳液破乳的可能性;轻质碳酸钙由氧化钙经过碳化工艺而得,生产中由于种种原因,使产品中会含有一定量的氧化钙,氧化钙遇水形成氢氧化钙,会改变涂料体系的pH。另外,其中游离的Ca2+ 离子会影响乳液组分的Ca2+ 离子稳定性。对硅溶胶- 硅丙乳液复合体系,选用硅灰石粉、重钙粉、滑石粉等填料为宜。

2.7 增稠剂的选择

要使乳胶涂料有良好的施工性,有流平而不流挂、涂膜丰满平整,必须把它调到一定黏度,增稠剂是制备乳胶涂料必备的重要原料。为满足本试验需要,选用无机凝胶类增稠剂、丙烯酸碱溶胀类增稠剂、缔合型聚氨酯增稠剂配用,确保开罐时不分层、不分水;施工时具有良好的刷涂性、再涂性、抗流挂性,不飞溅、涂刷流畅。

本试验通过将不同厂家的天然硅酸镁铝在搅拌机转速为1 000 r/min、搅拌时间10 min 的相同工艺条件下,将各样品分别配制成5% 的水浆液,以等量加入外墙无机建筑涂料中,于50℃恒温箱中静置7 d,测定相应的黏度,以及涂料的贮存稳定性,是否分层沉淀,选择黏度变化最小、不分层浮水的硅酸镁铝。无机硅酸镁铝增稠剂不仅能在水中吸附数倍于自身质量的水,并形成凝胶状物质,增大涂料的中剪切黏度,并可与其它增稠剂一起发挥协同增稠作用,能够将体系中的固体颗粒固定在三维的网络结构中,支撑和阻止其下沉,而不是单纯地靠黏度来稳定,从而提高颗粒的悬浮稳定性;其片状结构可以降低颜填料粒子之间的摩擦力,更易于辊涂施工。但是无机硅酸镁铝增稠剂偏向于提高中低剪切黏度,为了提高涂料的贮存稳定性、流平性等,还需配用丙烯酸碱溶胀类增稠剂、缔合型聚氨酯增稠剂。丙烯酸碱溶胀类增稠剂结构中带有许多功能支链,能对颜填料颗粒缔合而增大体系的黏度,其带许多支链立体棒状结构能对乳胶颗粒进行缠绕,也增加了体系的黏度。缔合型聚氨酯增稠剂是兼有亲水基和亲油基的高分子聚合物,在乳胶涂料体系中亲水基与体系中水偶合,亲油基与乳胶颗粒缔合,充分地缔合后,使体系中的水和乳胶颗粒由分散的个体连接成一个整体,将整个体系中的物料形成网络结构,呈现出中、高剪切黏度。

 

3 结语

水性无机建筑涂料成膜物是硅酸盐、硅溶胶,来源十分丰富,且以水为溶剂,无毒、无异味、无刺激性,可配制成低VOC(挥发性有机化合物)或零VOC涂料,是很有发展潜力的一类环保型涂料。本实验通过选用清澈透明、粒径分布小、杂质少的硅溶胶,并用有机物质通过偶联剂进行改性,配用稳定的颜填料,无机增稠剂进行增稠,制备出性能优异、稳定的无机建筑涂料。


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