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水性納米光固化涂料的應用探討,水性化的光固化涂料具有快速固化和經濟、環保、節能、減排的特點,它的開發和應用具有很重要的現實意義
2019年08月01日    閱讀量:11049    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com  |  投稿

紫外光或太陽能固化涂料是一種環保節能型的有機涂料,它具有無或低VOC排放、節能、固化速度快、生產效率高、固化溫度低等優點。納米雜化復合技術是納米科技的主要應用方法之一,在制備有機/無機納米復合材料過程中,解決納米顆粒的分散與穩定問題一直備受關注,其中最為廣泛研究的是納米SiO2及其表面改性。


UV固化有機硅/SiO2雜化材料是一種新型的材料,本文利用溶膠-凝膠技術和納米雜化技術,選用KH570作其表面改性劑,并與有機硅復合,研制出一種新型的水性納米光固化涂料,并探討其在太陽光或中壓汞燈照射下于建筑拋光磚、水泥砂漿、水磨石等表面防護處理中的應用中國建材網cnprofit.com

 

1 實驗部分

1.1 主要原料

硅溶膠(pH=3~4,固含量30%)、水性有機聚硅氧烷、含硅氟表面活性劑等為工業品。

1.2 水性納米光固化涂料配制

按圖1中的方法在室溫下制備水性納米光固化涂料。

水性納米光固化涂料的制備

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1.3 膜的制備

按圖1所示的方法配制水性納米涂料在干凈平整的玻璃片及表面未處理的拋光磚、水泥砂漿、水磨石等底材上涂膠,振動讓其自然流平,然后在中壓汞燈(1 kW)下或太陽光下照射,膜厚保持在10~20μm之間。

1.4 儀器和測試方法

用日本εrma角度計式接觸角測定儀測量涂料在玻璃片上光固化成膜后表面的水接觸角。日本電子公司JEM-CX100 Ⅱ型透射電子顯微鏡。按照GB/T6739-1996、GB/T 1720-1989、GB1763-1979標準測試涂膜的鉛筆硬度、附著力、耐化學試劑性。

1.5 防污性測試

將水性涂料處理并經光固化的拋光磚分別進行墨水、油性筆、水泥漿等防污性能測試。將污染物墨水滴在經防護液表面處理過的拋光磚表面,保留一段時間,然后用清水擦洗,或者將油性筆在磚表面做記號,一段時間后用乙醇擦洗,考察其表面對各種污漬的防污、抗污效果。水泥漿試驗是將水泥漿涂在磚表面上,然后用穿皮鞋的硬腳底面用力踩踏多次,最后用水清洗和干凈的濕布擦抹干凈,觀察磚表面的抗磨損能力和防污性能。

 

2 結果與討論

2.1 水性涂料透射電鏡表征

將有機硅偶聯劑γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(即KH570)與不同量的水性納米硅溶膠在催化劑作用下于室溫攪拌混合均勻后,分別測量其復合前后的透射電鏡TEM譜圖,觀察納米粒子的形態和粒徑。圖2的右圖是納米硅溶膠用量較多時水性涂料的TEM譜圖,圖3是有機硅用量較多時制備的水性涂料經OsO4負染色后得到的TEM。

粗糙表面的水性涂料TEM

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圖2表明納米硅溶膠粒子形態改性后與改性前(左圖)相比沒有明顯變化,測得納米粒子平均粒徑為10~20 nm。圖3表明水溶液中同時存在納米小顆粒和微米尺寸大顆粒兩種結構的粒子。

2.2 水性涂料IR表征

通過測定水性涂料光固化后透明固體的IR光譜圖來確定其復合情況 (見圖4)。

水性納米固化涂層的IR

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由圖4可見,在3200~3600 cm-1的強寬吸收峰為SiO—H吸收峰,在2969 cm-1附近出現Si—R鍵中烷基R的C—H伸縮振動峰。納米SiO2在水性有機硅溶液中分散均勻并與其發生了強的相互作用。納米SiO2表面有很多活潑的羥基,硅烷偶聯劑對其具有較強的親和性,容易在介質中穿過溶膠的穩定層通過化學鍵合、靜電相互作用或吸附層狀介質對納米粒子表面進行修飾 (見圖5)。

納米SiO2表面改性示意圖

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3 水性納米光固化涂料的應用探討

水性產品以水為分散介質,具有顯著的價格優勢和經濟環保節能減排的優點,可部分取代溶劑型產品。但是,傳統的水性涂料存在耐水性和粘附力差以及強度低等問題。由于聚硅氧烷中Si—O—Si、O—Si—O鍵角大,分子鏈柔順,表面能小,聚合物的玻璃化轉變溫度Tg低,因此現有市場上使用的有機硅涂料普遍存在強度小和粘附力低等缺點。


水性有機硅防水劑甲基硅酸鉀、甲基硅酸鈉等,存在著固化慢、存在大量的鹽分、易與無機顏料反應而變色、雨水容易沖蝕涂層等弊病;有機聚硅氧烷乳液則存在滲透性不佳、固化不足以及硬度低等缺陷,遠不能滿足實際需要。


要達到理想的防護耐久效果,低表面能疏水涂料還必須具有足夠的表面硬度和耐磨性,這樣既可預防和減少污染物在表面的吸附和積聚,又可把表面的污染物在外力作用下用水清洗干凈。特別是地面上的拋光磚,要承受巨大的人體壓力,沒有足夠的強度耐磨性能則難于達到持久防污的目的。


有機/無機納米雜化材料具有高硬度、耐磨、熱穩定性好和耐久性強的性質,尤其具有顯著的力學強度、優良的光學透明性和良好的附著力等特點。因此我們采用溶膠-凝膠技術和納米雜化技術,提高傳統水性涂料的憎水性與表面硬度,改善其防污防腐性能。

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拋光磚處理與未處理后光亮平整與粗糙防滑表面的防污效果


無機納米SiO2經含不飽和雙鍵的KH570表面改性后與有機聚硅氧烷具有更好的相容性,兩者在水溶液中能夠均勻分散,經光引發劑TPO引發雙鍵發生鍵合成高硬度的透明聚合物復合涂層。圖6顯示了我們研制的水性納米涂料處理拋光磚后表面光亮度、耐墨水污染和油性筆污染的情況。


不需要高溫處理,在低表面能有機硅氟材料的存在下,水性涂料具有很強的滲透性能,在室溫下就能滲透進磚體微孔內部,光固化后粘附力高達1級,涂層表面具有較高的硬度(6H以上,見表1)。


水接觸角在98o以上,具有顯著的憎水防污性能,不僅能防顆粒狀污染源(碳素黑墨水)和有機污染源(染料型藍墨水和紅墨水)長時間的滲透污染,還能防無機粒子(水泥)在外力作用下的污染。能用乙醇溶劑清洗掉油性筆寫字留下的痕跡而不破壞磚體的表面結構,可使防污持久有效,耐溶劑溶解腐蝕。水性納米光固化涂料的主要性能見表1。

水性納米光固化涂料的一些性能

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自然界的荷葉疏水現象揭示了納米和微米結構相結合的表面可產生顯著的疏水性。進一步的研究表明,通過調整配方和施工工藝,可使水性納米涂料納米和微米結構同時出現 (見圖3),在成膜過程中有機硅氟烷在表面自組裝成具有一定的有序排列結構,憎水基團排向空氣一側,可反應性基團與納米或微米顆粒表面的基團反應,不僅可使涂層具有強的粘附性(附著力1級),而且可使涂層表面具有一定的表面粗糙度又具有低能表面。此時水接觸角高達125o以上,表面憎水防污性強,硬度高耐磨性好,還可防止濕滑。

進一步的試驗表明,水性涂料在常溫下經太陽光照射固化后涂層聚合物玻璃化溫度Tg高達250℃(見圖7),具有優良的耐磨性能。

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水性納米光固化聚合物的DSC圖

水性納米光固化涂料對于水泥制品如文化石、水泥砂漿(圖8)、水磨石(圖9)等親水基材表面處理后,可使制品表面光亮并能提高其表面強度及憎水防污效果。也可在室外借助太陽光中的紫外線將其深固化,用作外墻保護涂料,具有優良的耐候性能。

經水性光固化涂料處理后水磨石防污效果

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4 結束語

本文研制的水性納米光固化涂料具有快速固化、經濟、環保節能的特點,固化物具有良好的憎水防污、高亮度、高硬耐磨和防腐效果,根據需要可方便制備具有不同細微粗糙防滑防污耐磨表面,在建材表面防護處理及內外墻涂料領域中具有廣闊的應用前景。


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