水性納米罩光防污涂料的應(yīng)用
水性納米罩光防污涂料的應(yīng)用
時間:2014-02-13 08:51來源:中科院廣州化學(xué)有限公司 作者:黃月文，劉偉區(qū)
0 前言
納米科技的迅猛發(fā)展為傳統(tǒng)建材的產(chǎn)業(yè)升級提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，而隨著環(huán)境保護(hù)、石油資源的緊缺和國家節(jié)能減排政策的推行，具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、節(jié)能和減排特點(diǎn)的水性化產(chǎn)品性能日益改善，應(yīng)用市場將愈加廣闊。表面防水防腐處理技術(shù)在石材表面防護(hù)、內(nèi)外墻自清潔、金屬防腐蝕等方面有著廣闊的應(yīng)用[1]。根據(jù)涂層耐沾污機(jī)理，防污涂料主要有2 種：（1） 低表面能疏水型；（2） 親水性表面型。親水性表面防污涂料以干燥涂層具有顯著親水性為其特征，在水流作用下污物與水一起流失而呈自清潔作用，這種親水表面耐沾污涂料對短期耐沾污性特別是耐雨跡污染有明顯的改進(jìn)，但存在漆膜耐水性降低、耐久性和長期耐污染性變差等不足，漆膜表面結(jié)構(gòu)不密實(shí)、硬度低、強(qiáng)度小，不耐磨[2]。疏水型耐沾污涂料則利用涂層的低表面能特性或與仿生技術(shù)相結(jié)合將污物排斥在外，這些耐沾污涂料常采用氟硅樹脂，以溶劑型為主，不僅污染環(huán)境、影響健康，而且價格高昂[3-4]。本文根據(jù)作者多年從事有機(jī)硅氟材料研發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，利用溶膠-凝膠技術(shù)和納米雜化技術(shù)，研制出一種新型的無溶劑水性納米低表面能光亮防污涂料，并探討其在建筑拋光磚、文化石、墻面、水磨石地板等表面罩光防污處理中的應(yīng)用。
1 實(shí)驗(yàn)
1.1 主要原料
硅溶膠（pH 值=3~4，固含量30%）、正硅酸乙酯、功能性有機(jī)聚硅氧烷、含氟表面活性劑、流平劑等，均為工業(yè)品。
1.2 水性納米罩光防污涂料的配制
按圖1 中的方法在室溫下制備水性納米罩光防污涂料。
1.3 膜的制備
將上述制得的水性納米罩光防污涂料在干凈平整的玻璃板及表面未處理的拋光磚、文化石、墻面、水磨石地板等底材上涂刷，經(jīng)振動讓其自然流平，室溫自然干燥3 d，膜厚保持在10～20 μm。
1.4 主要儀器和測試方法
日本電子公司JEM -CX100 Ⅱ 型透射電子顯微鏡；用日本εrma 角度計式接觸角測定儀測試涂料在玻璃片上自然干燥成膜后表面的水接觸角。
按GB/T 6739—1996、GB/T 1720—1989 和GB 1763—79測試涂膜的鉛筆硬度、附著力和耐化學(xué)試劑性。
1.5 防污性測試
將水性涂料處理拋光磚表面1 遍，室溫放置3 d 后分別進(jìn)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(jīng)防護(hù)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(yàn)是將水泥漿涂在磚表面上，然后用皮鞋的硬底用力踩踏多次，*后用水清洗并用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(jié)果與討論
2.1 水性防污涂料透射電鏡表征
將有機(jī)硅前驅(qū)體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，分別測試其復(fù)合前后的透射電鏡TEM，觀察納米粒子的形態(tài)和粒徑。圖2 是納米硅溶膠用量較多[m（硅溶膠）∶m（有機(jī)聚硅氧烷）=90∶10，下同]時制備的水性防污涂料的TEM。圖3 是有機(jī)聚硅氧烷用量較多[m（硅溶膠）∶m（有機(jī)聚硅氧烷）=20∶80），下同]時制備的水性防污涂料經(jīng)磷鎢酸負(fù)染色后得到的TEM。由圖2 可見，水性涂料溶膠-凝膠復(fù)合前后，納米硅溶膠粒子形態(tài)沒有明顯變化，測得納米粒子平均粒徑為10~20nm。
由圖3 可見，水溶液中同時存在納米級小顆粒和微米級大顆粒2 種結(jié)構(gòu)的粒子。
2.2 水性防污涂料IR 表征
我們通過測定水性涂料固化后經(jīng)105 ℃烘干4 h 后固體微粉的IR 光譜圖來確定其復(fù)合情況（見圖4）。
由圖4 可見，波數(shù)3200~3600 cm-1 處的強(qiáng)寬吸收峰為SiO—H 的吸收峰，在2969 cm-1 附近出現(xiàn)Si—R 鍵中烷基R的C—H 伸縮振動峰，有機(jī)聚硅氧烷在溶液中與納米SiO2 （純的酸性硅溶膠）發(fā)生了雜化復(fù)合。圖4（b）中C—H 的伸縮振動峰較強(qiáng)，SiO—H 的寬吸收峰較弱。
2.3 水性防污涂料的DSC 分析
進(jìn)一步的試驗(yàn)表明，防污涂層室溫涂刷3 d 后，再經(jīng)80℃加熱4 h 后涂層硬度高達(dá)6 H 以上，并且玻璃化溫度Tg 高達(dá)261.60 ℃（見圖5），具有優(yōu)良的耐磨性能。
3 水性納米罩光防污涂料的應(yīng)用探討
防污涂料在天然大理石、水磨石、文化石、廣場地磚、瓷質(zhì)拋光磚等多種室內(nèi)外建材表面防護(hù)處理及內(nèi)外墻防污中有著廣闊的應(yīng)用。目前*為常用的是低表面能疏水型防污涂料，它們往往涉及到低表面能的有機(jī)硅氟材料。然而要達(dá)到理想的防污防腐耐久效果，低表面能疏水防污涂料還必須具有足夠的表面硬度和耐磨性，這樣既可預(yù)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。特別是地面的拋光磚，要承受巨大的人體壓力，涂料若沒有足夠的硬度和耐磨性能則難以達(dá)到持久防污的目的。水性產(chǎn)品以水為分散介質(zhì)，具有顯著的價格優(yōu)勢和經(jīng)濟(jì)環(huán)保節(jié)能減排的優(yōu)點(diǎn)，可部分取代溶劑型產(chǎn)品。但是，傳統(tǒng)的水性涂料存在耐水性和粘附力差以及強(qiáng)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，聚合物的玻璃化溫度Tg 低，因此現(xiàn)有市場上使用的有機(jī)硅涂料普遍存在強(qiáng)度小和粘附力低等缺點(diǎn)。水性有機(jī)硅防水劑甲基硅酸鉀、甲基硅酸鈉等固化慢、存在大量的鹽分、易與無機(jī)顏料反應(yīng)而變色、雨水容易沖蝕涂層等弊病；有機(jī)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(yuǎn)不能滿足實(shí)際需要。有機(jī)/無機(jī)納米雜化材料具有硬度高、耐磨、熱穩(wěn)定性好和耐久性強(qiáng)等特點(diǎn)，尤其具有優(yōu)異的力學(xué)性能、光學(xué)透明性和良好的附著力等。因此，我們采用溶膠-凝膠技術(shù)和納米雜化技術(shù)，提高傳統(tǒng)水性涂料的憎水性與表面硬度，改善其防污防腐性能。
無需高溫處理，在低表面能有機(jī)硅氟材料的存在下，水性涂料具有很強(qiáng)的滲透性能，在室溫下就能滲透進(jìn)磚體微孔內(nèi)部，附著力高達(dá)1 級，固化后涂層表面具有較高的硬度（4 H以上），水接觸角在98°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(jī)污染源（染料型藍(lán)墨水和紅墨水）長時間的滲透污染，還能防無機(jī)粒子（水泥）在外力作用下的污染，也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(jié)構(gòu)，可使防污持久有效，耐溶劑溶解腐蝕。m（硅溶膠）∶m（有機(jī)聚硅氧烷）=20∶80 時配制的水性納米疏水防污涂料的主要性能見表1。
3.1 應(yīng)用于拋光磚表面
圖6、圖7 分別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。
3.2 應(yīng)用于水泥制品及墻面
自然界的荷葉疏水現(xiàn)象給予科學(xué)家們啟示，納米和微米結(jié)構(gòu)相結(jié)合的表面可產(chǎn)生顯著的疏水性。進(jìn)一步的研究表明，通過調(diào)整配方和施工工藝，可使水性納米涂料納米和微米結(jié)構(gòu)同時出現(xiàn)（見圖3），在成膜過程中有機(jī)硅氟烷在表面自組裝成具有一定的有序排列結(jié)構(gòu)，憎水基團(tuán)排向空氣一側(cè)，可反應(yīng)性基團(tuán)與納米或微米顆粒表面的基團(tuán)反應(yīng)，不僅可使涂層具有強(qiáng)的粘附性（附著力1 級），而且可使涂層表面既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(dá)125° 以上，表面憎水防污性強(qiáng)，硬度高、耐磨性好，還可防止?jié)窕?
采用水性納米罩光防污涂料對水泥制品如文化石、水泥砂漿（見圖8）、垂直墻面（見圖9）、水磨石地板等親水基材表面進(jìn)行處理后可使制品表面光亮并能提高其表面強(qiáng)度及憎水防污效果。
4 結(jié)語
本文研制的無溶劑型水性納米涂料具有高亮度、高硬度及良好的憎水、防污、耐磨和防腐效果，根據(jù)需要可方便制備具有不同細(xì)微粗糙防滑防污耐磨表面，在建材表面罩光防污防腐處理領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。
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