白炭黑部分替代钛白粉对苯丙乳胶涂料耐沾污性能的影响

0 前言

传统苯丙乳胶涂料的制备要消耗大量昂贵的钛白粉，且其耐沾污性还不理想。白炭黑具有多孔性、内表面积大、高分散性，且质轻、化学稳定性好、耐高温、不燃烧、电绝缘性好，短时间内能够重组成网络结构等优点。钛白粉常用作涂料中的颜料和填料，而白炭黑可作为填料替代部分钛白粉而不能作为颜料。以往研究大多是直接将白炭黑添加在涂料中，很少有白炭黑替代钛白粉的相关研究。本工作首次以成本不同的沉淀法白炭黑、气相法白炭黑及经硅烷偶联剂KH-560改性的白炭黑替代钛白粉，对乳胶涂料的耐沾污性等性能进行了系统研究。
 

1 试验

1． 1 白炭黑的改性

分别将15 g 气相法、沉淀法白炭黑置于干燥箱中120 ℃干燥4 h，冷却后转入三口烧瓶; 加入30 mL 硅烷偶联剂KH-560 和150 mL 丙酮; 超声波清洗30 min，水浴加热回流5 h，冷却后放在离心机中5 000 r /min 离心15 min，抽滤后放在120 ℃的干燥箱中干燥24 h，研磨、筛分出粒度在50 μm 以内的改性白炭黑。

1． 2 白炭黑-苯丙乳胶涂料的配制

将12 mL 蒸馏水倒入250 mL 烧杯中，缓慢加入( 0． 12 ± 0． 02) g 羟乙基纤维素，1 200 r /min 下高转搅拌至粉末全部溶解，降低转速至500 r /min 左右，加入2． 0 mL 质量分数10%的六偏磷酸钠溶液、2． 0 mL 质量分数1%的肥皂水溶液、2． 0 mL 1，2-丙二醇、2． 0 mL 乙二醇、0． 5 mL 磷酸三丁酯，混合均匀; 加入组成为( 4． 9 ± 0． 2) g 滑石粉、( 6． 2 ± 0． 5) g 碳酸钙、8． 9 ～ 1． 8g 钛白粉( 对应白炭黑的替代分数为0 ～ 80%) 的预混料，以1 300 ～ 1 500 r /min 转速搅拌20 min，再降低转速至400 r /min 左右，加入20． 0 mL 苯丙乳液，即得白炭黑-苯丙乳胶涂料［2］。其为乳白色稠厚流体，带弱蓝光，固体质量分数45% ～ 50%，( 23 ± 2) ℃表干( 20 ±10) min，实干( 20 ± 2) h。

1． 3 白炭黑-苯丙乳胶涂料性能的表征

( 1) 耐沾污性采用GB /T 9780 － 2005 建筑涂料涂层耐沾污试验方法: 用C84 -Ⅲ反射率测定仪在至少3 个位置上测量污染前涂层的反射系数A，以石墨粉悬浮液为污染源，用软毛刷将其横纵向交错均匀地涂刷在涂层表面，干燥后用QWX-涂层耐沾污试验机冲洗样板，重复循环5 次后，在至少3 个位置测定污染后的反射系数B; 耐沾污性由反射率下降率X 表示，X = ( A －B) /A × 100%。

( 2) 其他性能将样板在室温条件下干燥1 周后，按照GB /T 1733 － 1993《漆膜耐水性测定法》检测耐水性能: 将涂板置于盛有去离子水的水槽中，一段时间后观察是否有起泡、生锈、变色等现象。

按照GB /T 9265 － 1988《建筑涂料涂层耐碱性的测定》检测耐碱性: 先将0． 24 g 氢氧化钙置于200 g 去离子水中，充分搅拌，使溶液的pH 值达到12 ～ 13，将涂板放置一段时间，观察是否有剥落、起泡、裂痕、粉化和溶出等现象。

按照GB /T 9266 － 1988《建筑涂料涂层耐洗刷性的测定》检测耐洗刷性，用QFS -耐洗刷测定仪进行检测，记录洗刷次数。
 

2 结果与讨论

2． 1 白炭黑-乳胶涂料的表观

将不同替代量的未改性气相法白炭黑-苯丙乳胶涂料涂刷在水泥板上，自然条件下( 23 ± 2) ℃ 干燥1周后，涂片表观: 未用白炭黑替代的涂层表面粗糙，不平整且气泡较多，白度也不高; 替代量10%的涂板较没有白炭黑的涂板表面平整，气泡较少; 白炭黑替代量40%和50%时涂层表面很平整，白度较高; 随着白炭黑替代量的提高，涂膜的白度总体上先呈上升趋势，当白炭黑替代量大于50%时，其白度略有降低，这是因为白炭黑颗粒很小，可以填充到乳液大颗粒的缝隙间使得涂膜表面平整，在涂层表面形成的微粗糙面对光线进行反射与折射，促使白度增大; 当白炭黑的替代量达到80%时涂层表面开裂很严重，原因是超细填料比例过高，固体含量过多，苯丙乳胶涂料与各组分的结合力降低，导致表面粗糙; 白炭黑替代钛白粉的涂板干燥时间比未用白炭黑替代的涂层至少缩短2 h。
不同替代量的未改性沉淀法白炭黑-乳胶涂料以及改性白炭黑-乳胶涂料的涂板与此相似。但是用改性白炭黑替代的乳胶涂料表面看起来较粗糙，不光滑但气泡很少，白度比传统的未替代钛白粉的略高，这可能是因为改性白炭黑在改性过程中颗粒吸收能量发生部分团聚，添加到涂料中使涂膜表面粗糙。加入丙三醇可改善涂膜粗糙度，但由于丙三醇具有保湿作用且易吸收空气中的水分而使涂膜干燥速度变慢，干燥时间大大延迟。

2． 2 白炭黑-乳胶涂料的耐沾污性

4 种类型白炭黑不同替代量的乳胶涂料涂层在自然条件下干燥一周，涂板耐沾污性( 反射率下降率) 见表1。

由表1 可知: 无论用哪种白炭黑替代钛白粉，涂层的耐沾污性能较没有添加白炭黑的都有明显提高;随着白炭黑替代量的增加，涂层的反射率下降率都呈现先下降后上升的趋势，改性白炭黑替代量为50%时，反射率下降率下降最多，降至0． 7%。气相法制得的白炭黑颗粒为纳米级，具有独特的表面效应和量子尺寸效应，使得白炭黑在涂料中具有较高的自清洁能力，从而提高了涂料的耐沾污性。沉淀法白炭黑颗粒为微米级，当添加量在10% ～ 70% 时乳胶涂料的耐沾污性亦显著提高，这可能是因为白炭黑表面自由能高，在涂膜干燥过程中可以迅速补充到水挥发后留下的细孔中，从而可以减少表面涂膜孔隙，改善涂膜的平整度，提高涂料的耐沾污性; 但是当白炭黑替代量大于70%时，超细填料比例过高，会导致涂料样板产生开裂现象，从而降低涂板的耐沾污性能。