硅藻土在PVC木塑涂料中的应用

硅藻土在PVC木塑涂料中的应用

王桂英1 任象玉2* 王树东3
（1 吉林化工学院 化工与材料工程学院，吉林 吉林 132022；2 白山市科学技术研究所，吉林 白山 134300；3 德惠市东华化工有限责任公司，吉林 德惠 136066）

PVC 木塑复合材料是以PVC 树脂、木粉、硅藻土、助剂等为原料，采用挤出工艺制备，具有阻燃、防潮、抑菌等性能[1-2]，广泛用于室内外装潢。木塑复合基材颜色单一，表面存在麻点、条纹、划痕等缺陷，需对其表面进行涂饰，涂饰工艺路线为：基材处理→上底色→上花纹→上面漆，以达到木塑材料的装饰性、功能性和耐久性。
硅藻土作为一种天然填料应用到涂料中，可降低成本，增加涂膜的耐磨性、耐热性、抗划痕性，控制涂膜表面的光泽，还具有去湿、除臭、净化空气的功能[3-5]。将负载了纳米TiO2 的硅藻土应用于木塑面漆中，兼具吸附、光催化、微生物降解等功能，可有效去除空气中游离甲醛、苯、氨和其它挥发性有机物(VOC) 等有害物质，明显改善室内生活环境[6-7]。本实验考察了硅藻土品质、改性方法、粒径、添加量等因素对漆膜光泽、抗热性、贮存稳定性、附着力的影响，探索了硅藻土和TiO2/ 硅藻土用于吸放湿性功能涂料和光降解涂料的可行性。

1 实验部分
1.1 主要原料与试剂
树脂：ZJ-480 热塑丙烯酸树脂、ZJ-230 羟基丙烯酸树脂，苏州市盛嘉树脂有限公司；CAB 381-0.5 醋酸丁酸纤维素，广州帝展国际贸易公司。
固化剂：N-3390 六亚甲基二异氰酸酯三聚体，德国拜耳。
着色剂：R-960 钛白粉，杜邦；RM Red F5RK 永固红、RM Blue BGS 酞青蓝、 RM Yellow 2GS 耐晒黄，杭州力禾；Bayferrox 氧化铁系颜料、4140 铁红、4110 铁红、4610 铁棕，德国拜尔；880 碳黑，美国卡博特。
助剂：BYK-323 流平剂、BYK-163 润湿分散剂、BYK-2008 润湿分散剂，德国毕克；DeuRheo 201P 防沉剂，上海翔资化工有限公司；微粉蜡AF-29，巴斯夫；消光粉OK500，德固赛。
硅藻土：白山市科学技术研究所监制，C-01，干燥品（原土），灰白色；C-02，天然焙烧（改性）品，肉黄色至粉红色；C-03，NaCl 助熔焙烧（改性）品，白色；粒径分别为38 μm、18 μm、10 μm、6.5 μm、2.5 μm。
纳米TiO2/ 硅藻土复合光催化剂：硅藻土C-04，粒径为6.5 μm，TiO2 晶粒度（锐钛型）为10~20 nm，临江市美诗顿粉体材料有限公司。
溶剂：37% 甲醛水溶液，乙酯（EAC），乙二醇乙醚醋酸酯（CAC），醋酸丁酯（BAC），丙二醇甲醚醋酸酯（PMA），工业级。
1.2 仪器 JJ-1 高速搅拌机，深圳市国华仪器厂；TEM LSM-2L 砂磨机，秦皇岛亿利化工机械制造有限公司；线棒涂布器、涂-4 杯、PPH21 型铅笔硬度计线，上海现代环境工程技术有限公司；WGG-60 型光泽度计，深圳市嘉标光源技术开发有限公司；辊涂机，勤诚（上海）电子设备厂；恒温恒湿箱；电子天平；MOT400-CH2O 便携式甲醛分析仪，深圳市科尔诺电子科技有限公司；自制甲醛光降解反应器。
1.3 涂料制备
DH-100 系列单色底涂涂料/DH-200 系列花纹涂料的制备：按一定比例配制单色漆，依次加入树脂、溶剂、助剂、颜料和填料，砂磨分散到细度小于等于25 μm，搅拌均匀。复色底涂涂料/ 花纹涂料的制备：用单色漆调配成所需颜色。DH-003 系列PU罩光涂料的制备：将树脂、填料、助剂按照配方比例混合，搅拌均匀，200 目筛过滤。
1.4 涂膜的制备
底色涂膜的制备：选用300 mm×500 mm 的PVC木塑板，先用400 目砂纸打磨、吹扫，再用辊涂机将底涂涂料涂布于木塑基材上，室温下干燥。
花纹涂膜的制备：利用印花机将花纹涂料涂布在已辊涂色漆的样板上，室温干燥。
吸放湿涂膜和光降解涂膜的制备：利用涂布器将待测涂料涂布在100 mm×200 mm 玻璃板上，室温下干燥4 h 后备用。
1.5 性能测试
涂料黏度：参照GB/T1723-93，利用涂-4 杯测定涂料黏度，以流出时间表示黏度。
涂层附着力：参照GB9256-88，通过划格实验方法判定涂膜的附着力，定为6 级，0 级最佳，5 级最差。
涂层硬度：参照GB6739-86，使用涂膜铅笔划痕硬度计测试涂层的铅笔硬度。
涂层柔韧性：参照GB/T1731-93 测试，7 级最优，1 级最差。
吸放湿性能测试：按ZJ-230∶N3390∶硅藻土C-03(6.5 μm)=75∶25∶（0~40）的比例（质量份数），配制不同硅藻土含量的罩光清漆，每种清漆取20 g 样品，均匀涂布在100 mm×200 mm 玻璃板上，充分干燥后放入恒温恒湿箱中，设定箱内温度为(25±0.5) ℃，在不同的相对湿度下，测定饱和吸湿量，然后做放湿实验，完全放湿后称重，计算放湿量。
甲醛光降解实验：按ZJ-230∶N3390∶TiO2/ 硅藻土C-04=75∶25∶（0~20）的比例（质量份数），配制不同纳米TiO2/ 硅藻土含量的罩光清漆, 每种清漆取20 g 样品，均匀涂布在100 mm×200 mm 的玻璃板上，充分干燥后备用。采用自制光催化装置模拟室内甲醛的净化过程，实验装置为64 L（400 mm×400 mm×400 mm）的金属密闭箱，箱内安装8 W 荧关灯，测试样品放置在底部样品台上，样品据荧光灯距离为300 mm，用注射器注入一定量的37% 甲醛水溶液，打开风扇使甲醛汽化并均匀分布于整个容器内，在常温常压下开灯开始光催化反应，每间隔一定时间检测装置中甲醛含量，用甲醛降解率η 评价光催化效果，η=(c0-c1)/c0×100%，其中：c0 为开灯前甲醛浓度，c1 为24 h 后甲醛浓度。
2 结果与讨论
2.1 硅藻土对涂膜性能的影响
2.1.1 硅藻土种类的选择：因硅藻土的品位和改性处理方法不同，硅藻土本身带有不同的颜色[3]，根据配方：50% ZJ-480、10% 硅藻土 、0.5% BYK-163、39.5%溶剂（m（丁酯）∶m（丙二醇甲醚醋酸酯）=1∶1），利用C-01、C-02 和C-03 配制了清漆。结果表明，清漆分别呈灰黑色、棕黄色和乳白色，除助熔焙烧品C-03外，其它2 种硅藻土对涂膜的色泽影响较大，因此硅藻土作为体质填料加入彩色底涂、花纹涂料和罩光面漆中，应尽量选择白色或采用对应色添加，以减少硅藻土对涂膜色彩鲜艳度的影响。
2.1.2 硅藻土粒径的选择：助熔焙烧品C-03 粒径对底涂涂料性能的影响，见表1。由表1 可见，随粒径减小，涂料黏度略有升高，储存稳定性相应变优，漆膜60。光泽度逐渐增加，这是由于硅藻土粒径越小，悬浮性越好，消光效果相对越弱，黏度增加且贮存稳定性变好。另外，实验结果表明采用BYK-2008 和BYK-163 复配的润湿分散剂，可改善硅藻土在热塑丙烯酸树脂和羟基丙烯酸树脂中的润湿分散性，提高漆膜的透明性和贮存稳定性。在选择硅藻土时，应根据用途合理选择硅藻土粒径。底漆主要是填平麻点、遮盖瑕疵、赋予木塑基材一定的颜色，涂膜的光泽和透明性不需重点考虑，此时硅藻土主要作为体质填料以降低成本，因此在底漆中可选择粒径稍大的硅藻土，粒径宜选在6.5~18 μm之间，在面漆中既要考虑消光性，还要考虑透明性和手感，因此在罩光面漆中应尽量选择小粒径的助熔焙烧品C-03，即粒径在2.5~6.5 μm 之间比较合理。

2.1.3 硅藻土添加量对涂料光泽和黏度的影响：助熔焙烧品C-03（6.5 μm）添加量对光泽度的影响见图1。由图1 可见，透明底漆和彩色底漆涂膜60。光泽度均随硅藻土含量的增加而迅速降低，这表明硅藻土具有较好的消光效果，当硅藻土添加量超过15% 时，涂膜可达到全哑。利用遮盖力测试纸对透明底漆进行测试，结果表明硅藻土对漆膜的遮盖力影响不大，其添加量在30% 以内，对底涂漆膜色相影响不明显。这是由于硅藻土的主要组分是二氧化硅（大于85%），折光率为1.45 左右，与底漆和面漆使用的热塑性丙烯酸树脂和羟基丙烯酸树脂折光率相近，在这两类涂料中，硅藻土透明性较好, 具有良好的光学性能，对色漆遮盖力的影响较小，进一步表明硅藻土是木塑涂饰涂料的良好体质填料和功能填料。

图1 硅藻土添加量对光泽度的影响
实验配方：ZJ-480 50%，CAB 1.0%，助熔焙烧品C-03 0~15%，BYK-2008+BYK-163 0.5%，着色剂 5%，溶剂补足。
硅藻土添加量对黏度的影响见图2。由图2 可见，在所考察的硅藻土添加范围内，黏度变化不明显，这表明硅藻土吸油量不大，触变性不强；底漆中硅藻土添加量高达30% 时，对施工性能基本无影响。实际生产应用证明，底漆和花纹漆可采用表2 的基础配方，罩光清漆可采用表3 的基础配方。由于硅藻土具有一定的消光性，在罩光面漆中可替代部分消光粉（如OK-500），既可降低成本，又不影响消光效果。哑光面漆中消光粉OK-500 和硅藻土C-03 的用量可根据光泽度的要求在一定范围内调节。

图2 硅藻土添加量对涂-4杯流出时间的影响
实验配方：ZJ-480 40%，CAB 1.0%，助熔焙烧品C-03 0-40%，BYK-2008+BYK-163 0.5%，溶剂补足。

2.1.4 硅藻土对漆膜附着力和耐热性的影响：硅藻土对透明底漆（见表2 配方）漆膜附着力的影响，见图3。由图3 可见，未添加硅藻土的漆膜，经十字画格后漆膜有脱离基材的现象（图3a）；添加20% 硅藻土后，附着力有明显改善（图3b）。

硅藻土对透明底漆（见表2 配方）漆膜耐热性的影响，见图4。由图4 可见，未添加硅藻土的漆膜，在120 ℃烘箱中烘烤3 min，冷却到室温，漆膜存在开裂现象（图4a）；添加20% 硅藻土后，在同样条件下漆膜没有开裂（图4b）。这是因为硅藻土形状多样，在涂膜中可产生层叠结构，增强涂膜强度，改善底漆漆膜与木塑基材的附着力和抗裂性。

图4 硅藻土对耐热性的影响
a-未添加硅藻土；b-添加 20%硅藻土C-03
2.2 硅藻土对涂膜吸、放湿性能的影响 不同硅藻土含量的PU 罩光涂膜吸、放湿性能测试结果分别见图5、图6。

图5 PU罩光涂料的饱和吸湿曲线
试验配方：ZJ-230∶N3390∶硅藻土C-03(6.5 μm)=75∶25∶(0~40)（质量份数）

图6 PU罩光涂料的放湿曲线
试验配方：ZJ-230∶N3390∶硅藻土C-03(6.5 μm)=75∶25∶(0~40)（质量份数）
从图5 和图6 可见，在硅藻土含量较低时，吸、放湿能力较低，可能是由于硅藻土含量较低时，涂膜表面硅藻土含量相对较少；随硅藻土添加量的增加，涂膜表面硅藻土含量增加，涂膜中孔增多，吸湿能力和放湿能力随之提高；当硅藻土添加量为40 份、相对湿度为90% 时，吸湿量达到最大值1.88 g/100g。但当硅藻土含量超过60 份后，罩光涂料的黏度增加，贮存稳定性变差，进而影响施工性漆膜的光泽、透明度和表面的平整度，因此对于PU 面漆，硅藻土的添加量不宜超过60 份，尤其用于花纹膜罩光时，硅藻土的添加量不宜过高。

2.3 TiO2/ 硅藻土对甲醛光降解性能的影响 PU 罩光涂料降解甲醛的实验结果见图7。由图7 可见，随着光照时间的延长，放置空白样品时箱内甲醛浓度几乎没有变化，含有TiO2/ 硅藻土的样品箱内甲醛浓度逐渐下降，表明含TiO2/ 硅藻土的PU 涂料在常温常压下可催化降解甲醛，在TiO2/ 硅藻土含量为10 份、20 份、30 份时经光照24 h，甲醛降解率分别为77.8%，84.1% 和93.6%，表明随着TiO2/ 硅藻土含量的增加，TiO2/ 硅藻土颗粒数增加，致使催化活性点增加，因此光催化反应加快。TiO2 具有很强的遮盖力和着色力，TiO2/ 硅藻土中TiO2 的负载量在36% 左右时，会严重影响罩光面漆的透明性[7]，因此具有光降解功能的涂料不适用于花纹型材的罩光，只能用于白色底材的罩光漆中。

图7 TiO2/硅藻土添加量对PU罩光涂料甲醛降解率的影响
试验配方：ZJ-230∶N3390∶TiO2/ 硅藻土C-04 = 75∶25∶(0~30)（质量份数）

3 结论
1. 硅藻土粒径对黏度、光泽度等有不同程度的影响，在底漆中可选择粒径为6.5~ 18 μm 的硅藻土（天然焙烧品C-02 和助熔焙烧品C-03），在罩光面漆中可选择粒径为2.5~ 10 μm 改性硅藻土（助熔焙烧品C-03）。
2. 助熔焙烧品C-03 硅藻土颜色纯白，具有消光、增加附着力和改善耐热性的特点，可用于底涂涂料和罩光清漆中，以降低涂料配方成本。
3. 助熔焙烧品C-03 硅藻土可用于制备木塑材料的吸放湿功能涂料中。
4. 添加TiO2/ 硅藻土的木塑罩光涂料具有光降解催化特性，添加量越大光降解速度越快, 适用于白色木塑罩光漆中。