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碳酸钙晶须在涂料中的应用
王会利,杨娟娟,刘斌,陈寿田 (西安交通大学电力设备绝缘国家重点实验室,710049)
碳酸钙晶须是在受控条件下生长而成的针状单晶体,国内外已有文献报道了其制备方法和应用研究,包括碳酸钙晶须在涂料中的应用[1 ] 。本文研究了碳酸钙晶须对硅溶胶、VAE 乳液、苯丙乳液等基体的黏度、抗开裂性、附着力、强度等性能的影响。
1 实验部分
1. 1 原 料
碳酸钙晶须,自制,针状,见图1 ,长径约为30μm ,短径2～3μm。硅溶胶、VAE 乳液、苯丙乳液,工业级,市售。
图1 碳酸钙晶须SEM 照片
1. 2 测试方法
附着力测试采用GB/ T 9286 —1998 标准所述的十字划格法测试;
粘接强度采用GB/ T 9779 —88 标准,每次试样数量不少于3 个。
涂料黏度采用GB/ T 1723 —93 标准,由旋转黏度计测得。
拉伸强度采用GB/ T 528 —92 标准,试样用2 型刀具切成哑铃状,拉伸速率为500 mm/ min ,每次试样数量不少于5 个。
试样的详细形貌分析采用日本电子公司(J EOL)的J SM – 5800 型扫描电子显微镜。
2 结果与讨论
2. 1 复合体系的黏度
分别将不同份数的碳酸钙晶须(包括未处理的和经1.5 %的硬脂酸钠处理后的碳酸钙晶须) 和轻质碳酸钙加入100 份(以100 份树脂计) 的VAE 乳液、苯丙乳液、硅溶胶中,搅拌一定时间后,用旋转黏度计测试体系黏度,结果如图2 所示。由于表面处理后的晶须在硅溶胶中漂浮,搅拌难以形成较为均匀的体系,因此本文未能测试其复合体系黏度。添加碳酸钙晶须和轻质碳酸钙后体系黏度随添加量的增大而增大;与添加轻质碳酸钙相比,添加碳酸钙晶须更能明显提高体系黏度。这与碳酸钙晶须的针状晶型有关,当体系流动时,碳酸钙晶须既有平移运动,也有旋转运动。粒子的存在阻碍介质的运动,增加分散介质的黏度。体系中分散相粒子的形状不同,对运动产生的阻力也有很大差异。在相同的固体体积情况下,非球形粒子具有更大“有效水力体积”,因而阻力更大,乳液的黏度也较大。表面处理后的晶须便于表面由亲水性变成亲油性,有利于碳酸钙晶须的分散;减少晶须之间的团聚,而且由于硬脂酸钠包覆在碳酸钙晶须表面,减少碳酸钙晶须表面吸附的水分子,导致对分散介质的阻力减小,所以添加表面处理的碳酸钙晶须能够降低涂料体系的黏度。
2. 2 复合体系的抗开裂性、附着力
分别将0 、20 、40 份(以100 份树脂计) 的碳酸钙晶须和轻质碳酸钙加入100 份(以100 份树脂计) 的苯丙或硅溶胶乳液中,搅拌一定时间后涂在钢板上自然风干后形成1 mm 左右的薄膜。实验发现,未添加任何填料的涂料和添加轻质碳酸钙的涂料在12 h 后均有很多开裂。而添加碳酸钙晶须的涂料则几乎没有任何裂纹,尤其是添加40 份的试样抗开裂性和附着力更好。附着力和粘接强度测试结果见表1 。结果表明,碳酸钙晶须与轻质碳酸钙相比,能明显提高苯丙乳液和硅溶胶基体的抗开裂性和附着力。
(c) 硅溶胶
1. 未处理的碳酸钙晶须;2. 轻质碳酸钙;3. 处理后的碳酸钙晶须
图2 无机填料对体系黏度的影响
2. 3 复合体系的粘接强度
将一定量的碳酸钙晶须或者轻质碳酸钙加入苯丙乳液、硅溶胶、VAE 乳液中,搅拌均匀后分次涂覆于一定大小的钢板上,放置一定时间后测试其粘接强度,结果见表2 。添加碳酸钙晶须能够较为明显地提高基体的粘接强度,对于苯丙乳液、硅溶胶、VAE 等基体,分别提高了约2 倍、3 倍、1.3 倍;而轻质碳酸钙提高作用不明显。碳酸钙晶须作为针状的高强度单晶体,在这3 种基体中能够承受一定的破坏应力,明显提高了粘接强度。
2. 4 复合涂层的SEM 照片
在硅溶胶、苯丙乳液、VAE 乳液等中加入20 份(以100 份树脂计) 或者40 份(以100 份树脂计) 碳酸钙晶须,经人工搅拌后涂覆于钢板上,然后自然风干。其SEM 照片如图3 所示。与添加20 份碳酸钙晶须的试样相比,添加40 份的样品中针状的碳酸钙晶须明显增多,晶须呈无规取向排列,而且发生明显的断裂情况,在碳酸钙晶须- VAE 复合物中断裂尤为显著。碳酸钙晶须在不同的基体中发生不同的断裂情况,与基体性质有很大关系,VAE 乳液黏度大,粘附力强,使碳酸钙晶须在VAE 乳液中分散较在硅溶胶、苯丙乳液中困难,所需搅拌力度较大,因而容易造成晶须的断裂,另一方面,由于碳酸钙晶须在与VAE复合时难于被VAE 表面包覆,裸露的晶须在试样风干收缩过程中,更容易受到压缩、堆积的作用而断裂,而硅溶胶、苯丙乳液特别是硅溶胶乳液由于黏度较低,能够均匀分散并且包覆晶须,从而达到保护晶须的作用。由于硅溶胶中的碳酸钙晶须较其它两种基体中的碳酸钙晶须更为完整,形成了更为完整的空间网状结构,所以能显著提高基体的粘接强度、附着力、黏度等相关性能。
注:添加的碳酸钙晶须份数均为以100 份树脂计
图3 碳酸钙晶须在硅溶胶、苯丙乳液、VAE 乳液中分散的SEM 照片
3 结 语
碳酸钙晶须作为涂料的增粘剂,能显著提高涂料的黏度,增加触变性,提高涂料的抗开裂、附着力、粘接强度等性能。碳酸钙晶须在硅溶胶、苯丙乳液、VAE 乳液中分散较好。受基体的保护作用,碳酸钙晶须在硅溶胶、苯丙乳液中的断裂现象很少,完整的碳酸钙晶须能够起到骨架的作用,更好地发挥其优异的力学性能。
