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紫外光固化纳米抗菌木器漆
刘红波1, 2, 3 ,李荣先1, 2 ,缪国元3 ,薛亚波3
(1. 深圳清华大学研究院,广东深圳518057;2. 清华大学,北京100084; 3. 江苏晨光纳米材料科技有限公司,江苏常州213154)
0 引 言
紫外光(UV)固化涂料是20世纪60年代开发的一种环保节能型涂料,它具有低VOC排放、节省能源、固化速度快(0.1～10 s) 、适合流水线生产、固化温度低等优点,在化工、机械、电子、轻工、通讯等领域有广阔的应用前景[ 1 – 4 ]。纳米材料作为一种新型的无机填料,其在涂料中的应用能有效地提高涂料性能,目前国内少数纳米改性涂料产业化的品种是建筑内外墙涂料,紫外光固化纳米特种涂料的研究较少,只有少数国内外的单位在进行这方面研究,德国BYK公司于2004年在德国杜塞尔多夫举行塑料展览会上展出两种紫外光固化涂料用纳米添加剂,主要功能是提高紫外固化涂层的耐刮擦能力和耐用性,国内安徽理工大学的徐国财等对纳米二氧化硅在紫外光固化涂料中的应用进行了一些研究[ 5 – 6 ] ,目的也是为了提高涂膜的耐磨性,目前关于无机纳米抗菌剂在紫外光固化涂料中的应用研究没有看到相关报道。本文将无机纳米抗菌剂加入到紫外光固化体系中,研制具有抗菌性能的紫外光固化纳米抗菌木器漆,考察了纳米材料分散稳定性,测试了涂料的抗菌性能和理化性能。
1 实验部分
1. 1 原料
环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯:工业级,江苏三木公司;丙烯酸丁酯(BA) 、1, 6 – 己二醇二丙烯酸酯(HDDA) 、三丙二醇二丙烯酸酯( TPGDA) 、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯( TMP2TA) :工业级,天津市天骄涂料化工有限公司;光引发剂Daro2cur 1173、Irgacure184:工业级,长沙新宇化工实业有限公司;无机纳米抗菌剂、二氧化硅:工业级,南京海泰纳米材料科技有限公司。
1. 2 涂料制备
将环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、稀释剂、BA、TPGDA、HDDA、TMPTA、无机纳米填料、光引发剂Darocur 1173或Irga2cure 184等按一定比例分散均匀,涂布于基材上,用紫外光固化机固化,室温放置1 d后测试性能。
1. 3 表征方法
涂料黏度的测定:将分散好的涂料在25 ℃下用涂- 4杯黏度计测定黏度(GB /T 1723—1993) 。
摆杆硬度的测定:将光固化涂料涂布在95 mm ×88 mm ×5 mm玻璃片上,固化一定时间后用天津仪器公司的QBY型摆杆硬度仪测试其硬度(GB /T 1730—1993) 。
光泽的测定: UV 固化膜光泽用Sheen 仪器有限公司Sheen 60型光泽仪测定,测试角度为60°,折射率为nD = 1.567的玻璃表面光泽定义为100 [ GB /T 1743 – 1979 (1989) ]。
涂料耐水性测试: 将涂料涂布于马口铁片上,固化后封边,浸泡于水中72 h,观察漆膜是否起泡、起皱或脱落( GB /T9274—1988) 。
涂料耐醇性测试: 将涂料涂布于马口铁片上,固化后封边,浸泡于50% (体积分数)乙醇溶液中8 h,观察漆膜是否起泡、起皱或脱落(GB /T9274—1988) 。
涂料耐磨性测试:将光固化涂料涂布在直径为100 mm,中心有一直径9 mm圆孔的玻璃片上,固化一定时间后用上海现代环境工程技术有限公司的JM – Ⅳ型磨耗仪测试其耐磨性(GB 1768—1979) 。
涂料抗菌性能测试:将光固化涂料涂布于5 cm ×5 cm的玻璃试片上,固化后送样至广东微生物分析测试中心测试其对大肠埃希氏菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率。
2 结果与讨论
2. 1 涂料黏度对纳米材料分散稳定性的影响
通过改变环氧丙烯酸树脂( EDA ) 、聚氨酯丙烯酸酯( PUA)和活性稀释剂(BA、HDDA、TPGDA、TMPTA 等) 的比例,调节体系的黏度,在不加其他助剂的情况下,加入3%的无机纳米抗菌剂,通过高速剪切分散,考察不同黏度下纳米粒子的分散稳定性,实验结果见表1。
表1 体系黏度对分散稳定性的影响
从表1可看出,分散体系黏度比较大的时候,纳米粒子的分散性稳定性较好,如体系黏度在278 s时,纳米抗菌剂能稳定存在于分散体系中,放置6个月内也没有发现明显沉降现象;分散体系黏度降低到192 s时,放置6个月后即有大量粉体沉降;当黏度进一步下降时,纳米抗菌剂的分散稳定性迅速下降,体系黏度下降到103 s时,纳米粒子在1个月内完全沉降;当体系黏度下降到30 s左右时,各分散体系基本上只能稳定存在1～2 d左右;从实验数据分析,为了使纳米材料能在较低黏度下稳定存在于涂料体系中,应该往涂料体系中适当添加一些增稠防沉填料,如二氧化硅等。
2. 2 二氧化硅含量对体系分散稳定性的影响
由于纳米材料具有比较高的表面能,在分散体系中如果黏度较小,粒子容易因为布朗运动相互碰撞而团聚到一起,引起粒子的沉降,从而造成分散体系的不稳定性。本实验选用黏度较低的分散体系为考察对象,添加一定量的二氧化硅,考察其对纳米抗菌剂和纳米二氧化钛分散稳定性的影响。结果见表2。
表2 二氧化硅含量对无机纳米抗菌剂分散稳定性的影响
注:基础配方为: EDA 40%、PUA 20%、BA 15%、TPGDA 15%、TMPTA 6%、纳米抗菌剂3%。
从表2看出:涂料分散体系中加入二氧化硅能显著提高其黏度,有效提高纳米抗菌剂的分散稳定性。不加二氧化硅的涂料分散体系黏度为43 s,稳定性很差,分散后8 d左右纳米粒子即由于团聚完全沉降,且沉降后很难再分散开;加入2%二氧化硅后,其黏度有明显增加,达到65 s,分散体系的稳定性也增加不少, 45 d左右才完全沉降;当分散体系中二氧化硅增加到6%时,体系黏度达到106 s,放置6个月后,分散体系只会在表面出现少量清液,能用玻璃棒搅拌均匀,与不加的团聚沉降有较大差别;表2中加入4% SiO2 的黏度为91 s,与表1中配方3的黏度相差不大,但其沉降性有较大差别,这些都说明二氧化硅在分散体系中的存在减少了纳米粒子之间的团聚,轻微的沉降也是因为无机纳米抗菌剂自身重力引起的;当涂料分散体系中二氧化硅的含量进一步增加到8% ～10%时,虽然对稳定性有一定帮助作用,但体系黏度过大,不利于涂料的涂装和流平, 故本配方选用加入6%二氧化硅比较合适。
2. 3 涂料的理化性能
根据上述一系列实验结果,本实验在基础配方中加入6%SiO2、2%的Darocur 1 173和1%的Irgacure 184,搅拌均匀后,按要求制备样板,经紫外光固化后,根据紫外光固化木器漆行业标准测试其各项理化性能,具体测试结果见表3。
从表3可知,其各项理化性能均达到或超过了紫外光固化木器漆行业标准,由于涂料分散体系中加入了二氧化硅,起到了消光作用,故涂料固化膜光泽为68,其附着力(划格实验)和耐干热性均为1级,有较好的耐水、耐醇和耐磨性,能满足工业应用需要。
2. 4 涂料的抗菌性能
本实验研究的涂料不但需要其具有良好的理化性能,同时希望其具有较好的抗菌性能,将其应用于家具、地板等的涂装上,在满足涂料装饰、保护等功能外,同时具有抗菌性能。制备的样板固化后送到广东省微生物分析检测中心测试其抗菌性能,测试结果见表4,涂料对大肠埃希氏菌和金黄色葡萄球菌有很强的杀菌作用,对两种细菌的抗菌率分别达到了99.98%和99.60%。
3 结 语
在紫外光固化木器漆体系中引入无机纳米抗菌剂,得到了一种既有良好理化性能又具有抗菌性的纳米复合涂料,其理化性能符合紫外光固化木器漆行业标准,对大肠埃希氏菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率超过99% ,具有很好的应用前景。
