admin
将纳米粒子应用于涂料中,可使涂层的光学性能、力学性能和电性能等大大提高[ 1 ] 。本文研制的纳米二氧化硅( SiO2 )改性水性木器乳液,采用丙烯酸乳液原位共聚的方式,对纳米SiO2 粉体进行表面改性,形成纳米SiO2 丙烯酸共聚乳液。研究表明:涂膜具有优异的抗水性、较高的硬度和附着力,较好的透明性、流动性和耐化学品性等。用该乳液配制的涂料既具有水性涂料的环保性,又具有纳米SiO2所赋予的功能性。
1 实验部分
1. 1 主要设备及仪器
500ml四口瓶,电动搅拌器,冷凝器,电热煲,调压器,温度计,分液漏斗等。
1. 2 原料和试剂
原料和试剂见表1。
1. 3 纳米S iO2 的表面改性
在纳米SiO2 中加入表面活性剂,再添加引发剂,经过高速剪切可制得稳定的分散体系。
1. 4 纳米S iO2 丙烯酸共聚乳液的合成[ 2]
将水、1 /3乳化剂、处理过的纳米SiO2 粉体及偶联剂DAAM加入四口瓶中,用碳酸氢钠调整pH为7.5～8.5,搅拌并升温;同时将各共聚单体倒入盛有2 /3乳化剂和去离子水的乳化器中进行预乳化;引发剂配成10%的水溶液。当升温至75℃,开始滴加少量引发剂和预乳化液,当体系中出现微弱的蓝光时,保持引发剂和单体预乳化液在4h内连续同步滴加到反应器中,并控制温度在80 ±2℃。滴加完毕后,补加引发剂t2BHPO,并在85℃时保温2h, 以减少残余单体的含量。然后降温至60℃,加入吊白块,恒温015h,去掉过量的引发剂,再用乙醇胺调节pH 至8 ～9,并降温至40℃以下,过滤,出料,即得纳米SiO2 丙烯酸共聚乳液。
1. 5 纳米共聚乳液的性能指标
纳米共聚乳液的性能指标如表2所示。
1. 6 共聚乳液杀菌效果的测定方法[ 3 ]
将纳米共聚乳液在10cm ×10cm的玻璃片表面均匀涂抹,待其干透得实验样;用同样方法将未加纳米SiO2 的共聚乳液做成对照样。然后将实验样和对照样放置在含有盐类营养素的玻璃盘中,用消毒过的雾化器将菌类孢子悬浮体喷洒到带试样的整个盘表面。将已移有菌类的试样覆盖,置于菌类培养室中,在28～30℃、相对湿度大于85%的条件下保持20天之后,通过目视比较实验样与对照样的菌类生长情况,发现实验样的杂菌数相对较少。
2 结果与讨论
2. 1 纳米S iO2 的预处理
纳米SiO2 由于其纳米尺寸效应,粉体粒子具有巨大的比表面积和高的表面活性,其本身易团聚[ 4 ] ,因而纳米粉体存在下的乳液聚合具有较大困难,一是在乳液聚合过程中纳米粉体导致凝聚破乳,二是聚合得到的乳液存在物理不稳定性,导致乳液体系分层而难以充分发挥其优良性能[ 5 ] 。所以纳米SiO2粉体在使用中首先要通过表面处理来改变其表面的物理化学性能,即利用表面活性剂与纳米粒子表面化学吸附或者化学反应,使表面活性剂覆盖于纳米粒子表面,降低表面能,减少粒子间相互团聚。
2. 2 纳米S iO2 与原位乳液聚合
纳米SiO2 粉体的表面存在大量不饱和残键,具有极高的化学活性,当纳米SiO2 粉体加入到丙烯酸及其酯的单体体系中时,可通过配位键合的方式与单体分子结构中的羰基结合,形成表面被丙烯酸单体包覆的纳米微囊,使得纳米SiO2 粉体均匀分散于单体体系中。选择适当的乳化聚合条件,使被吸附在纳米SiO2 表面的丙烯酸单体于乳液氛围中发生原位聚合[ 6 ] ,最后得到纳米SiO2 丙烯酸共聚乳液。
2. 3 纳米S iO2 用量对乳液硬度的影响
纳米SiO2 加入量不足时,起不到预期的效应;加入量过多,既会增加成本,又会使乳液质量下降。纳米SiO2 的用量对乳液硬度及储存稳定性的影响见表3。
实验结果表明,随着纳米SiO2 用量的增大,涂膜硬度增大而储存稳定性优良,但当纳米SiO2 粒子的用量大于2.5%时,硬度增大不明显且稳定性下降。这是因为纳米SiO2 表面存在的羟基可与丙烯酸及其酯的单体形成三维网状结构,增强乳液的硬度和耐磨性能,有效地改善了涂膜的物理机械性能。但当其用量大于2.5%时,纳米SiO2 的表面已经形成了充分的网状结构,同时由于其表面能的增大,团聚作用增强而使乳液稳定性下降。
2. 4 纳米S iO2 用量对乳液附着力的影响
纳米SiO2 表面存在的不饱和残键羟基,除了能提高乳液的硬度和耐磨性能外,还可以提高乳液的附着力[ 7 ] 。纳米SiO2 的用量对乳液附着力的影响见表4。
实验结果表明:随着纳米组份用量的增加,乳液附着力也有明显的增强。当加入的纳米SiO2 达到2.0%时,其附着力达到最佳值;大于2.0%时,其性能指标又出现下降趋势,尤其当其含量为3.0%时,其附着力最低,此时性能最差。
3 结 论
本实验借助于纳米SiO2 的高活性表面配位效应,使丙烯酸及其酯的共聚单体被键合吸附于纳米SiO2 表面,形成了表面被丙烯酸单体包覆的纳米微囊,在特定的乳化剂中,通过水溶性引发剂的引发,发生原位聚合,得到了一种性能优良的纳米水性木器乳液。另外由于纳米SiO2 颗粒尺寸小,比表面积和表面张力都很大,易吸附而发生团聚,所以对其进行改性预处理也是本实验的一个关键。研究发现,当纳米SiO2 粉体的用量在2.0% ～2.5%时,乳液的硬度、附着力、稳定性、耐候性及抗菌性能等方面都有较大的提高。
