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近年来, 纳米材料的研究和应用成为各行各业的热点。纳米材料所具有的小尺寸效应、表面和界面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等, 使纳米材料具有了抗菌杀毒、防雾防露、防污自洁、超强疏水、屏蔽防老化等特殊性能。采用纳米技术与建筑涂料进行有机结合提高涂料的抗水性、杀菌性和自洁性、涂膜具有较强的吸附力和良好的耐候性, 对建筑涂料向高质量、高档次、环保型、多功能化等方向发展, 将会起到极大的推动作用。
一、实验部分
主要原料和设备
纳米级SiO2、纳米级ZnO、纳米级TiO2, 深圳市多贝化工建材有限公司产品; 纯丙乳液, 罗门哈斯公司产品; 钛白粉, 美国杜邦公司产品。主要设备有预分散容器、砂磨机、涂- 4 杯、刮板细度
仪。
涂料的制备工艺
纳米材料组分的分散与预处理。制备纳米改性涂料过程中, 由于纳米材料容易产生团聚, 因此纳米材料组分的分散与预处理对涂料性能的提高起着关键作用。实验中, 我们采用稀释的表面活性剂对纳米材料进行预处理。首先将所需的纳米材料称量后置于混合罐中, 然后边搅拌边加入表面活性剂, 直到分散均匀, 将预处理的纳米材料密封静置8h, 然后再置于分散罐中, 用高速分散设备将其分散后加入填料再进行后续工序。制备工艺。外墙乳胶漆一般由基料、颜填料、增稠剂、成膜助剂、润湿剂、分散剂以及其它助剂组成。涂料制备工艺流程见图1。
图1 纳米改性涂料的生产工艺流程
性能测试。按表1 的配方, 制成涂料, 采用GB/T 9755- 2001《合成树脂乳液外墙涂料》进行测试。不同组成外墙涂料性能比较见表2。
表1 涂料配方表
表2 不同组成外墙涂料性能比较
二、结果与讨论
对上述5 组配比涂料样品的各项性能测试结果表明, 纳米材料组分的加入, 可以显著提高涂料的整体性能, 尤其是对一些定量指标提高更为显著。
一是耐洗刷性。从表2 可以看出, 加入纳米材料的涂料, 其耐洗刷次数明显高于没有加入纳米材料的涂料。同时加入纳米SiO2、纳米ZnO 及纳米TiO2 等3 种纳米材料的5# 配方, 耐擦洗性最好, 达到20000 次以上。由此可以看出, 多种组份的纳米材料相互配合, 可充分发挥其协同作用, 使涂料的性能提高更为明显。这是因为纳米粒子表面存在大量的缺陷态, 它与聚合物分子链之间有较强的分子间力, 纳米粒子填充进入高分子聚合物的缺陷态内, 改变了基体的应力集中现象, 从而提高了涂膜的强度。纳米SiO2 表面存在硅酸基和活性硅烷键, 能形成强弱不等的氢键, 表现出极强的补强性, 而且纳米SiO2 在涂料成膜时能够聚结成网状结构, 可大大提高涂层的强度, 从而提高其耐洗刷性, 但单独加入纳米TiO2 和ZnO对耐擦洗性的提高幅度不大。
二是对比率与耐沾污性。从表2 可以看出, 纳米材料组分的加入对涂料的对比率及耐沾污性有明显的改善。特别是同时加入3 种纳米材料组分的涂料, 其对比率及耐沾污性的提高效果很明显。涂膜内部普遍存在有毛细孔、气泡等。加入纳米粒子可以填充这些孔隙增加涂层的致密性, 因而提高涂料的对比率及耐沾污性的效果。纳米SiO2 提高耐沾污性的作用明显, 主要是由于其网状结构可以形成相对比较完整的膜, 使脏物不易附着; 纳米TiO2 则由于其具有光催化性, 使附着在涂料表面的有机物不断分解, 从而使污垢容易除去。多种纳米材料组分的加入, 由于其协同作用, 所起的作用就更显著了。
三是耐候性。从表2 的测试结果看, 不添加纳米组分的涂料及添加了纳米TiO2 的涂料, 其粉化达到了2 级; 添加了3 种纳米材料组分的涂料, 为O 级粉化。这也说明了纳米材料的添加有助于提高涂料的耐候性。纳米TiO2、纳米ZnO 和纳米SiO2 都能较好地吸收紫外线, 从而起到了保护涂膜的作用。纳米SiO2 粒子具有极强的紫外光吸收, 红外反射的特性, 其中对紫外光长波UVA( 320 ～400nm) 反射率达85%, 对中波UVB ( 280～320nm) 的反射率达80%,对短波UVC( 200～280nm)的反射率仍达70%～80%;纳米TiO2 可以透过可见光及散射波更短( 200 ～400nm) 的紫外线, 使涂膜能长期保持鲜艳的色彩。但加入单一种类的纳米材料时, 对防止粉化, 似乎效果并不明显, 而加入这些纳米材料的复合组分后,则涂料的耐粉化性能明显提高。尤其是3 种以上的纳米材料同时加入时, 效果更好。
三、结语
在基础纯丙涂料中加入纳米材料, 可显著提高涂料的综合性能。而采用3 种或3 种以上的纳米材料复合加入, 可充分发挥它们在涂料中的协同作用, 使涂料的性能提高更为显著, 为纳米改性高性能涂料的开发提供了新的思路。实验结果同时表明,对于TiO2 和SiO2 纳米粒子,涂料性能随着纳米粒子用量的增加而提高, 但当纳米粒子的用量达到一定值时,涂料的性能基本不变;而当纳米粒子的用量进一步增加时,涂料的性能反而下降。这一结果表明, 纳米粒子的用量小于某一值时,在表面改性剂等作用下, 纳米粒子在涂料体系中能得到有效分散; 当纳米粒子的用量进一步增加时,由于体系粘度大,纳米粒子表面能高,纳米粒子发生团聚而成为微米级粒子, 从而使体系中的纳米相的比例降低甚至消失, 因而涂料性能也发生相应的变化。根据涂料的性能与成本,应合理控制纳米粒子的用量。纳米技术与传统涂料产业相结合, 这一工作在我国还刚刚起步, 在各方面都需要提高和完善,还应该在理论方面和实际应用方面不断进行深入、系统地研究, 以推动纳米技术和纳米材料在涂料中的广泛应用。
