纳米SiO2/ 苯丙乳液的合成及其乳胶漆的研制

张洪美1 马利1 向斌2

( 1. 重庆大学化工学院, 重庆400044; 2. 中科院海洋所腐蚀室, 青岛266071)

纳米复合建筑涂料[ 1] 是指将纳米材料作为一种颜填料加入到传统建筑涂料组分之中, 利用纳米材料特殊的物理化学性能, 赋予涂料优良的耐候性、耐擦洗性、耐沾污性、抗菌性和自清洁性等功能。本文着重讨论纳米SiO2 对乳液及其涂料性能的影响。

1 实验部分
1. 1 纳米SiO2/ 苯丙复合乳液的制备与性能测试
1. 1. 1 实验原料
丙烯酸丁酯( BA) : 分析纯, 亨达精细化学品有限公司; 苯乙烯( St ) : 分析纯, 天津科密欧化学试剂开发中心; 甲基丙烯酸( MAA) : 分析纯, 天津博迪化工有限公司; 过硫酸钾( K2S2O8) : 分析纯, 埃彼化学仪器试剂公司; 硅烷偶联剂KH-560: 分析纯, 青岛华鲁化工有限公司; 十二烷基磺酸钠( SDS ) : 分析纯,亨达精细化学品有限公司; 碳酸氢钠( Na2CO3) : 分析纯, 上海虹光化工厂; 壬基酚聚十( 氧化乙烯) 基醇(OP-10) : 分析纯, 天津大化学仪器供应站; 纳米级SiO2: 工业产品, 浙江舟山纳米材料有限公司。
1. 1. 2 纳米SiO2的表面处理
根据表面改性剂与纳米粉体的依存关系[ 2], 硅烷偶联剂用量取纳米SiO2 质量分数的0.5% ~1.0%, 用体积比为1:9 的水和乙醇进行超声分散30min; 而后加入纳米SiO2, 用高速搅拌机( 5000 rev/min) 搅拌1h, 烘干, 备用。
1. 1. 3 乳液聚合过程
将改性后的纳米SiO2 粒子配制成20% 的水溶液, 加入到溶有适量乳化剂OP-10 和SDS 的水溶液中, 高速分散机分散5~ 10min, 加入St、BA、MAA 的混合单体后转移至三口烧瓶中, 升温至50 预乳化30min。将1/ 6 的预乳化液和1/ 4 的过硫酸钾水溶液和碳酸氢钠水溶液加热升温至约75 , 待器壁回流基本结束后开始滴加剩余的乳液和引发剂溶液。80 下聚合3h, 然后升温至90 约30min, 待温度降到40 左右, 用200 目铜网过滤。
1. 1. 4 乳液性能测试
钙离子稳定性、水稀释稳定性和机械稳定性测试方法见文献[ 3] ; 乳液固含量按GB/ T 1725-1979( 1989) 进行测定; 粘度按GB/ T 6753.4-1998 进行测定; 粒径分布用Mastersizer 2000 型号的激光粒度分布仪。结果见表1 所示。

1. 2 乳胶漆的制备
1. 2. 1 原料与配方
在大量的实验基础上, 得到了优化后的纳米SiO2/ 苯丙乳液复合乳胶漆的配方, 见表2 所示。

1. 2. 2 制备工艺
色浆的制备: 将颜填料、分散剂、去离子水依次加入到胶体磨中, 研磨至细度约为50um 后, 过200目筛, 即得漆浆。
制漆: 用pH 调节剂将浆料调至pH 值为8~ 9,搅拌下依次加入纳米SiO2/ 苯丙复合乳液和上述配方中的各种助剂, 混合均匀后过滤, 即得乳胶漆。
1. 3 涂料性能测试
试验底板为石棉水泥板, 试板表面处理按GB9271 中的7.3 条进行。干燥时间涂布一道, 湿膜厚度为100um。耐水性、耐碱性、耐老化和耐洗刷均涂两道, 第一道为120um, 第二道为80um。附着力
测试用马口铁板, 漆膜厚度为30um。按照乳胶漆国家标准测试所得涂料的技术性能, 结果见表3。

2 结果与讨论
2. 1 纳米SiO2 用量对乳液固含量的影响
固含量随纳米SiO2 用量的增加而下降, 其原因可能是因为引发剂所产生的自由基与SiO2 表面的过多电荷反应, 降低引发剂的效率, 导致单体转化率降低, 从而引起乳液固含量的下降。
2. 2 纳米SiO2 对漆膜耐洗刷性的影响
纳米SiO2 颗粒尺寸小, 表面原子数多, 表面严重配位不足, 易与树脂中的氧起链合作用, 提高分子间的键力; 另纳米SiO2 分子是三维链状结构, 表面存在不同键合状态的羟基 , 可能会与乳胶漆中的羟基反应, 交联成大分子, 大大改善涂料的耐洗刷性。
2. 3 纳米SiO2 对漆膜附着力的影响
在涂料成膜过程中, 涂料本身体积收缩, 涂料和基材的膨胀系数不同, 涂膜和基材间不可避免地产生收缩应力和热应力。虽然这种应力会随着界面间的分子运动( 即松弛过程) 而消失, 但残存的内应力,对附着力有破坏作用。纳米材料具有的小尺寸效应使其在涂层界面形成致密的涂膜, 纳米SiO2 的加入, 不仅具有外加添加剂的增效作用, 而且由于纳米SiO2 的微观结构, 还能降低这种残存应力, 提高附着力, 但当其用量超过6% ( 涂料总固含量) 时, 其附着力反而下降。