成膜劑硅溶膠的黏度對涂層性能的影響

李炎　劉玉嶺　李洪波　卜小峰　唐繼英　樊世燕

摘要：涂層黏度實驗證實，硅溶膠黏度越大，所制備涂層的附著力越大，耐腐蝕性能越強。通過對硅溶膠的物理化學(xué)性能研究可知，硅溶膠體積分數(shù)的增加會導(dǎo)致體系pH值的上升，當體積分數(shù)為10%時，pH值達到最大值9.91。當pH值為9.7時，硅溶膠的黏度最大且Zeta電位絕對值最大。根據(jù)硅溶膠體積分數(shù)和體系pH值的線性關(guān)系，得出硅溶膠最佳體積分數(shù)為9.074%。

關(guān)鍵詞：硅溶膠；黏度；表面粗糙度

中圖分類號：O648.16 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2014）07-0057-04

涂料的流動性能是涂料在涂裝過程中得到連續(xù)涂膜的保證。黏度是度量流體流動性能的基本物理參數(shù)，是剪切應(yīng)力與應(yīng)變速率的比值，對于牛頓流體（比如水），此比值為恒定值，即不隨剪切應(yīng)力的變化而變化。對于非牛頓流體，黏度將隨剪切應(yīng)力的變化而變化，因此也稱為表觀黏度[1，2]。涂料是高分子溶液與固體粉末填料組成的懸浮液，其基本流變性能遵循高分子液體的流變特性，是非牛頓流體。在流體動力學(xué)中，黏度是一個很重要的參數(shù)，涂料作為一種流動的液體對其黏度的研究十分必要。根據(jù)涂料的性能要求，本文以硅溶膠乳液作為成膜劑來配制涂料[3，4]，針對涂層耐腐蝕性能隨硅溶膠黏度的變化論述了黏度對涂料性能的影響。

1 實驗部分

實驗儀器及材料：電子千分表；NDJ-5S 黏度計；Zeta電位測試儀；7.62 cm銅片；堿性硅溶膠（粒徑為110～130 nm ）。

實驗方法：將不同黏度的硅溶膠配置成防腐涂料涂覆在銅片表面進行耐腐蝕實驗，記錄耐腐蝕時間及腐蝕后銅片表面粗糙度。測定不同體積分數(shù)硅溶膠黏度和pH值以及Zeta電位，得出適合用作涂料成膜劑硅溶膠的最佳物化條件。

2 結(jié)果及討論

2.1 硅溶膠體積分數(shù)對pH值和黏度的影響

涂料的黏度受到成膜劑乳液中硅溶膠體積分數(shù)的影響。相同的實驗環(huán)境中，向去離子水中加入一定量的硅溶膠，配制不同體積分數(shù)的硅溶膠溶液，測量每種溶液的pH值和黏度，結(jié)果如圖1所示?？梢钥闯?，隨著SiO2溶膠體積分數(shù)的增加，硅溶膠pH值上升，達到最大值9.91后趨于穩(wěn)定。硅溶膠黏度隨其體積分數(shù)的增加而呈上升趨勢，這是因為，隨著硅溶膠顆粒數(shù)目的增加膠體顆粒間距離減小，顆粒之間的相互作用力增大使膠體的黏度增大，同時也增大了SiO2顆粒與銅片的接觸概率，使涂料更加穩(wěn)定[5～7]。

2.2 硅溶膠pH值對黏度和Zeta電位的影響

對不同pH值硅溶膠的黏度和Zeta電位進行了測定，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，硅溶膠黏度先隨pH值增大而緩慢增加，在pH值為9.7時瞬間增加到最大值6.6 mPa·s，然后又急劇下降，最后又呈現(xiàn)緩慢增長的趨勢。這說明在pH值為9.7時，硅溶膠性質(zhì)發(fā)生了變化，pH值對膠體內(nèi)粒子所帶電荷產(chǎn)生了影響，使粒子間的距離達到最低值，導(dǎo)致體系的黏度大幅度上升。體系的Zeta電位也在pH值為9.7時達到最小值，此時Zeta電位的絕對值最大，說明此時體系穩(wěn)定性最好[8，9]。文獻中關(guān)于pH值對二氧化硅溶膠穩(wěn)定性的影響曲線[10]如圖3所示，可以看出，當無電解質(zhì)存在時，二氧化硅溶膠pH值的穩(wěn)定區(qū)間為7.5～10.8，當存在電解質(zhì)時二氧化硅溶膠pH值的穩(wěn)定區(qū)間減小到8.5～10.8。當pH值在2附近時出現(xiàn)亞穩(wěn)定態(tài)，當pH值大于10.8時，二氧化硅溶膠出現(xiàn)溶解平衡，主要是以硅酸負離子形式存在，當pH值大于13時，二氧化硅溶膠主要以硅酸根存在。這與實驗結(jié)果一致，證實了上述結(jié)論的正確性。

2.3 硅溶膠黏度對銅片表面粗糙度（涂料剝離后）的影響

不同黏度的硅溶膠所配制的涂料性能也有很大差異。按GB 1727—1992在銅片上制備涂料樣板，在90 ℃烘干2 h，靜置1 h。待漆膜實干后，用鏟刀剝離涂層，為精確地說明底材的表面狀態(tài)，對其表面粗糙度進行了檢測，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，剝離涂層后底材的粗糙度與黏度基本成正比關(guān)系，表明涂料所含硅溶膠的黏度越大，剝離涂層后底材表面越粗糙，涂料的附著力越強。選用表面初始狀態(tài)不同的銅片，按表面粗糙度由低到高分別命名為1#，2#和3#樣品，配制相同黏度的防腐涂料并涂覆于上述銅片表面，按相同方法處理后，銅片表面狀態(tài)的變化情況見圖5。

由圖5可知，銅片初始表面越粗糙，剝離涂層后底材的粗糙度就越大，即粗糙表面對防腐涂層的吸附力越強。這是因為，粗糙銅片表面存在很多高低不一的尖峰，涂覆過程中，防腐涂料會滲入到尖峰之間，將尖峰包圍起來，導(dǎo)致涂料與銅片的實際接觸面積變大，形成涂層后2者之間的吸附力相應(yīng)較大。綜上所述，當硅溶膠黏度越大，所形成的涂層越牢固，在鏟除之后表面越粗糙，若繼續(xù)涂覆防腐涂料，涂料的附著力就會更強。在防腐涂料的涂覆過程中，重復(fù)上述過程數(shù)次，可使涂料的附著力最大化。

2.4 硅溶膠黏度對涂層防腐性能的影響

參考其他防腐涂料配方，以硅溶膠為成膜劑，保證施工條件相近的前提下，采用不同黏度配方，由涂層從被處理到脫落所持續(xù)時間來表征涂層的耐腐蝕性能，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，在體積分數(shù)5%的酸、堿或者鹽水中，涂層耐腐蝕時間均與硅溶膠黏度成正比關(guān)系。對于涂料來說，在酸堿鹽溶液中的耐腐蝕時間越長就表示涂料的防腐性能越好，因此在保證涂料固含量和不出現(xiàn)結(jié)塊的前提下，提高硅溶膠的黏度，能獲得更出色的防腐效果。。

2.5 硅溶膠濃度的優(yōu)化

由2.3和2.4可知，成膜劑硅溶膠的黏度越大，所制備涂層的附著力和耐腐蝕性能越好。由2.1可知，當硅溶膠體積分數(shù)為10%時，體系pH值達到最大值9.91。由2.2可知，當硅溶膠pH值為9.7時，體系黏度會出現(xiàn)一個最大值6.6 mPa·s，而后繼續(xù)小幅度增長。根據(jù)上述規(guī)律，繼續(xù)增加硅溶膠體積分數(shù)也能使體系黏度達到6.6 mPa·s甚至更高，但會造成大量原料的浪費。因此將使體系pH值達到9.7時的硅溶膠體積分數(shù)定為最佳值。將硅溶膠體積分數(shù)與pH值進行線性擬合分析，擬合直線如圖7所示，得到2者的線性方程為Y=0.072X+9.04667，將Y=9.7帶入式中可得X=9.074，即當硅溶膠體積分數(shù)為9.074%時，體系pH值為9.7。

3 結(jié)論

1）硅溶膠黏度越大，所制備涂層的附著力越大，耐腐蝕性能越強。

2）硅溶膠體積分數(shù)的增加會導(dǎo)致體系pH值的上升，當體積分數(shù)為10%時，pH值達到最大值9.91。當pH值為9.7時，硅溶膠的黏度最大且Zeta電位絕對值最大。根據(jù)硅溶膠濃度和體系pH值的線性關(guān)系，得出最佳硅溶膠體積分數(shù)為9.074%。

參考文獻

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