改性多孔硅藻土涂料的制備及其性能研究

徐鑫強，張雪梅，陳凱琴，馮 玲，韓 宇，汪 婷，汪徐春

(安徽科技學院化學與材料工程學院，鳳陽 233100)

0 引 言

硅藻土涂料作為當今市場非常普遍的功能涂料，其吸附甲醛的性能得到人們重視[1]，但市場上的硅藻泥產(chǎn)品良莠不齊，許多硅藻泥涂料的吸附能力被夸大其詞[2]，與此同時涂料的耐洗刷性能也需要進一步提高。

本試驗鑒于多孔硅藻土的大比表面積和優(yōu)良吸附性能、微(納)米級白炭黑的高強耐酸堿性[3]以及納米TiO2良好的光催化降解能力[4]，在前期研究的基礎之上[3,5-6]，采用改性后的多孔硅藻土、微(納)米級白炭黑和納米TiO2對傳統(tǒng)硅藻泥涂料進行改性和優(yōu)化，提高涂料中微納單元的比表面積和吸附性能，以期提高涂料吸附甲醛的能力。

1 實 驗

1.1 儀器設備

EVO-18掃描電子顯微鏡：英國-卡爾蔡司；MEF500甲醛檢測儀：上海智覓智能科技有限公司；QFS-耐洗刷測定儀：欣靈電器股份有限公司；QHQ-A涂層硬度測試儀：快捷量具儀器有限公司；JJ-1電動攪拌機：江蘇省金壇市金城國勝試驗儀器廠；水泥板；瑪瑙研缽等。

1.2 原 料

硅藻土：工業(yè)級，廣州益康新材料科技有限公司；納米TiO2：化學純，廣州市純一化工有限公司；白炭黑：工業(yè)級，蚌埠市萬科硅材料有限公司；六偏磷酸鈉、羥乙基纖維素、乙二醇、丙二醇：化學純，國藥集團化學試劑有限公司；消泡劑：天津光復精細化工研究所；碳酸鈣：天津北方天醫(yī)化學試劑廠；硅微粉：鳳陽杜氏礦業(yè)公司；滑石粉：上海山浦化工公司；苯丙乳液：工業(yè)級，安徽好思家涂料有限責任公司；消泡劑：分析純，青島興國涂料有限公司；氫氧化鈣：分析純，國藥集團化學試劑有限公司；肥皂水等。

1.3 涂料配制步驟

1.3.1 助劑的分散

稱取固體羥乙基纖維素于研砵中，加少量水研磨至出現(xiàn)半透明膠狀物，加入45 mL蒸餾水至燒杯中，加入研磨過的羥乙基纖維素，開動攪拌器高速攪拌至膠狀物完全溶解，降低轉速，加入一定量肥皂水、丙二醇、乙二醇、濃度為10%的六偏磷酸鈉溶液，再攪拌30 min。

1.3.2 普通苯丙乳液涂料制備

稱取一定量的鈦白粉、硅微粉、碳酸鈣、滑石粉、白炭黑、石英砂尾礦等混合后緩慢加入到燒杯中高速攪拌2 h[6-7]，加入質(zhì)量分數(shù)為30%～50%的苯丙乳液[5-6，8]，高速攪拌2 h，如有氣泡可加入適量消泡劑，再加入2 mL成膜助劑，攪拌至均勻，即可得普通苯丙乳液涂料。

1.3.3 多孔硅藻土涂料制備

按照1.3.2配制普通苯丙乳液涂料方法，稱取一定量未改性和改性硅藻土替代上述填料，分別配制未改性和改性硅藻土涂料(其中硅藻土的成份分別占填料質(zhì)量比為25%、30%、35%)。

1.4 產(chǎn)品基本性能檢測

將改性前的硅藻土涂料和改性后的硅藻土涂料按照國家標準GB/T 1733—1993、GB/T 9265—2009、GB/T 9266—2008、GB/T 6739—2006進行耐水性、耐堿性、耐洗刷性、硬度等綜合性能檢測。

1.5 吸附甲醛性能檢測

配制四組濃度分別為1.0 mg/m3、1.3 mg/m3、1.6 mg/m3、1.9 mg/m3的甲醛溶液放置于四個密閉反應倉，將普通苯丙乳液涂料板和硅藻土涂料板分別置于各不同濃度甲醛的反應倉中，每24 h檢測一次倉內(nèi)甲醛濃度進行對比。

2 結果與討論

2.1 改性硅藻土的制備

將硅藻土置于馬弗爐中在450 ℃下煅燒2 h，配制濃度為37%的硫酸溶液，將煅燒后的硅藻土置于硫酸中超聲清洗30 min，最后在水浴中蒸干，粉碎后即得改性硅藻土[9-10]。

圖1 硅藻土改性前骨架結構電鏡照片
Fig.1 SEM image of skeleton structure of diatomite with no modification

圖2 硅藻土改性后骨架結構電鏡照片
Fig.2 SEM image of skeleton structure of modified diatomite

從圖1和圖2的樣品的電鏡照片可以看出，改性后的硅藻土去除了較多的氧化物和有機雜質(zhì)，硅藻土孔隙率增多，比表面積增大，有利于提高甲醛吸附率，且改性后的硅藻土，表面形貌和內(nèi)部空間構造發(fā)生了細微變化,被堵塞孔洞重新顯露，多孔結構被全部疏通，直鏈藻構造完整,孔結構高度發(fā)育，改性后的硅藻土增強了無定形納米SiO2(即硅藻土)的完美多孔活性。

從圖3、圖4的能譜圖也可看出：通過酸洗后金屬氧化物的含量明顯減少，如鐵的含量由0.5%減少到0.35%，鋁和鎂由原來含量的2.57%和0.41%，在改性后硅藻土能譜中則沒有測出，表明酸洗后金屬氧化物明顯減少，不僅孔隙率增大，吸附性能增強，而且有利于增強其耐酸堿性和硬度等性能。

圖3 改性前硅藻土的能譜圖
Fig.3 Energy dispersive spectrometer of diatomite with no modification

圖4 改性后硅藻土能譜圖
Fig.4 Energy dispersive spectrometer of modified diatomite

2.2 改性前后硅藻土涂料的耐洗刷性、硬度等性能對比

考慮到現(xiàn)有硅藻泥涂料的耐洗刷、硬度等性能在使用和推廣中受到限制，本試驗將硅藻土和改性后的硅藻土添加一些助劑制得改性前后硅藻土涂料，以進一步研究改善硅藻土涂料的性能，檢測結果見表1、表2。

將加入硅藻土涂料和改性后的硅藻土涂料都按三種不同比例加入填料中制成硅藻土涂料板，將配方改性前后的涂料板各取其中六塊涂料板分別放入溫度恒定為(23±2) ℃的水浴中，兩種配方的涂料板均達到了放置96 h無異常；涂料的耐堿性指的是漆膜對堿性物質(zhì)侵蝕的抵抗能力，按照GB/T 9265—2009建筑涂料涂層耐堿性的測定，配制一定濃度的氫氧化鈣溶液，將涂料板浸泡在溶液中一段時間，觀察是否有起泡、剝落、裂痕和溶出等現(xiàn)象。兩種配方涂料板各另取六塊，放入裝有Ca(OH)2溶液的容器中，經(jīng)檢測當加入硅藻土含量達到30%，兩種配方的涂料板在72 h都出現(xiàn)了細微氣泡。再各另取六塊涂料板，依次放入QFS耐洗刷測定儀中進行檢測，結果顯示配方改性后的硅藻土涂料耐洗刷次數(shù)達到了4500次。改性前的涂料耐洗刷次數(shù)均在2600次左右，可見改性后的硅藻土涂板耐洗刷性能提高一倍多，而國標GB/T 9755—2014中規(guī)定優(yōu)等品耐洗刷性高于2000次，這可能是因為改性后的硅藻土在高溫煅燒及酸洗過程中使得硅藻土有機質(zhì)和氧化物明顯減少，另一方面從前面的掃描電鏡測試也可證實改性后的硅藻土其孔徑和內(nèi)應力分布趨于均勻，有利于提高其機械強度和耐洗刷性。

表1 加入未改性硅藻土后涂料不同性能的檢測結果Table 1 Testing results of different properties of coatings with no modification

表2 加入改性硅藻土后涂料不同性能的檢測結果Table 2 Testing results of different properties of modified coatings

再各另取六塊涂料板，采用鉛筆硬度計對涂膜硬度進行檢測，在一塊涂料板上反復拉動小車五次，檢測結果顯示配方改性之前的涂料能夠在3B鉛筆硬度計拉動下保證無劃痕，滿足國家標準GB/T 6739—2006中涂膜的硬度要求，而配方改良后的硅藻土涂料板硬度得到了進一步提升，達到了6B鉛筆硬度計拉動下保證無劃痕，這同樣是由于改性硅藻土孔徑和內(nèi)應力分布趨于均勻和改性后的硅藻土中有機質(zhì)減少了所致。經(jīng)過配方改良后，本產(chǎn)品的耐洗刷性和硬度得到了提高，其基本性能能夠滿足國標GB/T 9755—2014中優(yōu)等品的要求。

2.3 吸附甲醛性能檢測

制造四個1 m3密閉反應倉，配制四組濃度分別為1.0 mg/m3、1.3 mg/m3、1.6 mg/m3、1.9 mg/m3的甲醛溶液入玻璃倉底部，將四塊面積為1 m2的普通苯丙乳液涂料板及四塊改性硅藻土涂料板(其中硅藻土占填料30%)分別置于各反應倉中，每隔24 h檢測反應倉內(nèi)空氣中揮發(fā)的甲醛濃度[11-12]。

表3為加入普通苯丙乳液涂料板時各濃度甲醛在密閉空間內(nèi)濃度，從表3數(shù)據(jù)看出加入甲醛溶液入反應倉后甲醛逐漸擴散其濃度逐漸增大，表4為加入改性涂料土涂料板后各濃度的甲醛在密閉空間內(nèi)濃度，對比表3可以看出，放入改性硅藻土涂料板的第二天，所有涂料板吸收甲醛效率并不明顯，但在第三天各組濃度的甲醛吸收效率均有很大提升。根據(jù)表3、4數(shù)據(jù)，按照甲醛吸附效率計算公式計算加入改性硅藻土涂板對不同濃度的甲醛吸附效率不同情況得圖5。

表3 加入普通苯丙乳液涂料板時各濃度甲醛在密閉反應倉內(nèi)濃度

Table 3 Concentration of formaldehyde in sealed space when ordinary stgrene-acrylic emulsion is added

/(mg/m3)

表4 加入改性硅藻土涂料板后各濃度的甲醛在密閉反應倉內(nèi)濃度Table 4 Concentration of formaldehyde in sealed space when modified coating plate is added /(mg/m3)

甲醛吸附效率計算公式為：

η=(c1-c2)/c1×100%

(1)

式中：η為甲醛吸附效率；c1為加入普通苯丙乳液涂料板時倉內(nèi)甲醛濃度，mg/m3；c2為加入改性硅藻土涂料板后倉內(nèi)甲醛剩余濃度，mg/m3。

圖5為改性硅藻土涂料對不同濃度甲醛吸收效率曲線圖，從圖5可以看出前三天改性硅藻泥涂板對各組甲醛的吸附能力明顯加快，分別達到了47.9%、31.3%、27.3%和34.3%，而后兩天其吸收效率緩慢上升，第五天時各組吸收效率分別達到了50.9%、36.1%、33.3%、41.9%。分析原因可能是因為在改性硅藻土涂料板剛放入反應倉內(nèi)，涂料板吸附甲醛存在吸附擴散即硅藻土涂料逐漸吸附甲醛進入內(nèi)部孔隙的擴散動力學過程，第三天其吸附速度達到最大值。而在第三天之后，由于吸入硅藻土涂料板內(nèi)的甲醛逐漸填充硅藻土大部分的孔隙，導致后幾天其氣體擴散速度和吸附速度逐漸減小。

這也表明改性后的硅藻土涂料對不同濃度甲醛均有較好的吸附性能，結合改性硅藻土樣品電鏡照片和能譜圖可以看出：硅藻土骨骼具有規(guī)則有序的多孔構造，化學成分主要是非晶態(tài)SiO2，改性后的硅藻土去除了其中較多的K2O、Na2O、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO和有機質(zhì)等，增大了硅藻土的孔隙率和比表面積[13]；與此同時，少量的具有光催化作用的納米二氧化鈦的加入，以其吸附催化作用可以進一步吸收分解反應倉中的甲醛[1，14]。

圖5 改性硅藻土涂料對不同濃度甲醛吸收效率曲線圖
Fig.5 Graph of different concentration of absorption-formaldehyde of modified coating

圖6 硅藻土涂料的SEM照片
Fig.6 SEM image of diatom mud coatings

反應倉1中甲醛溶液濃度為1.0 mg/m3時，最大吸收率達到50.9%，后面三組雖然甲醛原始濃度增大，但是其最大吸收率分別為36.1%、33.3%、41.9%。分析原因是由于放入倉中的硅藻土涂料板配方相同，且表面積相等，硅藻土涂料的比表面積相近，吸附程度也基本相同，所以在高濃度甲醛反應倉中，當甲醛濃度較高，涂料板吸入稍高量甲醛后，所吸附甲醛比例占原始總濃度的比例降低，其吸附效率反而低于低濃度反應倉中的吸附效率。

此外從改性后的硅藻土涂料的電鏡照片(圖6)中也可看出此硅藻土涂料保留了硅藻土的微孔性能和大的比表面積，從而有效提高了該改性硅藻土涂料的吸附甲醛等的綜合性能。

3 結 論

(1)改性后的硅藻土純度更高，比表面積更大，制得的硅藻土涂料第二天吸附甲醛的能力十分顯著，每平米硅藻土涂板五天對1.0 mg/m3的甲醛溶液吸附效率達到50.9%。與此同時，本實驗中還添加了具有吸收分解空氣中甲醛的納米二氧化鈦等活性物質(zhì)。

(2)硬度、耐水性、耐堿性、耐洗刷性等測試結果表明：在填料中加入適當硅微粉和白炭黑可以有效提高涂料的機械強度和表面附著力，耐水性、耐堿性、耐洗刷性能也有所提高。