微納米薄層石墨基水性防氡涂料的制備及其性能研究

曲瑞雪，李靚潔，鄧躍全

（1.四川金和新型建材有限公司，四川綿陽 621000；2.重慶市綦江區(qū)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)委員會，重慶 401420；3.西南科技大學(xué)，四川綿陽 621000）

0 引言

氡子體的衰變周期短，在空氣中形成放射性氣溶膠，易被呼吸系統(tǒng)截留，并在肺部不斷累積引起肺癌，嚴(yán)重影響人們的生命健康［1-2］，因此，近年來室內(nèi)氡污染問題越來越多地引起人們的重視，而防氡功能涂料作為一種良好的屏蔽材料，不失為一種解決室內(nèi)氡污染的好方法［2］。

石墨烯是由碳原子緊密堆積構(gòu)成的二維晶體，具有優(yōu)異的屏蔽作用，可以顯著提高涂層的致密性及屏蔽性［3-4］。本研究采用可膨脹石墨制備了一種分散性能優(yōu)良的微納米薄層石墨漿料，并將其成功應(yīng)用于水性防氡涂料中。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

可膨脹石墨，青島東凱石墨有限公司；偶聯(lián)劑（KH-550），阿拉丁試劑（上海）；消泡劑、成膜助劑、羥乙基纖維素、增稠劑、分散劑、多功能助劑、苯丙乳液，四川蓉豐化工有限公司；重質(zhì)碳酸鈣，四川利達(dá)粉體材料有限公司；絹云母、玻璃粉，靈壽縣瑞達(dá)礦業(yè)有限公司；鈦白粉，四川龍蟒鈦業(yè)股份有限公司；高嶺土，山西恒源高嶺土有限公司。

1.2 微納米薄層石墨漿料的制備

（1） 稱取一定量的可膨脹石墨，放于馬弗爐中，設(shè)定溫度為500 ℃，煅燒至無煙氣冒出，降溫，取出膨脹石墨粉。

（2） 打開高速分散機(jī)，調(diào)整轉(zhuǎn)速為300 r/min，依次將稱量好的水、羥乙基纖維素、偶聯(lián)劑、分散劑、成膜助劑、膨脹石墨粉加入分散杯中，調(diào)整轉(zhuǎn)速至3 000 r/min，高速分散40 min，然后調(diào)整轉(zhuǎn)速至1 500 r/min，加入增稠劑，攪拌分散10 min后倒入磨漿機(jī)中，研磨4.5 h，制得微納米薄層石墨漿料。微納米薄層石墨漿料的配方見表1。

表1 微納米薄層石墨漿料的配方Table 1 Formula of micro nano thin layer graphite slurry

1.3 水性防氡涂料的制備

1.3.1 參考配方

水性防氡涂料的參考配方見表2。本研究考慮到微納米薄層石墨漿料的含水量超過85%，因此當(dāng)微納米薄層石墨漿料的添加量改變時，需通過調(diào)節(jié)水的添加量，來調(diào)整防氡涂料體系的固含量。

1.3.2 生產(chǎn)工藝

打開高速分散機(jī)，調(diào)整轉(zhuǎn)速至300 r/min，按配方依次將稱量好的水、各種填料、微納米薄層石墨漿料、羥乙基纖維素、分散劑、多功能助劑加入分散杯中，調(diào)整轉(zhuǎn)速至3 000 r/min，高速分散40 min，然后調(diào)整轉(zhuǎn)速至800 r/min，加入乳液、成膜助劑、增稠劑，攪拌分散30 min，制得微納米薄層石墨基防氡涂料。

表2 水性防氡涂料的參考配方＊Table 2 Reference formula of waterborne anti-radon coatings

1.4 性能測試

1.4.1 基本性能測試

參照GB/T 9756—2009《合成樹脂乳液內(nèi)墻涂料》［5］標(biāo)準(zhǔn)測試涂料的基本性能。

1.4.2 防氡性能測試

（1） 采用RAD-7型α能譜氡氣檢測儀對氡源本底值及涂料的防氡性能進(jìn)行測試。

（2） 在氡源上罩上玻璃罩，四周用密封膠密封干燥后，測試其本底值，4 h后達(dá)到平衡，平均值為1 253 Bq/m3。

（3） 在尺寸為15 cm×15 cm的濾紙上刮涂一層耐水膩子，待其完全干燥后，涂刷1道水性抗堿底漆，3道防氡涂料，自然干燥2 d后，將其置于氡源表面，然后罩上玻璃罩，密封干燥后，用止水夾將上下橡膠軟管夾緊4 h后，測定其防氡性能，每1 h為1個周期，共8個周期。

2 結(jié)果與討論

2.1 微納米薄層石墨漿料的添加量對涂料防氡性能的影響

微納米薄層石墨漿料的添加量對涂料防氡性能的影響見表3和圖1。如表3和圖1所示，隨著微納米薄層石墨漿料添加量的增加，涂料的防氡性能呈現(xiàn)先快速上升，然后趨于穩(wěn)定的趨勢，其原因是絹云母、玻璃粉等片狀材料在乳液中形成連續(xù)的片狀堆積結(jié)構(gòu)，但在這些片狀堆積結(jié)構(gòu)中仍然存在著一些空隙，隨著微納米薄層石墨漿料含量的上升，厚度更?。▓D2）的微納米石墨鱗片有效填充了這些片層結(jié)構(gòu)之間的空隙，形成了更加致密的片狀堆積結(jié)構(gòu)（圖3），因此涂料的防氡性能快速上升，當(dāng)石墨漿料的含量達(dá)到一定程度后，對致密性的影響逐漸減弱，涂料的防氡性能趨于穩(wěn)定，考慮到實際應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性，微納米薄層石墨漿料的添加量以3%為宜。

表3 微納米薄層石墨漿料添加量對涂料防氡性能的影響Table 3 The effect of adding amount of micro nano thin layer graphite slurry on anti-radon performance of coatings

圖1 微納米薄層石墨漿料添加量對涂料防氡性能的影響Figure 1 The effect of adding amount of micro nano thin layer graphite slurry on anti-radon performance of coatings

圖2 微納米薄層石墨材料的SEM照片F(xiàn)igure 2 SEM photo of micro nano thin layer graphite

圖3 微納米薄層石墨漿料添加量3%時涂膜的SEM照片F(xiàn)igure 3 SEM photo of coating film with 3% addition of micro nano thin layer graphite slurry

2.2 顏色對涂料防氡性能的影響

當(dāng)微納米薄層石墨漿料的添加量為3%時，研究了未調(diào)色、黃色、藍(lán)色、紅色、綠色、黑色等顏色對涂料防氡性能的影響，結(jié)果見表4。如表4所示，在不同顏色下，微納米薄層石墨基防氡涂料的防氡效率幾乎不變，標(biāo)準(zhǔn)偏差僅為0.184%，說明顏色對涂料的防氡效率無影響，實際應(yīng)用過程中可根據(jù)用戶需求進(jìn)行調(diào)色。

表4 顏色對涂料防氡性能的影響Table 4 Influence of color on anti-radon performance of coatings

2.3 防氡性能穩(wěn)定性的研究

本研究采用UV（紫外線）老化試驗箱研究了微納米薄層石墨基防氡涂料的防氡性能穩(wěn)定性，控制溫度為45 ℃，濕度為75%，UV燈管功率為600 W，結(jié)果如表5、圖4所示。

表5 涂料的防氡性能穩(wěn)定性Table 5 Anti-radon performance stability of coatings

圖4 涂料的防氡性能穩(wěn)定性Figure 4 Anti-radon performance stability of coatings

從表5、圖4中可以看出，當(dāng)紫外光照射時間≤400 h時，涂料防氡效率的標(biāo)準(zhǔn)偏差僅為0.168%，防氡性能穩(wěn)定，其原因是：微納米薄層石墨基防氡涂料中所含的絹云母、玻璃粉、微納米石墨鱗片防氡基元材料與二氧化鈦、高嶺土等顏填料在乳液中形成了一個致密的鱗片狀堆積結(jié)構(gòu)（圖3），其中所含的防氡基元材料及金紅石型二氧化鈦對紫外光具有良好的屏蔽及散射作用，有效延緩了漆膜的老化過程，保證了其防氡性能的長效穩(wěn)定性。本研究選用的乳液是一款內(nèi)墻涂料用苯丙乳液，其耐紫外線老化性能一般，當(dāng)紫外光照射時間達(dá)到500 h時，涂料的防氡效率出現(xiàn)了明顯下降（圖4），表明此時漆膜已經(jīng)出現(xiàn)老化，致密性降低（圖5），但同時參照GB/T 9755—2014《合成樹脂乳液外墻涂料》［6］檢測發(fā)現(xiàn)，紫外老化試驗全程中漆膜未出現(xiàn)起泡、剝落及裂紋現(xiàn)象。由此，理論上該款防氡涂料室內(nèi)正常使用時間超過10 a，具有推廣應(yīng)用價值。

圖5 紫外光照射500 h后漆膜的SEM照片F(xiàn)igure 5 SEM photo of film after UV irradiation for 500 h

3 結(jié)語

選用苯丙乳液作為成膜基料，絹云母、玻璃粉及微納米薄層石墨鱗片為防氡基元材料，配以合適的顏填料及助劑，制備了一種水性防氡涂料，研究發(fā)現(xiàn)，微納米薄層石墨漿料添加量以3%為宜，此時涂料的防氡效率達(dá)到92.7%；涂料調(diào)色對其防氡效率無影響；其防氡效率長效穩(wěn)定，耐紫外光老化時間超過400 h，理論上該防氡涂料室內(nèi)正常使用時間可達(dá)10 a以上，具有推廣應(yīng)用價值。