納米二氧化硅對水性涂料的黏度與漆膜性能影響研究

林福星 馬 婷 陳晨曄 於奕辰 龔唐毅 張建漢

(三明學(xué)院 資源與化工學(xué)院，福建 三明 365004)

0 前 言

隨著科技的發(fā)展和生活水平的提高，人們越來越注重家居環(huán)境的環(huán)保問題。墻體在家中是主要接觸面，而涂料是最環(huán)保實(shí)用的墻面裝修方式。用戶不僅僅滿足于采光、裝飾、平滑、保護(hù)墻體等基本功能，對一些特殊作用和環(huán)保等級的要求也在與日俱增[1]。

傳統(tǒng)的油性涂料又稱油漆，以干性油為主要成膜物質(zhì)，會在制造、施工和固化等過程中釋放甲醛及其他揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)，進(jìn)而威脅人體健康[2]。以水性乳液成膜的水性涂料的甲醛、VOC含量比油漆低一半以上，環(huán)保性能更優(yōu)異。因此，水性涂料的發(fā)展異軍突起，獲得消費(fèi)者的廣泛認(rèn)可。

水性涂料的性能與黏度息息相關(guān)，合適的增稠劑對水性涂料的穩(wěn)定性起著重要作用。納米二氧化硅是應(yīng)用較廣的一種無機(jī)非金屬材料[3]。納米二氧化硅呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu), 比表面積大且表面羥基含量高，成膜后會減少入射光的鏡面散射，增加漫反射，使漆膜啞光[4]。將納米二氧化硅顆粒作為顏填料，可以降低水性涂料的顏料分離能力，迅速恢復(fù)涂層黏度，實(shí)現(xiàn)防沉降功能，達(dá)到增稠效果，提高產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性，延長產(chǎn)品儲存周期。另外，添加納米二氧化硅還能使涂料具備抗污、自清潔等優(yōu)點(diǎn)。

本次研究添加納米二氧化硅作為增稠劑，來有效地控制水性涂料的黏度。同時，對水性涂料的斯托默黏度、旋轉(zhuǎn)黏度、對比率、光澤度和水接觸角等指標(biāo)進(jìn)行測定，分析納米二氧化硅對水性涂料流變性質(zhì)、光澤度與遮蓋力的影響。

1 材料與方法

1.1 材料

乳液來源于巴斯夫股份公司，羥乙基纖維素來源于上海阿拉丁生化科技股份有限公司，鈦白粉購于南京鈦白化工有限責(zé)任公司，重鈣粉來源于河南東方鈣業(yè)有限公司，助劑來源于畢克助劑(上海)有限公司，白炭黑由福建省沙縣金沙白炭黑制造有限公司提供，氨水購于國藥集團(tuán)上海有限公司。

1.2 方法

1.2.1 材料配備

首先，將0.3 g羥乙基纖維素溶于40 mL水中，加入0.01 mL氨水調(diào)節(jié)溶液pH值，使用頂置式高速攪拌機(jī)攪拌5 min。然后，在上述溶液中加入24.0 g鈦白粉，將攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速保持在1 500 r/min以內(nèi)，攪拌15 min后加入9.6 g乳液，并添加4.0 g其他助劑，以900 r/min的轉(zhuǎn)速繼續(xù)攪拌10 min。制備完成后，將樣品轉(zhuǎn)移到塑料桶中備用。

根據(jù)不同的樣品需求，分別加入0、0.1、0.2、0.3、0.4 g的納米二氧化硅，以900 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌5 min，樣品編號分別為1、2、3、4、5。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)器材

實(shí)驗(yàn)器材主要包括：數(shù)字旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)(NDJ-9S，上海方瑞儀器有限公司)，電子天平(BS224S，深圳市泰立儀器儀表有限公司)，斯托默黏度計(jì)(STM-2T，上海方瑞儀器有限公司)，色差儀(XD-1054，上海現(xiàn)代環(huán)境工程技術(shù)股份有限公司)，接觸角測量儀(OCA25，北京奧德利諾儀器有限公司)，反射率測定儀(C84-Ⅲ，上海亮研智能科技有限公司)，涂料耐洗刷測定儀(BGD-528，標(biāo)格達(dá)精密儀器(廣州)有限公司)，刮板細(xì)度計(jì)(BGD-242，標(biāo)格達(dá)精密儀器(廣州)有限公司)。

樣品的pH值由pH計(jì)(雷磁PHS-3C)直接測量，斯托默黏度由斯托默黏度計(jì)測定，旋轉(zhuǎn)黏度由數(shù)字旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)檢測。利用濕膜制備器將樣品在白紙上制膜，待漆膜干燥后使用色差儀測定漆膜的光澤度、對比率、水接觸角等。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

2.1 樣品制備

通過觀察、聞嗅以及測定等方式對比不同樣品之間的物理性狀差異(見表1)。由表1可知，納米二氧化硅的投加量對涂料樣品的物理性狀影響不大，各個樣品的宏觀性狀、細(xì)度和密度基本保持一致。隨著納米二氧化硅投加量的增加，涂料樣品的pH值略微降低。

表1 不同樣品的外觀性能對比

2.2 樣品性能對比

目前，為了迎合消費(fèi)者對抗菌、耐沾污等功能的需求，水性涂料大多添加了功能助劑，導(dǎo)致其黏度降低且不易調(diào)控，質(zhì)量穩(wěn)定性下降。此外，成膜之后的性能差異更加顯著。本次研究分析了不同水性涂料樣品的黏度，漆膜的對比率、光澤度以及水接觸角。

2.2.1 水性涂料的黏度

水性涂料的黏度制約著產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性,同時對水性涂料的施工方法、施工條件、最終效果等起著決定性作用[5]。因此，本次研究選取旋轉(zhuǎn)黏度和斯托默黏度等2個指標(biāo)，以便更直觀地反映不同樣品之間的黏度差別(見圖1)。

由圖1可知，隨著納米二氧化硅加入量的增加，水性涂料的黏度逐漸增加，其中，斯托默黏度從93.5 KU增加到117.2 KU，旋轉(zhuǎn)黏度從1 288.9 cp增加到2 652.1 cp。這說明納米二氧化硅的加入可以影響水性涂料的流變性能，從而達(dá)到增稠的效果。

圖1 水性涂料的斯托默黏度與旋轉(zhuǎn)黏度

2.2.2 漆膜的對比率、光澤度

對比率是體現(xiàn)水性涂料遮蓋力的指標(biāo)，反應(yīng)了漆膜最基本的遮蓋、裝飾功能。光澤度與漆膜表面發(fā)生的光學(xué)反射有關(guān)，包含鏡面反射和漫反射，主要由折射率和光滑度決定。加入納米二氧化硅后，對漆膜的對比率和光澤度(采用80°光澤度儀)進(jìn)行測定(見圖2)。

由圖2可知，隨著納米二氧化硅加入量的增加，漆膜的對比率略微降低，在加入量達(dá)到0.2 g之后，漆膜的對比率基本不再發(fā)生變化。而光澤度則呈現(xiàn)出一種相反的趨勢，是隨著納米二氧化硅加入量的增加而增加，在加入量達(dá)到0.2 g之后，漆膜光澤度的上升趨勢放緩。這可能是因?yàn)榧{米二氧化硅的多孔結(jié)構(gòu)提升了涂料表面的反射能力，使其光澤度的增加明顯。此外，由于納米二氧化硅的加入，納米二氧化鈦被排擠稀釋，導(dǎo)致對比率降低，在加入量達(dá)到0.2 g之后，對比率基本不再發(fā)生變化。

圖2 漆膜的對比率與光澤度

2.2.3 漆膜的水接觸角

水接觸角可以反應(yīng)漆膜表面的耐水性能。對于家用涂料來說，耐水性是一個重要指標(biāo)。對加入納米二氧化硅后漆膜的水接觸角進(jìn)行測定(見圖3)。不添加納米二氧化硅的漆膜水接觸角只有69.7°。當(dāng)加入0.1 g的納米二氧化硅后，漆膜水接觸角提高到71.8°，說明漆膜的疏水性能已有了一定的變化。當(dāng)納米二氧化硅加入量增加至0.4 g時，漆膜水接觸角提高到81.55°。隨著納米二氧化硅加入量的增加，漆膜水接觸角逐漸增大，即漆膜的疏水性逐漸增強(qiáng)，進(jìn)而提高了涂料的耐用性，提升了涂層的抗污、自清潔能力。

圖3 漆膜的水接觸角

3 結(jié) 語

為了滿足消費(fèi)者對水性涂料的抗菌、負(fù)離子等多種功能的需求，本次研究將納米二氧化硅作為水性涂料增稠劑。隨著納米二氧化硅加入量的增加，水性涂料的黏度逐漸增加，但基本不影響水性涂料的宏觀性狀、細(xì)度、密度和pH值等；漆膜的對比率略微降低，但光澤度和耐水性明顯提高。因此，添加納米二氧化硅不僅不會破壞水性涂料的原有體系，而且能夠達(dá)到較好的增稠效果。