室內(nèi)鋁幕墻用有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化涂層的制備及其性能研究

李力鋒 （上海宜瓷龍新材料股份有限公司，上海 201108）

0 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，數(shù)量龐大的地鐵、高鐵、機(jī)場(chǎng)、大型公共建筑、商業(yè)樓宇不斷涌現(xiàn)。為了提高建筑物的美觀和裝飾效果，常常采用鋁幕墻板作為裝飾材料，鋁幕墻板具有質(zhì)量輕、安裝維護(hù)方便、使用壽命長(zhǎng)、整體造價(jià)相對(duì)較低等優(yōu)勢(shì)。

目前最常用的鋁幕墻裝飾板有氟碳幕墻板和烤瓷鋁板兩種。氟碳幕墻板的表面為氟碳樹脂涂層，由于其具有優(yōu)異的耐候性、耐腐蝕性和機(jī)械性能，且具有獨(dú)特的自清潔性能，成為市場(chǎng)上主流的裝飾幕墻板。但是氟碳幕墻板存在著如下缺陷：（1）涂層的硬度只有2H，稍微使用外力即可將涂層剝落，在墻面裝飾完成后，日常使用中經(jīng)常與人接觸的部位涂層易被刮破，且涂層磨損后表面粗糙，容易附著雜質(zhì)，難以清洗；（2）涂層防火等級(jí)較低，遇高溫或明火時(shí)極易燃燒、炭化、釋放出煙霧和毒氣，難以應(yīng)用于防火等級(jí)要求較高的場(chǎng)所，也不太適用于室內(nèi)密閉公共場(chǎng)所的大規(guī)模裝飾；（3）氟碳涂料屬于溶劑型涂料，VOC（揮發(fā)性有機(jī)化合物）排放量大，不利于環(huán)保，且噴涂廢氣的處理成本較高?？敬射X板是將無(wú)機(jī)水性陶瓷涂料噴涂在鋁幕墻板上，經(jīng)烘烤固化后形成的幕墻裝飾板，具有耐高溫、不燃、無(wú)煙、硬度高、易清潔、安全環(huán)保、節(jié)能等特點(diǎn)，近年來(lái)在地鐵站、隧道、高鐵站、機(jī)場(chǎng)、醫(yī)院、學(xué)校等公共場(chǎng)所的使用越來(lái)越廣泛。但是烤瓷鋁板也存在著一些亟待解決的問(wèn)題：（1）陶瓷涂料施工前需熟化6～8 h，熟化后涂料的保質(zhì)期只有2～3 d，使用極不方便；（2）鋁幕墻板的施工需經(jīng)過(guò)噴砂等前處理工藝，工藝復(fù)雜且會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，不利于人體健康且污染環(huán)境；（3）易出現(xiàn)色差，光澤低，裝飾效果略顯不足。

針對(duì)以上兩種常用鋁幕墻板存在的問(wèn)題，擬開發(fā)一款施工和裝飾效果接近于氟碳漆，而環(huán)保性、硬度、防火性能更接近于陶瓷涂料的水性有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化涂料。本研究以水性丙烯酸氨基烤漆配方為基礎(chǔ)，以硅溶膠為改性劑，制得有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化涂料，研究了不同種類硅溶膠對(duì)涂層基本性能的影響，篩選出合適的硅溶膠并優(yōu)化了硅溶膠的用量。通過(guò)加入附著力促進(jìn)劑，改善了涂層與基材之間的附著力，經(jīng)測(cè)試，最終得到的有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化涂層的綜合性能可以滿足室內(nèi)裝飾幕墻的使用要求。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

硅溶膠、丙烯酸乳液、聚酯乳液、氨基固化劑、顏料、助劑等。

1.2 主要儀器

SFJ-400攪拌研磨分散多用機(jī)、AM413ZT數(shù)碼顯微鏡、NHG60精密光澤度儀、Fischer DualScope測(cè)厚儀。

1.3 有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化涂料的制備

（1）色漿的制備：將顏料、去離子水、分散劑、消泡劑按一定比例混合后，在研磨機(jī)上研磨至細(xì)度＜ 20 μm，用200目（75 μm）濾布過(guò)濾后出料，備用。

（2）有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化涂料的制備：涂料的基礎(chǔ)配方如表1所示，按比例將各原料混合均勻即可。

表1 有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化涂料的基礎(chǔ)配方Table 1 The basics formula of organic-inorganic hybrid coatings

1.4 測(cè)試樣板的制備

以鋁單板為基材，采用與氟碳幕墻板相同的施工方法制作試驗(yàn)樣板，施工流程如下：

基材前處理（包括脫脂、酸洗、鉻化等）→ 噴涂涂料→ 烘烤固化[（80 ℃，5 min）、（180 ℃，20 min）］→自然冷卻后待用。

1.5 性能測(cè)試與表征

附著力：百格法，按GB/T 9286—1998的規(guī)定進(jìn)行測(cè)試，用AM413ZT數(shù)碼顯微鏡放大200倍后觀察；

硬度：鉛筆硬度，按GB/T 6739—1996 A法進(jìn)行測(cè)試；

60°光澤度：按GB/T 9754—2007的規(guī)定進(jìn)行測(cè)試；

耐水煮：將樣板置于沸騰的水中，每隔15 min取出吹干，觀察涂層是否有鼓泡、脫落等異?，F(xiàn)象；

耐沖擊性：按GB/T 1732—2020的規(guī)定進(jìn)行測(cè)試；

耐溶劑性：將四層醫(yī)用紗布吸飽溶劑（丁酮）后，以1 000 g的力和100次/min頻率在涂層表面同一區(qū)域來(lái)回擦洗100次，擦洗行程為100 mm，目測(cè)擦洗處是否有顯露內(nèi)層的現(xiàn)象；

耐砂漿性：按GB/T 23443—2009的規(guī)定進(jìn)行測(cè)試；耐酸性：按GB/T 23443—2009的規(guī)定進(jìn)行測(cè)試；防火性：噴火槍，距離涂層10 cm左右，用火燒涂層1 min，觀察涂層是否發(fā)生變色、失光等。

2 結(jié)果與討論

2.1 硅溶膠的篩選

一般來(lái)說(shuō)，不同樹脂間的共混效果會(huì)對(duì)涂料的最終性能產(chǎn)生較大影響。樹脂間相容性不好會(huì)造成涂膜失光，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致涂料出現(xiàn)相分離而沉淀析出、發(fā)生凝膠化等現(xiàn)象，或者黏度改變對(duì)施工造成影響。從涂層物理性能方面判斷不同樹脂相容性的優(yōu)劣主要包括以下幾個(gè)方面：（1）漆膜的外觀，是否出現(xiàn)桔皮、不平整、失光等現(xiàn)象；（2）漆膜的硬度、耐磨及防腐蝕等性能。本研究選用市售多種硅溶膠作為改性劑，加入到水性丙烯酸氨基烤漆中，通過(guò)考察漆膜的附著力、硬度、光澤度等性能，初步篩選出與有機(jī)樹脂相容性好的硅溶膠，進(jìn)行后續(xù)的試驗(yàn)。不同硅溶膠對(duì)涂層基本性能的影響如表2所示。

表2 不同硅溶膠對(duì)涂層性能的影響Table 2 Effect of different silica sol on coating properties

從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，與未加入硅溶膠的空白樣相比，加入硅溶膠后涂層的硬度均有了明顯的提高；而涂層與基材的附著力則略有下降；由于硅溶膠與有機(jī)樹脂之間相容性的不同，造成最終涂層光澤度的表現(xiàn)差距較大；甚至破壞了某些溶膠的穩(wěn)定體系，直接導(dǎo)致凝膠化。綜合涂層的硬度和光澤度數(shù)據(jù)，Bindzil cc301和銀豐JN-30兩款硅溶膠與水性丙烯酸氨基烤漆的相容性較好，漆膜性能優(yōu)異，可以用作改性劑。

2.2 硅溶膠用量的優(yōu)化

加入硅溶膠雖然可以提高涂層的硬度和耐磨性，但是也會(huì)影響涂層的光澤、附著力等性能，需要優(yōu)化硅溶膠的添加量，使得涂層的綜合性能達(dá)到最優(yōu)。本研究以篩選出的兩款硅溶膠為改性劑，固定有機(jī)樹脂的添加量為20 %[其中m（水性丙烯酸乳液）∶m（水性聚酯乳液）=3∶1］，考察了硅溶膠的用量對(duì)涂層基本性能的影響，結(jié)果如表3所示。

表3 硅溶膠不同用量對(duì)涂層性能的影響Table 3 Effects of different silica sol additions on coating properties

由表3可以看出，2種硅溶膠在雜化體系中的表現(xiàn)類似：

（1）有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化涂層的硬度隨著硅溶膠用量的增加而逐漸增大。硅溶膠是二氧化硅膠體微粒在水中均勻擴(kuò)散形成的膠體溶液，具有較大的比表面積和較豐富的表面硅醇羥基，因此膠粒之間可以相互作用發(fā)生脫水縮合成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；另一方面，丙烯酸樹脂側(cè)鏈上也有羥基、羧基等反應(yīng)性基團(tuán)，硅溶膠也可以與其反應(yīng)而引入無(wú)機(jī)硅，因此對(duì)于提高涂層硬度的效果很明顯。

（2）隨著硅溶膠含量的提高，由于涂層中無(wú)機(jī)基團(tuán)占比增加而有機(jī)基團(tuán)所占比例降低，所以涂層的光澤度出現(xiàn)了一定程度的降低。

（3）隨著硅溶膠用量的提高，涂層的附著力、耐水煮性和耐沖擊性都出現(xiàn)了一定程度的下降。附著力測(cè)試照片如圖1所示。綜合上述各項(xiàng)性能的檢測(cè)數(shù)據(jù)，硅溶膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)以20 %為宜。

圖1 有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化涂層附著力的測(cè)試結(jié)果Figure 1 Adhesion test results of organic-inorganic hybrid coating

2.3 有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化體系附著力的優(yōu)化

附著力實(shí)際上就是一種界面作用力，是指涂膜與被涂基材表面結(jié)合在一起的牢固程度，附著力的好壞直接影響著涂層的保護(hù)性能。從涂膜在基材上的附著機(jī)理來(lái)看，涂膜與被涂基材表面的極性、涂膜的內(nèi)聚力與熱膨脹系數(shù)、涂膜對(duì)基材的潤(rùn)濕性等都會(huì)影響涂膜附著性能。

由于水的表面張力是溶劑的2～3倍，因此在涂裝過(guò)程中，水性涂料對(duì)被涂物表面的潤(rùn)濕性較差，從而影響了涂膜的附著力。往往需要添加附著力促進(jìn)劑，通過(guò)降低水性涂料的表面張力，增加涂膜與基材之間的潤(rùn)濕性與界面接觸來(lái)增加涂膜的結(jié)合牢度。本研究選用了5種附著力促進(jìn)劑，按照建議添加量加入雜化體系中，通過(guò)附著力測(cè)試和耐水煮測(cè)試，篩選出最適合雜化體系的附著力促進(jìn)劑。測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 不同附著力促進(jìn)劑對(duì)涂層性能的影響Table 4 The effects of different adhesion promoters on the properties of coating

表4結(jié)果表明，附著力促進(jìn)劑與雜化體系的相容性較好，對(duì)涂層的60°光澤及耐水煮性基本沒(méi)有影響。與空白樣相比，雜化體系中加入附著力促進(jìn)劑后對(duì)涂膜與基材的結(jié)合牢度有了不同程度的改善，W450在體系中的表現(xiàn)最好，涂膜百格附著力已提升至接近0級(jí)水平。

2.4 有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化涂層的綜合性能

按照經(jīng)過(guò)調(diào)整和優(yōu)化的配方，以硅溶膠為改性劑，制備出有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化涂料，按照與氟碳幕墻板相同的施工方法制備樣板，并對(duì)制作出的樣板進(jìn)行了綜合性能的測(cè)試，結(jié)果如表5所示。由表5可知，有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化涂層的綜合性能表現(xiàn)達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，特別是明火燃燒測(cè)試結(jié)果表現(xiàn)優(yōu)異（圖2）。噴火槍測(cè)試后涂層僅有失光現(xiàn)象，無(wú)變色現(xiàn)象，與氟碳幕墻板相比，更適合應(yīng)用在人流密集的公共場(chǎng)所。

表5 有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化涂層的綜合性能測(cè)試結(jié)果Table 5 Test results of comprehensive properties of organic-inorganic hybrid coating

圖2 明火燃燒測(cè)試結(jié)果Figure 2 Open flame combustion test resutls

3 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)在水性丙烯酸氨基烤漆中引入硅溶膠來(lái)改善涂層的性能是可行的。硅溶膠的加入使得涂層的硬度有明顯提高，但涂層的光澤、附著力、耐沖擊性等會(huì)有一定程度的下降。當(dāng)硅溶膠的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20 %時(shí)，得到的有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化涂層的綜合性能較好。

（2）通過(guò)加入附著力促進(jìn)劑，有效改善了有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化涂層與基材之間的附著力，百格法附著力從1級(jí)上升至0級(jí)，效果良好。

（3）采用與氟碳幕墻板相同的施工方法，將制備出的有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化涂層制成樣板，測(cè)試結(jié)果表明，涂層的綜合性能良好；明火燃燒測(cè)試中涂層僅有失光，而無(wú)變色現(xiàn)象，這說(shuō)明其防火性能優(yōu)異，可以作為室內(nèi)裝飾幕墻板涂層應(yīng)用于公共場(chǎng)所。